Die Uranspeziation in ausgewählten Sicker- und Grubenwässern des ehemaligen Uranbergbaus wurde mittels spektroskopischer Methoden (TRLFS, LIPAS) untersucht. Deren Kenntnis in Abhängigkeit vom pH-Wert ermöglicht die Optimierung der Uranabtrennung mittels uranophiler Calixarene. Mittels Flüssig-Flüssig-Extraktion wurde gezeigt, dass COOH-derivatisierte Calix[6]arene als effektive Extraktionsmittel für die selektive Uranylabtrennung aus umweltrelevanten Wässern bei pH-Werten größer 4 geeignet sind und für Praxisanwendungen eingesetzt werden können. Extraktionskonstanten wurden bestimmt. Die durch Fixierung dieser Calixarenderivate auf Polyester dargestellten calixarenmodifizierten Vliese sind in der Lage Uranylionen aus synthetischen Grubenwässern in Anwesenheit von Konkurrenzionen abzutrennen. Die Untersuchungen zur Reversibilität der Uranbindung an calixarenausgerüsteten Polyestervliesen haben gezeigt, dass eine fast vollständige Regenerierung der calixarenmodifizierten Vliese mittels verdünnter Mineralsäuren möglich ist. Die regenerierten textilen Filtermaterialien können für weitere Uranabtrennungszyklen eingesetzt werden. Nach Auswahl geeigneter Calixarenderivate ist eine Übertragung des entwickelten Abtrennungsprinzipes auf weitere Actinide (z.B. Np, Pu) bzw. Schwermetall-Kontaminanten (z.B. As, Cd, Pb) möglich.

Die Uranspeziation in ausgewählten Sicker- und Grubenwässern des ehemaligen Uranbergbaus wurde mittels spektroskopischer Methoden (TRLFS, LIPAS) untersucht. Deren Kenntnis in Abhängigkeit vom pH-Wert ermöglicht die Optimierung der Uranabtrennung mittels uranophiler Calixarene. Mittels Flüssig-Flüssig-Extraktion wurde gezeigt, dass COOH-derivatisierte Calix[6]arene als effektive Extraktionsmittel für die selektive Uranylabtrennung aus umweltrelevanten Wässern bei pH-Werten größer 4 geeignet sind und für Praxisanwendungen eingesetzt werden können. Extraktionskonstanten wurden bestimmt. Die durch Fixierung dieser Calixarenderivate auf Polyester dargestellten calixarenmodifizierten Vliese sind in der Lage Uranylionen aus synthetischen Grubenwässern in Anwesenheit von Konkurrenzionen abzutrennen. Die Untersuchungen zur Reversibilität der Uranbindung an calixarenausgerüsteten Polyestervliesen haben gezeigt, dass eine fast vollständige Regenerierung der calixarenmodifizierten Vliese mittels verdünnter Mineralsäuren möglich ist. Die regenerierten textilen Filtermaterialien können für weitere Uranabtrennungszyklen eingesetzt werden. Nach Auswahl geeigneter Calixarenderivate ist eine Übertragung des entwickelten Abtrennungsprinzipes auf weitere Actinide (z.B. Np, Pu) bzw. Schwermetall-Kontaminanten (z.B. As, Cd, Pb) möglich.

Die Endlagerung von radioaktivem Abfall ist eine der vordringlichsten Aufgaben auf dem Gebiet der Kerntechnik. Als Teil der Sicherheitsanforderungen steht dabei der Schutz von Mensch und Umwelt vor den Gefahren der radioaktiven Stoffe selbst im Falle einer Freisetzung dieser Stoffe aus dem Endlager im Vordergrund. Als Basis für Langzeitsicherheitsanalysen dienen Modellierungen. Für diese sind umfassende Kenntnisse der chemisch-physikalischen Effekte und Einflüsse, die eine Mobilisierung und den Transport der Actiniden bewirken können, erforderlich. Diese Arbeit war ein eigenständiger Teil eines Projektes, welches sich mit der Aufklärung des Einflusses von Mikroorganismen auf die Ausbreitung von Actiniden bei einer Freisetzung dieser aus dem Endlager beschäftigt. Dabei wurde der Einfluss von mikrobiell produzierten Substanzen auf die Mobilisierung ausgewählter Actiniden untersucht. Die in diesem Projekt untersuchten mikrobiell produzierten Substanzen, sogenannte Bioliganden, wurden von Bakterien des Genus Pseudomonas unter speziellen Bedingungen produziert. Die von den Pseudomonaden freigesetzten Bioliganden, hier Siderophore vom Pyoverdin-Typ, haben ein hohes Potential, Metalle, insbesondere Eisen(III), zu komplexieren und so zu transportieren. Es wurde untersucht, in welcher Weise und unter welchen Bedingungen diese Bioliganden in der Lage sind, auch radioaktive Schadstoffe zu komplexieren und damit zu mobilisieren. Für die Untersuchungen wurden die α-strahlenden Actiniden Uran, Curium und Neptunium ausgewählt, weil diese auf Grund ihrer Langlebigkeit und Radiotoxizität von besonderem Interesse sind. Diese Arbeit beschäftigte sich mit der Wechselwirkung der Actiniden U(VI), Np(V) und Cm(III) mit Modellliganden, die die Funktionalitäten der Pyoverdine simulieren. Für die Metallbindung der Pyoverdine sind die Katecholgruppe des Chromophors und die funktionellen Gruppen der Peptidkette (Hydroxamsäuregruppen und α-Hydroxysäurereste) verantwortlich. Für die Simulation der Hydroxamsäuregruppen kamen dabei die Monohydroxamate Salicylhydroxamsäure (SHA) und Benzohydroxamsäure (BHA) und das natürliche Trihydroxamat Desferrioxamin B (DFO) zum Einsatz und für die Katecholgruppe das 6-Hydroxychinolin (6HQ) und 2,3-Dihydroxynaphthalin (NAP). Als Vergleichsligand wurde außerdem Benzoesäure (BA) untersucht. Für die Bestimmung der Stabilitätskonstanten zur Einschätzung der Stärke der gebildeten Komplexe, die Aufklärung der Struktur der Actinid-Ligand-Verbindungen und die Verfolgung der Änderung der Speziation der Actiniden vor und nach der Wechselwirkung mit den Modellliganden kamen verschiedene spektroskopische Verfahren wie Absorptionsspektroskopie, Laserfluoreszenzspektroskopie, Röntgenabsorptionsspektroskopie und Schwingungsspektroskopie zum Einsatz. Außerdem wurden erstmals theoretische Modellierungen zur Aufklärung der Struktur der Actinid-Modellligand-Komplexe durchgeführt. Die Ziele dieser Arbeit waren also die spektroskopische Charakterisierung und Bestimmung der Speziation und Komplexbildungskonstanten sowohl der ausgewählten Modellliganden als auch der gebildeten Actinid-Modellligand-Komplexe, die Aufklärung möglicher Strukturen der Komplexe sowie ein Vergleich der Ergebnisse mit denen der Pyoverdine. Der Vergleich der Stabilitätskonstanten der untersuchten Liganden mit den drei Actiniden U(VI), Cm(III) und Np(V) ergab im Wesentlichen folgende Reihenfolge der Komplexstärke: PYO ≥ DFO > NAP > 6HQ > SHA ≥ BHA > BA. Benzoesäure (hier wurde nur die Komplexbildung mit U(VI) untersucht) besitzt als einziger Ligand eine Carboxylfunktionalität und weist mit 103 die geringste Stabilitätskonstante auf. Die beiden Monohydroxamate SHA und BHA bilden mit allen drei Actiniden ähnlich starke 1:1-Komplexe. Bei den 1:2-Komplexen besitzt SHA mit Cm(III) und Np(V) etwas höhere Stabilitätskonstanten als BHA, wahrscheinlich verursacht durch einen stabilisierenden Einfluss der zusätzlichen phenolischen OH-Gruppe. Dieser Trend wurde auch in den theoretischen Modellierungen für die U(VI)-Komplexe beobachtet. Die natürlichen Siderophore DFO und PYO bilden die stärksten Komplexe mit den Actiniden (Stabilitätskonstanten von 1012 bis 1034). Dies liegt in der Struktur und der hohen Anzahl an funktionellen Gruppen begründet; DFO besitzt drei Hydroxamatgruppen, das Pyoverdinmolekül neben den Hydroxamatgruppen noch die Katecholgruppen der Chromophorfunktionalität. Die Modellliganden für die Chromophorfunktionalität, NAP und 6HQ, bilden stärkere Komplexe als die Monohydroxamate SHA und BHA, aber schwächere Komplexe als DFO und PYO. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass die Chromophorfunktionalität eine wichtige Rolle bei der Anbindung der Actiniden an die Pyoverdine spielt. Der Vergleich der Stabilitätskonstanten der Komplexe der Liganden SHA, BHA und 6HQ mit den drei untersuchten Actiniden U(VI), Cm(III) und Np(V) untereinander zeigte, dass die Stärke der Komplexe von U(VI) über Cm(III) zu Np(V) abnimmt. Der Grund dafür liegt in den unterschiedlichen Ladungsdichten der Actinidionen. Während das UO2 2+-Ion mit einer Koordinationszahl von 5 und einem Ionenradius von ~ 0.6 eine effektive Ladung von + 3.3 besitzt, hat das Cm3+-Ion eine effektive Ladung von + 2.6 und das NpO2+-Ion von + 2.3. Damit besitzt das NpO2+-Ion die geringste Ladungsdichte der untersuchten Actinidionen und bildet damit auch die schwächsten Komplexe mit den niedrigsten Stabilitätskonstanten. Die Stärke der Komplexe der Liganden NAP, DFO und PYO nimmt von Cm(III) über U(VI) zu Np(V) ab. Obwohl Cm(III) eine geringere effektive Ladung als U(VI) hat, bildet es stärkere Komplexe als U(VI). Eventuell sind dafür strukturelle Behinderungen der Koordination durch die lineare O=U=O Einheit verantwortlich. Die Struktur der wässrigen U(VI)-Komplexe wurde mittels EXAFS-Spektroskopie und ATRFTIR-Spektroskopie untersucht. Aus den EXAFS-Spektren ließ sich schließen, dass die Koordination des Uranylions an die Hydroxamsäuregruppen der Liganden SHA, BHA und DFO eine Verkürzung des Abstandes der äquatorialen Sauerstoffatome zur Folge hat. Im Gegensatz dazu resultiert eine Koordination des Uranylions an die Carboxylgruppe des Liganden BA in einer Verlängerung des U-Oäq Abstandes. Die Ergebnisse des NAP als Modellligand für die Chromophorfunktionalität des Pyoverdins und die Ergebnisse des Pyoverdins selbst zeigten, dass das Uranylion mit großer Wahrscheinlichkeit an die katecholischen OH-Gruppen der Chromophorfunktionalität des Pyoverdinmoleküls gebunden ist. In den Spektren der ATR-FTIR-Spektroskopie ist besonders der Bereich um die Schwingungsbande des Uranylions (961 cm-1) für die Beobachtung der Komplexbildung interessant. Dabei zeigte sich im U(VI)-BHA- und U(VI)-SHA-System eine Mischung aus zwei Komplexen mit 1:1- und 1:2-Stöchiometrie, die auch durch Speziationsrechnungen nachgewiesen werden konnten. Außerdem ließ sich anhand der Schwingungsbanden des Liganden feststellen, dass die Hydroxamsäuregruppe von SHA und BHA während der Komplexierung deprotoniert und direkt an der Komplexbildung beteiligt ist. Im Falle von SHA konnte weiterhin nachgewiesen werden, dass die phenolische OH-Gruppe bei den untersuchten pH-Werten nicht deprotoniert ist. Die pH-abhängigen Spektren des U(VI)-DFOSystems zeigten bei pH 3 die Bildung eines 1:1-Komplexes ähnlich dem der Monohydroxamate, bei Erhöhung des pH-Wertes bis pH 4 dann die Bildung eines 1:1- Komplexes, bei dem das Uranylion an zwei Hydroxamsäuregruppen gebunden ist. Dies stützt die Annahme einer 112-Stöchiometrie des Komplexes, die bei den anderen verwendeten experimentellen Methoden getätigt wurde. Durch Ausfällung aus wässrigen U(VI)-SHA- und U(VI)-BHA-Lösungen wurden Feststoffe der U(VI)-Komplexe hergestellt. Die Struktur dieser ausgefällten, pulverförmigen Feststoffe wurde mittels EXAFS, XRD und FTIR untersucht. Die Untersuchung der ausgefällten Feststoffe ergab, dass die Feststoffkomplexe mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit den in Lösung gefundenen Komplexen mit 1:2-Stöchiometrie entsprechen. Der Vergleich der Uran und Kohlenstoffgehalte der Feststoffe mit den in der Literatur beschriebenen Uranverbindungen (zur gravimetrischen Bestimmung von Urangehalten) zeigte übereinstimmende Werte. In den FTIR-Messungen wurden Banden bei 916 cm-1 beobachtet, die denen in der Lösung dem 1:2-Komplex zugeordneten Banden entsprechen. Die Ergebnisse der EXAFS-Messungen deuten auf eine unterschiedliche Nahordnung des U(VI) im Feststoff und in der Lösung hin. So ergab der Vergleich der Strukturparameter der Hydroxamat- Feststoffe mit den U(VI)-Hydroxamat-Komplexen in Lösung deutliche Unterschiede zwischen den Feststoffkomplexen und denen in Lösung. So ist in wässriger Lösung der Abstand der äquatorialen Sauerstoffatome mit 2.41 Å signifikant kürzer als der der Feststoffkomplexe mit 2.47 Å (SHA) und 2.44 Å (BHA). Die röntgendiffraktogrammischen Messungen der Festphasen ergaben reflexreiche Spektren mit signifikanten Peaks, die sich allerdings keinen bekannten U(VI)-Festphasen zuordnen ließen. In einer Kooperation mit dem Institut für Theoretische Chemie der Universität zu Köln wurden für die 1:1- und 1:2-Komplexe der wässrigen U(VI)-SHA-, U(VI)-BHA- und U(VI)-BA-Systeme erstmals theoretische Modellierungen durchgeführt. Dabei wurden die Strukturen der Komplexe sowohl in der Gasphase als auch unter Berücksichtigung der Solvatation optimiert und die relativen Stabilitäten und Anregungsspektren berechnet. Die mit DFT berechneten Bindungsenergien bestätigen die experimentell anhand der Stabilitätskonstanten log β ermittelte Reihenfolge der Komplexstabilitäten (SHA ≥ BHA > BA). Außerdem zeigen die höheren Bindungsenergien der 1:2-Komplexe, dass diese stabiler sind als die 1:1-Komplexe. Dies lässt sich auch anhand der experimentell ermittelten Stabilitätskonstanten nachweisen. Die Maxima der mit TD-DFT berechneten Anregungsspektren weichen um 0.4 ± 0.2 eV von den experimentellen UV-Vis Spektren ab. Dies zeigt die gute Übereinstimmung der berechneten Anregungsspektren mit den gemessenen UV-Vis Spektren. Für den 1:1-Komplex des U(VI)-SHA-Systems konnte mit Hilfe der theoretischen Modellierung die strukturelle Anbindung des Uranylions an die Hydroxamsäuregruppe aufgeklärt werden. Der Vergleich der berechneten Strukturen, Bindungsenergien, Bindungslängen und Anregungsspektren der beiden möglichen Anbindungsmodi [O,O] und [N,O’] zeigte deutlich, dass das Uranylion bevorzugt über die beiden Sauerstoffatome der Hydroxamsäuregruppe, also den [O,O]-Modus, gebunden wird. Die Methode der DFT konnte also dazu beitragen, Defizite in der experimentellen Aufklärung der Komplexstruktur im Fall des U(VI)-SHA-Systems zu beheben. Die Modellliganden und deren Komplexe mit U(VI), Cm(III) und Np(V) wurden zum größten Teil erstmals spektroskopisch charakterisiert sowie deren bisher weitgehend unbekannten Stabilitätskonstanten bestimmt. Außerdem konnte die Struktur der U(VI)-Hydroxamat- Komplexe mit Hilfe der ATR-FTIR-Spektroskopie und der theoretischen Modellierung aufgeklärt werden. Im Vergleich der Ergebnisse der Modellliganden mit denen der Pyoverdine konnte festgestellt werden, dass die Katecholfunktionalität der Pyoverdine eine große Rolle bei der Komplexierung mit den Actiniden spielen wird. Weiterhin ließen sich aus den Ergebnissen Schlussfolgerungen zur Stärke der gebildeten Actinid-Modellligand- und Actinid-Pyoverdin-Komplexe ziehen. Die Pyoverdine bildeten mit U(VI) Komplexe mit Stabilitätskonstanten bis 1030, mit Cm(III) bis 1032 und mit Np(V) bis 1020. Die wichtigsten, in höheren Konzentrationen vorkommenden anorganischen Komplexbildner in natürlichen Wässern sind das Hydroxidion OH- sowie das Carbonation CO32-. Diese besitzen eine hohe Komplexierungsfähigkeit und bilden mit den drei Actiniden U(VI), Cm(III) und Np(V) Komplexe mit Stabilitätskonstanten von 102 bis 1020. Der Vergleich der Konstanten von OH und CO32- mit denen der organischen, mikrobiellen Pyoverdin-Liganden zeigt, dass die Pyoverdine ähnlich starke bzw. teilweise stärkere Komplexe mit den Actiniden bilden als die anorganischen Komplexbildner. Daraus lässt sich ableiten, dass die Pyoverdine selbst in niedrigeren Konzentrationen ein hohes Potential besitzen, Actiniden in natürlichen Wässern zu binden und damit zu transportieren. Die untersuchten Bioliganden sind also in der Lage, bei Anwesenheit in der Natur in bestimmten Konzentrationen im Grundwasser Actiniden, z.B. durch Herauslösen aus Festphasen, zu mobilisieren. Damit können solche Bioliganden das Verhalten der Actiniden in der Umwelt entscheidend beeinflussen. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen dazu bei, den Einfluss der mikrobiellen Liganden auf die Mobilisierung und Ausbreitung der Actiniden besser einschätzen zu können. Damit können die Ergebnisse zur Quantifizierung des Mobilisierungseffekts der Actiniden durch freigesetzte Bioliganden im Nahfeld genutzt werden. / One of the urgent tasks in the field of nuclear technology is the final storage of radioactive substances. As a part of the safety requirements the protection of humans and the environment from the danger of radioactive substances in case of the release from the final storage is essential. For performing long-term safety calculations the detailed understanding of the physico-chemical effects and influences which cause the mobilisation and transport of actinides are necessary. The presented work was a discrete part of a project, which was focused on the clarification of the influence of microorganisms on the migration of actinides in case of the release of actinides from a final storage. The influence of microbial produced substances on the mobilisation of selected actinides was studied thereby. The microbial produced substances studied in this project were synthesized by bacteria from the Pseudomonas genus under special conditions. Fluorescent Pseudomonads secrete bacterial pyoverdin-type siderophores with a high potential to complex and transport metals, especially iron(III). The aim of the project was to determine how and under which conditions the bioligands are able to complex also radioactive substances and therefore to transport them. For this work the alpha-emitting actinides uranium, curium and neptunium were chosen because their long-life cycle and their radiotoxicity are a matter of particular interest. This work dealed with the interaction of the actinides U(VI), Np(V) and Cm(III) with model ligands simulating the functionality of the pyoverdins. The functional groups that participate in the metal binding of the pyoverdins are the catechol group of the chromophore and the ligand sites in the peptide chain, i.e. the hydroxamate groups and the α-hydroxy acid moieties. For the simulation of the hydroxamate functionality the monohydroxamates salicylhydroxamic acid (SHA) and benzohydroxamic acid (BHA) and the natural trihydroxamate desferrioxamine B (DFO) and for the simulation of the catechol groups 6-hydroxyquinoline (6HQ) and 2,3-dihydroxynaphthalene (NAP) were used. A further ligand with carboxyl functionality, benzoic acid (BA), was used as a comparison. Absorption spectroscopy, laser fluorescence spectroscopy, X-ray absorption spectroscopy and vibrational spectroscopy were applied for the determination of the stability constants to assess the strength of the formed actinide-model ligand-complexes, for the clarification of the structures of the formed complexes and to observe the variation of the speciation of the actinides during the interaction with the ligands. Furthermore, for the first time density functional theory (DFT) calculations were performed to determine the molecular structure of the actinide-modelligand-complexes. Thus, the objectives of this work were the determination of the spectroscopic properties, speciation and stability constants of the model ligands and the formed actinide-model ligand-complexes, the clarification of the complex structures and a comparison of the results with those of the pyoverdins. The comparison of the stability constants of the studied ligands with the three actinides U(VI), Cm(III) and Np(V) systems results mainly in the following order of complex strength: PYO ≥ DFO > NAP > 6HQ > SHA ≥ BHA > BA. Benzoic acid, the ligand with the carboxyl functionality, has the lowest stability constant of 103. Both monohydroxamates, SHA and BHA, form 1:1 complexes with similar stability. The stability constants of the 1:2 complexes of SHA with Cm(III) and Np(V) are slightly higher than those of BHA, which is probably caused by a stabilizing effect of the additional phenolic OH-group of SHA. This behaviour was also found in the theoretical calculations of the U(VI)-complexes. The natural siderophores DFO and PYO have the highest stability constants with U(VI) and form the strongest complexes (constants from 1012 to 1034). The reason therefore is the structure and high number of functional groups of these ligands; DFO has three hydroxamate groups, the pyoverdin molecule has the catechol groups of the chromophore functionality in addition to the hydroxamate groups. The model ligands for the chromophore functionality, NAP and 6HQ, form stronger complexes than SHA and BHA, but weaker complexes than DFO and PYO. From this it can be reasoned that the chromophore functionality probably plays an important role for the coordination of the actinides to the pyoverdins. The comparison of the stability constants of the complexes of the ligands SHA, BHA and 6HQ with the studied actinides U(VI), Cm(III) and Np(V) shows that the strength of the complex formation decreases from U(VI) via Cm(III) to Np(V). The reason therefore is the different charge density of the actinide ions. The UO22+-ion has an effective charge of + 3.3 (with a coordination number of 5 and an ionic radius of ~ 0.6), the Cm3+-ion of + 2.6 and the NpO2+-ion of + 2.3. Therefore, the neptunyl ion has the lowest charge density of the studied actinide ions and on account of this it forms the weakest complexes with the lowest stability constants. The strength of the complex formation of the ligands NAP, DFO and PYO decreases from Cm(III) via U(VI) to Np(V). Cm(III) forms stronger complexes than U(VI) although Cm(III) has a lower effective charge. The reason therefore could be a possible structural hampering of the coordination through the linear O=U=O unit. The structure of the aqueous U(VI)-complexes was studied using EXAFS spectroscopy and FTIR spectroscopy. From the results of the EXAFS spectra one can conclude that the coordination of the uranyl ion to the hydroxamic acid groups of the SHA, BHA and DFO ligands results in a shortening of the distance of the equatorial oxygen atoms. In contrast to this the coordination of the uranyl ion to the carboxyl group of BA yields in a longer U-Oeq bond length. From the findings of the EXAFS studies with NAP and pyoverdin one can conclude a strong affinity of U(VI) to the catechol functionality of the pyoverdin molecule. For the observation of the complexation in the ATR-FTIR spectra the region around the vibration band of the uranyl ion (916 cm-1) is interesting to observe. In the spectra of the U(VI)-BHA- and U(VI)-SHA-system a mixture of two complexes with 1:1 and 1:2 stoichiometry was observed, which was also existing in the speciation. Furthermore, on the basis of the vibration bands of the ligands it could be ascertained that the hydroxamate groups of SHA and BHA are deprotonated and directly involved in the complexation. Also, in case of SHA it could be verified that the phenolic OH-group is protonated at the investigated pH values. At pH 3 the pH dependent spectra of the U(VI)-DFO-system showed the formation of a 1:1 complex similar to those of the monohydroxamates. With increasing pH up to 4 the formation of a 1:1 complex was observed, in which the uranyl ion is bound to two hydroxamic acid groups. This underlines the assumption that the complex had a 112-stoichiometry, which was concluded on the basis of the other used experimental methods. Solid phases of U(VI) complexes were assembled by precipitation from the aqueous U(VI)-SHA and U(VI)-BHA solutions. The structure of these powder solids was analyzed using EXAFS, XRD and FTIR. The analysis of the solid phases showed that the solid complexes are most likely consistent with the complexes in aqueous solution with 1:2 stoichiometrie. The comparison of the uranium and carbon percentage of the solids with those of the uranium compounds described in the literature (for the gravimetric estimation of uranium contents) results in analogue values. In the FTIR spectra of the solids vibration bands at 916 cm-1 were observed according to the bands of the 1:2 complexes in aqueous solution. The results of the EXAFS measurements indicated a different short-range order of the U(VI) in solid phases and solutions. The comparison of the structural parameters of the solid phases with those of the aqueous U(VI)-hydroxamate complex species points to strong differences. Thus, in aqueous solution the distance of the equatorial oxygen atoms of 2.41 Å is significant shorter than those of the solid complexes with 2.47 Å (SHA) and 2.44 Å (BHA). The XRD measurements showed spectra high in reflexes and with significant peaks which could not be assigned to known U(VI) solid phases. In a cooperation with the Institute of Theoretical Chemistry at the University of Cologne density functional theory (DFT) calculations were performed to determine the molecular structure of 1:1 and 1:2 U(VI)-complexes with SHA, BHA and BA. The precise molecular structures of the complexes in gas phase have been calculated as well as the relative stabilities and the time-dependent DFT excitation spectra with consideration of the solvation effects. The relative stabilities calculated with DFT confirm the order of strength of the complexes determined using the stability constants log β (SHA ≥ BHA > BA). Furthermore, the higher binding energies of the 1:2 complexes point to a higher complex stability of these complexes in comparison to the corresponding 1:1 complexes. This could be also demonstrated by means of the stability constants determined by the experimental studies. The peak maxima of the TD-DFT excitation spectra deviate at 0.4 ± 0.2 eV from the absorption maxima of the experimental UV-vis spectra. Thus, calculated and experimental spectra show a good qualitative agreement. For the 1:1 complex of the U(VI)-SHA-system the structurally coordination of the uranium ion to the hydroxamate group could be clarified with the help of the theoretical modelling. The comparison of the calculated structures, binding energies, bond lengths and excitation spectra of the two possible coordination modes [O,O] and [N,O’] showed clearly that the uranyl ion is bound preferable to the two oxygen atoms of the hydroxamate group ([O,O]-mode). Therefore, the method of DFT could contribute to eliminate shortcomings in the experimental determination of the complex structure in case of the U(VI)-SHA-system. The model ligands and their complexes with U(VI), Cm(III) and Np(V) were characterized spectroscopically and their widely unknown stability constants were determined for the first time. Furthermore, the structures of the U(VI)-hydroxamate-complexes were clarified using ATR-FTIR spectroscopy and theoretical calculations. The comparison of the results of the model ligands with those of the pyoverdins showed that the chromophore functionality of the pyoverdins probably plays an important role for the coordination of the actinides to the pyoverdins. Furthermore, conclusions to the strength of the formed actinide-model ligandand actinide-pyoverdin-complexes could be drawn from those results. The pyoverdins formed U(VI)-complexes with stability constants up to 1030, Cm(III)-complexes with constants up to 1032 and Np(V)-complexes with values up to 1020. The hydroxide ion OH- and the carbonato ion CO32- are the most important inorganic complexing agents in natural aquatic systems. They are highly concentrated and have great complexing ability. With the three studied actinides U(VI), Cm(III) and Np(V) complexes with stability constants from 102 to 1020 were formed. The comparison of the constants of OH- and CO3 2- with those of the organic microbial ligands showed that the pyoverdins complexes the actinides with similar and particularly higher strength than the inorganic complexing agents. Thus, it appears that the pyoverdins have a high potential to bind actinides and transport them in natural aquatic systems even though the pyoverdins exist in lower concentrations. Therefore, the studied bioligands are able to mobilize the actinides in natural aquatic systems, for example through dissolving them from solid phases, if they are present in the nature in specific concentrations. So, such bioligands can essentially influence the behaviour of actinides in the environment. The results of this work contribute to a better understanding and assessment of the influence of the microbial ligands to the mobilisation and migration of the radionuclides. The outcomes could be used to quantify the actinide-mobilising effect of the bioligands, which are released, for example, in the vicinity of a nuclear waste disposal site.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit experimentellen Untersuchungen zur physikalisch-chemischen und strukturellen Charakterisierung von neuartigen supramolekularen Kristalleinschlussverbindungen am Beispiel der Clathrate der Wirtverbindung 2,2’-bis(9-hydroxy-9-fluorenyl)biphenyl mit Aceton (polar) sowie Chloroform (unpolar). Durch die Kombination von Röntgenstrukturanalysen mit systematischen Messungen thermodynamischer Größen wie Löslichkeit, Einschluss-, Zersetzungs-, Lösungs- und Kristallisationsenthalpien konnten neue Erkenntnisse bezüglich der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen sowie zur Rolle der Wirt-Gast Wechselwirkungen in den existierenden Einschlussverbindungen abgeleitet werden. Die Einschlussbildung bzw. Kristallisation verläuft für alle untersuchten Clathratphasen exotherm. Dies bedeutet, dass die Einschlussverbindungen gegenüber dem reinem Wirt energetisch stark begünstigt sind. Der bestimmende Beitrag hierfür resultiert aus der Bildung eines optimal gepackten Kristallgitters, während spezifische Wirt-Gast Wechselwirkungen nur eine untergeordnete Rolle spielen. Das Zersetzungsverhalten der verschiedenen Clathratphasen kann widerspruchsfrei aus der Packungsstruktur der Kristalle erklärt werden.

Um das Verhalten von Actiniden im Menschen (Stoffwechsel), in geologischen und in biologischen Systemen vorherzusagen, ist es erforderlich deren Speziation genau zu kennen. Zur Bestimmung dieser wird das chemische Verhalten des Urans hinsichtlich Komplexbildungsreaktionen und Redoxreaktionen in Modellsystemen untersucht. Anhand der gewonnenen thermodynamischen Konstanten und dem Redoxverhalten können Risikoabschätzungen für das jeweilige untersuchte System getroffen werden. Das umweltrelevante Uran(IV)-Uran(VI)-Redoxsystem besitzt mit der metastabilen fünfwertigen Oxidationsstufe einen zumeist kurzlebigen Zwischenzustand. Innerhalb dieser Arbeit gelang es erstmalig die Uran(V)-Fluoreszenz mittels laserspektroskopischer Methoden nach zu weisen. Beispielsweise konnte das Bandenmaximum von aquatischem Uranyl(V) im perchlorhaltigem Medium (λex = 255 nm) mit 440 nm, bei einer Fluoreszenzlebensdauer von 1,10 ± 0,02 µs bestimmt werden. Die fluoreszenzspektroskopische Untersuchung eines aquatischen [U(V)O2(CO3)3]5--Komplexes (λex= 255 nm und 408 nm) zeigte bei Raumtemperatur keine Fluoreszenz. Durch Anwendung der Tieftemperaturtechnik wurden bekannte Quencheffekte des Carbonats unterdrückt, so dass bei beiden Anregungswellenlängen ein für Uran(V) typisches Fluoreszenzspektrum im Bereich von 375 nm bis 450 nm, mit Bandenmaxima bei 401,5 nm (λex = 255 nm) und 413,0 nm (λex = 408 nm) detektiert werden konnte. Darüber hinaus konnte bei 153 K (λex = 255 nm) eine Fluoreszenzlebensdauer von 120 ± 0,1 µs bestimmt werden. Untersetzt wurden diese fluoreszenzspektroskopischen Nachweise durch mikroskopische Studien verschiedener Uran(IV)-Festphasen (Uraninit…UO2, Uran(IV) Tetrachlorid…UCl4) und einer sulfathaltigen Uran(IV)-Lösung (UIVSO4). Diese wurden durch kontinuierliche Sauerstoffzufuhr zu Uran(VI) oxidiert. Die ablaufende Oxidation wurde mit dem konfokalen Laser Scanning Mikroskop (CLSM) verfolgt, wobei die Proben mit einer Wellenlänge von 408 nm zur Fluoreszenz angeregt wurden. Die auftretenden Bandenmaxima bei 445,5 nm (UO2), bei 445,5 nm (UCl4) und bei 440,0 nm (UIVSO4) konnten eindeutig der Uran(V)-Fluoreszenz zugeordnet werden. Zur Bestimmung thermodynamischer Konstanten mit Hilfe der Tieftemperaturfluoreszenz wurde zunächst der Einfluss der Temperatur auf das Fluoreszenzverhalten des freien Uranyl(VI)-Ions näher betrachtet. Es zeigte sich, dass mit Erwärmung der Probe (T>298 K) die Fluoreszenzlebensdauer von 1,88 µs (298 K) deutlich absinkt. Die Fluoreszenzintensität verringerte sich dabei um 2,3 % pro 1 K zwischen 273 K und 313 K. Im Gegensatz dazu, steigt die Fluoreszenzlebensdauer um das 150-fache auf 257,9 µs bei einer Verminderung der Temperatur (T <298 K) auf 153 K. Das weitere Absenken der Temperatur (T <153 K) zeigte keinen Einfluss auf die Fluoreszenzlebensdauer. Die Lage der Hauptemissionsbanden des freien Uranyl(VI)-Ions (488,0 nm, 509,4 nm, 532,4 nm, 558,0 nm, 586,0 nm) zeigte bei diesen Untersuchungen keine temperaturabhängige Verschiebung. Die Validierung der Tieftemperaturtechnik zur Bestimmung thermodynamischer Konstanten mittels zeitaufgelöster laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie erfolgte anhand des Uran(VI)-Citrat-Systems. Im Gegensatz zu bisherigen fluoreszenzspektroskopischen Betrachtungen bei Raumtemperatur wurde das Fluoreszenzsignal bei tiefen Temperaturen mit einsetzender Komplexierung nicht gequencht, woraus die Ausprägung einer gut interpretierbaren Fluoreszenz resultierte. Die Analyse der spektralen Daten mit SPECFIT ergaben mit log β101 = 7,24 ± 0,16 für den [UO2(Cit)]--Komplex und log β202 = 18,90 ± 0,26 für den [(UO2)2(Cit)2]2 -Komplex exakt die in der Literatur angegebenen Stabilitätskonstanten. Zudem konnten Einzelkomponentenspektren mit Bandenmaxima bei 475,3 nm, 591,8 nm, 513,5 nm, 537,0 nm und 561,9 nm für den 1:0:1-Komplex und 483,6 nm, 502,7 nm, 524,5 nm, 548,1 nm und 574,0 nm für den 2:0:2-Komplex und Fluoreszenzlebensdauern von 79 ± 15 µs (1:0:1) und 10 ± 3 µs (2:0:2) bestimmt werden. Zur Modellkomplexierung des Uran-Citrat-Systems wurde in dieser Arbeit auch das Komplexbildungsverhalten von U(IV) in Gegenwart von Citronensäure untersucht. Hierbei wurden über den gesamten pH-Wertbereich gelöste Uran-Citrat-Spezies spektroskopisch nachgewiesen und die Stabilitätskonstanten sowie die Einzelkomponentenspektren für die neu gebildeten Uran(IV) und (VI)-Spezies bestimmt. Für die neu gebildeten Citrat-Komplexe des sechswertigen Urans wurden Komplexbildungskonstanten von log β203 = 22,67 ± 0,34 ([(UO2)2(Cit)3]5-) und log β103 = 12,35 ± 0,22 ([UO2(Cit)3]7-) und für die Komplexe des vierwertigen Urans von log β1-21 = -9,74 ± 0,23 ([U(OH)2Cit]-) und log β1 31 = -20,36 ± 0,22 ([U(OH)3Cit]2-) bestimmt. Untersuchungen zum Redoxverhalten von Uran in Gegenwart von Citronensäure zeigten unter aeroben und anaeroben Versuchsbedingungen eine photochemische Reduktion vom U(VI) zu U(IV), welche spektroskopisch nachgewiesen werden konnte. Dabei zeigt speziell die Reaktion unter oxidierenden Bedingungen, welchen großen Einfluss vor allem organischen Liganden auf das chemische Verhalten des Urans haben können. Sowohl die Reduktion unter O2- als auch die unter N2-Atmosphäre, weisen ein Maximum bei einem pH Wert von 3,5 bis 4 auf. Unter anaeroben Bedingungen reduziert die Citronensäure mit ca. 66 %, 14 % mehr Uran(VI) zu Uran(IV) als unter anaeroben Bedingungen mit ca. 52 %. Ab einem pH-Wert von 7 konnte eine Reduktion nur unter sauerstofffreien Bedingungen festgestellt werden. Die Wechselwirkung von U(VI) in Gegenwart von Glucose wurde hinsichtlich Reduktion und Komplexierung des Uran(VI) betrachtet. Mit Hilfe der zeitaufgelösten laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie bei tiefen Temperaturen wurde dabei ein Uranyl(VI)-Glucose-Komplex nachgewiesen. Die Komplexierung wurde lediglich bei pH 5 beobachtet und weist eine Komplexbildungskonstante von log βI=0,1 M = 15,25 ± 0,96 für den [UO2(C6H12O6)]2+-Komplex auf. Mit einer Fluoreszenzlebensdauer von 20,9 ± 2,9 µs und den Hauptemissionsbanden bei 499,0nm, 512,1 nm, 525,2 nm, 541,7 nm und 559,3 nm konnte der Uranyl(VI)-Glucose-Komplex fluoreszenzspektroskopisch charakterisiert werden. Unter reduzierenden Bedingungen wurde, ab pH-Wert 4 eine auftretende Umwandlung vom sechswertigen zum vierwertigen Uran durch Glucose in Gegenwart von Licht beobachtet. Der Anteil an gebildetem Uran(IV) steigt asymptotischen bis zu einem pH-Wert von 9, wo das Maximum mit 16 % bestimmt wurde. Als Reaktionsprodukt der Redoxreaktion wurde eine Uran(VI)-Uran(IV)-Mischphase mit der Summenformel [UIV(UVIO2)5(OH)2]12+ identifiziert. Mit Hilfe der cryo-TRLFS wurde, durch Verminderung von Quencheffekten die Uranspeziation in natürlichen Medien (Urin, Mineralwasser) direkt bestimmt. Proben mit Uran Konzentrationen von < 0,1 µg/L konnten dadurch analysiert werden. In handelsüblichen Mineralwässern wurde die zu erwartende Komplexierung durch Carbonat nachgewiesen. Im Urin zeigte sich in Abhängigkeit vom pH-Wert eine unterschiedliche Uranspeziation. Die fluoreszenzspektroskopische Untersuchung wies bei niedrigerem pH Wert (pH<6) eine Mischung aus Citrat- und Phosphat-Komplexierung des U(VI) und bei höheren pH-Wert (pH>6) eine deutliche Beteilung von Carbonat an der Komplexierung auf. Diese Ergebnisse stehen in sehr guter Übereinstimmung mit theoretischen Modellrechnungen zur Uranspeziation im Urin. Die in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse zeigen, dass für eine zuverlässigere Prognose des Urantransportes in Geo- und Biosphäre in Zukunft nicht nur Betrachtungen zur Komplexchemie, sondern auch zum Redoxverhalten des Urans nötig sind, um die Mobilität in der Natur richtig abschätzen zu können.

Die Endlagerung von radioaktivem Abfall ist eine der vordringlichsten Aufgaben auf dem Gebiet der Kerntechnik. Als Teil der Sicherheitsanforderungen steht dabei der Schutz von Mensch und Umwelt vor den Gefahren der radioaktiven Stoffe selbst im Falle einer Freisetzung dieser Stoffe aus dem Endlager im Vordergrund. Als Basis für Langzeitsicherheitsanalysen dienen Modellierungen. Für diese sind umfassende Kenntnisse der chemisch-physikalischen Effekte und Einflüsse, die eine Mobilisierung und den Transport der Actiniden bewirken können, erforderlich. Diese Arbeit war ein eigenständiger Teil eines Projektes, welches sich mit der Aufklärung des Einflusses von Mikroorganismen auf die Ausbreitung von Actiniden bei einer Freisetzung dieser aus dem Endlager beschäftigt. Dabei wurde der Einfluss von mikrobiell produzierten Substanzen auf die Mobilisierung ausgewählter Actiniden untersucht. Die in diesem Projekt untersuchten mikrobiell produzierten Substanzen, sogenannte Bioliganden, wurden von Bakterien des Genus Pseudomonas unter speziellen Bedingungen produziert. Die von den Pseudomonaden freigesetzten Bioliganden, hier Siderophore vom Pyoverdin-Typ, haben ein hohes Potential, Metalle, insbesondere Eisen(III), zu komplexieren und so zu transportieren. Es wurde untersucht, in welcher Weise und unter welchen Bedingungen diese Bioliganden in der Lage sind, auch radioaktive Schadstoffe zu komplexieren und damit zu mobilisieren. Für die Untersuchungen wurden die α-strahlenden Actiniden Uran, Curium und Neptunium ausgewählt, weil diese auf Grund ihrer Langlebigkeit und Radiotoxizität von besonderem Interesse sind. Diese Arbeit beschäftigte sich mit der Wechselwirkung der Actiniden U(VI), Np(V) und Cm(III) mit Modellliganden, die die Funktionalitäten der Pyoverdine simulieren. Für die Metallbindung der Pyoverdine sind die Katecholgruppe des Chromophors und die funktionellen Gruppen der Peptidkette (Hydroxamsäuregruppen und α-Hydroxysäurereste) verantwortlich. Für die Simulation der Hydroxamsäuregruppen kamen dabei die Monohydroxamate Salicylhydroxamsäure (SHA) und Benzohydroxamsäure (BHA) und das natürliche Trihydroxamat Desferrioxamin B (DFO) zum Einsatz und für die Katecholgruppe das 6-Hydroxychinolin (6HQ) und 2,3-Dihydroxynaphthalin (NAP). Als Vergleichsligand wurde außerdem Benzoesäure (BA) untersucht. Für die Bestimmung der Stabilitätskonstanten zur Einschätzung der Stärke der gebildeten Komplexe, die Aufklärung der Struktur der Actinid-Ligand-Verbindungen und die Verfolgung der Änderung der Speziation der Actiniden vor und nach der Wechselwirkung mit den Modellliganden kamen verschiedene spektroskopische Verfahren wie Absorptionsspektroskopie, Laserfluoreszenzspektroskopie, Röntgenabsorptionsspektroskopie und Schwingungsspektroskopie zum Einsatz. Außerdem wurden erstmals theoretische Modellierungen zur Aufklärung der Struktur der Actinid-Modellligand-Komplexe durchgeführt. Die Ziele dieser Arbeit waren also die spektroskopische Charakterisierung und Bestimmung der Speziation und Komplexbildungskonstanten sowohl der ausgewählten Modellliganden als auch der gebildeten Actinid-Modellligand-Komplexe, die Aufklärung möglicher Strukturen der Komplexe sowie ein Vergleich der Ergebnisse mit denen der Pyoverdine. Der Vergleich der Stabilitätskonstanten der untersuchten Liganden mit den drei Actiniden U(VI), Cm(III) und Np(V) ergab im Wesentlichen folgende Reihenfolge der Komplexstärke: PYO ≥ DFO &amp;gt; NAP &amp;gt; 6HQ &amp;gt; SHA ≥ BHA &amp;gt; BA. Benzoesäure (hier wurde nur die Komplexbildung mit U(VI) untersucht) besitzt als einziger Ligand eine Carboxylfunktionalität und weist mit 103 die geringste Stabilitätskonstante auf. Die beiden Monohydroxamate SHA und BHA bilden mit allen drei Actiniden ähnlich starke 1:1-Komplexe. Bei den 1:2-Komplexen besitzt SHA mit Cm(III) und Np(V) etwas höhere Stabilitätskonstanten als BHA, wahrscheinlich verursacht durch einen stabilisierenden Einfluss der zusätzlichen phenolischen OH-Gruppe. Dieser Trend wurde auch in den theoretischen Modellierungen für die U(VI)-Komplexe beobachtet. Die natürlichen Siderophore DFO und PYO bilden die stärksten Komplexe mit den Actiniden (Stabilitätskonstanten von 1012 bis 1034). Dies liegt in der Struktur und der hohen Anzahl an funktionellen Gruppen begründet; DFO besitzt drei Hydroxamatgruppen, das Pyoverdinmolekül neben den Hydroxamatgruppen noch die Katecholgruppen der Chromophorfunktionalität. Die Modellliganden für die Chromophorfunktionalität, NAP und 6HQ, bilden stärkere Komplexe als die Monohydroxamate SHA und BHA, aber schwächere Komplexe als DFO und PYO. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass die Chromophorfunktionalität eine wichtige Rolle bei der Anbindung der Actiniden an die Pyoverdine spielt. Der Vergleich der Stabilitätskonstanten der Komplexe der Liganden SHA, BHA und 6HQ mit den drei untersuchten Actiniden U(VI), Cm(III) und Np(V) untereinander zeigte, dass die Stärke der Komplexe von U(VI) über Cm(III) zu Np(V) abnimmt. Der Grund dafür liegt in den unterschiedlichen Ladungsdichten der Actinidionen. Während das UO2 2+-Ion mit einer Koordinationszahl von 5 und einem Ionenradius von ~ 0.6 eine effektive Ladung von + 3.3 besitzt, hat das Cm3+-Ion eine effektive Ladung von + 2.6 und das NpO2+-Ion von + 2.3. Damit besitzt das NpO2+-Ion die geringste Ladungsdichte der untersuchten Actinidionen und bildet damit auch die schwächsten Komplexe mit den niedrigsten Stabilitätskonstanten. Die Stärke der Komplexe der Liganden NAP, DFO und PYO nimmt von Cm(III) über U(VI) zu Np(V) ab. Obwohl Cm(III) eine geringere effektive Ladung als U(VI) hat, bildet es stärkere Komplexe als U(VI). Eventuell sind dafür strukturelle Behinderungen der Koordination durch die lineare O=U=O Einheit verantwortlich. Die Struktur der wässrigen U(VI)-Komplexe wurde mittels EXAFS-Spektroskopie und ATRFTIR-Spektroskopie untersucht. Aus den EXAFS-Spektren ließ sich schließen, dass die Koordination des Uranylions an die Hydroxamsäuregruppen der Liganden SHA, BHA und DFO eine Verkürzung des Abstandes der äquatorialen Sauerstoffatome zur Folge hat. Im Gegensatz dazu resultiert eine Koordination des Uranylions an die Carboxylgruppe des Liganden BA in einer Verlängerung des U-Oäq Abstandes. Die Ergebnisse des NAP als Modellligand für die Chromophorfunktionalität des Pyoverdins und die Ergebnisse des Pyoverdins selbst zeigten, dass das Uranylion mit großer Wahrscheinlichkeit an die katecholischen OH-Gruppen der Chromophorfunktionalität des Pyoverdinmoleküls gebunden ist. In den Spektren der ATR-FTIR-Spektroskopie ist besonders der Bereich um die Schwingungsbande des Uranylions (961 cm-1) für die Beobachtung der Komplexbildung interessant. Dabei zeigte sich im U(VI)-BHA- und U(VI)-SHA-System eine Mischung aus zwei Komplexen mit 1:1- und 1:2-Stöchiometrie, die auch durch Speziationsrechnungen nachgewiesen werden konnten. Außerdem ließ sich anhand der Schwingungsbanden des Liganden feststellen, dass die Hydroxamsäuregruppe von SHA und BHA während der Komplexierung deprotoniert und direkt an der Komplexbildung beteiligt ist. Im Falle von SHA konnte weiterhin nachgewiesen werden, dass die phenolische OH-Gruppe bei den untersuchten pH-Werten nicht deprotoniert ist. Die pH-abhängigen Spektren des U(VI)-DFOSystems zeigten bei pH 3 die Bildung eines 1:1-Komplexes ähnlich dem der Monohydroxamate, bei Erhöhung des pH-Wertes bis pH 4 dann die Bildung eines 1:1- Komplexes, bei dem das Uranylion an zwei Hydroxamsäuregruppen gebunden ist. Dies stützt die Annahme einer 112-Stöchiometrie des Komplexes, die bei den anderen verwendeten experimentellen Methoden getätigt wurde. Durch Ausfällung aus wässrigen U(VI)-SHA- und U(VI)-BHA-Lösungen wurden Feststoffe der U(VI)-Komplexe hergestellt. Die Struktur dieser ausgefällten, pulverförmigen Feststoffe wurde mittels EXAFS, XRD und FTIR untersucht. Die Untersuchung der ausgefällten Feststoffe ergab, dass die Feststoffkomplexe mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit den in Lösung gefundenen Komplexen mit 1:2-Stöchiometrie entsprechen. Der Vergleich der Uran und Kohlenstoffgehalte der Feststoffe mit den in der Literatur beschriebenen Uranverbindungen (zur gravimetrischen Bestimmung von Urangehalten) zeigte übereinstimmende Werte. In den FTIR-Messungen wurden Banden bei 916 cm-1 beobachtet, die denen in der Lösung dem 1:2-Komplex zugeordneten Banden entsprechen. Die Ergebnisse der EXAFS-Messungen deuten auf eine unterschiedliche Nahordnung des U(VI) im Feststoff und in der Lösung hin. So ergab der Vergleich der Strukturparameter der Hydroxamat- Feststoffe mit den U(VI)-Hydroxamat-Komplexen in Lösung deutliche Unterschiede zwischen den Feststoffkomplexen und denen in Lösung. So ist in wässriger Lösung der Abstand der äquatorialen Sauerstoffatome mit 2.41 Å signifikant kürzer als der der Feststoffkomplexe mit 2.47 Å (SHA) und 2.44 Å (BHA). Die röntgendiffraktogrammischen Messungen der Festphasen ergaben reflexreiche Spektren mit signifikanten Peaks, die sich allerdings keinen bekannten U(VI)-Festphasen zuordnen ließen. In einer Kooperation mit dem Institut für Theoretische Chemie der Universität zu Köln wurden für die 1:1- und 1:2-Komplexe der wässrigen U(VI)-SHA-, U(VI)-BHA- und U(VI)-BA-Systeme erstmals theoretische Modellierungen durchgeführt. Dabei wurden die Strukturen der Komplexe sowohl in der Gasphase als auch unter Berücksichtigung der Solvatation optimiert und die relativen Stabilitäten und Anregungsspektren berechnet. Die mit DFT berechneten Bindungsenergien bestätigen die experimentell anhand der Stabilitätskonstanten log β ermittelte Reihenfolge der Komplexstabilitäten (SHA ≥ BHA &amp;gt; BA). Außerdem zeigen die höheren Bindungsenergien der 1:2-Komplexe, dass diese stabiler sind als die 1:1-Komplexe. Dies lässt sich auch anhand der experimentell ermittelten Stabilitätskonstanten nachweisen. Die Maxima der mit TD-DFT berechneten Anregungsspektren weichen um 0.4 ± 0.2 eV von den experimentellen UV-Vis Spektren ab. Dies zeigt die gute Übereinstimmung der berechneten Anregungsspektren mit den gemessenen UV-Vis Spektren. Für den 1:1-Komplex des U(VI)-SHA-Systems konnte mit Hilfe der theoretischen Modellierung die strukturelle Anbindung des Uranylions an die Hydroxamsäuregruppe aufgeklärt werden. Der Vergleich der berechneten Strukturen, Bindungsenergien, Bindungslängen und Anregungsspektren der beiden möglichen Anbindungsmodi [O,O] und [N,O’] zeigte deutlich, dass das Uranylion bevorzugt über die beiden Sauerstoffatome der Hydroxamsäuregruppe, also den [O,O]-Modus, gebunden wird. Die Methode der DFT konnte also dazu beitragen, Defizite in der experimentellen Aufklärung der Komplexstruktur im Fall des U(VI)-SHA-Systems zu beheben. Die Modellliganden und deren Komplexe mit U(VI), Cm(III) und Np(V) wurden zum größten Teil erstmals spektroskopisch charakterisiert sowie deren bisher weitgehend unbekannten Stabilitätskonstanten bestimmt. Außerdem konnte die Struktur der U(VI)-Hydroxamat- Komplexe mit Hilfe der ATR-FTIR-Spektroskopie und der theoretischen Modellierung aufgeklärt werden. Im Vergleich der Ergebnisse der Modellliganden mit denen der Pyoverdine konnte festgestellt werden, dass die Katecholfunktionalität der Pyoverdine eine große Rolle bei der Komplexierung mit den Actiniden spielen wird. Weiterhin ließen sich aus den Ergebnissen Schlussfolgerungen zur Stärke der gebildeten Actinid-Modellligand- und Actinid-Pyoverdin-Komplexe ziehen. Die Pyoverdine bildeten mit U(VI) Komplexe mit Stabilitätskonstanten bis 1030, mit Cm(III) bis 1032 und mit Np(V) bis 1020. Die wichtigsten, in höheren Konzentrationen vorkommenden anorganischen Komplexbildner in natürlichen Wässern sind das Hydroxidion OH- sowie das Carbonation CO32-. Diese besitzen eine hohe Komplexierungsfähigkeit und bilden mit den drei Actiniden U(VI), Cm(III) und Np(V) Komplexe mit Stabilitätskonstanten von 102 bis 1020. Der Vergleich der Konstanten von OH und CO32- mit denen der organischen, mikrobiellen Pyoverdin-Liganden zeigt, dass die Pyoverdine ähnlich starke bzw. teilweise stärkere Komplexe mit den Actiniden bilden als die anorganischen Komplexbildner. Daraus lässt sich ableiten, dass die Pyoverdine selbst in niedrigeren Konzentrationen ein hohes Potential besitzen, Actiniden in natürlichen Wässern zu binden und damit zu transportieren. Die untersuchten Bioliganden sind also in der Lage, bei Anwesenheit in der Natur in bestimmten Konzentrationen im Grundwasser Actiniden, z.B. durch Herauslösen aus Festphasen, zu mobilisieren. Damit können solche Bioliganden das Verhalten der Actiniden in der Umwelt entscheidend beeinflussen. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen dazu bei, den Einfluss der mikrobiellen Liganden auf die Mobilisierung und Ausbreitung der Actiniden besser einschätzen zu können. Damit können die Ergebnisse zur Quantifizierung des Mobilisierungseffekts der Actiniden durch freigesetzte Bioliganden im Nahfeld genutzt werden. / One of the urgent tasks in the field of nuclear technology is the final storage of radioactive substances. As a part of the safety requirements the protection of humans and the environment from the danger of radioactive substances in case of the release from the final storage is essential. For performing long-term safety calculations the detailed understanding of the physico-chemical effects and influences which cause the mobilisation and transport of actinides are necessary. The presented work was a discrete part of a project, which was focused on the clarification of the influence of microorganisms on the migration of actinides in case of the release of actinides from a final storage. The influence of microbial produced substances on the mobilisation of selected actinides was studied thereby. The microbial produced substances studied in this project were synthesized by bacteria from the Pseudomonas genus under special conditions. Fluorescent Pseudomonads secrete bacterial pyoverdin-type siderophores with a high potential to complex and transport metals, especially iron(III). The aim of the project was to determine how and under which conditions the bioligands are able to complex also radioactive substances and therefore to transport them. For this work the alpha-emitting actinides uranium, curium and neptunium were chosen because their long-life cycle and their radiotoxicity are a matter of particular interest. This work dealed with the interaction of the actinides U(VI), Np(V) and Cm(III) with model ligands simulating the functionality of the pyoverdins. The functional groups that participate in the metal binding of the pyoverdins are the catechol group of the chromophore and the ligand sites in the peptide chain, i.e. the hydroxamate groups and the α-hydroxy acid moieties. For the simulation of the hydroxamate functionality the monohydroxamates salicylhydroxamic acid (SHA) and benzohydroxamic acid (BHA) and the natural trihydroxamate desferrioxamine B (DFO) and for the simulation of the catechol groups 6-hydroxyquinoline (6HQ) and 2,3-dihydroxynaphthalene (NAP) were used. A further ligand with carboxyl functionality, benzoic acid (BA), was used as a comparison. Absorption spectroscopy, laser fluorescence spectroscopy, X-ray absorption spectroscopy and vibrational spectroscopy were applied for the determination of the stability constants to assess the strength of the formed actinide-model ligand-complexes, for the clarification of the structures of the formed complexes and to observe the variation of the speciation of the actinides during the interaction with the ligands. Furthermore, for the first time density functional theory (DFT) calculations were performed to determine the molecular structure of the actinide-modelligand-complexes. Thus, the objectives of this work were the determination of the spectroscopic properties, speciation and stability constants of the model ligands and the formed actinide-model ligand-complexes, the clarification of the complex structures and a comparison of the results with those of the pyoverdins. The comparison of the stability constants of the studied ligands with the three actinides U(VI), Cm(III) and Np(V) systems results mainly in the following order of complex strength: PYO ≥ DFO &amp;gt; NAP &amp;gt; 6HQ &amp;gt; SHA ≥ BHA &amp;gt; BA. Benzoic acid, the ligand with the carboxyl functionality, has the lowest stability constant of 103. Both monohydroxamates, SHA and BHA, form 1:1 complexes with similar stability. The stability constants of the 1:2 complexes of SHA with Cm(III) and Np(V) are slightly higher than those of BHA, which is probably caused by a stabilizing effect of the additional phenolic OH-group of SHA. This behaviour was also found in the theoretical calculations of the U(VI)-complexes. The natural siderophores DFO and PYO have the highest stability constants with U(VI) and form the strongest complexes (constants from 1012 to 1034). The reason therefore is the structure and high number of functional groups of these ligands; DFO has three hydroxamate groups, the pyoverdin molecule has the catechol groups of the chromophore functionality in addition to the hydroxamate groups. The model ligands for the chromophore functionality, NAP and 6HQ, form stronger complexes than SHA and BHA, but weaker complexes than DFO and PYO. From this it can be reasoned that the chromophore functionality probably plays an important role for the coordination of the actinides to the pyoverdins. The comparison of the stability constants of the complexes of the ligands SHA, BHA and 6HQ with the studied actinides U(VI), Cm(III) and Np(V) shows that the strength of the complex formation decreases from U(VI) via Cm(III) to Np(V). The reason therefore is the different charge density of the actinide ions. The UO22+-ion has an effective charge of + 3.3 (with a coordination number of 5 and an ionic radius of ~ 0.6), the Cm3+-ion of + 2.6 and the NpO2+-ion of + 2.3. Therefore, the neptunyl ion has the lowest charge density of the studied actinide ions and on account of this it forms the weakest complexes with the lowest stability constants. The strength of the complex formation of the ligands NAP, DFO and PYO decreases from Cm(III) via U(VI) to Np(V). Cm(III) forms stronger complexes than U(VI) although Cm(III) has a lower effective charge. The reason therefore could be a possible structural hampering of the coordination through the linear O=U=O unit. The structure of the aqueous U(VI)-complexes was studied using EXAFS spectroscopy and FTIR spectroscopy. From the results of the EXAFS spectra one can conclude that the coordination of the uranyl ion to the hydroxamic acid groups of the SHA, BHA and DFO ligands results in a shortening of the distance of the equatorial oxygen atoms. In contrast to this the coordination of the uranyl ion to the carboxyl group of BA yields in a longer U-Oeq bond length. From the findings of the EXAFS studies with NAP and pyoverdin one can conclude a strong affinity of U(VI) to the catechol functionality of the pyoverdin molecule. For the observation of the complexation in the ATR-FTIR spectra the region around the vibration band of the uranyl ion (916 cm-1) is interesting to observe. In the spectra of the U(VI)-BHA- and U(VI)-SHA-system a mixture of two complexes with 1:1 and 1:2 stoichiometry was observed, which was also existing in the speciation. Furthermore, on the basis of the vibration bands of the ligands it could be ascertained that the hydroxamate groups of SHA and BHA are deprotonated and directly involved in the complexation. Also, in case of SHA it could be verified that the phenolic OH-group is protonated at the investigated pH values. At pH 3 the pH dependent spectra of the U(VI)-DFO-system showed the formation of a 1:1 complex similar to those of the monohydroxamates. With increasing pH up to 4 the formation of a 1:1 complex was observed, in which the uranyl ion is bound to two hydroxamic acid groups. This underlines the assumption that the complex had a 112-stoichiometry, which was concluded on the basis of the other used experimental methods. Solid phases of U(VI) complexes were assembled by precipitation from the aqueous U(VI)-SHA and U(VI)-BHA solutions. The structure of these powder solids was analyzed using EXAFS, XRD and FTIR. The analysis of the solid phases showed that the solid complexes are most likely consistent with the complexes in aqueous solution with 1:2 stoichiometrie. The comparison of the uranium and carbon percentage of the solids with those of the uranium compounds described in the literature (for the gravimetric estimation of uranium contents) results in analogue values. In the FTIR spectra of the solids vibration bands at 916 cm-1 were observed according to the bands of the 1:2 complexes in aqueous solution. The results of the EXAFS measurements indicated a different short-range order of the U(VI) in solid phases and solutions. The comparison of the structural parameters of the solid phases with those of the aqueous U(VI)-hydroxamate complex species points to strong differences. Thus, in aqueous solution the distance of the equatorial oxygen atoms of 2.41 Å is significant shorter than those of the solid complexes with 2.47 Å (SHA) and 2.44 Å (BHA). The XRD measurements showed spectra high in reflexes and with significant peaks which could not be assigned to known U(VI) solid phases. In a cooperation with the Institute of Theoretical Chemistry at the University of Cologne density functional theory (DFT) calculations were performed to determine the molecular structure of 1:1 and 1:2 U(VI)-complexes with SHA, BHA and BA. The precise molecular structures of the complexes in gas phase have been calculated as well as the relative stabilities and the time-dependent DFT excitation spectra with consideration of the solvation effects. The relative stabilities calculated with DFT confirm the order of strength of the complexes determined using the stability constants log β (SHA ≥ BHA &amp;gt; BA). Furthermore, the higher binding energies of the 1:2 complexes point to a higher complex stability of these complexes in comparison to the corresponding 1:1 complexes. This could be also demonstrated by means of the stability constants determined by the experimental studies. The peak maxima of the TD-DFT excitation spectra deviate at 0.4 ± 0.2 eV from the absorption maxima of the experimental UV-vis spectra. Thus, calculated and experimental spectra show a good qualitative agreement. For the 1:1 complex of the U(VI)-SHA-system the structurally coordination of the uranium ion to the hydroxamate group could be clarified with the help of the theoretical modelling. The comparison of the calculated structures, binding energies, bond lengths and excitation spectra of the two possible coordination modes [O,O] and [N,O’] showed clearly that the uranyl ion is bound preferable to the two oxygen atoms of the hydroxamate group ([O,O]-mode). Therefore, the method of DFT could contribute to eliminate shortcomings in the experimental determination of the complex structure in case of the U(VI)-SHA-system. The model ligands and their complexes with U(VI), Cm(III) and Np(V) were characterized spectroscopically and their widely unknown stability constants were determined for the first time. Furthermore, the structures of the U(VI)-hydroxamate-complexes were clarified using ATR-FTIR spectroscopy and theoretical calculations. The comparison of the results of the model ligands with those of the pyoverdins showed that the chromophore functionality of the pyoverdins probably plays an important role for the coordination of the actinides to the pyoverdins. Furthermore, conclusions to the strength of the formed actinide-model ligandand actinide-pyoverdin-complexes could be drawn from those results. The pyoverdins formed U(VI)-complexes with stability constants up to 1030, Cm(III)-complexes with constants up to 1032 and Np(V)-complexes with values up to 1020. The hydroxide ion OH- and the carbonato ion CO32- are the most important inorganic complexing agents in natural aquatic systems. They are highly concentrated and have great complexing ability. With the three studied actinides U(VI), Cm(III) and Np(V) complexes with stability constants from 102 to 1020 were formed. The comparison of the constants of OH- and CO3 2- with those of the organic microbial ligands showed that the pyoverdins complexes the actinides with similar and particularly higher strength than the inorganic complexing agents. Thus, it appears that the pyoverdins have a high potential to bind actinides and transport them in natural aquatic systems even though the pyoverdins exist in lower concentrations. Therefore, the studied bioligands are able to mobilize the actinides in natural aquatic systems, for example through dissolving them from solid phases, if they are present in the nature in specific concentrations. So, such bioligands can essentially influence the behaviour of actinides in the environment. The results of this work contribute to a better understanding and assessment of the influence of the microbial ligands to the mobilisation and migration of the radionuclides. The outcomes could be used to quantify the actinide-mobilising effect of the bioligands, which are released, for example, in the vicinity of a nuclear waste disposal site.

Radionuklide werden in vielen Bereichen der Forschung, der Medizin, des Militärs und der Industrie eingesetzt. Aufgrund ihrer vielseitigen Anwendungen können Radionuklide durch anthropogene Einflüsse in die Umwelt gelangen. Durch Migration der radioaktiven Stoffe von oberflächennahen Bereichen durch tiefere Erdschichten bis hin zum Grundwasser können Radionuklide durch ihre chemotoxischen und radiotoxischen Eigenschaften ein Sicherheitsrisiko für das Ökosystem darstellen. Die im Boden allgegenwärtig vorkommenden, myzelbildenden Pilze können aufgrund ihrer schnellen und großflächigen Durchdringung des Erdreichs sowie ihrer hohen Lebenserwartung von mehreren hundert Jahren das Migrationsverhalten von Radionukliden im Erdboden beeinflussen. In Pilzen wird aus diesem Grund ein hohes Potential für Strahlenschutzvorsorgemaßnahmen und biologischen Sanierungsmethoden gesehen. Daher wurden in dieser Arbeit die molekularen Wechselwirkungen von verschiedenen Pilzspezies der Abteilung der Basidiomyzeten mit U(VI) und Eu(III) untersucht. Die aus der Promotionsarbeit resultierenden Erkenntnisse tragen zu einem besseren Verständnis der Wechselwirkungen der ausgewählten Pilze Schizophyllum commune, Pleurotus ostreatus, Lentinus tigrinus und Leucoagaricus naucinus mit Uran und Europium bei. Es konnte festgestellt werden, dass die grundlegende chemische Komplexierung von U(VI) bei dem Bioassoziationsprozess in allen Pilzbiomassen bezüglich der direkten chemischen Umgebung gleich ist. Es werden in allen vier Pilzen vier Komplexe gebildet. Identifizierte Gruppen möglicher Liganden sind zum einen phosphorylierte Zellwandpolysaccharide oder -proteine sowie phosphorylierte Aminosäuren. Jedoch unterscheidet sich die zelluläre Lokalisation der bioassoziierten Metallen bei den Pilzen. Im Fall der Bioassoziation von Eu(III) werden ebenfalls Spezies mit ähnlicher chemischer Zusammensetzung gebildet, wobei es auch hier zu unterschiedlichen Lokalisationen in der Zelle kommt. Die Untersuchungen zeigen, dass trotz der ähnlichen chemischen Komplexierung der zugrundeliegende Bioassoziationsmechanismus von Pilz zu Pilz variiert. Experimente unter naturnahen Bedingungen zeigten, dass dieselben oder zumindestens ähnliche Bioassoziationsmechanismen stattfinden wie unter Laborbedingungen, so dass davon ausgegangen werden kann, dass auch in der Natur ähnliche Bioassoziationsmechanismen stattfinden und die Laborergebnisse damit übertragbar sind. In Experimenten mit Mikrokosmen konnte außerdem der Transport von bioakkumulierten Metallen innerhalb der Hyphe erstmalig demonstriert werden. Dadurch konnte gezeigt werden, dass die in die Zelle aufgenommenen Metalle prinzipiell über den gesamten Organismus verteilt werden kann. Die vorliegende Promotionsarbeit zeigt somit, dass Pilze im Allgemeinen ein großes Potential für biologische Sanierungs- und vor allem für Strahlenschutzvorsorgemaßnahmen besitzen auf Grund der großen Mengen an assoziiertem U(VI) und teilweise Eu(III), der Bildung stabiler Komplexe mit phosphatischen Bioliganden und durch Bioakkumulation in das Zellinnere. Die unterschiedlichen biochemischen Wechselwirkungen der untersuchten Pilzarten, die mit der Radionuklidexposition verbunden sind, haben jedoch gezeigt, dass die untersuchten Pilzspezies unterschiedliche Bioassoziationsprozesse verwenden und dadurch unterschiedliche Effektivität bei der Immobilisierung besitzen.

In dieser Arbeit wurde die Wechselwirkung von U(VI) und Eu(III) mit den Pflanzenzelllinien Brassica napus und Daucus carota sowie mit B. napus-Pflanzen mit verschiedenen biochemischen, systembiologischen, spektroskopischen und mikroskopischen Methoden untersucht. Die Untersuchungen der Wechselwirkung von Uran und Europium mit den Pflanzenzelllinien (B. napus und D. carota) gaben einen umfassenden Einblick in Mobilisierungs- und Immobilisierungsprozesse auf zellulärer und molekularer Ebene. Für beide Pflanzenzelllinien konnten dabei vergleichbare Ergebnisse hinsichtlich der Immobilisierungskinetik erhalten werden. Für U(VI) und Eu(III) konnte eine Immobilisierung durch die Wechselwirkung mit den Pflanzenzellen in zeit- und konzentrationsabhängigen Bioassoziationsstudien nachgewiesen werden, welche im direkten Zusammenhang mit der Aufnahme in die Pflanze und einem potentiellen Eintrag in die Nahrungskette steht. Die dabei beobachteten Veränderungen die Zellvitalität betreffend zeigen, dass sowohl Uran als auch Europium Stressreaktionen in den Zellen auslösen. Für U(VI) wurde für die Wechselwirkung mit beiden Pflanzenzelllinien bei einer Ausgangskonzentration von 20 µM U(VI) ein einstufiger Bioassoziationsprozess nachgewiesen. Eine Immobilisierung konnte auch für die – unter Umweltbedingungen hohe – Konzentration von 200 µM U(VI) beobachtet werden, wobei die Lokalisation von Uran in den Pflanzenzellen belegte, dass dieses aktiv in die Zellen aufgenommen wurde und sich dort in großen Mengen ablagerte. Außerdem wurde basierend auf dem Nachweis einer Kolokalisation von Uran und Phosphor auf eine Anbindung von Uran an (organische) Phosphate geschlossen, was durch XAS-Untersuchungen bestätigt werden konnte. Innerhalb der Zelle konnte die Präzipitation und erstmalig die intrazelluläre Sorption von Uran an Biomembranen nachgewiesen werden. Die Kinetik der Immobilisierung zeigte jedoch für diese hohe U(VI)-Konzentration im Vergleich zu 20 µM U(VI) einen anderen Verlauf, welcher neben der Immobilisierung auch Phasen der (Re-)Mobilisierung von Uran aufwies. Für D. carota äußerte sich diese verringerte Immobilisierung in einer verlangsamten Bioassoziation zu Beginn der Exposition. Für B. napus konnte für längere Expositionszeiten eine Re-Mobilisierung von Uran beobachtet werden, was einen mehrstufigen Bioassoziationsprozess zur Folge hatte, bei welchem bis zu 51% des zuvor immobilisierten Urans wieder in Lösung freigesetzt wurde. Diese Phasen der erhöhten Mobilität von Uran standen dabei in zeitlicher Übereinstimmung mit dem Auftreten einer neuen U(VI)-Spezies in den Nährmedien. Insgesamt wurden in beiden Systemen chemisch identische oder sehr ähnliche U(VI)-Spezies identifiziert. Mittels HPLC, NMR und TRLFS gelang die Identifizierung der U(VI)-Metabolitspezies als Uranyl(VI)-Malat-2:2-Komplex. Es wurde der Beleg erbracht, dass Malat, welches von den Zellen gebildet wird, in das Nährmedium freigesetzt wird und U(VI) komplexiert, was eine geringere Immobilisierung von Uran zur Folge hat. Weiterhin konnte belegt werden, dass das Phänomen der Mobilisierung von Uran für beide Pflanzenzelllinien auftritt und mit der Entstehung eines U(VI)-Malat-Komplexes in den Nährmedien in Verbindung steht. Mittels Proteomics als Methode der Systembiologie konnten Hinweise auf eine Anreicherung von Malat innerhalb des Citratzyklus in Folge der U(VI)-Exposition erhalten werden, die diese Hypothese zusätzlich untermauern. Aufbauend auf den Untersuchungen dieser Arbeit kann geschlussfolgert werden, dass die Immobilisierung von Uran durch die Komplexierung mit freigesetzten Pflanzenzellmetaboliten verringert werden kann. Diese (Re-)Mobilisierungsprozesse müssen für eine zuverlässige Modellierung des Radionuklidtransports in der Umwelt berücksichtigt werden, da mit einer erhöhten Bioverfügbarkeit von Radionukliden ein größeres Umweltrisiko einhergehen kann. Die Bioassoziation von Eu(III) mit beiden Pflanzenzelllinien zeigte sowohl für die niedrigere (30 µM) als auch für die höhere (200 µM) Ausgangskonzentration einen einstufigen Prozess, der zur Immobilisierung von Europium innerhalb von 24 bis 48 h führte. Mittels TRLFS war keine Bildung einer (die Mobilität erhöhenden) Eu(III)-Metabolitspezies nachweisbar, wie es für U(VI) der Fall war. Die Lokalisation von Europium in den Zellen belegte auch hier die Akkumulation, wobei sich jedoch ein anderes Bild der Immobilisierung verglichen mit Uran bot. Für Europium konnte keine vermehrte Anbindung an Biomembranen beobachtet werden und Präzipitate traten nur in geringem Maße auf. Dafür zeigten sich lokale Ablagerungen von europium- und phosphorhaltigen Agglomeraten in Zellwand und Cytoplasma, wobei für Letzteres eine Anbindung an Proteinstrukturen (Komplexierung von Europium) wahrscheinlich ist. Damit ist für Europium, ebenso wie für Uran, eine Anbindung an (organische) Phosphate in der Zelle anzunehmen. Es konnten für die Wechselwirkung von U(VI) und Eu(III) mit beiden Pflanzenzelllinien die Teilprozesse der Biosorption, Bioakkumulation, Biokomplexierung und Biopräzipitation nachgewiesen werden, welche simultan und innerhalb von 24 h Exposition in den Zellen ablaufen. Für Uran gibt es zudem spektroskopische Hinweise auf eine Bioreduktion über einen Ein-Elektronen-Transfer. Untersuchungen zur Aufnahme von Uran und Europium in D. carota-Zellen lieferten zudem Hinweise, dass Calcium-Ionenkanäle einen möglichen Weg für die Aufnahme von Uran in die Zellen darstellen. Proteomics-Analysen von U(VI)-exponierten B. napus-Zellen zeigten außerdem eine deutliche Überexpression von Calcium-transportierenden ATPasen, die ebenfalls auf einen Zusammenhang zwischen Uranaufnahme und Calcium-Homöostase hindeuten. Die Untersuchung der Wechselwirkung von Uran und Europium mit B. napus-Pflanzen zeigte ebenso wie die Studien mit Suspensionszellkulturen eine Immobilisierung beider Metalle, wobei die Aufnahme und Translokation von Uran und Europium in den Pflanzen einen potentiellen Eintrittspfad dieser in die Nahrungskette darstellen. Mithilfe der chemischen Mikroskopie konnten in B. napus-Wurzeln nach 72 h Exposition mit 200 µM Eu(III) drei Eu(III)-Spezies ortsaufgelöst bestimmt werden, die eine Aufnahme und Komplexierung von Eu(III) in die Pflanze belegen. Insgesamt konnte durch die Anwendung verschiedener hochmoderner Methoden in dieser Arbeit ein umfassender Einblick in die Wechselwirkungen von U(VI) und Eu(III) als Analogon für Am(III) und Cm(III) mit Pflanzen auf zellulärer und molekularer Ebene gegeben werden, der zu einem tieferen Prozessverständnis beiträgt. Neben spektroskopischen, mikroskopischen und biochemischen Methoden lieferten auch systembiologische Untersuchungen mittels Proteomics Einblicke in Veränderungen der Proteinexpression der Zellen. Abschließend lässt sich sagen, dass Uran und Europium durch die Interaktion mit Pflanzen(zellen) immobilisiert werden, jedoch dabei die Art und Weise der Wechselwirkung stark von dem jeweiligen Metall abhängt. Die Untersuchungen dieser Arbeit zeigen, dass Pflanzen im Falle einer Freisetzung von Radionukliden aus einem Endlager und eines Eintritts in die Biosphäre über das Grundwasser eine entscheidende Rolle für deren Migrationsverhalten in der Umwelt spielen können. Gleichzeitig geht mit einer Immobilisierung der Radionuklide ein Eintrag in die Nahrungskette und damit ein potentielles Gesundheitsrisiko einher. Das generierte Prozessverständnis liefert erheblich tiefere Einblicke in die Wechselwirkungen zwischen Radionukliden und Pflanzen, als es die bisher für die Risikoabschätzung eines Endlagers herangezogenen Transferfaktoren ermöglichen. Es dient der Weiterentwicklung biogeochemischer und radioökologischer Modelle, die wiederum zuverlässigere Dosisabschätzungen erlauben. Um die Interaktion mit anderen sechswertigen Actiniden wie PuO22+ und NpO22+ einschätzen zu können und damit zuverlässige Sicherheitsbeurteilungen zu ermöglichen, sind zukünftig vergleichbare Untersuchungen auch mit diesen, für die Radiotoxizität in Endlagern relevanten, Vertretern durchzuführen.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit experimentellen Untersuchungen zur physikalisch-chemischen und strukturellen Charakterisierung von neuartigen supramolekularen Kristalleinschlussverbindungen am Beispiel der Clathrate der Wirtverbindung 2,2’-bis(9-hydroxy-9-fluorenyl)biphenyl mit Aceton (polar) sowie Chloroform (unpolar). Durch die Kombination von Röntgenstrukturanalysen mit systematischen Messungen thermodynamischer Größen wie Löslichkeit, Einschluss-, Zersetzungs-, Lösungs- und Kristallisationsenthalpien konnten neue Erkenntnisse bezüglich der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen sowie zur Rolle der Wirt-Gast Wechselwirkungen in den existierenden Einschlussverbindungen abgeleitet werden. Die Einschlussbildung bzw. Kristallisation verläuft für alle untersuchten Clathratphasen exotherm. Dies bedeutet, dass die Einschlussverbindungen gegenüber dem reinem Wirt energetisch stark begünstigt sind. Der bestimmende Beitrag hierfür resultiert aus der Bildung eines optimal gepackten Kristallgitters, während spezifische Wirt-Gast Wechselwirkungen nur eine untergeordnete Rolle spielen. Das Zersetzungsverhalten der verschiedenen Clathratphasen kann widerspruchsfrei aus der Packungsstruktur der Kristalle erklärt werden.

Um das Verhalten von Actiniden im Menschen (Stoffwechsel), in geologischen und in biologischen Systemen vorherzusagen, ist es erforderlich deren Speziation genau zu kennen. Zur Bestimmung dieser wird das chemische Verhalten des Urans hinsichtlich Komplexbildungsreaktionen und Redoxreaktionen in Modellsystemen untersucht. Anhand der gewonnenen thermodynamischen Konstanten und dem Redoxverhalten können Risikoabschätzungen für das jeweilige untersuchte System getroffen werden. Das umweltrelevante Uran(IV)-Uran(VI)-Redoxsystem besitzt mit der metastabilen fünfwertigen Oxidationsstufe einen zumeist kurzlebigen Zwischenzustand. Innerhalb dieser Arbeit gelang es erstmalig die Uran(V)-Fluoreszenz mittels laserspektroskopischer Methoden nach zu weisen. Beispielsweise konnte das Bandenmaximum von aquatischem Uranyl(V) im perchlorhaltigem Medium (λex = 255 nm) mit 440 nm, bei einer Fluoreszenzlebensdauer von 1,10 ± 0,02 µs bestimmt werden. Die fluoreszenzspektroskopische Untersuchung eines aquatischen [U(V)O2(CO3)3]5--Komplexes (λex= 255 nm und 408 nm) zeigte bei Raumtemperatur keine Fluoreszenz. Durch Anwendung der Tieftemperaturtechnik wurden bekannte Quencheffekte des Carbonats unterdrückt, so dass bei beiden Anregungswellenlängen ein für Uran(V) typisches Fluoreszenzspektrum im Bereich von 375 nm bis 450 nm, mit Bandenmaxima bei 401,5 nm (λex = 255 nm) und 413,0 nm (λex = 408 nm) detektiert werden konnte. Darüber hinaus konnte bei 153 K (λex = 255 nm) eine Fluoreszenzlebensdauer von 120 ± 0,1 µs bestimmt werden. Untersetzt wurden diese fluoreszenzspektroskopischen Nachweise durch mikroskopische Studien verschiedener Uran(IV)-Festphasen (Uraninit…UO2, Uran(IV) Tetrachlorid…UCl4) und einer sulfathaltigen Uran(IV)-Lösung (UIVSO4). Diese wurden durch kontinuierliche Sauerstoffzufuhr zu Uran(VI) oxidiert. Die ablaufende Oxidation wurde mit dem konfokalen Laser Scanning Mikroskop (CLSM) verfolgt, wobei die Proben mit einer Wellenlänge von 408 nm zur Fluoreszenz angeregt wurden. Die auftretenden Bandenmaxima bei 445,5 nm (UO2), bei 445,5 nm (UCl4) und bei 440,0 nm (UIVSO4) konnten eindeutig der Uran(V)-Fluoreszenz zugeordnet werden. Zur Bestimmung thermodynamischer Konstanten mit Hilfe der Tieftemperaturfluoreszenz wurde zunächst der Einfluss der Temperatur auf das Fluoreszenzverhalten des freien Uranyl(VI)-Ions näher betrachtet. Es zeigte sich, dass mit Erwärmung der Probe (T>298 K) die Fluoreszenzlebensdauer von 1,88 µs (298 K) deutlich absinkt. Die Fluoreszenzintensität verringerte sich dabei um 2,3 % pro 1 K zwischen 273 K und 313 K. Im Gegensatz dazu, steigt die Fluoreszenzlebensdauer um das 150-fache auf 257,9 µs bei einer Verminderung der Temperatur (T <298 K) auf 153 K. Das weitere Absenken der Temperatur (T <153 K) zeigte keinen Einfluss auf die Fluoreszenzlebensdauer. Die Lage der Hauptemissionsbanden des freien Uranyl(VI)-Ions (488,0 nm, 509,4 nm, 532,4 nm, 558,0 nm, 586,0 nm) zeigte bei diesen Untersuchungen keine temperaturabhängige Verschiebung. Die Validierung der Tieftemperaturtechnik zur Bestimmung thermodynamischer Konstanten mittels zeitaufgelöster laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie erfolgte anhand des Uran(VI)-Citrat-Systems. Im Gegensatz zu bisherigen fluoreszenzspektroskopischen Betrachtungen bei Raumtemperatur wurde das Fluoreszenzsignal bei tiefen Temperaturen mit einsetzender Komplexierung nicht gequencht, woraus die Ausprägung einer gut interpretierbaren Fluoreszenz resultierte. Die Analyse der spektralen Daten mit SPECFIT ergaben mit log β101 = 7,24 ± 0,16 für den [UO2(Cit)]--Komplex und log β202 = 18,90 ± 0,26 für den [(UO2)2(Cit)2]2 -Komplex exakt die in der Literatur angegebenen Stabilitätskonstanten. Zudem konnten Einzelkomponentenspektren mit Bandenmaxima bei 475,3 nm, 591,8 nm, 513,5 nm, 537,0 nm und 561,9 nm für den 1:0:1-Komplex und 483,6 nm, 502,7 nm, 524,5 nm, 548,1 nm und 574,0 nm für den 2:0:2-Komplex und Fluoreszenzlebensdauern von 79 ± 15 µs (1:0:1) und 10 ± 3 µs (2:0:2) bestimmt werden. Zur Modellkomplexierung des Uran-Citrat-Systems wurde in dieser Arbeit auch das Komplexbildungsverhalten von U(IV) in Gegenwart von Citronensäure untersucht. Hierbei wurden über den gesamten pH-Wertbereich gelöste Uran-Citrat-Spezies spektroskopisch nachgewiesen und die Stabilitätskonstanten sowie die Einzelkomponentenspektren für die neu gebildeten Uran(IV) und (VI)-Spezies bestimmt. Für die neu gebildeten Citrat-Komplexe des sechswertigen Urans wurden Komplexbildungskonstanten von log β203 = 22,67 ± 0,34 ([(UO2)2(Cit)3]5-) und log β103 = 12,35 ± 0,22 ([UO2(Cit)3]7-) und für die Komplexe des vierwertigen Urans von log β1-21 = -9,74 ± 0,23 ([U(OH)2Cit]-) und log β1 31 = -20,36 ± 0,22 ([U(OH)3Cit]2-) bestimmt. Untersuchungen zum Redoxverhalten von Uran in Gegenwart von Citronensäure zeigten unter aeroben und anaeroben Versuchsbedingungen eine photochemische Reduktion vom U(VI) zu U(IV), welche spektroskopisch nachgewiesen werden konnte. Dabei zeigt speziell die Reaktion unter oxidierenden Bedingungen, welchen großen Einfluss vor allem organischen Liganden auf das chemische Verhalten des Urans haben können. Sowohl die Reduktion unter O2- als auch die unter N2-Atmosphäre, weisen ein Maximum bei einem pH Wert von 3,5 bis 4 auf. Unter anaeroben Bedingungen reduziert die Citronensäure mit ca. 66 %, 14 % mehr Uran(VI) zu Uran(IV) als unter anaeroben Bedingungen mit ca. 52 %. Ab einem pH-Wert von 7 konnte eine Reduktion nur unter sauerstofffreien Bedingungen festgestellt werden. Die Wechselwirkung von U(VI) in Gegenwart von Glucose wurde hinsichtlich Reduktion und Komplexierung des Uran(VI) betrachtet. Mit Hilfe der zeitaufgelösten laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie bei tiefen Temperaturen wurde dabei ein Uranyl(VI)-Glucose-Komplex nachgewiesen. Die Komplexierung wurde lediglich bei pH 5 beobachtet und weist eine Komplexbildungskonstante von log βI=0,1 M = 15,25 ± 0,96 für den [UO2(C6H12O6)]2+-Komplex auf. Mit einer Fluoreszenzlebensdauer von 20,9 ± 2,9 µs und den Hauptemissionsbanden bei 499,0nm, 512,1 nm, 525,2 nm, 541,7 nm und 559,3 nm konnte der Uranyl(VI)-Glucose-Komplex fluoreszenzspektroskopisch charakterisiert werden. Unter reduzierenden Bedingungen wurde, ab pH-Wert 4 eine auftretende Umwandlung vom sechswertigen zum vierwertigen Uran durch Glucose in Gegenwart von Licht beobachtet. Der Anteil an gebildetem Uran(IV) steigt asymptotischen bis zu einem pH-Wert von 9, wo das Maximum mit 16 % bestimmt wurde. Als Reaktionsprodukt der Redoxreaktion wurde eine Uran(VI)-Uran(IV)-Mischphase mit der Summenformel [UIV(UVIO2)5(OH)2]12+ identifiziert. Mit Hilfe der cryo-TRLFS wurde, durch Verminderung von Quencheffekten die Uranspeziation in natürlichen Medien (Urin, Mineralwasser) direkt bestimmt. Proben mit Uran Konzentrationen von < 0,1 µg/L konnten dadurch analysiert werden. In handelsüblichen Mineralwässern wurde die zu erwartende Komplexierung durch Carbonat nachgewiesen. Im Urin zeigte sich in Abhängigkeit vom pH-Wert eine unterschiedliche Uranspeziation. Die fluoreszenzspektroskopische Untersuchung wies bei niedrigerem pH Wert (pH<6) eine Mischung aus Citrat- und Phosphat-Komplexierung des U(VI) und bei höheren pH-Wert (pH>6) eine deutliche Beteilung von Carbonat an der Komplexierung auf. Diese Ergebnisse stehen in sehr guter Übereinstimmung mit theoretischen Modellrechnungen zur Uranspeziation im Urin. Die in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse zeigen, dass für eine zuverlässigere Prognose des Urantransportes in Geo- und Biosphäre in Zukunft nicht nur Betrachtungen zur Komplexchemie, sondern auch zum Redoxverhalten des Urans nötig sind, um die Mobilität in der Natur richtig abschätzen zu können.:I. Zusammenfassung XI II. Summary XV III. Danksagung XIX 1. Motivation und Zielstellung 1 2. Grundlagen 2 2.1. Zur Chemie des Urans 2 2.1.1. Uran im aquatischen System 2 2.1.2. Redoxchemie des Urans 7 2.2. Citronensäure 10 2.3. Glucose 16 2.4. Komplexbildungskonstanten 22 3. Spektroskopie 28 3.1. Spektroskopie des Urans 30 3.1.1. UV/VIS-Spektroskopie 30 3.1.2. Zeitaufgelöste laserinduzierte Fluoreszenzspektroskopie 32 3.1.3. Infrarot-Spektroskopie 36 3.1.4. Spektroskopie bei tiefen Temperaturen 38 3.2. Spektroskopie organischer Verbindungen 40 4. Ergebnisse und Diskussion 43 4.1. Zur Fluoreszenz des Urans 43 4.1.1. Uran(V)-Fluoreszenz 43 4.1.1.1. Nachweis der Uran(V)-Fluoreszenz 43 4.1.1.2. Mikroskopische Visualisierung der Uran(V)-Fluoreszenz 47 4.1.1.3. Verifizierung der Anregungswellenlänge 408 nm 50 4.1.2. Temperaturabhängigkeit der Fluoreszenz des freien Uranyl(VI)-Ions 52 4.2. Wechselwirkung von Uran mit Citronensäure 54 4.2.1. Uran(VI)-Komplexierung durch Citronensäure 54 4.2.1.1. Photochemische Stabilität 54 4.2.1.2. Spektroskopische Untersuchung zur Uran(VI) Komplexierung durch Citronensäure 55 4.2.1.3. Bestimmung der Komplexbildungskonstanten 63 4.2.2. Uran(IV)-Komplexierung mit Citronensäure 68 4.2.2.1. Spektroskopische Untersuchung zur Uran(IV) Komplexierung durch Citronensäure 68 4.2.2.2. Bestimmung der Komplexbildungskonstanten zwischen Uran(IV) und Citronensäure 69 4.2.3. Uran(VI)-Reduktion durch Citronensäure 72 4.3. Wechselwirkung von Uran mit Glucose 79 4.3.1. Komplexierung von Uran(VI) mit Glucose 79 4.3.1.1. Photochemische Stabilität 79 4.3.1.2. pH-Abhängigkeit der Komplexierung 82 4.3.1.3. Bestimmung der Komplexbildungskonstante 89 4.3.2. Reduktion von Uran(VI) durch Glucose 92 4.3.2.1. pH-Abhängigkeit 92 4.3.2.2. Identifizierung der Reaktionsprodukte der Redoxreaktion 94 4.3.2.3. Reduktion durch verschiedene Zuckerderivate 97 4.3.2.4. Reduktion im gepufferten System 99 4.4. Zur Bestimmung der Uranspeziation in natürlichen Proben 101 5. Anwendung der Erkenntnisse auf die zukünftige Betrachtung uranhaltiger Umweltsysteme 108 5.1. Komplexbildungsreaktionen 108 5.2. Redoxreaktionen 112 6. Experimenteller Teil 115 6.1. Chemikalien 115 6.2. Bestimmung der molaren Extinktionskoeffizienten von Uran(IV) 116 6.3. Uran(V)-Fluoreszenz 119 6.4. Temperaturabhängigkeit der Uranyl(VI)-Fluoreszenz 120 6.5. Stabilität citronensäurehaltigen Uranyl(VI)-Lösungen 120 6.6. Komplexierung zwischen Uran(VI) und Citronensäure 121 6.7. Komplexierung zwischen Uran(IV) und Citronensäure 122 6.8. Reduktion von Uran(VI) durch Citronensäure 122 6.9. Stabilität glucosehaltigen Uranyl(VI)-Lösungen 122 6.10. Komplexierung zwischen Uran(VI) und Glucose 123 6.11. Reduktion von Uran(VI) durch Glucose 124 6.12. Uran in natürlichen Proben 125 7. Geräte 127 7.1. Lasersysteme 127 7.2. UV/VIS-System 129 7.3. IR-Systeme 129 7.4. Neonlicht 131 7.5. Elementaranalysen 131 7.6. pH-Wert-Messung 132 7.7. Experimente unter Inertgas 132 7.8. Proben schütteln 132 7.9. Probenzentrifugation 132 8. Literaturverzeichnis 133 9. Abkürzungen und Symbole 147 10. In Verbindung mit dieser Arbeit entstandene Publikationen 151