Eine Reihe von Schwermetallen wirken auf das Bodenökosystem toxisch. Sie beeinträchtigen die Mikrobiologie und die Artenvielfalt der Bodenflora. Aufgrund dieser Wirkung und ihrer Bioverfügbarkeit werden die Metalle Antimon, Arsen, Blei, Cadmium, Chrom, Kupfer, Nickel, Quecksilber, Silber, Thallium, Wismut und Zink als besonders rele-vant eingeschätzt (Wood, 1974). Diese Stoffe werden dispers in der Natursphäre verteilt und reichern sich in
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< 0 0 - 200 200 - 500
500 - 1.000 1.000 - 2.000
> 2.000
Abbildung 16: Überschreitung der kritischen Belastungswerte von Ökosystemen am Beispiel von Säurefrachten in Waldböden und Oberflächengewässern für das Jahr 1991, 95 % Perzentile. Der Karte liegen für Waldböden eine Fließgleichgewichtsannahme und 5 Empfindlichkeitsklassen zugrunde (0,02 g freie Säure m-2Jahr-1als kritischer Be-lastungswert für die empfindlichste Klasse)
Quelle: CCE, 1991
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nischer Substanz an. Neben Organismen betrifft dies insbesondere auch die Humushorizonte der Böden. Bei einer Veränderung der physikochemischen Bedingungen (Versauerung) ist mit einer plötzlichen Mobilisierung von Schwer-metallen zu rechnen. Möglicherweise sind die Aufnahmekapazitäten der Böden Europas und Japans bald erreicht (Nriagu und Pacyna, 1988). Aufgrund des ungenügenden Kenntnisstands der ökotoxischen Wirkungen sowie der Grenzbelastbarkeiten unterschiedlicher Standorte ist das Gefährdungspotential für die Böden (und die terrestrischen Ökosysteme insgesamt) nicht genau bekannt; wegen der Anreicherung und der nicht reversiblen dispersiven Prozesse muß aber von einer schweren Hypothek gesprochen werden (Ayres und Simonis, 1994).
Schwermetalle werden insbesondere in folgenden Sektoren mobilisiert: Erzverarbeitung und Verbrennung fossiler Brennstoffe, wo Schwermetalle als Verunreinigungen z.B. in Steinkohle auftreten (Arsen, Cadmium, Quecksilber), Kraftwerke und Industrie (Arsen, Blei, Quecksilber), Abfallverbrennungsanlagen (Quecksilber) und im Kfz-Verkehr (Blei) (UBA, 1992). Sie gelangen zu einem großen Teil über den atmosphärischen Pfad (trockene und nasse Deposi-tion) in die Böden (Nriagu und Pacyna, 1988), werden aber auch aus natürlichen Quellen emittiert (insbesondere Man-gan, Eisen, Zink, u.a.). Die Herstellung einiger schwermetallhaltiger Pestizide wurde insbesondere im Zusammenhang mit spezifischen Krankheitsfällen (Minamata-, Itai-Itai-Krankheit) verboten. Es sind jedoch noch kupfer-, arsen- und quecksilberhaltige Pestizide in Gebrauch. Der Anteil natürlicher Quellen an den biogeochemischen Kreisläufen ist aber im allgemeinen rückläufig, da die anthropogene Mobilisierung weiter zunimmt. Von einigen wichtigen Schwer-metallen (Nickel, Kupfer, Zink, Cadmium, Blei) wurden in den letzten zwei bis drei Jahrzehnten so große Mengen freigesetzt wie in der gesamten Geschichte zuvor. Aufgrund von Emissionsminderungsmaßnahmen wurde in den indu-strialisierten Ländern jedoch eine Trendwende erreicht (zumindest für Blei, Cadmium und Zink); dagegen steigen die Schwermetallemissionen in den weniger entwickelten Ländern weiter stark an (Nriagu, 1992).
In Ballungsgebieten werden im allgemeinen höhere und vereinzelt, insbesondere nahe entsprechender Emissionen, ex-trem hohe Immissionen erreicht. Überregionale Bestandsaufnahmen des Eintrags gibt es nicht; für einige Schwerme-talle existieren jedoch nationale und regionale Abschätzungen (Ayres und Simonis, 1994). Es wird geschätzt, daß der Metalleintrag in Böden bei angenommener Gleichverteilung über die bewohnte Erdoberfläche zwischen 0,1 mg m-2 Jahr-1(Cd) und 5 – 6 mg m-2Jahr-1(Cr, Cu, Pb) ausmacht (Nriagu und Pacyna, 1988).
Tab. 12 und Abb. 17 geben die Einträge der Schwermetalle Arsen, Blei, Cadmium und Quecksilber in Böden Europas anhand ausgewählter Untersuchungen bzw. anhand von Modellrechnungen wieder. Die Modellrechnungen basieren auf Emissionsdaten und meteorologischen Ausbreitungsrechnungen. Durch Abgleich mit Immissionsmessungen hat sich gezeigt, daß insbesondere die Emissionsquellen von Cadmium und Zink in Europa nur unvollständig bekannt sind (Petersen und Krüger, 1993).
Der anthropogen verursachte Eintrag von Schwermetallen addiert sich in den Böden zu den natürlichen Vorkommen, die aufgrund des unterschiedlichen geologischen Untergrunds kleinräumig stark variieren. In Tab. 13 werden als Bei-spiel Werte für Böden Hessens und Nordindiens wiedergegeben.
Die in Tab. 13 nachgewiesenen Belastungen treten besonders in urbanen Gebieten (Ballungsräumen) auf. Untersu-chungen in Reinluftgebieten zeigen aber, daß durch die großräumige Verfrachtung von z.B. Cadmium und Blei die ganze Erde betroffen ist und die Schwermetallfrachten in Luft, Wasser und Böden zunehmen (Stigliani und
Ander-Tabelle 12: Gesamteinträge von Cd, Pb und Hg in verschiedenen Ländern
Ort Meßzeitraum Pb Cd Hg Quelle
(mg m-2Jahr-1) (mg m-2Jahr-1) (mg m-2Jahr-1)
Deutschland 1980 – 85 5 – 45 0,3 – 1,2 (Höfken et al., 1983;
Grosch, 1986)
Ungarn 1986 10 0,7 (Meszaros et al., 1987)
Finnland, Schweden, 1991 0,35 – 1,7 0,01 – 0,08 0,003 – 0,035 (Iverfeldt, 1991;
Norwegen Jensen, 1991;
Leinonen und Juntto, 1992)
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Abbildung 17: Einträge von Quecksilber in Europa für das Jahr 1988: Modellergebnisse
Quelle: Petersen, 1992
unter 7 7 - 14 15 - 22
23 - 30 über 30
µg Quecksilber m-2 Jahr-1
berg, 1994). Die Konzentrationen im Regenwasser urbaner Gebiete überschreiten die für Trinkwasser empfohlenen Werte. In Ballungsräumen wenig entwickelter Länder wird Regenwasser aber auch als Trinkwasser verwendet (zur Wirkung von Schwermetallen in Böden siehe „Chemische Prozesse der Bodendegradation“).
Blei
Die weltweiten Bleiemissionen haben gegenüber dem vergangenen Jahrhundert (ca. 20.000 t pro Jahr im Zeitraum 1850 – 1900) um etwa den Faktor 20 zugenommen (ca. 430.000 t pro Jahr in den 70er Jahren, ca. 340.000 t pro Jahr in den 80er Jahren dieses Jahrhunderts). Der Verkehrssektor trägt hierzu derzeit ca. 72% bei, natürliche Quellen nur etwa 3,5% (Nriagu, 1992). Entsprechend finden sich Anstiege der Einträge in quellnahen Gebieten, aufgrund der geringen Auswaschung von bleihaltigen Partikeln aber auch in Reinluftgebieten. Der Eintrag von Blei ist aufgrund von Minde-rungsmaßnahmen im Pkw-Verkehr abnehmend. Dieser Trend ist für Osteuropa allerdings noch nicht erkennbar, wo die Ballungsräume ein Mehrfaches der Bleiimmissionen Westeuropas aufweisen (RIVM, 1992). Die Konzentration dieses Schwermetalls hat im Grönlandeis um den Faktor 200 zugenommen.In den Depositionsflüssen ist wegen der Verwendung bleifreier Kraftstoffe in jüngerer Zeit eine Abnahme zu beobachten, in den USA und auch in Grönland
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bereits seit 1970 (Rosman et al., 1993; Verry und Vermette, 1992).
Mittlere Konzentrationen in den Böden (oberste Schicht) betragen ca. 10 – 40 µg g-1. Aufgrund seiner besonderen Affi-nität zu organischen Substanzen (Bildung von Komplexverbindungen mit Huminstoffen), ist die Akkumulation von Blei in Böden besonders hoch (Schnitzer, 1978). Untersuchungen in Nadelwäldern deuten eine sehr hohe Akkumulation von ca. 50% des eingetragenen Bleis in Waldböden an (Meszaros et al., 1987; Friedland, 1992).
Cadmium
Die weltweiten Cadmiumemissionen haben von ca. 400 t pro Jahr im Zeitraum 1850 – 1900 um ebenfalls etwa den Faktor 20 auf ca. 7.400 t pro Jahr in den 70er Jahren dieses Jahrhunderts zugenommen und betrugen in den 80er Jah-ren ca. 5.900 t pro Jahr. Metallurgische Prozesse tragen derzeit ca. 55% dazu bei, natürliche Quellen nur noch ca. 24%
(Nriagu, 1992).
Mittlere Konzentrationen in Böden (oberste Schicht) betragen 0,01 – 0,5 µg g-1. Untersuchungen in Nadelwäldern deu-ten eine Akkumulation von ca. 20% des eingetragenen Cadmiums im Waldboden an (Meszaros et al., 1987). Beträchtli-che Akkumulationen werden heute in 40% der Kulturböden Europas angenommen (RIVM, 1992).
Quecksilber
Die Mobilisierung von Quecksilber erfolgt zu etwa gleichen Anteilen natürlich und anthropogen (entsprechend jeweils 2.000 – 3.000 t pro Jahr), wobei die Energiegewinnung und Müllverbrennung die größten anthropogenen Emissions-bereiche darstellen; auf natürlicher Seite sind es biologische und vulkanische Quellen (Lindberg, 1987; Nriagu, 1992).
Quecksilber wird vornehmlich atmosphärisch über gasförmige Stoffe (elementares Quecksilber, Quecksil-berhalogenide und organische Verbindungen) transportiert. Pflanzen nehmen dieses Metall deswegen teilweise auch direkt über die Spaltöffnungen der Blätter auf (Lindberg, 1987). Aufgrund der atmosphärischen Verweildauer von ty-pischerweise 0,5 – 2 Jahren können Quecksilberverbindungen auch in atmosphärischen Proben aus Reinluftgebieten und dort lebenden Organismen (z.B. Seevögel, Meeressäuger) nachgewiesen werden.
In unkontaminierten Böden findet man 0,02 – 0,07 µg g-1 Quecksilber (Lindberg, 1987). Zumindest in europäischen, auch emissionsfern gelegenen Böden wird heute aber ein Vielfaches davon vorgefunden (UBA, 1984; Johansson et al., 1991). Für die Böden Schwedens wurde abgeschätzt, daß der gegenwärtige Quecksilbereintrag die kritischen Belastungs-Tabelle 13: Typische Gehalte verschiedener Schwermetalle in Böden, in Niederschlägen und in der Luft
Element Böden Niederschläge3) Luft2), 4)
Hessen1) Nord-Indien2) ländlich urban
(mg kg-1) (mg kg-1) (µg l-1) (µg l-1) (ng m-3)
Vanadium 0,70 2,0 < 5
Chrom 27 0,38 1,2
Nickel 33 0,50 1,5 1 – 3
Kupfer 11 0,45 2,8 1 – 500
Zink 54 0,80 3,5 6 – 350
Arsen ca. 10 1,8 – 2,3 0,24 0,90 1 – 3
Cadmium 0,2 0,02 – 0,2 0,05 0,35 0,06 – 0,1
Quecksilber 0,1 0,03 0,07 3 – 10
Blei 22 0,2 – 1,7 1,40 6,0 5 – 3.200
Quellen: 1) UBA, 1984; 2) Krishna Murti, 1987; 3) Nriagu, 1992; 4) Wong, 1987; Lindberg, 1987
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werte um ein Mehrfaches übersteigt (Bergbäck et al., 1989). Auf Bodenmikroorganismen wirkt Quecksilber stark to-xisch. Elementares Quecksilber wird durch Pilze und Bakterien häufig in Methylquecksilber umgewandelt, das über die Beeinträchtigung von Photosynthese und Enzymaktivitäten ebenfalls biozid wirkt.