Sorptionsverhalten in Bodenlangzeitexperimenten

Der Boden stellt die wichtigste Senke für viele Schadstoffe. Die Interaktionen mit mineralischen und organischen Bodenbestandteilen bestimmen das Langzeit Verhalten derartiger Stoffe. Die organische Substanz des Bodens (SOM) beeinflusst sowohl Bodeneigenschaften wie auch viele wichtige Prozesse die im Boden ablaufen. Die Menge und Zusammensetzung von organischer Substanz variiert stark und ist von mehreren Faktoren abhängig. Einbringung von organischer Substanz unterschiedlicher Herkunft, Nährstoffzustand des Bodens, biologische Aktivität, mineralische Zusammensetzung, Vegetation und Klima sind lauter Faktoren die die SOM Zusammensetzung beeinflussen können. Veränderungen in der Struktur, Zusammensetzung und Menge der organische Substanz im Boden haben einen starken Einfluss auf das Sorpotionsverhalten von organischen wie anorganischen Schadstoffen. Den genauen Beitrag und Rolle des SOM an derartigen Prozessen zu untersuchen ist jedoch nicht trivial. Ein Vergleich von Böden von unterschiedlicher Herkunft, die sich zwar in ihren Humusgehalten deutlich unterscheiden, erlaubt keinen eindeutig Rückschluss auf den Einfluss von SOM, weil ja auch oft starke Unterschiede in der mineralischen Substanz des Bodens vorliegen. Proben mit einer wesentlich besseren Vergleichbarkeit liefern landwirtschaftliche Langzeitexperimente. Ausgehend von einem Boden werden über mehrere Jahrzehnte unterschiedliche Bewirtschaftungsformen verwendet. Derartige Proben erlauben einerseits den Einfluss der Bewirtschaftung auf diverse Faktoren zu untersuchen, anderseits könnten sie als interessantes Ausgangsmaterial für den Vergleich von SOM dienen, da ja der mineralische Teil einer wesentlich langsameren Veränderung unterliegt. Im Rahmen diese Projektes soll nun der Einfluss von unterschiedlicher Bewirtschaftungsformen und unterschiedlicher Landnutzung auf das Sorptionsverhalten von einer Reihe von ausgewählten Stoffen untersucht werden. Die Interaktion von ausgewählte organische Verbindungen, Schwermetalle und Radionuklide soll in Relation zu SOM Gehalt und Herkunft gestellt werden. Der Einfluss der unterschiedlichen Behandlungen kann so direkt bestimmt werden.

Viele Schadstoffe die durch anthropogene Aktivitäten in unsere Umwelt gelangen werden im Boden abgelagert. Organische Substanzen und Schwermetalle werden dabei an Tonminerale, Oxide, organische Bodensubstanz, Mikroben oder Pflanzenwurzeln gebunden, wodurch ihr Langzeitverhalten (Auswaschung ins Grundwasser, Eintritt in die Nahrungskette) im Ökosystem beeinflusst wird. Dieses Verhalten ist auf Grund der hohen Komplexität der organischen Moleküle wie zB Pestizide und der Bodenbestandteile nur sehr schwer vorhersagbar. Insbesondere die Herkunft, Zusammensetzung und der Anteil der organischen Bodensubstanz ist dabei wichtig. Diese Faktoren werden bei landwirtschaftlich genutzten Böden hauptsächlich durch die Art der Düngung und Bodenbearbeitung verändert. Die Verwendung von Böden aus Langzeitversuchen mit unterschiedlichen Düngevarianten für Adsorptionsstudien haben den Vorteil, dass diese zum Großteil eine idente mineralische Komponente aufweisen, jedoch eine unterschiedliche organische Zusammensetzung. Im Rahmen diese Projektes verwendeten wir Böden von zwei Langzeitversuchen und Modellböden für die Untersuchung der Bindung von Schwermetallen und organischen Schadstoffen. Es zeigte sich, dass alleine der Einfluss der Düngung (Schwarzbrache versus mineralischer oder organischer Düngung) die Stärke der Bindung von Schwermetallen und organischen Schadstoffen im Boden um bis zu einem Faktor 6 beeinflussen kann. Das Verhalten der Schwermetalle im Boden war vor allem durch den Boden-pH, die Kationenaustauschkapazität und die Menge an organischer Substanz im Boden bestimmt. Eine weitere Herausforderung bei der Vorhersage des Adsorptionsverhaltens von organischen Schadstoffen stellt deren Komplexität dar. Unser Ansatz bestand darin, eine Substanzklasse zu verwenden, die eine möglichst einfache Grundstruktur hat und eine ausreichende Anzahl von Substanzen mit unterschiedlichen funktionellen Gruppen aufweist. Diese Experimentstruktur stellte eine ideale Basis für die Anwendung von molekularen Modellierungmethoden dar. Die daraus gewonnen Daten (Ladungsdichte, Geometrie) wurden für die Korrelation mit den experimentellen Ergebnissen verwendet. Im Zuge dieses Projektes konnten neue Sichtweisen in die Abläufe von Adsorptionsmechanismen gewonnen werden, bei denen molekulare Modellierungsmethoden eine wichtige Rolle spielen und die sich auch schon in Folgeprojekten und Projektinitiativen niederschlagen.