Redoxchemie in natürlichen Gewässern

Die Redoxchemie bestimmt den Oxidationszustand von Kohlenstoff, Stickstoff, Schwefel, Eisen und vielen anderen Elementen in natürlichen Gewässern und strukturiert aquatische Systeme von oxischen Oberflächengewässern bis zu anoxischen Sedimenten.

Definition

Die Untersuchung von Elektronentransferreaktionen und Redoxbedingungen, die die Oxidationszustände gelöster und partikulärer Spezies in natürlichen Gewässern steuern.

Scope

Dieses Thema behandelt Oxidations-Reduktions-Gleichgewichte und -Kinetiken in natürlichen Gewässern, die Verwendung von Elektronenaktivität (pE) und Eh als Mastervariablen, die Reihenfolge der mikrobiell vermittelten Elektronenakzeptor-Nutzung und die Redox-Transformationen von Schlüsselelementen über oxisch-anoxische Grenzen hinweg.

Core questions

• Wie beschreiben pE und Eh die Redoxbedingungen im Wasser?
• Warum werden Elektronenakzeptoren in einer vorhersagbaren Reihenfolge verwendet?
• Wie steuern Redoxübergänge die Chemie von Eisen, Mangan, Schwefel und Stickstoff?
• Wo bestimmen Kinetiken und nicht das Gleichgewicht die Redoxergebnisse?

Key theories

Redoxleiter der Elektronenakzeptoren

Wenn organische Materie oxidiert wird, nutzen mikrobielle Gemeinschaften Elektronenakzeptoren in der Reihenfolge abnehmender Energieausbeute, von Sauerstoff über Nitrat, Mangan- und Eisenoxide, Sulfat und schließlich Kohlendioxid, wodurch eine charakteristische vertikale Redoxzonierung entsteht.

Mechanisms

Elektronenaktivität (pE) und pH-Wert definieren gemeinsam Stabilitätsfelder für redoxsensitive Spezies, zusammengefasst in pE-pH-Diagrammen. In Sedimenten und geschichteten Gewässern verbraucht die mikrobielle Respiration Sauerstoff und dann sukzessive energieärmere Akzeptoren, was die Reduktion von Nitrat, Metalloxiden und Sulfat antreibt und assoziierte Elemente mobilisiert oder immobilisiert.

Clinical relevance

Redoxbedingungen steuern die Mobilität von Eisen, Mangan, Arsen und Nährstoffen und beeinflussen die Grundwasserqualität, die Freisetzung von Schadstoffen aus Sedimenten und die Gestaltung von Behandlungssystemen.

History

Der pE-pH-Rahmen wurde Mitte des 20. Jahrhunderts aus der Geochemie in die aquatische Chemie übernommen, und die mikrobielle Steuerung der Redoxsequenzierung wurde durch spätere biogeochemische Arbeiten geklärt.

Key figures

• Werner Stumm
• James J. Morgan

Seminal works

• stumm1996
• vanLoon2017

Frequently asked questions

Warum tritt Arsen manchmal im Grundwasser auf?

Reduzierende Bedingungen können Eisenoxide auflösen, die Arsen binden, und es ins Grundwasser freisetzen; die Redoxchemie steuert daher dieses wichtige Kontaminationsproblem.