Arsen im Trinkwasser und in der Nahrung stellen regional bedeutsame Probleme dar. Die Abschätzung der Dimension und eine wissenschaftliche Klärung der Ursachen sind Voraussetzung für den Schutz von Mensch und Natur. Mit dem Speicher Altenberg wurde ein Trinkwasserspeichersystem untersucht, in dem erhöhte Arsenkonzentrationen zu beobachten sind. Ziel der Untersuchungen waren Erkenntnisse über eine mögliche Fortsetzung des bisher beobachteten Trends zu steigenden Arsenkonzentrationen. Hierzu wurde das System in Kompartimente unterteilt und diese auf ablaufende Prozesse und Dynamiken untersucht. Das System besitzt eine geringe Produktivität auf Grund von Nährstoffarmut, insbesondere einer Phosphat-Oligotrophie. Es ist, wie viele Gewässer in der nördlichen Hemisphäre, im Kontext sinkender Immissionsbelastungen wie auch des Klimawandels von hohen und zunehmenden Huminstoffeinträgen aus dem Einzugsgebiet geprägt. Hinzu kommt das Wirken von internen und externen Arsenquellen. Am Grund der Gewässer wurden arsenreiche und humose Substrate nachgewiesen. Sie sind einerseits die Folge einer lang anhaltenden Akkumulation von Sedimenten, die auf Einträge aus dem von arsenreichen Grundgesteinen und anmoorigen Böden geprägten Einzugsgebiet zurückgehen. Andererseits kommt eine Überstauung anmooriger Böden und Moore mit gespeichertem lithogenen bzw. chalkogenen Arsen am Baugrund der Speichergewässer in Frage. Die Bedeutung deponierter Flugaschen wird für das System als untergeordnet eingeschätzt. Für den im System als Vorsperre genutzten Galgenteich zeigt sich seit Beginn der Arsenmessungen im Jahre 1997 ein bis zum Jahre 2000 andauernder stetiger Anstieg der Arsenkonzentration, der statistisch signifikant mit einem Rückgang der Nitratkonzentration einhergeht. Diese ist ihrerseits Teil eines allgemeinen Trends einer ökologischen Regeneration mitteleuropäischer bewaldeter Wassereinzugsgebiete seit Ende der Achtzigerjahre in der Folge abnehmender Depositionslasten. Die wahrscheinlichste kausale Verknüpfung zwischen beiden Parametern ist eine Änderung des redoxchemischen Milieus der Gewässersedimente. Zu Zeiten der hohen Depositionen unterdrückten hohe Konzentrationen von Nitrat als sekundärem Elektronenakzeptor eine Freisetzung von Arsen aus Eisenoxid-Sorbaten. Im Zuge andauernder reduktiver Prozesse und mit dem Rückgang der Nitratkonzentration gewinnen Rücklösungsprozesse an Bedeutung. Seit der Jahrtausendwende zeigen sich reguläre zyklische Jahresverläufe der Arsenkonzentration mit Maxima im Spätsommer und Minima im Frühjahr. Eine Bilanzierung der Massenströme legt eine Quellfunktion der Gewässersedimente im Sommerhalbjahr offen, während der Rückgang der Arsenkonzentration im Winterhalbjahr hauptsächlich auf eine Auswaschung und, zu geringerem Anteil, auf eine interne Senkenfunktion zurückgeführt werden kann. Der Speicher Altenberg ist im Sommer thermisch geschichtet. Aber eine Schichtung von Arsen ist weit schwächer ausgeprägt. Ein Anstieg der Arsenkonzentration wurde sowohl im Hypo- als auch im Epilimnion nachgewiesen. Dies legt eine Arsenfreisetzung auch aus epilimnischen Sedimenten nahe, trotz oxischer Bedingungen im überstehenden Wasserkörper. Der dystrophen Natur des Gewässers entsprechend, wird die Triebkraft der zur Arsenfreisetzung führenden respirativen Prozesse dem Abbau humosen Kohlenstoffes zugeordnet. Für Sicker- und Interstitialwässer im System wurde die Mobilisation des Arsens in Zusammenhang mit der Respiration huminstoff-bürtigen Kohlenstoffes nachgewiesen. Neben der internen Arsenmobilisation ist auch die Arsennachlieferung aus dem Einzugsgebiet von Bedeutung. Die Arsenfracht befindet sich in diesen Wasserströmen vorzugsweise in Abhängigkeit von gelöstem organischen Kohlenstoff und der Abflussintensität. Daraus ergibt sich für den Arsenhaushalt des Speichersystems eine besondere Bedeutung von Starkregenereignissen mit verstärktem hypodermischen Abfluss und der Verfrachtung von Arsen in Assoziation mit wasserlöslichen Huminstoffen. Es wird eine Fallunterscheidung vorgestellt, wonach a) in trockenen Jahren mit geringen Durchflüssen sich Arsen aus der internen Rücklösung aus Sedimenten im Wasserkörper des Speichers anreichert; b) bei durchschnittlichen Durchflüssen im Speicher Verdünnungseffekte über die Anreicherung dominieren und tendenziell niedrige Arsenkonzentrationen resultieren; sowie c) in Jahren mit hohen dynamischen Durchflüssen bzw. ausgeprägten Starkregenereignissen ein verstärkter Eintrag aus dem Einzugsgebiet die Arsenkonzentrationen im Speicher ebenfalls ansteigen lässt. Eine exemplarische Analyse der chemischen Spezies des Elements hat ergeben, dass anorganisches fünfwertiges Arsen die dominante Form im Wasser des Speichers Altenberg ist. Der Anteil von höher toxischem dreiwertigen Arsen ist niedrig, ebenso auch der von methylierten Spezies. Daher wird auch eine Bildung volatiler Methylspezies, d.h. eine Öffnung des Arsenhaushaltes zur Atmosphäre, als unbedeutend eingeschätzt. Im Speichersystem offenbart sich eine spezifische Verknüpfung eines an Eisen-Huminstoff-Kolloide gebundenen Antransportes von Arsen aus dem Einzugsgebiet mit einer auf Huminstoffabbau basierenden, redoxchemisch gesteuerten saisonalen Arsenfreisetzung aus den Sedimenten. Dies hat Modellcharakter für Gewässersysteme, in denen hohe Huminstoffmobilität mit geogen oder auch anthropogen bedingten Arsenvorräten zusammentrifft. / Arsenic in drinking water and food represent regionally significant problems. The estimation of the dimension and a scientific explanation of the causes is a prerequisite for the protection of humans and nature. The Altenberg reservoir system was investigated as a drinking water facility, where elevated arsenic concentrations are observed. The aim of the investigations was to get findings about a possible continuation of recently observed trends of increasing arsenic concentrations in the water reservoir. For this purpose, the system was divided into compartments and these were investigated for running processes and dynamics. The system has a low productivity due to a low nutrient state, in particular a phosphate oligotrophy. Like a lot of surface waters in the northern hemisphere, it is shaped by high and increasing inputs of humic matter from the catchment area in context of declining immissions as well as of climate change. Additionally, there are internal and external sources of arsenic. At the bottom of the reservoirs, sediments rich in arsenic and humic matter were found. On the one hand side, they are the result of a long-lasting accumulation of sediments which originate in inputs from the catchment area, which is shaped by arsenic-rich basic rocks and histic soils. Likewise, an inundation of gleyic and histic soils with stored lithogenic respectively chalcogenic arsenic inside the construction ground of the reservoirs is an option. The importance of deposited fly ash for the system is assessed to be subordinate. For the Galgenteich, which is operated as a predam, since the beginning of arsenic measurements in 1997 an until the 2000 lasting steady increase in the concentration of arsenic concentration was found, which is significantly associated with a decrease in nitrate concentration. The nitrate concentration decrease in turn is part of an ecological regeneration of Central European forested catchments since the late eighties as a result of decreasing deposition loads. The most likely causal linkage between both parameters is a change in the redox-chemical environment of reservoir sediments. At past times of high depositions, high concentrations of nitrat as a secondary electron acceptor suppressed a release of arsenic from iron oxide sorbates. In the course of reductive processes, and with the decrease in nitrate concentration, release processes gain importance. Since the turn of the millennium regular cyclic annual courses of the arsenic concentration emerge with maxima in the late summer and minima in spring. An accounting of the mass flows reveals a source function of reservoir sediments in the summer season, whilst the decrease of the arsenic concentration during the winter months can be mainly attributed to washout and to a lesser proportion to an internal sink function. The Altenberg reservoir is thermally stratified in summer. But a stratification of arsenic is far less pronounced. An increase in the arsenic concentration was detected in hypolimnion and in epilimnion too. This suggests an arsenic release also from epilimnetic sediments despite oxic conditions in the overlaying water body. According to the dystrophic nature of the water body, the driving force leading to arsenic release during the respiratory processes is assigned to the use of humic carbon. For seepage and interstitial waters in the system, the mobilization of arsenic has been demonstrated in connection with the respiration of humic carbon. In addition to the internal arsenic mobilization, also a recent arsenic delivery from the catchment area is of importance. The arsenic load in these water flows preferably depends on contents of dissolved organic carbon and on runoff intensity. That implies a special meaning of heavy rainfall events with intensified hypodermic runoff and the transportation of arsenic in association with water-soluble humic matter for the arsenic budget of the reservoir system. A case distinction is presented, according to which a) in dry years with low flow rates sediment released arsenic accumulates in the reservoir water to higher concentrations; b) at average flow rates in dilution effects dominate over the enrichment with the result of low arsenic concentrations; and c) in years with high dynamic flows and strong heavy rains an increased input from the catchment area can also increase the arsenic concentration in the reservoir. An exemplary analysis of chemical species has shown that inorganic pentavalent arsenic is dominant in the water of the Altenberg reservoir. Higher toxic trivalent arsenic was found to a lesser extent as well as methylated species. Therefore, a formation volatile methyl species, i.e. an opening of the arsenic budget to atmosphere, is assessed to be insignificant. The dynamics in the reservoir system reveal a specific linkage between a catchment arsenic feed based on arsenic in iron-humic colloids and a redox-chemically controlled arsenic release from the sediments of the reservoir. This serves as a model for water systems, where high humic matter mobility coincides with geogenic or anthropogenic arsenic inventories.

Arsen im Trinkwasser und in der Nahrung stellen regional bedeutsame Probleme dar. Die Abschätzung der Dimension und eine wissenschaftliche Klärung der Ursachen sind Voraussetzung für den Schutz von Mensch und Natur. Mit dem Speicher Altenberg wurde ein Trinkwasserspeichersystem untersucht, in dem erhöhte Arsenkonzentrationen zu beobachten sind. Ziel der Untersuchungen waren Erkenntnisse über eine mögliche Fortsetzung des bisher beobachteten Trends zu steigenden Arsenkonzentrationen. Hierzu wurde das System in Kompartimente unterteilt und diese auf ablaufende Prozesse und Dynamiken untersucht. Das System besitzt eine geringe Produktivität auf Grund von Nährstoffarmut, insbesondere einer Phosphat-Oligotrophie. Es ist, wie viele Gewässer in der nördlichen Hemisphäre, im Kontext sinkender Immissionsbelastungen wie auch des Klimawandels von hohen und zunehmenden Huminstoffeinträgen aus dem Einzugsgebiet geprägt. Hinzu kommt das Wirken von internen und externen Arsenquellen. Am Grund der Gewässer wurden arsenreiche und humose Substrate nachgewiesen. Sie sind einerseits die Folge einer lang anhaltenden Akkumulation von Sedimenten, die auf Einträge aus dem von arsenreichen Grundgesteinen und anmoorigen Böden geprägten Einzugsgebiet zurückgehen. Andererseits kommt eine Überstauung anmooriger Böden und Moore mit gespeichertem lithogenen bzw. chalkogenen Arsen am Baugrund der Speichergewässer in Frage. Die Bedeutung deponierter Flugaschen wird für das System als untergeordnet eingeschätzt. Für den im System als Vorsperre genutzten Galgenteich zeigt sich seit Beginn der Arsenmessungen im Jahre 1997 ein bis zum Jahre 2000 andauernder stetiger Anstieg der Arsenkonzentration, der statistisch signifikant mit einem Rückgang der Nitratkonzentration einhergeht. Diese ist ihrerseits Teil eines allgemeinen Trends einer ökologischen Regeneration mitteleuropäischer bewaldeter Wassereinzugsgebiete seit Ende der Achtzigerjahre in der Folge abnehmender Depositionslasten. Die wahrscheinlichste kausale Verknüpfung zwischen beiden Parametern ist eine Änderung des redoxchemischen Milieus der Gewässersedimente. Zu Zeiten der hohen Depositionen unterdrückten hohe Konzentrationen von Nitrat als sekundärem Elektronenakzeptor eine Freisetzung von Arsen aus Eisenoxid-Sorbaten. Im Zuge andauernder reduktiver Prozesse und mit dem Rückgang der Nitratkonzentration gewinnen Rücklösungsprozesse an Bedeutung. Seit der Jahrtausendwende zeigen sich reguläre zyklische Jahresverläufe der Arsenkonzentration mit Maxima im Spätsommer und Minima im Frühjahr. Eine Bilanzierung der Massenströme legt eine Quellfunktion der Gewässersedimente im Sommerhalbjahr offen, während der Rückgang der Arsenkonzentration im Winterhalbjahr hauptsächlich auf eine Auswaschung und, zu geringerem Anteil, auf eine interne Senkenfunktion zurückgeführt werden kann. Der Speicher Altenberg ist im Sommer thermisch geschichtet. Aber eine Schichtung von Arsen ist weit schwächer ausgeprägt. Ein Anstieg der Arsenkonzentration wurde sowohl im Hypo- als auch im Epilimnion nachgewiesen. Dies legt eine Arsenfreisetzung auch aus epilimnischen Sedimenten nahe, trotz oxischer Bedingungen im überstehenden Wasserkörper. Der dystrophen Natur des Gewässers entsprechend, wird die Triebkraft der zur Arsenfreisetzung führenden respirativen Prozesse dem Abbau humosen Kohlenstoffes zugeordnet. Für Sicker- und Interstitialwässer im System wurde die Mobilisation des Arsens in Zusammenhang mit der Respiration huminstoff-bürtigen Kohlenstoffes nachgewiesen. Neben der internen Arsenmobilisation ist auch die Arsennachlieferung aus dem Einzugsgebiet von Bedeutung. Die Arsenfracht befindet sich in diesen Wasserströmen vorzugsweise in Abhängigkeit von gelöstem organischen Kohlenstoff und der Abflussintensität. Daraus ergibt sich für den Arsenhaushalt des Speichersystems eine besondere Bedeutung von Starkregenereignissen mit verstärktem hypodermischen Abfluss und der Verfrachtung von Arsen in Assoziation mit wasserlöslichen Huminstoffen. Es wird eine Fallunterscheidung vorgestellt, wonach a) in trockenen Jahren mit geringen Durchflüssen sich Arsen aus der internen Rücklösung aus Sedimenten im Wasserkörper des Speichers anreichert; b) bei durchschnittlichen Durchflüssen im Speicher Verdünnungseffekte über die Anreicherung dominieren und tendenziell niedrige Arsenkonzentrationen resultieren; sowie c) in Jahren mit hohen dynamischen Durchflüssen bzw. ausgeprägten Starkregenereignissen ein verstärkter Eintrag aus dem Einzugsgebiet die Arsenkonzentrationen im Speicher ebenfalls ansteigen lässt. Eine exemplarische Analyse der chemischen Spezies des Elements hat ergeben, dass anorganisches fünfwertiges Arsen die dominante Form im Wasser des Speichers Altenberg ist. Der Anteil von höher toxischem dreiwertigen Arsen ist niedrig, ebenso auch der von methylierten Spezies. Daher wird auch eine Bildung volatiler Methylspezies, d.h. eine Öffnung des Arsenhaushaltes zur Atmosphäre, als unbedeutend eingeschätzt. Im Speichersystem offenbart sich eine spezifische Verknüpfung eines an Eisen-Huminstoff-Kolloide gebundenen Antransportes von Arsen aus dem Einzugsgebiet mit einer auf Huminstoffabbau basierenden, redoxchemisch gesteuerten saisonalen Arsenfreisetzung aus den Sedimenten. Dies hat Modellcharakter für Gewässersysteme, in denen hohe Huminstoffmobilität mit geogen oder auch anthropogen bedingten Arsenvorräten zusammentrifft.:Zusammenfassung I Summary III Abbildungs- und Tabellenverzeichnis V 1 Einleitung 1 1.1 Arsen 1 1.2 Das Untersuchungsobjekt - Spezifik der Problemstellung 3 1.3 Fragestellungen 8 2 Hauptergebnisse 10 3 Schlussfolgerungen und Ausblick 17 4 Literatur 19 5 Publikationen 24 5.1 Changes in catchment conditions lead to enhanced remobilization of arsenic in a water reservoir (Publikation 1) 24 5.2 High mobilization of arsenic, metals and rare earth elements in seepage waters driven by respiration of old allochthonous organic carbon (Publikation 2) 25 5.3 Enhanced arsenic mobility in a dystrophic water reservoir system after acidification recovery (Publikation 3) 26 Erklärung zur Eigenständigkeit i Lebenslauf ii Publikationsliste iii / Arsenic in drinking water and food represent regionally significant problems. The estimation of the dimension and a scientific explanation of the causes is a prerequisite for the protection of humans and nature. The Altenberg reservoir system was investigated as a drinking water facility, where elevated arsenic concentrations are observed. The aim of the investigations was to get findings about a possible continuation of recently observed trends of increasing arsenic concentrations in the water reservoir. For this purpose, the system was divided into compartments and these were investigated for running processes and dynamics. The system has a low productivity due to a low nutrient state, in particular a phosphate oligotrophy. Like a lot of surface waters in the northern hemisphere, it is shaped by high and increasing inputs of humic matter from the catchment area in context of declining immissions as well as of climate change. Additionally, there are internal and external sources of arsenic. At the bottom of the reservoirs, sediments rich in arsenic and humic matter were found. On the one hand side, they are the result of a long-lasting accumulation of sediments which originate in inputs from the catchment area, which is shaped by arsenic-rich basic rocks and histic soils. Likewise, an inundation of gleyic and histic soils with stored lithogenic respectively chalcogenic arsenic inside the construction ground of the reservoirs is an option. The importance of deposited fly ash for the system is assessed to be subordinate. For the Galgenteich, which is operated as a predam, since the beginning of arsenic measurements in 1997 an until the 2000 lasting steady increase in the concentration of arsenic concentration was found, which is significantly associated with a decrease in nitrate concentration. The nitrate concentration decrease in turn is part of an ecological regeneration of Central European forested catchments since the late eighties as a result of decreasing deposition loads. The most likely causal linkage between both parameters is a change in the redox-chemical environment of reservoir sediments. At past times of high depositions, high concentrations of nitrat as a secondary electron acceptor suppressed a release of arsenic from iron oxide sorbates. In the course of reductive processes, and with the decrease in nitrate concentration, release processes gain importance. Since the turn of the millennium regular cyclic annual courses of the arsenic concentration emerge with maxima in the late summer and minima in spring. An accounting of the mass flows reveals a source function of reservoir sediments in the summer season, whilst the decrease of the arsenic concentration during the winter months can be mainly attributed to washout and to a lesser proportion to an internal sink function. The Altenberg reservoir is thermally stratified in summer. But a stratification of arsenic is far less pronounced. An increase in the arsenic concentration was detected in hypolimnion and in epilimnion too. This suggests an arsenic release also from epilimnetic sediments despite oxic conditions in the overlaying water body. According to the dystrophic nature of the water body, the driving force leading to arsenic release during the respiratory processes is assigned to the use of humic carbon. For seepage and interstitial waters in the system, the mobilization of arsenic has been demonstrated in connection with the respiration of humic carbon. In addition to the internal arsenic mobilization, also a recent arsenic delivery from the catchment area is of importance. The arsenic load in these water flows preferably depends on contents of dissolved organic carbon and on runoff intensity. That implies a special meaning of heavy rainfall events with intensified hypodermic runoff and the transportation of arsenic in association with water-soluble humic matter for the arsenic budget of the reservoir system. A case distinction is presented, according to which a) in dry years with low flow rates sediment released arsenic accumulates in the reservoir water to higher concentrations; b) at average flow rates in dilution effects dominate over the enrichment with the result of low arsenic concentrations; and c) in years with high dynamic flows and strong heavy rains an increased input from the catchment area can also increase the arsenic concentration in the reservoir. An exemplary analysis of chemical species has shown that inorganic pentavalent arsenic is dominant in the water of the Altenberg reservoir. Higher toxic trivalent arsenic was found to a lesser extent as well as methylated species. Therefore, a formation volatile methyl species, i.e. an opening of the arsenic budget to atmosphere, is assessed to be insignificant. The dynamics in the reservoir system reveal a specific linkage between a catchment arsenic feed based on arsenic in iron-humic colloids and a redox-chemically controlled arsenic release from the sediments of the reservoir. This serves as a model for water systems, where high humic matter mobility coincides with geogenic or anthropogenic arsenic inventories.:Zusammenfassung I Summary III Abbildungs- und Tabellenverzeichnis V 1 Einleitung 1 1.1 Arsen 1 1.2 Das Untersuchungsobjekt - Spezifik der Problemstellung 3 1.3 Fragestellungen 8 2 Hauptergebnisse 10 3 Schlussfolgerungen und Ausblick 17 4 Literatur 19 5 Publikationen 24 5.1 Changes in catchment conditions lead to enhanced remobilization of arsenic in a water reservoir (Publikation 1) 24 5.2 High mobilization of arsenic, metals and rare earth elements in seepage waters driven by respiration of old allochthonous organic carbon (Publikation 2) 25 5.3 Enhanced arsenic mobility in a dystrophic water reservoir system after acidification recovery (Publikation 3) 26 Erklärung zur Eigenständigkeit i Lebenslauf ii Publikationsliste iii