entdeckt_01_2016

TITEL // DAS FORSCHUNGSMAGAZIN AUS DEM HZDR WWW.HZDR.DE 18 19 Speziesanalytik – das ist das Schlagwort, das hinter diesen Erkenntnissen steckt. Und auf dem Gebiet der Speziesanalytik von Radionukliden gehören die HZDR-Forscher zur Weltspitze. Gerhard Geipel und seine Abteilung „Biogeochemie“ untersu- chen verschiedene Arten – Spezies – eines Elements, wobei die Art der Verbindung, in der das Element vorliegt, und die unterschiedlichen Oxidationsstufen berücksichtigt werden. „Mit den gängigen Analysemethoden wird in der Regel lediglich der Gesamtgehalt eines Elements nachgewiesen“, sagt Geipel. „Aber bei Schwermetallen wie Quecksilber oder auch den radioaktiven Elementen ist eine Unterscheidung angebracht. Denn die verschiedenen Spezies haben ganz unterschiedliche Eigenschaften und verhalten sich abweichend, sei es im Stoff- wechsel von Mensch und Tier sowie in anderen biologischen oder geologischen Systemen. Damit weisen die verschiedenen Spezies auch ganz unterschiedliche Toxizitäten auf.“ Den Weg der Radionuklide verfolgen Geipel und seine Kollegen wollen mithilfe der Speziesanalytik dazu beitragen, das Verhalten von Radionukliden in der Bio- sphäre vorherzusagen. Dazu untersuchen die Wissenschaftler, wie sich Uran und andere Radionuklide in verschiedenen naturnahen Modellsystemen verhalten. Mit ihren Untersu- chungen liefern sie wichtige Daten für die Endlagerforschung. Denn für radioaktive Abfälle aus Atomkraftwerken wird in Deutschland derzeit nach einem Standort für ein Endlager gesucht, in dem die ausgedienten Brennstäbe, die vor allem aus Uran bestehen, über einen sehr langen Zeitraum von der Biosphäre isoliert werden können. Mögliche geologische For- mationen dafür sind Tone, Salzstöcke oder kristalline Gestei- ne; sie gelten als geeignete Barrieren. Wie verhalten sich aber die Abfälle, wenn Wasser in das Lager eindringt, die Behälter korrodieren und Radionuklide freige- setzt werden? In den Gesteinen herrschen sehr unterschied- liche Bedingungen, angefangen von möglichen Liganden, mit denen das Nuklid eine chemische Bindung eingehen kann, über den pH-Wert bis zu Druck, Temperatur und schließlich auch anwesenden Bakterien oder Pilzen. Dieses komplexe chemisch-physikalisch-biologische Milieu bestimmt, welche Spezies auftreten. Und das entscheidet wiederum darüber, ob die Radionuklide leicht transportiert werden oder eher unbeweglich sind. Die gewonnenen Daten sind wichtig für die Beurteilung von möglichen Endlagern, aber auch für die Forschung zu ehema- ligen Uran-Bergbaugebieten in Sachsen, wo man beispiels- weise Halden untersucht und wissen möchte, wie sich deren radioaktive Bestandteile ausbreiten. Anhand der Messwerte können die Wissenschaftler Risikoabschätzungen für das jeweilige untersuchte System treffen. Schließlich liefern die Untersuchungen auch eine Datenbasis, mit der sich nukleare Unfälle oder Dekontaminationsarbeiten wie die in Hanford besser bewältigen lassen. Wie Pflanzen Uran aufnehmen Seit mehr als 20 Jahren haben die Forscher am HZDR die nötige Technik zur Speziesanalyse von Uran und anderen Actiniden aufgebaut und immer weiter verfeinert. Wichtigstes Verfahren dabei ist die laserinduzierte Fluoreszenzspektros- kopie. Das Institut verfügt über ein ganzes Arsenal an Laser- systemen, um die Verbindungen, die die Actiniden eingehen, genau bestimmen zu können. Der Chemiker Geipel erklärt das Prinzip der Fluoreszenzspektroskopie: „Die Energie des Laserlichts regt die Atome in der Probe an, und Elektronen in der Atomhülle werden auf energiereichere Niveaus ange- hoben. Wenn die Elektronen auf ihre ursprünglichen Niveaus zurückfallen, senden sie ihrerseits Licht aus.“ Diese Fluores- zenz wird mit einem Spektrographen und einem angeschlos- senen speziellen Kamerasystem analysiert. So bestimmen die HZDR-Forscher aus der Wellenlänge des emittierten Lichts und dessen Lebensdauer, welche Spezies in welcher Konzent- ration vorliegt. „Das Verfahren eignet sich zum Beispiel sehr gut, um ver- schiedene Spezies von vierwertigem und sechswertigem Uran zu bestimmen“, so Geipel. Jedes Ion spricht auf eine andere Anregungswellenlänge an, die am Laser exakt eingestellt werden kann. „Anhand der gemessenen Fluoreszenz können wir genau unterscheiden, wie das Uran gebunden ist.“ Unter- sucht werden in Dresden Erd- und Wasserproben, aber auch rein organisches Material. So stießen die Forscher auf eine Pflanze, die auf Bergbauhalden in Johanngeorgenstadt gedeiht und besonders hohe Uran-Gehalte aufweist. Durch Untersu- chungen mit der Fluoreszenzspektroskopie konnten Geipel und seine Kollegen ermitteln, in welcher Form die Pflanze das Radionuklid aufnimmt und in den Zellen ablagert. In der Bio- oder Geosphäre verbinden sich Radionuklide oftmals mit anorganischen Stoffgruppen wie Carbonat, Phosphat oder Arsenat. Doch kommen auch organische Substanzen als Liganden in Frage, etwa Bestandteile von Humus, Reste von Lösemitteln oder medizinische Abfälle. Um diese Metall-Organik- Komplexe zu untersuchen, greifen die Wissenschaftler auf die sogenannte Femtosekunden-Fluoreszenzspektroskopie zurück. Dabei werden durch einen ultrakurzen Laserpuls die Die Daten helfen bei der Suche nach einem möglichen Endlagerstandort.

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