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Werden im Boden gespeicherte Metalle durch Umweltveränderungen freigesetzt?

Wolfgang Wilcke, Moritz Bigalke und Adrien Mestrot

Universität Bern, Geographisches Institut, Hallerstrasse 12, CH-3012 Bern, wolfgang.wilcke@giub.unibe.ch

Der Klimawandel könnte in der Schweiz zu ausgeprägteren Nassphasen führen.

Die resultierende Wassersättigung verursacht Sauerstoffmangel im Boden und senkt das Redoxpotenzial. Unter solchen chemisch-reduzierenden Bedingungen können gespeicherte Metalle durch Auflösung von Eisen- und Mangan-(Hydr-) oxiden gelöst und verlagert werden. Gleichzeitig kommt es zu einer bisher wenig beachteten Freisetzung von Metall-Kolloiden in die Bodenlösung. Ein weiterer, zahlreiche Metalle betreffender Transformations-Prozess unter sauerstoffarmen Bedingungen ist die Biomethylierung. Mit sinkendem Redoxpotenzial wird dieser Prozess verstärkt, der zum Beispiel für As mit einer Minderung, für Hg aber mit einer Zunahme der Toxizität verbunden ist. Zusammenfassend lässt sich festhal- ten, dass zeitlich zunehmende Nassphasen voraussichtlich zu einer (Re-)Mobili- sierung von Metallen in Waldböden in gelöster, kolloidaler und alkylierter Form führen würden.

1 Einleitung

Eine Bewertung der Belastung von Waldböden mit ausgewählten Metal- len (Cr, Ni, Cu, Zn und Pb) wurde von Zimmermann et al. (2006) anhand von 95 Bodenprofilen aus der gesamten Schweiz vorgenommen. Dabei zeigte sich, dass vor allem in der Ostschweiz häufig Cr- und Ni-Gehalte im minera- lischen Oberboden auftreten, die den Richtwert der VBBo (1998) über- schreiten. Dies steht im Zusammen- hang mit Serpentin-Gestein und hat daher geogene Gründe. In den Unter- böden wurden häufigere Cr- und Ni- Richtwertüberschreitungen gefunden als im Oberboden, was ebenfalls auf überwiegend geogene Gründe der Cr- und Ni-Belastung hinweist. Die Richt- werte der VBBo (1998) für Cu wurden lediglich in wenigen Unterböden der Südschweiz überschritten und es zeig- te sich kein Hinweis auf Cu-Einträge aus der Atmosphäre. Die Zinkgehalte der untersuchten Böden überschritten weder im Unter- noch im Oberboden die Richtwerte der VBBo (1998) und es zeigten sich Hinweise auf eine geringe anthropogene Zn-Anreicherung. Blei ist das einzige Metall, dessen Gehalte im Oberboden häufiger die Richtwerte überschreiten als im Unterboden, was

auf eine anthropogene Belastung, die vermutlich noch aus der Zeit der Ver- wendung bleihaltigen Benzins stammt, hinweist. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass es in Waldböden der Schweiz – mit Ausnahme weniger kleinräumig belasteter Standorte (z. B.

Schiessanlagen im Wald) – flächen- deckend geringe Probleme aufgrund von anthropogener Bodenkontamina- tion mit Metallen gibt, dass aber regi- onal durchaus aus geogenen Gründen stark erhöhte Schwermetallgehalte auf- treten.

Um mögliche zukünftige Gefahren, die von den regional erhöhten Schwer- metallgehalten ausgehen können, ein- zuschätzen, müssen Veränderungen des physiko-chemischen Bodenmili- eus durch die vielfältigen aktuellen Umweltveränderungen (u. a. Klima- wandel, Nähr- und Schadstoffeinträ- ge, beschleunigte Bodenversauerung) berücksichtigt werden. Die vielleicht markanteste aktuelle Umweltverände- rung, der Klimawandel, wird sich in der Schweiz voraussichtlich auf die Wasser- gehalte und damit verbunden den Sau- erstoffhaushalt und das Redoxregime des Bodens auswirken. Klimaprogno- sen rechnen mit steigenden Tempera- turen, länger anhaltenden Trocken- phasen, sowie mit vermehrten Stark-

regenereignissen und Veränderungen der Schnee- und Gletscherschmelze (Fischer und schär 2009; min et al.

2011; IPCC 2012), obwohl eine Vor- hersage der Entwicklung des Nieder- schlagsregimes aktuell noch schwierig ist (o’gorman und schneider 2009).

Die Auswirkungen dieser Entwicklung auf die Bodenfeuchte und das Redox- potenzial sind komplex und hän- gen neben den genauen klimatischen Bedingungen auch von den Eigenschaf- ten der jeweiligen Böden ab (IPCC 2012). Daher ist es schwierig, die gene- relle Bedeutung dieser Veränderung auf die Redoxpotenziale in Waldbö- den abzuschätzen. Es kann aber davon ausgegangen werden, dass in Auenwäl- dern und in stau- und grundwasserbe- einflussten Wäldern, zum Beispiel auf Pseudogleyen, die in der Schweiz häu- fig auftreten, der Klimawandel Einfluss auf das Redoxregime im Boden haben wird. Im Hinblick auf die Mobilisie- rung von in Waldböden gespeicherten Metallen könnten schon wenige Tage anhaltende Nassphasen mit niedrigen Redoxpotenzialen eine wichtige Rol- le spielen (Abb. 1). Daher fokussieren wir im Folgenden auf die Auswirkun- gen von Nassphasen auf die Überfüh- rung von Metallen in die Bodenlösung in gelöster oder kolloidaler Form sowie auf die Alkylierung und Bioverflüchti- gung von Metallen.

2.1 Metallfreisetzung in die Bodenlösung

Änderungen des Redoxpotenzials in Böden können starke Auswirkungen auf die Metallkonzentrationen in der Bodenlösung und die Bindungsfor- men der Metalle in der Bodenfestpha- se haben (gryBos et al. 2009; WeBer

et al. 2010). Kommt es zu einer Was- sersättigung des Bodens wird der im

Isotopenverhältnisse) in Abhängigkeit von den physiko-chemischen Bedin- gungen (z. B. Redoxbedingungen) im Boden. Werden Metalle aus dem Boden ausgewaschen, ändert sich die Isotopen-Zusammensetzung sowohl des Auswaschungs- als auch des Einwa- schungs-Horizontes. Das Isotopenver- hältnis der Probe wird dabei als d-Wert relativ zu einem internationalen Isoto- penstandard angegeben, wie in Glei- chung 1 beispielhaft für Cu gezeigt.

Gleichung 1:

[ ] ( )

(

)

‰

63 976 65

63 65 65

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ −

=

NIST sample

Cu Cu

Cu Cu Cu

δ

Mit dieser Methode lassen sich Hin- weise auf eine Mobilisierung und Aus- waschung von Cu aus Waldböden fin- den. Bei einer Untersuchung von vier Grund- oder Stauwasser-beeinflussten Böden (zwei Gleyen und zwei Pseu- dogleyen) und vier nicht vernässten- Böden (zwei Podsolen und zwei Brau- nerden) stellte sich heraus, dass Cu in den vernässten Böden mit zunehmen- der Tiefe isotopisch schwerer wurde (0,11 ± 0,07‰; 95 % Konfidenzinter- vall), während es in den oxisch verwit- terten Böden isotopisch leichter wurde (–0,37 ± 0,21‰; 95 % Konfidenzinter- vall; BigaLke et al. 2010; 2011). Diese Unterschiede lassen sich dadurch erklä- ren, dass im Boden unter Sauerstoff- mangel chemisch reduzierte Cu-Ver- bindungen – wahrscheinlich Kolloide – freigesetzt und verlagert werden. Die reduzierten Kolloide haben ein leichte- res Cu-Isotopenverhältnis und das ver- bleibende Cu im Boden wird isotopisch schwerer, je mehr Cu verlagert wird.

sersättigung im Boden noch ansteigt, kommt es zum Beispiel bei Cu zu einer schnellen Mobilisierung durch Biomi- neralisation und anschliessende CuxS- Bildung (WeBer et al. 2009; Abb. 1).

Neben der Metallfreisetzung in die Bodenlösung ändern sich auch die Metallbindungsformen in der Boden- festphase in Abhängigkeit vom Redox- potenzial. Eine sequenzielle Extrak- tion mit sauerstofffrei inkubiertem Boden zeigte in einem von uns durch- geführten Laborexperiment ansteigen- de Gehalte der meisten Metalle in zwei relativ gut bioverfügbaren Fraktionen mit zunehmender Dauer der Inkuba- tion (Ergebnisse nicht dargestellt).

Ähnliche Beobachtungen berichteten WeBer et al. (2009, 2010), die mithil- fe von Röntgen-Absorptionsspektro- metrie (XAS) nachwiesen, dass sich mit zunehmender Inkubationsdauer die chemische Elementspeziierung im Boden ändert. Während die meisten dieser Erkenntnisse in Laborexperi- menten gewonnen wurden, lassen sich auch vor Ort in Waldböden Metall- verlagerungen erkennen. Die Verlage- rung von Eisen- und Manganoxiden in wasserbeeinflussten Böden ist anhand der entstehenden rot-weissen Marmo- rierung schon mit blossem Auge zu erkennen, während es im Hinblick auf potentielle Schadmetalle keine direk- ten visuellen Hinweise gibt.

Mit neuen Analysemethoden lassen sich aber auch über die reinen (klei- nen) Gehaltsänderungen nicht detek- tierbare Spurenmetall-Verlagerungen in vernässten Böden untersuchen. Eine geeignete Methode ist zum Beispiel die Analyse der stabilen Metallisoto- penverhältnisse. Metallisotope zeigen Fraktionierungen (Verschiebungen der Wasser vorhandene Sauerstoff schnell

von Bodenorganismen verbraucht. Aus Mangel an Sauerstoff werden im Fol- genden die bei der Oxidation organi- scher Substanz entstehenden Elektro- nen auf alternative Elektronenakzep- toren (z. B. Nitrat) übertragen. Schon innerhalb von wenigen Tagen nach der Wassersättigung kommt es zur Reduk- tion von Mn- und Fe-(Hydr)Oxiden, den Sesquioxiden. Bei der reduktiven Auflösung dieser (Hydr)Oxide wer- den auch mit ihnen vergesellschaf- tete Metalle (z. B. As, Cr und Co) in die Bodenlösung abgegeben (Borch

et al. 2010). Die reduktive Auflösung von Sesquioxiden ist immer auch mit einem Verbrauch von Protonen ver- bunden, wodurch in sauren Böden der pH-Wert in der Bodenlösung ansteigen kann. Durch diesen pH-Wert-Anstieg kommt es zu einer Mobilisierung von organischer Substanz (in gelöster und kolloidaler Form) und damit verbun- den auch zu einer Mobilisierung von Organo-Metallkomplexen, die wieder- um die Mobilität von Schadmetallen im Boden stark erhöhen können (gry-

Bos et al. 2007, 2009). Ein weiterer mög- licher Effekt der sinkenden Redox- potenziale ist die Biomineralisierung und Reduktion von bestimmten Metal- len (z. B. Cu), die wiederum den kol- loidalen Anteil dieser Metalle in der Bodenlösung stark erhöhen können (WeBer et al. 2009). Bei fortschreiten- der Wassersättigung kann es schliess- lich zur Reduktion von Sulfat zu Sul- fid kommen. Zu Beginn der Sulfatre- duktion wird eine Reihe von Metallen durch die Bildung kolloidaler Sulfide kurzfristig stark mobilisiert (WeBer

et al. 2009). Bei anhaltend niedrigem Redoxpotenzial kommt es aber zu einer Aggregation der Kolloide und zu abnehmenden Metall-Konzentrati- onen in der Bodenlösung. Die als Sul- fid gebundenen Metalle sind nun unter anhaltend tiefen Redoxpotenzialen immobil, werden aber bei einer Belüf- tung des Bodens (Abnahme der Was- sersättigung) wieder remobilisiert.

Die Metallmobilisierung im Boden läuft also in verschiedenen Stufen und unterschiedlichen Zeitskalen ab. Wäh- rend As vorwiegend durch die reduk- tive Auflösung von Sesquioxiden in die Bodenlösung überführt wird und die Konzentrationen in der Bodenlösung auch lange nach der einsetzenden Was-

Abb. 1. Freisetzung von a) As und b) Cu unter reduzierenden Bedingungen in die Bodenlö- sung. Bitte beachten Sie die unterschiedliche Skalierung der Y-Achsen.

ren. Forschungsarbeiten in Bangladesh, China und Indien legen nahe, dass Wassersättigung und die Anwesen- heit von organischer Substanz eher zur Freisetzung anorganischer As-Spezies, die sehr giftig sind, führen. Allerdings ist bislang sehr wenig darüber bekannt, ob in Böden der gemässigten Breiten ähnliche Transformationen auftreten wie in tropischen Böden.

Fallbeispiel Juraweide

Aus den bisherigen Ausführungen wird deutlich, dass die Ermittlung nicht nur der As-Gesamtgehalte, sondern auch der chemischen As-Speziierung unerlässlich ist, wenn wir die Reakti- on von As-belasteten Waldböden auf sich ändernde Klimabedingungen ein- schätzen wollen. Im folgenden Beispiel konzentrieren wir uns auf die As-Frei- setzung und -Methylierung in einem Weideboden mit hohen As-Gehalten im Jura in Reaktion auf Klimaänderun- gen und Beweidung durch Kühe. Dazu führten wir Mikrokosmen-Experimen- te durch, in denen wir mit Kuhdung versetzte Bodenproben unter Wasser- sättigung bei 30 °C inkubierten, um nassere und wärmere Bedingungen als aktuell zu simulieren. Wir untersuchten die Bodenlösung auf die gesamten As- Konzentrationen sowie die As-Speziie- rung, um alle Aspekte der As-Freiset- zung zu erfassen. Zusätzlich bestimm- ten wir das Redoxpotenzial, den pH-Wert und die gelöste organische C-Konzentration (Englisch: dissolved organic carbon, DOC). Abbildung 3 zeigt die As-Freisetzung in die Boden- lösung in Abhängigkeit von ansteigen- den Kuhdung-Applikationen. Es wird offensichtlich, dass die Zugabe von Kuhdung die As-Freisetzung erhöh- te aber auch, dass ohne Kuhdung As unter niedrigen Redoxpotenzialen in die Lösung überführt wurde. Über- tragen auf Waldböden spekulieren wir, dass zum Beispiel die infolge der anhaltenden N-Einträge (gaLLoWay et al. 2004) in weit verbreitete N-limitier- te Wälder stimulierte Netto-Primär- produktion (LeBauer und treseder

2008) eine ähnliche Wirkung auf die As-Freisetzung haben könnte. Abbil- dung 4 zeigt, dass die gesamte As-Frei- setzung auch unabhängig vom Gehalt an organischer Substanz mit sinkenden Redoxpotenzialen exponentiell anstieg und dass die Freisetzung bereits ober- Quellen in die Umwelt freigesetzt wird

(adriano 2001). Geogene Belastun- gen haben eine wichtige Bedeutung für die As-Gehalte in Böden und As-Kon- zentrationen in Gewässern (nichoLas

et al. 2003). Die VBBo (1998) akzep- tiert einen maximalen As-Gehalt von 50 mg kg^–1 in Böden auf Kinder- spielplätzen und Hausgärten. In der Schweiz gibt es drei grössere geogene As-Anreicherungen. (1) Die Thermal- und Mineralquellen in der Ostschweiz, (2) die eisenangereicherten Kalk- und Tonsteine des Jura sowie (3) Sulfider- zablagerungen und Silikatgesteine in den Alpen (donZeL 2001; PFeiFer et al.

2002; Le Bayon et al. 2011).

Weltweit konzentrieren sich die meisten Forschungsarbeiten auf As- kontaminierte Wässer in Bangladesh und Südostasien (choWdhury et al.

2000; rahaman et al. 2010; hossain

et al. 2012), wo die Gesundheit von bis zu 100 Millionen Menschen durch hohe As-Konzentrationen im Trinkwasser bedroht wird (ng und moore 2005).

Die Speziierung von As wird dabei kaum betrachtet, weil das meiste As im Wasser anorganisch ist. In Böden wird die As-Mobilität und -Toxizität aber stark von mikrobiellen Transformati- onen beeinflusst (thomas et al. 2001;

Fee 2009). Beispielsweise kann die Biomethylierung von As seine Toxizi- tät reduzieren, indem sie hochgiftige anorganische As-Spezies in die deut- lich weniger schädlichen Organo-As- Verbindungen verwandelt. Dieser Pro- zess ist mit der Entstehung von flüch- tigen As-Spezies verbunden, die als Arsine bezeichnet werden (mestrot

et al. 2009, 2011, 2013). Sowohl Bio- methylierung als auch Bioverflüchti- gung reagieren sensitiv auf Verände- rung des Redoxregimes. Solche Verän- derungen ergeben sich in Abhängigkeit vom Humusgehalt des Bodens zum Beispiel durch periodische Überflu- tungen, anhalten de Niederschläge auf Stauwasser-be einflussten Standorten oder Hitze-/Kältewellen, deren Häufig- keit in der Schweiz in naher Zukunft möglicherweise ansteigt. Daher ist es wichtig, die mikrobielle As-Freiset- zung aus Böden zu verstehen und zu ermitteln, ob diese Transformationen zur Bildung von weniger giftigen Spe- zies (z. B. durch Biomethylierung) oder sogar zu einer As-Gehaltsabnahme in den Böden (Bioverflüchtigung) füh- Die Cu-Isotopenverhältnisse zeigten

in einem Auenboden ausserdem eine enge Korrelation mit den Eisen-Gehal- ten, was darauf schliessen lässt, dass die gleichen Bedingungen, die zu der reduktiven Eisen(hydr)oxid-Auflösung und Fe-Verlagerung führen, auch die Fraktionierung der Cu-Isotopenver- hältnisse verursachen (Abb. 2; BigaLke

et al. 2010, 2013). In den nicht vernäss- ten Boden findet eine entgegengesetzte Isotopenfraktionierung statt, die wahr- scheinlich auf die fortschreitende Bodenentwicklung (Verwitterung, Bin- dung von Cu an organische Substanz und (Hydr)Oxide) zurückzuführen ist.

Im Falle von Cu lässt sich also zeigen, dass die Redoxverhältnisse im Boden einen messbaren Einfluss auf die Aus- waschung von Cu aus dem Boden haben.

Zusammenfassend ist daher anzu- nehmen, dass sich mit einer Verände- rung der Niederschlagsintensität und -frequenz und somit auch der Dau- er von sauerstoffarmen, reduzieren- den Verhältnissen im Boden, auch die Mobilität und Verfügbarkeit verschie- dener (Schad-)Metalle in Waldböden ändert. Ob daraus eine neue Gefah- renlage entsteht, ist für den einzelnen Standort zu beurteilen.

2.2 Alkylierung von Metallen Viele Metalle und Halbmetalle können in Böden biologisch methyliert werden.

Wir konzentrieren uns im Folgenden auf Arsen (As). Arsen ist ein poten- ziell giftiges Element (Fee 2009), das aus natürlichen und anthropogenen

Abb. 2. Zusammenhang zwischen Fe- Gehalten und d⁶⁵Cu-Werten in einem Süss- wasserwatt der Elbe.

halb eines Redoxpotenzials von 0 ein- setzte, also bereits unter subaeroben Bedingungen. Nach 16 Tagen Inkubati- on kam es zur Bildung von Methyl-As- Verbindungen (Abb. 5). Die Methyl- As-Verbindungen umfassten in der nicht mit Kuhdung versetzten Varian- te bis zu 25 Prozent der gesamten As- Konzentrationen und trugen damit zu einer Abschwächung der As-Toxizität bei. Warum mit absinkendem Redox- potenzial der Beitrag von As(V) zur gesamten As-Konzentration in der Bodenlösung zunahm, also As offen- bar oxidiert wurde, ist unklar. Wir haben grösste Sorgfalt darauf verwen- det, dass sich der Redoxzustand zwi- schen Entnahme der Bodenlösung und der Analyse nicht verändert und halten daher einen analytischen Artefakt für unwahrscheinlich. Das Gleichgewicht zwischen As(III)- und As(V)-Spezies in der Bodenlösung ist fragil und wird u.a. durch gelöste organische Substan- zen, die auch oxidierend wirken kön- nen (z. B. Semi-Chinone), beeinflusst (Borch et al. 2010). Im beobachteten Redoxbereich können As(III) und As(V) koexistieren. Die Aufklärung der Transformationen zwischen den verschiedenen Arsinen ist Gegenstand eines aktuellen EU-finanzierten For- schungsprojektes (Marie Curie, BIO- META) in unserer Gruppe.

Der untersuchte Boden aus dem Jura wies mit 25 mg kg^–1 einen erhöhten As-Gehalt auf, der jedoch noch unter dem Grenzwert der VBBo (1998) von 50 mg kg^–1 lag. Die gesamten As- sowie die Methyl-As-Konzentrationen in der Bodenlösung stiegen mit sinken- dem Redoxpotenzial und steigenden Gehalten an über Kuhdung zugeführ- ter organischer Substanz an. Obwohl unsere Untersuchung mit einem Wei- deboden durchgeführt wurde, haben frühere Studien belegt, dass Organo- As-Verbindungen auch in unbelasteten Waldböden auftreten, in denen organi- sche As-Spezies bis zu 30 Prozent der aus der Waldbodenauflage extrahier- baren As-Gehalte umfassten (huang

und matZner 2007). Bevor abschlies- sende Folgerungen im Hinblick auf die verstärkte Verflüchtigung von Alkyl- Metallverbindungen in Reaktion auf den Klimawandel getroffen werden, sollten noch andere, zum Beispiel saure As-belastete Böden sowie andere Ele- mente wie Selen, Antimon und Zinn

R² = 0,9997

R² = 0,9996

R² = 0,9985

0 20 40 60 80 100 120

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Dauer der Inkubation [Tage]

5% Kuhdung

2% Kuhdung

0% Kuhdung

Gesamte As-Konzentration [µg.l–1]

R² = 0,9027

0 20 40 60 80 100 120

0 50 100 150 200 250

Gesamte As-Konzentration [µg.l–1]

Redoxpotenzial [mV]

0% 2% 5%

Abb. 3. Entwicklung der gesamten As-Konzentration in den Bodenlösungen von Mikrokos- men während der 16-tägigen Inkubation eines As-belasteten jurassischen Bodens in Abhän- gigkeit vom zugesetzten Anteil an Kuhdung.

Abb. 4. Zusammenhang zwischen den gesamten As-Konzentrationen in den Bodenlösun- gen von Mikrokosmen nach 16-tägiger Inkubation eines As-belasteten jurassischen Bodens und dem Redoxpotenzial des Bodens in Abhängigkeit vom zugesetzten Anteil an Kuhdung (in Massen-%).

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Tag 6 Tag 7 Tag 8 Tag 16 0 % Kuhdung

Tag 6 Tag 7 Tag 8 Tag 16 2 % Kuhdung

Tag 6 Tag 7 Tag 8 Tag 16 5 % Kuhdung

As-Speziierung [%]

DMA (V) MMA (V) AS (V) As (III)

Abb. 5. Speziierung von As in As(III), As(V), Monomethyl-As(V) (MMA) und Dimethyl- As(V) (DMA) in der Bodenlösung zwischen Tag 6 und Tag 16 der Inkubation eines jurassi- schen Bodens in Abhängigkeit vom zugesetzten Anteil an Kuhdung (in Massen-%).

untersucht und dabei auch verschiede- ne Szenarien der möglichen Klimaän- derung berücksichtigt werden.

3 Schlussfolgerungen

Unsere Fallbeispiele zeigen, dass mit einer verstärkten Metallfreisetzung aus der Festphase in die Bodenlösung sowohl in gelöster als auch in kolloi- daler Form zu rechnen ist, sollte sich das Redoxregime der Böden infol- ge veränderter Niederschlagsmuster mit ausgeprägteren Nassphasen ver- ändern. Gleichzeitig würde vermut- lich die Alkylierung von Metallen ver- stärkt, die für manche Metalle – wie As – zu einer Detoxifizierung und viel- leicht sogar zu einer Abreicherung aus Böden über Verflüchtigung, für ande- re Metalle – wie dem Hg – aber sogar zur Bildung besonders toxischer Ver- bindungen führen würde. Die Reakti- on der in Schweizer Waldböden gespei- cherten Metalle auf veränderte Klim- abedingungen bedarf der weiteren wissenschaftlichen Untersuchung, die verschiedene Klimaänderungsszena- rien sowie den Einfluss von Bodenei- genschaften auf die Metallfreisetzung berücksichtigen muss.

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Abstract

Will metals stored in soil be released in response to environmental change?

Current climate change is expected to lead to more pronounced wet phases in Switzerland. The resulting water saturation means that O2 concentrations in soils will decrease and thus the redox potential will drop. Under such reducing conditions, metals stored in soils can be released through the reductive dissolution of iron and manganese (hydr)oxides and leached to deeper soil layers and the groundwater. At the same time, a mobilization of colloids will take place. An additional transformation process under reducing conditions is biomethylation, which affects many (semi-)metals. Decreasing redox potentials enhance biomethylation, leading to, e.g., a reduction in toxicity for As but an increase for Hg. Our findings indicate that prolonged phases of soil water saturation are likely to (re-)mobilize metals in forest soils in dissolved, colloidal and alkylated form.

Keywords: climate change, soil moisture regime, chemical reduction, colloids, metal mobilization, metal methylation, stable metal isotopes