Schwermetalle

In Böden und Sedimenten sind Schwermetalle vor allem an die organische Substanz sowie an Sesquioxide und Tonminerale gebunden. Unter reduzierenden Bedingungen kommt es auch zur Ausfällung von Metallsulfiden. Im Überschwemmungsbereich der Flüsse überwiegt der Schwermetalleintrag in die Böden durch die Ablagerung schwermetallbelasteter Sedimente, von denen insbesondere solche mit hohem Fein-kornanteil und hohem Gehalt an organischer Substanz (Schlicke) stark mit Schwerme-tallen angereichert sein können.

Zink

Den Zinkgehalten kommt eine Indikatorfunktion für die Schwermetallbelastung der Böden zu [MIEHLICH et al. 1997a]. Im Folgenden wird daher die Zinkbelastung der Böden detailliert beschrieben.

Zink ist ein in der Natur weit verbreitetes Element und gehört zu den essentiellen Spu-renelementen. In hohen Konzentrationen wirkt es jedoch toxisch auf Pflanzen und Mikroorganismen. In Böden ist es vor allem austauschbar und an die organische Sub-stanz gebunden, sowie an Eisen-, Mangan- und Aluminiumoxiden adsorbiert oder in diese okkludiert. Außerdem kann es in Tonmineralen und anderen Silikaten sowie in definierten Zinkverbindungen (belastete Böden) vorliegen. Bei pH-Werten unterhalb pH 7 liegen etwa 40 - 60 % des Zinks in organischer Bindung vor, oberhalb pH 7 sinkt dieser Anteil, wobei der an Eisen- und Manganoxide adsorbierte Zinkanteil auf 40 – 70 % (in belasteten Böden bis auf 85 %) ansteigt. Unter reduzierenden Bedingungen kann es zur Ausfällung von Zinksulfid kommen, das aufgrund seiner sehr schlechten Löslichkeit nicht pflanzenverfügbar ist. In Wässern liegen die gelösten Zinkanteile meist als Hydroxo-Komplexe oder bei hohen pH-Werten (oberhalb pH 6,5) auch in löslichen organischen Komplexen vor. Zink ist das häufigste, in der industriellen Pro-duktion benutzte Schwermetall. Es wird seit fast zweitausend Jahren von Menschen gewonnen und vor allem im Korrosionsschutz, in Legierungen und in Pigmenten ein-gesetzt. Zinkverbindungen dienen auch als Fungizide und Insektizide. Da Zinkerze i. d. R. auch andere Schwermetalle enthalten, kommt es bei Zinkanreicherungen in Böden häufig gleichzeitig zu erhöhten Gehalten an Cadmium, Blei und Kupfer [SCHEFFER/SCHACHTSCHABEL 2002].

Im UG bestehen zwischen den Zinkgesamtgehalten und den Gehalten an organischer Substanz, Eisen und Ton signifikante positive Korrelationen, was den wichtigsten Bin-dungsformen von Zink entspricht. Wie bereits für einige Nährstoffe beschrieben, wei-sen daher feinkornreiche Böden mit hohen Anteilen an organischer Substanz die höchsten Zinkgehalte auf, während in Böden aus Sand meist nur sehr niedrige Zink-gesamtgehalte auftreten. Dieser Zusammenhang gilt in gleicher Form auch für die weiteren Schwermetalle, was auch durch die signifikanten Korrelationen zwischen den Zinkgehalten und den Gehalten der übrigen Schwermetalle und Arsen bestätigt wird.

Da die Beziehung zwischen Zink und anderen Spurenelementen von weiteren Fakto-ren abhängig ist, kann aus dem Zinkgehalt nicht exakt auf die Gehalte anderer Ele-mente geschlossen werden. Generell kann aber davon ausgegangen werden, dass in Böden mit hohen Zinkgehalten auch andere Schwermetalle in erhöhten Konzentratio-nen vorliegen. Aufgrund unterschiedlicher Eigenschaften in den Ober- und Unterbö-den (Anteil an organischer Substanz, Redoxmilieu etc.) und unterschiedlicher spezifi-scher Beladung in der Feinkornfraktion der abgelagerten Sedimente sind die Bezie-hungen in den Unterböden meist deutlich schlechter als in den Oberböden.

Im gesamten UG werden die Vorsorgewerte für Zink (60 mg/kg für Sand, 150 mg/kg für Schluff/Lehm, 200 mg/kg für Ton) der BBodSchV häufig überschritten. Während dies nur auf weniger als 25 % der Unterbodenproben zutrifft, weisen von den Oberbo-denproben fast 60 % Zinkgesamtgehalte oberhalb 200 mg/kg auf. Von den Wattpro-ben weisen die SandproWattpro-ben erwartungsgemäß niedrige Zinkgehalte auf, während die Schlickproben in der Mehrzahl über den Vorsorgewerten liegen.

Der hauptsächliche Zink-Eintrag (wie auch der übrigen Schadstoffe) erfolgt in die Vor-deichsböden über die Ablagerung von Sedimenten. Der Zinkgesamtgehalt steigt dabei vor allem mit zunehmendem Gehalt an organischer Substanz und der Zunahme des Feinkornanteils an, wobei der Gehalt der Sedimente an organischer Substanz sowie

die spezifische Belastung der Sedimente in Richtung Cuxhaven abnimmt [MIEHLICH et al. 1997b]. Dies ist u. a. auf die Vermischung mit nicht oder gering belasteten mari-nen Sedimenten zurückzuführen.

Insgesamt betrachtet treten die höchsten Zinkgesamtgehalte in feinkörnigen, humus-reichen Horizonten häufig überfluteter Böden der Untersuchungsabschnitte "Vierlan-de" und "Hamburg" auf (zwischen 600 und 3000 mg/kg; Tabelle 5-24). In den Unter-suchungsabschnitten "Wedel" und "Glückstadt" weisen ähnliche Böden ebenfalls hohe Zinkgehalte auf, die aber meist zwischen 300 und 600 mg/kg liegen. In den Untersu-chungsabschnitten "Brunsbüttel" und "Cuxhaven" liegen die Zinkgehalte auch in fein-körnigen, humosen Oberböden meist unterhalb 300 mg/kg, in Neufeld jedoch im deichnahen Bereich bei bis zu 400 mg/kg. Die, durch Einmischung von nicht oder gering belasteten marinen Sedimenten, abnehmende Zinkbelastung in den Böden in Richtung Cuxhaven spiegelt sich auch in den Zinkgehalten älterer Sedimente wider, die z. B. im Untersuchungsabschnitt "Hamburg" häufig um 2000 mg/kg und im Unter-suchungsabschnitt "Glückstadt" um 500 mg/kg Zink in der Korngrößenfraktion <63 μm aufweisen. Ebenso wie hohe bis sehr hohe Gehalte kommen auch niedrige Zinkgehal-te auf allen UnZinkgehal-tersuchungsflächen vor. Es handelt sich hierbei entweder um sandige, meist humusarme Böden in Ufernähe (Uferwälle) oder um die hochaufgespülten San-de San-der Inseln, die außerhalb San-des TiSan-degeschehens liegen. Bindige UnterboSan-denhorizon- Unterbodenhorizon-te, meist ebenfalls ohne nennenswerte Anteile an organischer Substanz, die zu vorin-dustrieller Zeit abgelagert wurden, weisen ebenfalls nur sehr geringe Zinkbelastungen auf. Aufgrund sinkender Maximalgehalte wird somit die Spannweite der Zinkbelastung in Richtung Nordsee kleiner.

Die für einzelne Vordeichsstandorte vorliegenden Zinkgesamtgehalte des Nieder-sächsischen Landesamtes für Bodenforschung [NLFB 2004] stimmen gut mit den hier dargestellten Ergebnissen überein.

Erhöhte Zink-Gehalte im Grundwasser lassen sich z. T. auf sehr hohe Feststoffgehal-te zurückführen. Im Vergleich zu den ElbwassergehalFeststoffgehal-ten weisen die oberflächenna-hen Grundwässer zwar häufig mäßig bis deutlich erhöhte Zinkgehalte auf, meist lie-gen die Zinkgehalte im oberflächennahen Grundwasser jedoch unter 100 μg/l und damit weit unterhalb des Prüfwert der BBodSchV (500 µg/l) für den Pfad Boden - Grundwasser.

Tabelle 5-24: Zinkgesamtgehalt der Vordeichsböden und der oberflächen-nahen Grundwässer

Oberböden (mg/kg) Unterböden (mg/kg) oberflächennahes Grundwasser (µg/l)

Abschnitt Spanne Median Spanne Median Spanne Median VML 48 - 1538 161 16 - 838 83 <10 - 90 28

HH 33 - 1808 476 19 - 3267 37 <10 - 365 46 WED 20 – 909 273 17 - 371 76 <10 - 62 16 GLU 28 – 727 336 28 - 608 95 <10 - 70 15 BRU 100 - 302 212 19 - 257 86 <10 - 227 21 CUX 54 – 431 137 26 - 159 54 <10 - 249 76

Weitere Spurenmetalle

Aufgrund des gleichen Eintragspfades über abgelagerte Sedimente und der haupt-sächlichen Bindung an die organische Substanz und Ton weisen die Kupfergesamt-gehalte eine den ZinkKupfergesamt-gehalten ähnliche Verteilung auf. Überschreitungen der Vorsor-gewerte der BBodSchV (20 - 60 mg/kg) kommen bei etwa 20 % der Proben vor, bei denen es sich fast ausschließlich um Oberböden handelt. Flussabwärts des Untersu-chungsabschnittes "Brunsbüttel" wird der Vorsorgewert nicht überschritten.

Mit Ausnahme der Wässer aus dem Abschnitt "Cuxhaven" liegen die Kupfergehalte der Mehrzahl der untersuchten oberflächennahen Grundwässer im Bereich der Elb-wassergehalte. Im marin beeinflussten Abschnitt "Cuxhaven" kommt es durch Kom-plexbildung zu erhöhten Kupfermobilitäten, die allerdings noch deutlich unter dem Prüfwert für den Pfad Boden – Grundwasser liegen (50 μg/l).

Auch die Belastung der Böden durch Blei verhält sich analog der Zinkbelastung. Die Mehrzahl der Proben weist Bleigesamtgehalte in der Größenordnung der Vorsorge-werte der BBodSchV (40 – 100 mg/kg) auf. Bei den Proben mit erhöhten Bleigehalten handelt es sich meist um Oberböden und Schlicke, wobei der Maßnahmenwert für Grünlandflächen im Hinblick auf die Pflanzenqualität (1200 mg/kg) nicht überschritten wird. Mit Abnahme der spezifischen Belastung der Elbsedimente in Richtung Nordsee sinkt auch die Belastung der bindigen, humosen Böden. Sandige, humusarme Böden (Uferwälle, hoch aufgespülte Inseln) weisen in allen Untersuchungsabschnitten eben-falls die geringsten Bleigesamtgehalte auf.

Auch Nickel und Chrom werden hauptsächlich über belastete Sedimente in die Bö-den eingetragen und liegen vorwiegend an die organische Substanz gebunBö-den oder an Ton und Sesquioxide adsorbiert vor. Von der überwiegenden Mehrzahl der Böden wird der Vorsorgewert der BBodSchV (Ni: 15 - 70 mg/kg; Cr: 30 - 100 mg/kg) nicht oder nur geringfügig überschritten. Erhöhte Gehalte kommen auch hier vor allem in Oberböden und Schlicken vor. Mit der abnehmenden spezifischen Belastung der Se-dimente in Richtung Nordsee nehmen auch die Belastungen der Vordeichsböden mit diesen beiden Schwermetallen generell ab.

Die schon bei den anderen Schwermetallen beschriebene Belastungsverteilung trifft auch für Cadmium zu. Böden, die die Vorsorgewerte der BBodSchV (0,4 - 1,5 mg/kg) überschreiten, kommen in allen Untersuchungsabschnitten vor. Bei ihnen handelt es sich ebenfalls meist um Oberböden mit hohen Anteilen an organischer Substanz und Ton bzw. um Schlick. In den schlickigen Böden der Abschnitte "Vierlande" und "Ham-burg" treten Werte >10 mg/kg auf, die aber nicht die Maßnahmenwerte für Grünland im Hinblick auf die Pflanzenqualität (20 mg/kg) überschreiten.

Auch bei Quecksilber erfolgt der Haupteintrag in die Vordeichsböden über die Abla-gerung feinkörniger, humoser Sedimente. Die hohe Quecksilberbelastung der aus den letzten Jahrzehnten stammenden Sedimente wird durch die meist sehr hohe Belas-tung der Oberböden im Vergleich zu den Unterböden deutlich. Der Vorsorgewert der BBodSchV (0,1 - 1 mg/kg) wird daher vor allem in Oberbodenproben überschritten.

Die Belastungshöhe überschreitet in allen Abschnitten in einzelnen hoch belasteten Schlicken die Maßnahmenwerte für Grünland im Hinblick auf die Pflanzenqualität (2 mg/kg).

Zur Einstufung der Gesamtgehalte an Arsen liegen in der BBodSchV keine Vorsor-gewerte vor, die Belastungen können aber im Vergleich zu natürlichen Hintergrund-werten als mittel bis hoch eingestuft werden. In den Abschnitten Vierlande – Glück-stadt übersteigen einzelne Oberbodenproben die Maßnahmenwerte für Grünland im Hinblick auf die Pflanzenqualität (50 mg/kg).

Im Gegensatz zu den meisten Schwermetallen liegen die Arsengehalte der oberflä-chennahen Grundwässer überwiegend deutlich oberhalb der Elbwassergehalte (häu-fig ca. 2 - 3 μg/l). Vor allem in den Untersuchungsabschnitten "Wedel" bis "Brunsbüt-tel" treten stark erhöhte Arsengehalte im oberflächennahen Grundwasser auf, die dann z. T. auch den Prüfwert zur Beurteilung des Wirkungspfads Boden- Grundwas-ser (10 μg/l) deutlich überschreiten.