Pflanzenverfügbarkeit und Mobilität von Schwermetallen in Blei-Zink-Bergwerks-Halden des Grazer Paläozoikums

Die wichtigsten Kationenaustauscher der Böden sind Tonminerale und Huminstoffe, während den Oxiden und Hydroxiden auf Grund ihres geringen Mengenanteils im Boden weniger Bedeutung zukommt. Die Bindung von Kationen setzt also voraus, dass die Oberfläche der Austauscher negativ geladen ist. Dabei sind nach ihrer Entstehung zwei verschiedene Arten negativer Ladung zu unterscheiden: • permanente Ladung Sie entsteht durch isomorphen Ersatz von höherwertigen durch niederwertigere Kationen in der Kristallstruktur von Tonmineralen. Als permanent wird sie deshalb bezeichnet, weil ihre Höhe und damit die durch sie bedingte KAK von äußeren Bedingungen unabhängig ist. • variable Ladung Sie kommt zustande, wenn (z. B. durch Anstieg der OH-Ionen-Konzentration in der Bodenlösung) Protonen von oberflächennahen OH-- und OH2-Gruppen der Austauscher dissozieren und hier eine negative Ladung hinterlassen, die durch ein Metallkation abgesättigt wird. Mit steigendem pH der Bodenlösung werden zunehmend schwächer saure Gruppen erfasst und tragen zum Kationenaustausch bei. Die KAK nimmt also mit steigendem pH-Wert zu. Außerdem steigt die H+-Dissoziation mit steigender Salzkonzentration der Bodenlösung und zunehmender Wertigkeit der Kationen. Wegen dieser Abhängigkeiten nennt man die Ladung an den funktionellen Gruppen variabel. Im Gleichgewichtszustand ist die Zusammensetzung des Kationenbelages nach bestimmten Regeln mit der Bodenlösung verknüpft. Der Anteil eines Kations am Belag steigt mit seinem Anteil in der Lösung, konkurriert also mit anderen Ionen um Austauschplätze. Sein Erfolg dabei hängt neben der Konzentration in der Lösung von seiner Konkurrenzfähigkeit ab: So steigt die Eintauschstärke eines Kations innerhalb einer Periode mit seiner Wertigkeit und innerhalb einer Gruppe, also bei gleicher Wertigkeit, mit größer werdendem Ionenradius. Der Einfluss der Wertigkeit kommt daher, dass die Anziehung des Kations durch die negative Ladung mit steigender Kationenladung zunimmt, jener des Ionenradius daher, dass ein Ion umso fester gebunden wird, je näher es der Austauscheroberfläche kommt. Die Hydratation eines großen Ions ist bei gleicher Wertigkeit geringer als die von kleinen, daher können sie sich der Austauscheroberfläche besser nähern. [...]

Tabelle 2.2: Adsorbierte Anteile, Konzentrationen (Angaben in mol/l) der insgesamt (Met ) und in Form zweiwertiger hydratisierter Ionen (Me2+) gelöster sowie hauptsächlich vorliegende Bindungsformen von Metallen in Böden BLUME (1992). In den folgenden Unterkapiteln wird ein Überblick über die oben genannten Bindungsmechanismen (mit Schwerpunkt auf die bei saurer Bodenreaktion dominierenden sowie am besten erforschten) Adsorptionsprozesse gegeben. 2.1.1. Kationenaustausch (unspezifische Adsorption) Der Kationenaustausch in Böden ist für den Stoffhaushalt und die Festlegung von Schadstoffen in terrestrischen Ökosystemen von zentraler Bedeutung. Kationen werden auf diese Weise in einer Form gehalten, aus der sie nur im Austausch gegen andere positiv geladene Ionen in die Bodenlösung übertreten und erst dann verlagerbar oder pflanzenverfügbar werden. Das Wesen des Kationenaustausches besteht darin, dass die Adsorption von Kationen (z. B. Schwermetall-Ionen) an negativ geladene Bodenbestandteile mit der Desorption einer äquivalenten Menge anderer Kationen einhergeht. Die austauschbaren Kationen bilden den Kationenbelag, ihre Summe die Kationenaustauschkapazität (KAK) mit der Angabe in mmol/Ieq (Millimol pro Ionenequivalent). Vom Gehalt an Austauschern, der Größe ihrer zugänglichen Oberfläche und der Art und Höhe ihrer Ladung hängt daher das Ausmaß der KAK der Böden ab. [...]

Abbildung 2.1: Schwermetallbindungsformen und -reaktionen in Böden M = Metallion, L = Komplex-Ligand Schwermetalle die in der Bodenlösung gelöst sind oder an organische und anorganische Bodenaustauscher adsorbiert sind, sind zumindest zum Teil mobil und pflanzenverfügbar, die letzteren sind immobil, können aber unter bestimmten Voraussetzungen in die mobile Phase übergehen (ADRIANO 1986). Zu welchen Anteilen die Metalle gelöst bzw. in der Feststoffphase des Bodens gebunden vorliegen, wird durch physikalisch-chemische Wechselbeziehungen zwischen dem Stoffbestand der Bodenmatrix (Gehalt an organischer Substanz, Tonmineralen und Al-, Mn- und Fe-Oxiden) und den gelösten Schwermetallionen sowie deren Konzentration in der Bodenlösung bestimmt. Diese Vorgänge lassen sich auf Grund der Komplexität des Systems Boden und der Vielzahl beteiligter Komponenten nicht exakt beschreiben und sind noch nicht hinreichend erforscht (BLUME 1992). Zu den Mechanismen, die die Verteilung des Schwermetallgehaltes zwischen Bodenlösung und Festphase und damit die Mobilität im Ökosystem bestimmen, zählt ALLOWAY (1999): § Kationenaustausch (unspezifische Adsorption) § spezifische Adsorption [...]