Die vier Griechischen Elemente: - TOBIAS-lib - Universität Tübingen

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3 PAK in Böden des ländlichen Raumes „Denn mit der Erde in uns erblicken wir die Erde,...“ (Empedokles von Agrigent) Degradation Bioturbation, Leaching Aufnahme durch Pflanzen HO, DOC 2 Ausgasung Sorption Desorption K, K bzw. K d DOC OC Deposition Akkumulation PAK Sorbent Abbildung 3-1 Prozesse zur Verteilung organischer Schadstoffe (PAK) in Böden. Kd/DOC/OC bezeichnen die Verteilungskoeffizienten zwischen Bodenmatrix bzw. organischer Bodensubstanz und Bodenwasser bzw. gelöstem organischen Kohlenstoff unter Gleichgewichtsbedingungen. 3.1 Grundlagen 3.1.1 Umweltverhalten von PAK in Böden Die Böden nehmen im ökosystemaren Stoffkreislauf eine Schlüsselrolle ein. Im Rahmen dieser Arbeit sind in erster Linie die Filter-, Puffer- und Transformatorfunktionen der Böden für eingetragene Spurenstoffe von Bedeutung. Diese sind einerseits von den Boden- eigenschaften, andererseits von den Eigenschaften der betrachteten Stoffe abhängig. Die wesentlichen Prozesse zum Umweltverhalten und –verteilung der PAK in Böden werden in Abbildung 3-1 skizziert. Die atmosphärische Deposition als Eintragspfad wurde ausführlich im vorhergehenden Kapitel behandelt (Kap. 2). Ausgasungsprozesse bilden nur für die semivolatilen Substanzen bis Phenanthren einen relevanten Austragspfad aus den Böden (Cousins & Jones, 1998). In Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur kann es zu einem mehrfachen Austausch 55
3 PAK in Böden des ländlichen Raumes zwischen Boden und Atmosphäre kommen („hopping“). Diese Austauschprozesse führen auf globaler Skala zu einer polwärtigen Bewegung der Kontaminanten in Richtung kälterer Regionen („global distillation“) (Abrahams, 2002). Die Aufnahmerate von PAK durch Pflanzen mit der Bodenlösung über die Wurzeln ist sehr gering, quantitativ bedeutsamer ist hier die Ausgasung der semivolatilen PAK mit anschließender Sorption an die lipophile Kutikula der Blattoberflächen (Starke et al., 1991). Die PAK werden in Böden zu den schwer abbaubaren Substanzen gerechnet. Die Degradation durch Photolyse ist in Böden und Sedimenten aufgrund der geringen Eindringtiefe des Lichtes praktisch zu vernachlässigen (Sims & Overcash, 1983; Matsuzawa et al., 2001). Beim mikrobiellen Abbau ist wegen der geringen Wasserlöslichkeiten der PAK ihre Bioverfügbarkeit insbesondere für die Verbindungen mit mehr als 4 Ringen sehr gering (Sims & Overcash, 1983; Potter et al., 1999). Daher wird der mikrobielle Abbau sowohl unter aeroben als auch unter anaeroben Bedingungen in erster Linie für die PAK bis Pyren beschrieben (Cerniglia, 1992; Potter et al., 1999; Yuan et al., 2000; Chang et al., 2002; Hwang & Cutright, 2002). Die Beobachtungen wurden jedoch vor allem in hochkontaminierten Bodenproben durchgeführt, entweder nach Dotierung mit PAK oder an Proben aus dem Bereich von Altlasten. Unklar ist, ob die aus diesen Untersuchungen resultierenden Halbwertzeiten auf die Situation im ländlichen Raum mit vergleichsweise niedrigen PAK- Konzentrationen im Boden übertragbar sind (Nam et al., 2003a). Unter diesen Bedingungen werden die PAK in erster Linie durch ligninolytische Weißfäulepilze abgebaut. Diese sind in der Lage, einen durch Ligninasen katalysierten, extrazellulären Abbau durch radikalische Oxidation auszuführen (Cerniglia, 1992; Kästner et al., 1993; Haider, 1996). Zur vertikalen Verlagerung im Bodenprofil kann es sowohl durch Bioturbation als auch 56 durch Lösungstransport kommen (Guggenberger et al., 1996). Dem gelösten Transport und dem mikrobiellen Abbau wirkt jedoch die Sorption der PAK an die Bodenmatrix entgegen (Grathwohl, 1998; Reid et al., 2000; Northcott & Jones, 2001a, 2001b; Conrad et al., 2002). So konnten in Toxizitätstests zur Wirkung der 16 EPA-PAK in Böden auf Springschwänze nur Effekte für die PAK mit Molekülgewichten < 202 g mol -1 nachgewiesen werden, alle anderen PAK waren durch ihre starke Sorption nicht bioverfügbar (Sverdrup et al., 2002). Somit bildet die Sorption die entscheidende Steuergröße für das Umweltverhalten persistenter organischer Schadstoffe, daher wird ihrer Beschreibung zusammen mit den Desorptionsprozessen im Folgenden ein breiterer Raum eingeräumt (Kap. 3.1.1.1 und 3.1.1.3). 3.1.1.1 Sorption von PAK in Böden Förstner & Grathwohl (2003) folgend wird zur Beschreibung der Sorptionsphänomene die folgende Terminologie verwendet: Sorbent für die sorbierende Bodenmatrix, Sorptiv für ungebundene (Schad-)Stoffe in wässriger oder gasförmiger Phase und Sorbat für an die Bodenmatrix gebundene (Schad-)Stoffe. Unter Gleichgewichtsbedingungen kann die Sorption durch die Verteilung zwischen Feststoffkonzentration Cs [M M -1 ] und Konzentration in der wässrigen Phase Cw [M L -3 ] ausgedrückt werden (Grathwohl, 1998): C K = (3.1) s d C w Kd entspricht dann dem Verteilungskoeffizienten zwischen den beiden Phasen [L 3 M -1 ]. Hydrophobe Schadstoffe (wie die PAK) werden fast ausschließlich von der organischen Bodensubstanz sorbiert (Means et al., 1980; Rockne et al., 2002; Ran et al., 2003). Auch innerhalb von Ton-Humus-Komplexen bleibt die organische Substanz der Bindungsort für die PAK (Hance & Führ, 1992; Jones & Tiller, 1999). Daher wird das Verteilungsgleichge-
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der Deckschichtenquelle aus dem Mit
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Sandstein Kristallin Oberflächen a
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Literaturverzeichnis Literaturverze
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Literaturverzeichnis Gocht, T., Mol
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Literaturverzeichnis Hinderer, M. (
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Literaturverzeichnis Mader, B. T. &
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Literaturverzeichnis Novakov, T., A
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Literaturverzeichnis Rügner, H. (1
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A Anhang Gewässertyp Datum T pH LF
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Zentrum für Angewandte Geowissensc
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