Bor (B) Überblick über die Geochemie.

Bor hat zwei Formen stabiler Isotope (10B, 11B) sowie 13 Formen radioaktiver Isotope (von 7B bis 21B, ohne die stabilen Formen). Stabile Formen von Bor sind die einzigen natürlich vorkommenden Isotope, wobei 10B 20% des natürlichen Bors und 11B 80% ausmacht.  

boron isotopes

Die beiden Bor-Isotopenarten, die üblicherweise in geochemischen Untersuchungen verwendet werden (links) und die weiteren 13 radioaktiven Bor-Isotopenarten (rechts)

Unterschiedliche Erdsystemmaterialien und Umweltbedingungen sind durch diskrete Bereiche für das Bor-Isotopenverhältnis gekennzeichnet. Daher wird dieser Parameter ausgiebig bei geochemischen Fingerabdrücken, Quellenverfolgung, Kontaminationsvorhersage, globalen Kohlenstoffkreisläufen und Ozeanzirkulationsstudien verwendet.

Für die Bor-Analyse verfügbare Probenarten: Muscheln, Korallen, Karbonate und Wasser
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Paläoklimatologie & Paläozeanographie

Gelöstes Bor im Meerwasser tritt hauptsächlich in Form von zwei einkernigen Spezies auf, Borsäure (H3BO3 oder B(OH)3) und Borat (BO3-3 oder B(OH)4), mit einer deutlichen Isotopen-Fraktionierung zwischen den beiden Spezies, wie sodass Borsäure im schwereren Isotop (11B) um 27,2 % angereichert ist. Der relative Anteil dieser Spezies ist pH-abhängig, wie unten gezeigt:

B(OH)3 + H2↔ B(OH)4 + H+

Hoher pH-Wert Niedriger pH-Wert

Bor wird hauptsächlich als Boratspezies in biogene und anorganische Karbonate eingebaut. Allerdings ist die jeweilige Art und Konzentration des in biogenen Karbonaten (z. B. Muscheln) eingebauten Bors pH-abhängig. Somit spiegelt die Bor-Isotopen-Zusammensetzung von marinen biogenen Karbonaten den pH-Wert des Meerwassers wider.

Boron and pH in sediments Korrelation zwischen δ11B und pH in marinen Karbonaten in Sedimentkernen aus dem Nordatlantik während der letzten 150.000 Jahre (Chalk et al., 2019).
Bei niedrigen pH-Werten im Ozean wird Bor typischerweise in Form von B(OH)3in eine Muschel eingebaut, während B(OH)4− in Perioden mit hohem pH-Wert die Spezies der Wahl ist. Typischerweise führt eine Erhöhung des Meerwasser-pH-Werts um 0,1 Einheiten zu einer Erhöhung von δ11von marinen biogenen Karbonaten um ~1‰. Da die pH-Werte des Meerwassers sinken, wenn mehr Kohlendioxidgas (CO2) absorbiert wird, ist δ11B ein Proxy, der verwendet werden kann, um Schätzungen der vergangenen atmosphärischen CO2-Konzentration (pCO2) und des ozeanischen Karbonathaushalts einzuschränken. Diese Informationen helfen dabei, historische Klimabedingungen und Schwankungen im globalen Kohlenstoffkreislauf besser zu verstehen. Diese Beziehung zwischen Bor und ozeanischem pH-Wert kann im Maßstab der Ozeanzirkulation analysiert werden und wurde sogar als Beweis für ozeanische Kohlenstoffleckage während der letzten Deglaziation verwendet (Martínez-Botí et al. 2015).
chemical composition of boron

Die Beziehung zwischen pH und dem Prozentsatz von zwei verschiedenen Borarten (https://jpt.spe.org/comparison-methods-boron-removal-flowback-and-produced-waters)

Geochemischer Fingerabdruck und Schadstoffquellenverfolgung

Bor wird in großem Umfang in der Industrie (Schmiermittel, Flussmittel, Zusatzstoffe), in der Landwirtschaft (Mikronährstoff in Düngemitteln) und in Haushalten (Bleichmittel) verwendet. Bor ist ein wichtiger Zusatzstoff in der Stahlherstellung, um die Härte eines Materials zu erhöhen. Beispielsweise werden Borstähle in der Nuklearindustrie aufgrund ihrer natürlichen Fähigkeit, Neutronen zu absorbieren, häufig zur Abschirmung von Systemen und zur Steuerung von Kernreaktionen verwendet. In anderen Branchen wird eine als Natriumborat („Borax“) bekannte Borverbindung in großem Umfang für Waschmittel zur Entfernung von Flecken und Schimmel, sowie in kosmetischen Produkten als Konservierungs- und Puffermittel verwendet.

Boron Release New

Geschätzte Tonnen von Bor, die seit 1972 in die Umwelt gelangt sind (Daten von EPA-68-01-3201, 1976).

Quellensignatur der Isotopenverhältnisse von Bor und Stickstoff in Wasser (Briand et al., 2013).

Aufgrund der umfangreichen Verwendung von Bor in vielen verschiedenen Produkten wird es regelmäßig in die Umwelt freigesetzt. Basierend auf Daten der US Environmental Protection Agency (EPA, 1976) wurden allein im Jahr 1972 insgesamt 35,5 Kilotonnen Bor in die Umwelt freigesetzt, wovon 73 % direkt ins Wasser gelangten. Die Freisetzung von Bor ist besonders problematisch, da Bor in der Umwelt nicht zerstört werden kann, sondern seine Form ändern kann, indem es sich von anderen Partikeln in Böden, Sedimenten und Wasser trennt und anlagert. Dieses Bor kann schließlich seinen Weg in Lebensmittel (Gemüse und Obst) finden, da es ein essentieller Nährstoff für das Pflanzenwachstum ist.

Verweise

Briand, C., Plagnes, V., Sebilo, M., Louvat, P., Chesnot, T., Schneider, M., Ribstein, P. and Marchet, P., (2013). Combination of nitrate (N, O) and boron isotopic ratios with microbiological indicators for the determination of nitrate sources in karstic groundwater. Environmental Chemistry, 10(5), pp.365-369. DOI: 10.1071/EN13036

Chalk, T.B., Foster, G.L. and Wilson, P.A., (2019). Dynamic storage of glacial CO2 in the Atlantic Ocean revealed by boron [CO32−] and pH records. Earth and Planetary Science Letters, 510, pp.1-11. DOI: 10.1016/j.epsl.2018.12.022

EPA (Environmental Protection Agency), (1976). Chemical technology and economics in environmental perspectives. Task II- Removal of Boron from wastewater. Environmental Protection Agency, Office of Toxic Substances, Washington, D.C. 20460

Giri, S.J., Swart, P.K. and Pourmand, A., (2019). The influence of seawater calcium ions on coral calcification mechanisms: Constraints from boron and carbon isotopes and B/Ca ratios in Pocillopora damicornis. Earth and Planetary Science Letters, 519, pp.130-140. DOI: 10.1016/j.epsl.2019.05.008

Martínez-Botí, M.A., et al. (2015). Boron isotope evidence for oceanic carbon dioxide leakage during the last deglaciation. Nature, 518(7538), pp.219-222. DOI: 10.1038/nature14155