Photochemical Degradation of Organic Carbon in Acidic Mining Lakes

Abstract

The investigated coal mining lakes of the Lusatian lignite mining district and the mid-German lignite district are geogenically acidified caused by pyrite and marcasite oxidation. All lakes are characterized by high ionic strength and extremely high concentrations of dissolved ferric iron. In oxic water layers, up to 10% of total iron is present as Fe(II). Mean concentrations of dissolved organic carbon (DOC) are extremely low in the investigated Lusa-tian lakes (<0.1 mmol/L). During summer months, DOC concentrations below the detection limit were observed in epilimnetic layers accompanied by increased concentrations of ferrous iron. It is suggested that photochemical reactions are responsible for depletion of DOC and formation of ferrous iron as it has been described for acidic soft-water lakes. The coupling of DOC degradation and ferrous iron production was verified with sunlight exposure experiments. Samples of acidic mining lakes were irradiated in quartz glass vessels. Up to 50% of DOC was transformed to CO2 after 300 min of irradiation with natural sunlight, and the light-induced production of Fe(II) was up to 450% (compared to 100% Fe(II) concentration before irradiation). As a consequence of acidification and photochemical reactions, the carbon budget of investigated mining lakes is kept low because organic carbon is finally oxidized to carbon dioxide which leaves epilimnetic water layers as a gas. Photochemischer Abbau von organisch gebundenem Kohlenstoff in sauren Bergbaurestseen Die untersuchten Bergbauseen der Braunkohlenabbaugebiete des Lausitzer Braunkohlenreviers und des mitteldeutschen Braunkohlenreviers sind durch Pyrit- und Markasitoxidation geogen versauert. Alle Seen sind durch hohe Ionenstarken und extrem hohe Konzentrationen an gelostem Eisen(III) charakterisiert. In oxischen Wasserschichten liegen bis zu 10% des Gesamteisens als Eisen(II) vor. Die Konzentrationen von gelostem organischen Kohlenstoff (DOC) sind in den untersuchten Seen der Lausitz meist extrem niedrig (< 0.1 mmol/L). Wahrend der Sommermonate liegen die DOC-Konzentrationen im Epilimnion unterhalb der Nachweisgrenze und werden von ansteigenden Konzentrationen an Eisen(II) begleitet. Es ist zu vermuten, dass photochemische Reaktionen, wie sie fur saure Weichwasserseen beschrieben wurden, fur diese Verarmung an DOC und die Bildung von Eisen(II) verantwortlich sind. Der Zusammenhang zwischen dem DOC-Abbau und der Eisen(II)-Bildung wurde mit Sonnenlicht-Experimenten bestatigt. Proben aus sauren Bergbauseen wurden in Quarzglasgefasen bestrahlt. Bis zu 50% des DOC wurde nach 300 Minuten Bestrahlung mit naturlichem Sonnenlicht zu CO2 transformiert und die Lichtinduzierte Bildung von Eisen(II) machte bis zu 450% aus (bezogen auf 100% Eisen(II)-Konzentration vor der Bestrahlung). Als Konsequenz der Versauerung und der photochemischen Reaktionen bleibt das Kohlenstoffbudget der untersuchten Bergbauseen niedrig, da der organische Kohlenstoff letztlich zu Kohlendioxid oxidiert wird, der das Epilimnion als Gas verlasst.