Uranium decontamination gains a great importance with the spread of nuclear waste in both soil and water systems across the planet. All known remediation methods of uranium can be exclusively based either on synthetic materials with high adsorbent power and known physical chemistry or life organisms by which the uranium eventually accumulated inside their tissues. In the present thesis, it was attempted to design a rational approach for uranyl removal primarily from waters using the reducing potential of quercetin, which is a plant-derived small organic molecules, along with its photochemical activities. Such approach, which is neither a fully synthetic nor an organism-based approach, was chosen here to avoid disadvantages with both traditional strategies. Here, complexation experiments were designed to assess the use of uranyl-quercetin complexes for the photoreduction of water-soluble U(VI) to insoluble U(IV) by comparing absorption properties of uranyl-quercetin complexes in acetone, water, and hydrophobic bilayer lipid vesicles. The UV-vis data show that uranyl quercetin complex can form in both hydrophobic and hydrophilic environments. In both cases the B-ring band in quercetin structure becomes reduced, red shifted and a pronounced absorption arises in the 400-500 nm range. Such data suggests that U(VI) binds at the 3-OH and 4-carbonyl of ring C of quercetin. Interestingly, the results of UV-Vis spectroscopy part hint at a crucial role of a stable or transiently ionized hydroxyl for the efficient uranyl-dependent photodegradation of quercetin. FTIR spectroscopy absorption changes further demonstrates that the UV-vis-spectroscopic changes are indeed accompanied by changes in the chemical structure of the complex as expected for a uranyl-dependent photodegradation. IR data thus suggest that U(VI) becomes reduced by the photoreaction, rather than merely changing its coordination shell. The frequency shifts in the C=C and C=O absorption range on the other hand are consistent with changes in force constants rather than bond breakage. Upon illumination condition, uranyl quercetin complex in water forms a dark precipitate. Uranyl precipitation and the disappearance of U(VI) IR absorption bands upon illumination further demonstrate that uranyl acts as a redox partner rather than a catalyst in the photoreaction of quercetin. The formation of uranyl-quercetin complexes in the presence of lipidic phases has been addressed experimentally. The complex is partitioned into the hydrophilic/hydrophobic interface of liposomes. Its electronic absorption properties are influenced by the degree of hydrophobicity provided by the adjacent lipid headgroups. The preference of quercetin to associate with hydrophobic microenvironments can thus be exploited to transfer uranyl to the lipid water biomolecular interface. Illumination of the uranyl-quercetin complex in the presence of different liposomes has been performed in this study for the first time, to the best of my knowledge. The data provide evidence that again uranyl is a redox partner for the photodegradation of quercetin also in this microenvironment. Uranyl in an oxidation state smaller than VI is unsoluble in water. Therefore, its quercetin-mediated photoreduaction of uranium provides a method to transfer soluble uranium to the liposome and stabilize the reduced photoproduct. Thereby, uranyl could be removed from solution in an insoluble form using cheap natural compounds. The binding site assignment of uranyl-quercetin complex in acetone have been verified here using NMR spectra and DFT theory. NMR Spectra showed that the observations of broadened and narrow bands in the NMR spectra of quercetin, upon complexation with uranyl, support an intramolecular exchange or site exchange within the quercetin molecule. Moreover, the complexation takes place around the carbonyl group with U(VI) exhibiting two possibly coordination modes, involving the carbonyl and the adjacent O(H) groups. This has been also confirmed from the DFT calculations. Finally, interaction experiments of uranyl-quercetin complex with DNA have been performed to assess an alternative uranyl-trapping and photoreduction system. The data show that consecutive addition of quercetin and uranyl destabilizes DNA. However, a preformed uranyl quercetin complex has very little effect on DNA structure. On the other hand, quercetin and uranyl appear to bind to DNA as a preformed complex in the loop portion of hairpin DNA. Therefore, also HP DNA is expected to be a suitable but less effective trapping system for the uranyl quercetin complex and its potential photoproducts.

Ehemalige Urangruben tragen durch das anfallende Flutungswasser maßgeblich zur Ausbreitung von Schadstoffen wie Uran und Arsen in teils dicht besiedelte Gebiete bei. Um die Prozesse in den unterirdischen Gruben besser zu verstehen und alternative Strategien zur konventionellen, kostenintensiven Wasserbehandlung entwickeln zu können, war das Ziel der Arbeit, mikrobielle Gemeinschaften aus drei gefluteten Uranerzbergwerken in Sachsen, namens Pöhla, Schlema und Zobes, die unterschiedliche Flutungsstadien repräsentierten, zu charakterisieren und den mikrobiellen Einfluss auf die Mobilität von Uran und Arsen zu untersuchen. Um herauszufinden, welche Mikroorganismen die hydrochemischen Vorgänge im Untergrund der Uranerzbergwerke beeinflussen könnten, wurde die Diversität und Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften mittels Pyrosequenzierung eines Fragments des 16S rRNA Gens (16S rDNA) und CARD-FISH ermittelt. Wenngleich Clusteranalysen zeigten, dass sich die planktonischen Gemeinschaften hinsichtlich ihrer bakteriellen Zusammensetzung zwischen den drei Uranerzbergwerken unterschieden, wurden alle von chemolithotrophen Schwefeloxidierern der Beta- und Epsilonproteobacteria dominiert, die mit den Gattungen Thiobacillus und Sulfuritalea bzw. Sulfuricurvum und Sulfurimonas vertreten waren. Im Unterschied zu den planktonischen Gemeinschaften bestanden in situ Biofilme, die auf BACTRAPs während einer 3-monatigen Exposition im Flutungswasser anwuchsen, laut Pyrosequenzierung zu einem wesentlichen, mitunter dominanten Anteil aus metall- bzw. sulfatreduzierenden Deltaproteobacteria. In Biofilmgemeinschaften aus Zobes wurden hauptsächlich Geobacter sp. detektiert, die als Fe(III)- und U(VI)-Reduzierer bekannt sind. Obwohl Archaea basierend auf den Ergebnissen der CARD-FISH-Analyse nur einen sehr geringen Anteil der planktonischen Gemeinschaften ausmachten, wurden mittels Pyrosequenzierung planktonische Euryarchaeota der Thermoprotei in allen Gruben detektiert. In planktonischen Gemeinschaften und 3-monatigen Biofilmen aus Pöhla und Zobes wurden zudem methanogene Crenarchaeota, vor allem Methanobacteria und teilweise Methanomicrobia, ermittelt. Die 16S rRNA-Analyse, die ergänzend zum DNA-basierten Ansatz durchgeführt wurde, lieferte Hinweise darauf, dass die detektierten, dominanten Mikroorganismen, Bacteria sowie Archaea, in der planktonischen Gemeinschaft aus Schlema und den Biofilmgemeinschaften stoffwechselaktiv waren. In der planktonischen Gemeinschaft aus Zobes wurden im Vergleich zur DNA-basierten Analyse höhere Abundanzen für Verrucomicrobia, Acidobacteria und Alphaproteobacteria ermittelt, deren Bedeutung offen bleibt. Untersuchungen zum mikrobiellen Stoffwechselpotential planktonischer Gemeinschaften mittels CFU- und MPN-Analysen ergaben, dass Mikroorganismen aus allen Urangruben ein breites Spektrum anaerober Reaktionen (Nitrat-, Eisen-, Mangan-, Arsenat- und Sulfatreduktion und Acetogenese) unter Laborbedingungen abdeckten. In guter Übereinstimmung mit den Sequenzierungsergebnissen konnten methanogene Mikroorganismen nur im Flutungswasser aus Pöhla und Zobes detektiert werden. Die Metaproteomanalyse ergab, dass 61,6% der Peptide in der planktonischen Gemeinschaft aus Schlema von den dominanten Epsilonproteobacteria stammten. Dagegen wurden für Zobes detektierte Peptide mehrheitlich methylotrophen und eisenoxidierenden Betaproteobacteria der Familien Methylophilaceae bzw. Gallionellaceae sowie methylotrophen Gammaproteobacteria der Methylococcaceae zugewiesen. Obwohl die Mehrheit der Proteine an der Translation beteiligt war, konnten insgesamt 49 Proteingruppen ermittelt werden, deren Vertreter für den mikrobiellen Energiestoffwechsel relevant waren. Insbesondere planktonische Gammaproteobacteria aus Zobes konnten so mit dem Kohlenstoff- und Schwefelkreislauf in Zusammenhang gebracht werden. Mithilfe von Labormikrokosmen wurde der potentielle Einfluss mikrobieller Gemeinschaften aus Schlema auf die Mobilität von Arsen und Uran im Flutungswasser mit Acetat als Elektronendonor unter anaeroben Bedingungen über einen Zeitraum von 98 Tagen untersucht. Im Vergleich zu den Kontrollen konnten sowohl die stimulierte, planktonische Gemeinschaft als auch Biofilme natürliches Arsen aus der wässrigen Phase fast vollständig entfernen. Allerdings wies der spätere Anstieg des gelösten Arsens daraufhin, dass der immobilisierte Zustand langfristig nicht stabil blieb. In stimulierten Biofilm-Ansätzen wurde Uran mit bis zu 39 ± 9% (in Anwesenheit von 7 µM natürlichem Uran) bzw. 34 ± 8% (bei Zugabe von 50 µM U(VI)) aus der wässrigen Phase langfristig (98 Tage) immobilisiert. Laserfluoreszenzspektroskopische Untersuchungen zeigten, dass Uran im Biofilm reduziert wurde.

Uran kann sowohl durch geogene als auch anthropogene Vorgänge in die Umwelt gelangen. Dazu zählen natürliche Uranerzvorkommen und deren Leaching sowie die Auswaschung von Uran aus den Hinterlassenschaften des ehemaligen Uranerzbergbaus. Die Aufklärung des Verhaltens von Uran in der Geo- und Biosphäre ist für eine Risikoabschätzung des Migrationsverhaltens von Radionukliden in der Umwelt notwendig. Algen sind in der Natur weit verbreitet und die wichtigste Organismengruppe in den aquatischen Lebensräumen. Durch ihre ubiquitäre Verbreitung in der Natur ist ihr Einfluss auf das Migrationsverhalten von Uran in der Umwelt von grundlegendem Interesse z.B. um effektive und wirtschaftliche Remediationsstrategien für Wässer zu entwickeln. Außerdem stehen Algen am Beginn der Nahrungskette und spielen eine wirtschaftlich relevante Rolle als Nahrung beziehungsweise Nahrungsergänzungsmittel. Die Möglichkeit des Transfers von algengebundenem Uran entlang der Nahrungskette könnte eine ernsthafte Gesundheitsgefahr für den Menschen darstellen. Das Ziel dieser Arbeit war die quantitative und strukturelle Charakterisierung der Wechselwirkung zwischen Uran(VI) und der Grünalge Chlorella vulgaris im umweltrelevanten Konzentrations- und pH-Wertbereich unter besonderer Berücksichtigung der Stoffwechselaktivität. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse der Sorptionsexperimente zeigen deutlich den maßgeblichen Einfluss des Stoffwechselstatus von Chlorella auf die Wechselwirkung mit Uran. So kann in Gegenwart von umweltrelevanten Urankonzentrationen eine Remobilisierung von zuvor passiv gebundenem Uran durch die stoffwechselaktiven Algen erfolgen. Die in Abhängigkeit von der Stoffwechselaktivität, der Urankonzentration und dem pH-Wert mit den Algenzellen gebildeten Uran(VI)-Komplexe wurden strukturell mit Hilfe der spektroskopischen Methoden TRLF-, EXAFS- und ATR-FTIR-Spektroskopie charakterisiert. Mittels TEM konnte Uran in Form von 30-70 nm großen nadelförmigen Ablagerungen in der Zellwand der lebende Algenzellen nachgewiesen werden. Die in dieser Arbeit erhaltenen Ergebnisse leisten einen wichtigen Beitrag zur Vorhersage des Migrationsverhaltens von Uran unter umweltrelevanten Bedingungen und der radiologischen Risikobewertung von geogen und anthropogen auftretendem Uran.

Zur Risikoabschätzung anthropogener Uraneinträge in die Umwelt ist ein umfassendes Verständnis der ablaufenden Migrations- und Immobilisationsprozesse notwendig, da eine unkontrollierte Freisetzung von Uran z.B. beim Uranerzabbau zur Bedrohung für die Gesundheit von Mensch und Tier werden kann. Hierfür sind umfassende Studien zu den Wechselwirkungen von Uran mit verschiedenen Bestandteilen der Umwelt nötig. Dabei spielt neben geologischen Materialien besonders die Biosphäre, im Speziellen die Wechselwirkungen mit Mikroorganismen und Biofilmen, eine große Rolle. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung und Beschreibung natürlicher Biofilme aus realen Uran-kontaminierten Gebieten und deren Auswirkung auf die Uranmigration. Zur Untersuchung von Speziation und Lokalisation des Urans in den ausgewählten Biosystemen wurde in dieser Arbeit vorrangig ein gekoppeltes System aus konfokaler Laser-Scanning Mikroskopie (CLSM) und laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie (LIFS) angewendet. Dieses System ermöglicht die räumlich aufgelöste Detektion von Fluoreszenzspektren der eingelagerten Uranakkumulationen in heterogenen biologischen Proben. Natürliche Biofilme von zwei urankontaminierten Standorten, dem ehemaligen Uranbergwerk in Königstein (Sachsen) und dem Gebiet der ehemaligen Aufstandsfläche der Gessenhalde (Thüringen), wurden in dieser Arbeit näher untersucht. An beiden Standorten wurden Biofilme bis zu mehreren Zentimetern Dicke unter den extremen Umgebungs-bedingungen in den Minenabwässern vorgefunden. Dabei repräsentieren die ausgewählten Proben typische Biofilmgemeinschaften aus sauren Minenabwässern und sind exemplarisch für potentiell auftretende Szenarien sowohl für untertage als auch über Tage gelegene Bergbauregionen. Die Wässer beider Standorte waren besonders durch sehr niedrige pH-Werte (Königstein: 2,6 – 3,1; Gessenwiese: 3,6 – 3,9), hohe Sulfat-konzentrationen (Königstein: (707 – 2520) mg/l; Gessenwiese: (3520 – 5887) mg/l), eine vorliegende Kontamination mit Uran (Königstein: (9,3 – 69,5) mg/l; Gessenwiese: (75,1 - 1450) µg/l) und eine Belastung mit zahlreichen weiteren Schwermetallen charakterisiert. An beiden Standorten konnte in den Minenwässern die hochmobile, gelöste Uranspezies Uranylsulfat (UO2SO4) als dominierend nachgewiesen werden. Untersuchungen zur Biofilmstruktur sowie möglichen Uraneinlagerungen und Ausfällungen mittels des CLSM/LIFS-Systems zeigten, besonders bei den Biofilmen aus Königstein, deren Mikroorganismen kaum Eigenfluoreszenz aufwiesen, Probleme mit der Visualisierung der Biofilmstruktur. Aufgrund der Instabilität vieler kommerzieller Fluoreszenzfarbstoffe bei niedrigen pH-Werten war eine gezielte Anfärbung der Mikroorganismen in den sauren Biofilmen nicht möglich, ohne den pH-Wert der Biofilmproben anzuheben, was die Probenchemie maßgeblich verändert. In Kooperation mit der Firma DYOMICS (Jena, Deutschland) wurden neue, kommerziell nicht erhältliche, säurestabile Farbstoffe erstmals hinsichtlich ihrer Eignung zur Anfärbung von Mikroorganismen in sauren Biofilmen ohne Veränderung des pH-Wertes sowie der sonstigen Probenchemie getestet. Die neuen Farbstoffe DY-601XL, V07-04118, V07-04146 und DY-613 zeigten eine Eignung für solche Färbungen, da sie eine intensive Anfärbung der Mikroorganismen bei niedrigen pH-Werten unter pH 3 – 4 herbeiführen und außerhalb des Emissionsbereiches von Uran fluoreszieren. Die Strukturen der phototrophen Biofilme der Gessenwiese, welche viele autofluoreszierende Mikroorganismen enthielten, konnten mittels CLSM/LIFS sehr gut dargestellt werden. Aufgrund der kontinuierlichen, ungepulsten Anregung zeigten sich starke Überlagerungen der Eigenfluoreszenzsignale der Probenbiologie mit den zu untersuchenden Uransignalen. Eine Auftrennung dieser Signale zur spezifischen Urananalytik war bei den Urankonzentrationen, wie sie in Biofilmen aus natürlichen, durch saure Minenabwässer belasteten Gebieten vorkamen, aufgrund verschiedener technischer Limitationen des gekoppelten CLSM/LIFS-Systems nicht möglich. Um den umweltrelevanten Charakter dieser Studien beizubehalten, wurden die natürlichen Biofilmproben jedoch nicht künstlich mit erhöhten Urankonzentrationen versetzt, stattdessen wurde besonderer Wert auf die Beschreibung der realen Wechselwirkungen mit originalen, unveränderten Biofilmen gelegt. Aufgrund der Komplexität der natürlichen Biofilmproben sollten die Wechselwirkungen von Uran mit Monokulturen eines ausgewählten eukaryotischen Einzellers, welcher typisch in sauren Uran- und schwermetallbelasteten Wässern wie z.B. in den Biofilmen von der Gessenwiese anzutreffenden ist, detaillierter untersucht werden. Erstmalig wurden hierzu in dieser Arbeit die Wechselwirkungen von Uran mit Euglena mutabilis Zellen untersucht. Dabei wurde die Fähigkeit der Euglena-Zellen zur Bioakkumulation des Urans im pH-Wertbereich 3 – 6 in den Hintergrundmedien Natriumperchlorat (9 g/l) oder Natriumsulfat (3,48 g/l) an lebenden Zellen untersucht. Uran wurde hierbei in einer für saure Minenabwässer relevanten Konzentration von 0,01 mM in der Ausgangslösung vorgelegt. Unabhängig vom Medium konnte bei sauren pH-Werten um pH 3 – 4 über 90 % des vorgelegten Urans aus den Probelösungen abgetrennt werden. Vor dem Hintergrund einer möglichen Anwendung dieser Zellen zur Reinigung kontaminierter saurer Minenabwässer ist die hohe Immobilisierungsrate für Uran speziell im sauren pH-Bereich besonders attraktiv. Lebende, metabolisch aktive Zellen zeigten sich innerhalb dieser Studie in der Lage, größere Mengen Uran zu binden als tote Zellbiomasse. So wurden in Bioakkumulations-versuchen mit erhöhten Urankonzentrationen von 0,5 mM maximale Uranakkumulationen an den Euglena-Zellen von (33,16 ± 0,2) mg/g für lebende Zellen und (12,97 ± 0,7) mg/g für tote Zellen gemessen. An toten Zellen findet dabei ein reiner Biosorptionsprozess des Urans an die vorhandenen Bindungsstellen der Zellen statt, welcher innerhalb weniger Minuten (< 20 min) abgeschlossen ist. Bei lebenden, metabolisch aktiven Zellen wurde deutlich mehr Zeit benötigt bis die gleiche Uranmenge wie bei toten Zellen aufgenommen wurde. Dies ist ein Indiz für einen anfänglichen Abwehrmechanismus und einen insgesamt aktiven Umgang der lebenden Zellen mit dem Uran. Bei Bioakkumulationsversuchen an Euglena mutabilis Zellen unter Verwendung von realen, sauren, urankontaminierten Wässern wurden signifikant schlechtere Immobilisations-raten für Uran detektiert ((0 – 3,6) mg U/gEuglenaBtm). Ursache hierfür ist der Wettbewerb des Urans mit den vielfältigen anderen Inhaltstoffen in den natürlichen Wässern um die verfügbaren Sorptionsstellen an den Zellen. Dies verdeutlicht die Schwierigkeit, Erkenntnisse aus Laborexperimenten direkt auf natürliche Prozesse anzuwenden und verdeutlicht die Notwendigkeit in zukünftigen Untersuchungen, auf eine entsprechende Umweltrelevanz der Versuchsbedingungen zu achten. Die Speziation des an den Euglena-Zellen akkumulierten Urans, wurde mittels laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie (LIFS) untersucht. Es zeigte sich, dass unabhängig vom Hintergrundmedium, Lebenszustand und pH-Wert eine vergleichbare neue Uranspezies an den Zellen gebildet wird. Die detektierten Emissionsmaxima des Uranfluoreszenzsignals, gemessen an den Euglena-Zellen lagen bei 478,4 nm, 495,6 nm, 517,1 nm, 540,4 nm, 565,3 nm, 590,1 nm. Durch den Vergleich der Daten aus den LIFS-Messungen mit Referenzwerten, konnte die gebildete Uranspezies auf eine Anbindung durch (organo)phosphatische und/oder carboxylische funktionelle Gruppen eingegrenzt werden. Mit Hilfe der zeitaufgelösten FT-IR-Spektroskopie wurde erstmals der Biosorptionsprozess direkt an der Grenzfläche zwischen Euglena-Zellen und Uranlösung untersucht. Dabei konnte die carboxylische Anbindung des Urans an toten Zellen nachgewiesen werden. Ein Ausschluss der (organo)phosphatischen Komplexierung konnte jedoch mit dieser Methode nicht geführt werden. Untersuchungen zur Lokalisation des Urans an bzw. in den Zellen, mittels der gekoppelten CLSM/LIFS-Technik zeigten erstmals ein Indiz für die intrazelluläre Akkumulation von Uran in den lebenden Zellen. Ergänzende TEM/EDX-Messungen bestätigten die intrazelluläre Aufnahme und belegen eine Akkumulation in runden bis ovalen Zellorganellen, bei denen es sich vermutlich um Vakuolen oder Vakuolen-ähnliche Vesikel handelt. An den toten Zellen konnte mit diesen Methoden kein Uran detektiert werden. Dies lässt auf eine passive, homogen verteilte Biosorption des Urans an die verfügbaren Bindungsplätze an der Zelloberfläche der toten Biomasse schließen. Die Ergebnisse dieser Arbeit leisten einen Beitrag zum Prozessverständnis der Wechselwirkungen von Uran mit Biofilmen und speziell mit Euglena mutabilis Zellen. Auf Grundlage der erhaltenen Erkenntnisse können Risiken in natürlichen kontaminierten Gebieten besser eingeschätzt werden und Vorhersagen zum Migrationsverhalten des Urans entsprechend der vorliegenden Bedingungen optimiert werden.

The Tjeliken Mountain in northern Jämtland, central Scandinavian Caledonides is by most authors considered to belong to the Lower Seve Nappe Complex (SNC). However, recently P-T conditions similar to the Middle Seve have been constrained for the eclogite at the top of the mountain, revitalizing the tectonic debate about Tjeliken. Also the timing of high-pressure metamorphism is debated. Two earlier studies of the eclogite yield ages between 464 Ma and 446 Ma. This study focuses on the garnet-phengite gneiss hosting the eclogite. By construction of P-T conditions and dating the two discrepancies above are investigated. U/Pb zircon dating by secondary ion mass spectrometry technique (SIMS) targeted on metamorphic rims yield a concordia age of 460.2 ± 2.7 Ma corresponding well to earlier c. 463.7 ± 8.9 Ma Sm/Nd dating of the eclogite. The inferred peak mineral assemblage of the gneiss is garnet + phengite + quartz + K-feldspar + titanite ± H2O. Thermodynamic modelling reveal that garnet cores equilibrated within 1.9 - 2.6 GPa and 600 - 700 oC. Fe2+-Mg garnet-phengite thermometry involving garnet rims yields temperatures of c. 650 - 715 oC revealing relatively similar temperatures during growth of garnet core and rim, respectively. Garnet chemistry is characterised by oscillatory zoning with an antithetic pattern of Ca and Fe. The former decreases from core to rim, whereas the latter increases. The opposite trend is observed in epidote-group minerals suggesting exchange between the two minerals during garnet growth. Skeletal textures and atoll textures together with observed chemical pattern may indicate multiple garnet growth episodes. The results of the study points toward similar P-T history of the Tjeliken eclogite and gneiss in favour of the interpretation of considering the whole Tjeliken to belong to the Lower Seve. The obtained U/Pb age support other age constraints in the area suggesting high-pressure metamorphism at c. 460 Ma related to a subduction event affecting the central Scandinavian Caledonides at c. 460 - 450 Ma. / Den skandinaviska fjällkedjan, vetenskapligt benämnd de skandinaviska Kaledoniderna, har bildats på samma sätt som Himalaya och har därför liknande uppbyggnad. Från början tros fjällen ha varit av samma storlek som Himalayas berg. Deras ålder på cirka 400 miljoner år gör dock att miljontals års påverkan från vatten och vind har eroderat ner dem till dagens betydligt lägre fjäll. Den bergsyta vi ser idag utgör därför vad som från början var fjällkedjans kärna. Därför utgör de skandinaviska Kaledoniderna en unik möjlighet att studera en bergskedjas inre, vilket kan ge viktig information om bergkedjebildande processer.Forskning har visat att fjällkedjan bildades då Japetushavet mellan kontinenterna Baltika och Laurentia stängdes. Detta resulterade till slut i en kollision mellan de två kontinenterna där stora flak (skollor) av mellanliggande havsbotten och kontinentalskorpa transporterades hundratals kilometer upp på Baltika. Skollorna utgör idag våra fjäll. Känt är också att innan kontinentalkollisionen så kolliderade Baltika med öar i havet, varvid dess kontinentalkant pressades djupt ner under jordskorpan, ända ner i manteln. Bevis för detta återfinns idag i Sevesskollan ibland annat de jämtländska fjällen i form av högtrycksbergarter. Dessa har bildats under de höga tryck och temperaturer som råder på stora djup i jordens inre. Genom att studera högtrycksbergarter kan man förstå fjällkedjans bildande. Fjället Tjeliken i norra Jämtland är en av de idag kända fyndplatserna av högtrycksbergarter. Dess topp består av bergarten eklogit och dess lägre delar av gnejs, samt kvarts. Tidigare studier av eklogiten visar att den har bildats vid tryck och temperatur på cirka 2.6 GPa och 700 °C, vilket motsvarar att den varit nedpressad cirka 80 km under jordytan. Den exakta tidpunkten då detta skedde har inte kunnat fastställas då olika dateringsmetoder gett olika resultat mellan cirka 464 till 446 miljoner år sedan. I denna studie studeras tryck- och temperaturförhållanden för gnejsen som jämförelse till eklogiten, för att kunna fastställa om de båda bergarterna har genomgått samma bildningsprocesser. En ny datering genomförs också för att bättre kunna fastställa tidpunkten för högtrycksfasen.Datering baserat på radioaktivt sönderfall av uran till bly i mineralet zirkon visar att högtrycksfasen inträffade för cirka 460 miljoner år sedan. Modellering baserat på termodynamiska principer visar att kärnorna i mineralet granat bildades inom tryck- och temperaturområdet 1.9–2.6 GPa och c. 680-700 °C. En komplex kemisk zonering av granaterna indikerar att de möjligen bildades under flera tillväxtfaser, vilka inom ramen för denna studie inte kunnat modelleras, då mer avancerade metoder krävs. Denna studie visar dock att eklogiten och gnejsen sannolikt delar en gemensam tryck- och temperaturhistoria, vilken är relaterad till den djupa nedpressningen av Baltikas kontinentalkant under sen ordovicium. Dateringen stödjer även övriga åldersdateringar i området av högtrycksfasen.

Das Erzgebirge ist Teilstruktur der Fichtelgebirgs-Erzgebirgischen Antiklinalzone. Es besteht aus einem Gneiskern und einer Schieferhülle, wobei der Gneiskern flächenmäßig den größten Anteil des Erzgebirgskristallins bildet. Die Vorstellungen über den geologischen Aufbau des Erzgebirges haben sich in den letzten 10 Jahren drastisch gewandelt. Moderne PT-Untersuchungen der Gneise und Glimmerschiefer lieferten Beweise einer unterschiedlichen metamorphen Überprägung verschiedener lithologischer Einheiten des Erzgebirges und belegen dessen Deckenbau. Unterschiedliche Altersvorstellungen wurden durch neuere Datierungen erzeugt, da viele Datierungssysteme eine (oft unvollständige) Umstellung durch die metamorphe Überprägung erfuhren. Ziel dieser Arbeit war eine umfassende Charakterisierung der Gneise, die neue Erkenntnisse zu deren Genese und eine gesicherte Altersstellung der Gneise liefert. Die durchgeführten Untersuchungen erlauben die Unterscheidung von drei genetischen Gruppen der Erzgebirgsgneise (Untere &amp;quot;Freiberger&amp;quot; Graugneise, Obere Graugneise, Rotgneise), die unterschiedlichen Altersetappen zugeordnet werden können. Die Unteren Graugneise und die Rotgneise stellen Orthogneise dar (&amp;quot;Meta-Granitoide&amp;quot;), die Oberen Graugneise - Paragneise (&amp;quot;Meta-Grauwacken&amp;quot;). Desweiteren sind sogenannte Mischgneise im Erzgebirge weit verbreitet, die wahrscheinlich aus meta- bis diatektischen Migmatiten hervorgegangen sind. Anhand der Altersdatierungen der Erzgebirgsgneise konnten drei Etappen magmatischer Aktivität belegt werden (ca. 575 Ma, 540-530 Ma, 500-470 Ma), die sehr gut mit magmatischen Zeitmarken anderer saxothuringischer Einheiten (Lausitz, Elbe-Zone, Schwarzburger Sattel) korrelieren. Ein Vergleich der neoproterozoisch-frühpaläozoischen Entwicklung der saxothuringischen Einheiten mit anderen Segmenten des Böhmischen Massivs und des cadomischen Orogengürtels zeigt z.T. auffallende Ähnlichkeiten (insbesondere mit dem Mancellian Terrane des Armorikanischen Massivs) aber auch signifikante Unterschiede auf, die in der Arbeit diskutiert werden.

Beim Bergbau werden bestehende Ökosysteme in großem Maße beeinflusst. Im ehemaligen Uranbergwerk Königstein (Sachsen) wurde die Umwelt durch den Einsatz von chemischen Säuren zur Lösung des Urans aus dem Erz (Laugung) in Folge der Verschiebung des pH-Wertes zusätzlich belastet. Durch diesen Prozess entstand eine Umgebung, die einen niedrigen pH-Wert und hohe Konzentrationen an gelösten Schwermetall-Ionen aufweist. Die komplexe mikrobielle Lebensgemeinschaft verschob sich daraufhin, indem sich bevorzugt säuretolerante und Schwermetall-tolerante Mikroorganismen durchsetzten. Diese Mikroorganismen wurden durch die Flutung der unter Tage Schächte im Jahr 2010 in ihrer Zusammensetzung erneut beeinflusst. In dieser Arbeit wurde die mikrobielle Biozönose nach Flutung der unter Tage Schächte des ehemaligen Uranbergwerkes Königstein charakterisiert und mit den Ergebnissen der mikrobiellen Diversität vor dem Flutungsprozess verglichen. Hierfür kam ein breites Spektrum an Methoden zum Einsatz, das klassische mikrobiologische Methoden und molekularbiologische Techniken umfasste. Die Analysen erfolgten dabei über mehrere Jahre hinweg, um die Variabilität der mikrobiellen Population im Grubenwasser planktonisch und im Biofilm zu erfassen.

Uran kann sowohl durch geogene als auch anthropogene Vorgänge in die Umwelt gelangen. Dazu zählen natürliche Uranerzvorkommen und deren Leaching sowie die Auswaschung von Uran aus den Hinterlassenschaften des ehemaligen Uranerzbergbaus. Die Aufklärung des Verhaltens von Uran in der Geo- und Biosphäre ist für eine Risikoabschätzung des Migrationsverhaltens von Radionukliden in der Umwelt notwendig. Algen sind in der Natur weit verbreitet und die wichtigste Organismengruppe in den aquatischen Lebensräumen. Durch ihre ubiquitäre Verbreitung in der Natur ist ihr Einfluss auf das Migrationsverhalten von Uran in der Umwelt von grundlegendem Interesse z.B. um effektive und wirtschaftliche Remediationsstrategien für Wässer zu entwickeln. Außerdem stehen Algen am Beginn der Nahrungskette und spielen eine wirtschaftlich relevante Rolle als Nahrung beziehungsweise Nahrungsergänzungsmittel. Die Möglichkeit des Transfers von algengebundenem Uran entlang der Nahrungskette könnte eine ernsthafte Gesundheitsgefahr für den Menschen darstellen. Das Ziel dieser Arbeit war die quantitative und strukturelle Charakterisierung der Wechselwirkung zwischen Uran(VI) und der Grünalge Chlorella vulgaris im umweltrelevanten Konzentrations- und pH-Wertbereich unter besonderer Berücksichtigung der Stoffwechselaktivität. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse der Sorptionsexperimente zeigen deutlich den maßgeblichen Einfluss des Stoffwechselstatus von Chlorella auf die Wechselwirkung mit Uran. So kann in Gegenwart von umweltrelevanten Urankonzentrationen eine Remobilisierung von zuvor passiv gebundenem Uran durch die stoffwechselaktiven Algen erfolgen. Die in Abhängigkeit von der Stoffwechselaktivität, der Urankonzentration und dem pH-Wert mit den Algenzellen gebildeten Uran(VI)-Komplexe wurden strukturell mit Hilfe der spektroskopischen Methoden TRLF-, EXAFS- und ATR-FTIR-Spektroskopie charakterisiert. Mittels TEM konnte Uran in Form von 30-70 nm großen nadelförmigen Ablagerungen in der Zellwand der lebende Algenzellen nachgewiesen werden. Die in dieser Arbeit erhaltenen Ergebnisse leisten einen wichtigen Beitrag zur Vorhersage des Migrationsverhaltens von Uran unter umweltrelevanten Bedingungen und der radiologischen Risikobewertung von geogen und anthropogen auftretendem Uran. / Uranium could be released into the environment from geogenic deposits and from former mining and milling areas by weathering and anthropogenic activities. The elucidation of uranium behavior in geo- and biosphere is necessary for a reliable risk assessment of radionuclide migration in the environment. Algae are widespread in nature and the most important group of organisms in the aquatic habitat. Because of their ubiquitous occurrence in nature the influence of algae on the migration process of uranium in the environment is of fundamental interest e.g. for the development of effective and economical remediation strategies for contaminated waters. Besides, algae are standing at the beginning of the food chain and play an economically relevant role as food and food additive. Therefore the transfer of algae-bound uranium along the food chain could arise to a serious threat to human health. Aim of this work was the quantitative and structural characterization of the interaction between U(VI) and the green alga Chlorella vulgaris in environmental relevant concentration and pH range with special emphasis on metabolic activity. The obtained findings of the sorption experiments in this study demonstrate clearly, the interactions with uranium are heavily influenced by the status of the investigated Chlorella cells. So in presence of environmentally relevant uranium concentrations a remobilization of algal-bound uranium by metabolically active algae occurred. The U(VI)-algae-complexes formed in dependence of cell activity, uranium concentration and pH value were structural characterized by TRLF, EXAFS and ATR-FTIR spectroscopy. With the help of TEM under the given experimental conditions uranium was detected in form of 30-70 nm needle-like deposites in the cell wall of living algae. The obtained results of this study contribute to the prediction of the migration behavior of uranium under environmental conditions, the radiological risk assessment of geogenic and anthropogenic appearing uranium and a reliable estimation of the accumulation of uranium in the food chain.

Techn. University, Diss., 2005--Darmstadt.

Denna studie behandlar upptaget av de hälsovådliga metallerna bly, kadmium, tallium, torium och uran i några viktiga grödor som vete, råg, potatis och sallat som används för humankonsumtion. Syftet var att studera faktorer och mekanismer som kan påverka grödornas upptag av dessa metaller. Målsättningen var även att utröna hur stor påverkan dessa faktorer har på grödornas upptag av Pb, Cd, Tl, Th och U. En litteraturstudie visade att de domesticerade grödorna vete, potatis, råg och sallat tar upp Pb, Cd, Tl, Th och U. Upptaget är störst hos sallat och potatis, förhöjda koncentrationer i åkermarken medför därför en ökad risk för att hälsovådliga koncentrationer återfinns i grödan. En ökad metallkoncentration av dessa grundämnen i marklösning och odlingssubstrat ger oftast högre metallkoncentrationer i aktuell gröda. De högsta koncentrationerna återfinns oftast i rötterna. Oorganiskt fosfatgödsel kan innehålla Pb, Cd, Tl, Th och U beroende på typ av råvara. Studier visar att fosfatgödsels kadmiuminnehåll åtminstone ger en ökad kadmiumhalt i grödor som råg, vete, potatis och sallat. En ökad användning av fosfatgödsel tycks även ge högre halter av torium och uran i vete. Stallgödsel från nötkreatur kan minska upptaget av bly och kadmium och arbuskulär mykorrhizasvamp kan binda metaller som bly och kadmium till rotvävnader och på så vis minska upptaget i växtdelar som används för humankonsumtion. Vetes upptag av kadmium och uran studerades i en experimentell hydroponisk dosstudie. Resultaten från den experimentella studien indikerade att förhöjd kadmiumhalt och urankoncentration i näringslösning kan ha gett upphov till förhöjda halter i vete, vilket i sin tur kan ha påverkat plantans tillväxt. I uranprovserien fastställdes att perlit tog upp uran. Utifrån data från försöken beräknades fördelningskonstanten Kd för löst uran/uranhalt i perlit. I denna provserie visade beräkningar att roten genom en aktiv process tog upp uran från näringslösningen. Resultaten indikerar att det finns risker med att äta grödor som odlats i jordar med höga halter av Pb, Cd, Tl, Th eller U. Hälsovådliga koncentrationer kan nås utan att något synligt symtom på kontaminering eller förgiftning hos grödan. / This study deals with the uptake of noxious metals lead, cadmium, thallium, thorium and uranium in some important crops such as wheat, rye, potatoes, and lettuce that are used for human consumption. The aim was to study factors and mechanisms that influence crop uptake of these metals. Another objective was also to define the impact of these factors on crop uptake of Pb, Cd, Tl, Th and U.  According to a literature review domesticated crops such as wheat, potatoes, rye, and lettuce take up Pb, Cd, Tl, Th and U. Lettuce and potatoes are the crop with the highest uptake. Elevated metal concentrations in arable land therefore entails a greater risk for harmful concentrations found in potato and lettuce. Increased concentrations of these elements in soil solution and growing medium usually give higher metal concentrations in the current crop. The highest concentrations are found mostly in the roots. Phosphate fertilizers may contain Pb, Cd, Tl, Th and U depending on the type of raw material used for manufacturing. Studies show that the cadmium content in phosphate fertilizer can give an increased cadmium content in crops such as rye, wheat, potatoes and lettuce. An increased use of phosphate fertilizers also appears to give higher levels of thorium and uranium in wheat. Animal manure from cattle may reduce the uptake of lead and cadmium and arbuscular mycorrhizal fungi can bind metals such as lead and cadmium to rot tissues and thus reduce the accumulation in plant parts used for human consumption. Wheat uptake of cadmium and uranium was studied in an experimental hydroponic dose study. The results of the experimental study indicated that elevated cadmium and uranium content in the nutrient solution increased the content of the element in the plant, which in turn may have affected the growth of the plant. The uranium sample series showed that perlite adsorbed uranium. Based on data from the trials the distribution constant Kd for dissolved uranium / uranium content in perlite was calculated. The results from the uranium sample series showed that the root through an active process took up uranium from the nutrient solution. The results indicate that there are risks associated with eating crops grown in soils with high levels of Pb, Cd, Tl, Th and U. Hazardous concentrations may be reached in the crops with no visible signs of contamination or poisoning.