Bodenbelastung durch Schwermetalle - Nationalatlas -...
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112 Nationalatlas Bundesrepublik Deutschland – Relief, Boden und Wasser Bodenbelastung durch Schwermetalle Jörg Völkel In der Natur treten Metalle und metall- ähnliche Elemente selten gediegen sondern in Form von Erzen auf. Wäh- rend die Leichtmetalle Silizium, Alumi- nium, Calcium, Eisen, Kalium, Magne- sium und Titan mit einem Anteil von über 99% in Verbindung mit Sauerstoff die feste Erdkruste aufbauen, zählen die weiteren Metalle zu den so genannten Spurenelementen. Unter ihnen be- zeichnet man Metalle, deren Dichte ei- nen Wert von 4,5 g/cm 3 überschreitet, als Schwermetalle. Während aus der Sicht des Stoffwechsels von Organis- men die Schwermetalle Kupfer und Zink bis zu einer gewissen Menge zu den Betrieben werden jährliche Pb-Deposi- tionen von >10 kg/ha angegeben. In Ballungsgebieten sind es generalisiert immerhin noch 280 g/ha/a gegenüber einem bundesweit gemittelten Wert von 27 g/ha/a. Die Werte sind im lang- jährigen Trend stark rückläufig. Zur atmosphärischen Deposition kommen die Verunreinigung der Ge- wässer und die Kontamination der Bö- den mit industriell, von der Landwirt- schaft, durch Hausbrand und Verkehr freigesetzten oder aufgetragenen Stof- fen, sowohl in heutiger als auch in his- torischer Zeit. In den Sedimenten der Elbauen als einem industriell besonders stark verschmutzten Fluss liegen die Gehalte an Cadmium (Cd) im Unter- strombereich der Zuflüsse von Triebisch und Mulde bei Spitzenwerten von 230 mg/kg. Die Bleigehalte von Elbsedi- menten erreichen Werte von bis zu 1500 mg/kg. Für unbelastete Böden wer- den Cd-Werte von <0,5 mg/kg und Pb- Werte von <60 mg/kg angegeben. Ver- ursacht durch die Auswirkungen des jahrhundertelang betriebenen Bergbaus weisen die Sedimente der Flüsse Oker und Innerste im Harzvorland Cd-Ge- halte von 200 mg/kg auf. Die Bleigehal- te können bis zu 4000 mg/kg betragen. Zink und Kupfer erreichen Werte von 5000 mg/kg und 650 mg/kg. Das Bei- spiel zeigt, dass eine Dekontamination von Flusssedimenten keineswegs aus- schließlich von den aktuellen Einlei- tern der modernen industriellen Pro- duktion abhängig ist. Grundsätzlich sind in allen Regionen Deutschlands mit historischem Bergbau in den Auese- dimenten der Flüsse Altlasten ver- steckt, die durch natürliche oder künst- Adsorbenzien – Bodenbestandteile, an die sich Stoffe anlagern Deposition – Ablagerung, Stoffeintrag gediegen – in Reinform Immission – Eintrag eines verunreini- genden Stoffs in die (Reinst)Luft Moldanubikum – westlicher Teil des böhmischen Grundgebirges, bestehend aus metamorphen und magmatischen Gesteinen mit geringmächtiger Sedi- mentbedeckung Olivin – meist oliv- bis flaschengrünes Silikat in magmatischen und metamor- phen Gesteinen Saxothuringikum – Grundgebirge im Bereich der variskischen Gebirgsbil- dung von den Nordvogesen bis Thüringer Wald, Erzgebirge und Sudeten Serpentinit – metamorphes olivinrei- ches Gestein ultrabasisches Gestein – magmatisches Gestein mit einem Gehalt an Kieselsäure von unter 45% SiO 2 essentiellen Spurenelementen zählen, wirken Cadmium, Kobalt, Chrom, Quecksilber, Nickel, Blei und Selen bereits in sehr geringen Mengen to- xisch. Natürlicherweise kommen sie in höherer Konzentration nur in eng be- grenzten Lagerstätten vor. Vor allem in- folge technogener Prozesse wie der Erzverhüttung und der industriellen Weiterverarbeitung von Verhüttungs- produkten, aber auch bei der Verbren- nung fossiler Energieträger werden Schwermetalle jedoch in der Umwelt angereichert. Der Pedosphäre als einer engräumi- gen, aber äußerst effektiven Schnittstel- le zwischen Lithosphäre, Hydro- sphäre und Atmosphäre kommt im Ökosystem die Rolle eines Puffers und eines Filters zu. Das gilt auch für Schad- stoffe. Allerdings besitzen Böden nicht die Fähigkeit zur Selbstreinigung, so dass dort eine Anreicherung der über Verwitterung und Einträge zugeführten Stoffe stattfindet. Auch Schwermetalle werden in hohem Maße in den Böden gebunden. Je nach Element treten im Bodenprofil charakteristische Vertei- lungsmuster auf, die sich an den Boden- horizonten orientieren . Denn die Fä- higkeit von Böden, Schwermetalle zu immobilisieren, hängt vor allem vom physikochemischen Bodenmilieu und von der Präsenz von Adsorbenzien wie Humusstoffen und reaktionsfreudigen Eisenoxiden im Boden ab. Je nach Art des Schwermetalls variieren die biologi- sche Verfügbarkeit innerhalb eines Bo- denhorizontes und die Tiefenverteilung im gesamten Bodenprofil erheblich. Be- züglich der Bewertung einer ökotoxiko- logischen Relevanz einzelner Schwer- metalle bedarf es daher unabhängig von den jeweils ermittelten Gesamtgehalten stets einer bodenkundlichen Standort- bewertung. Anthropogen freigesetzte Schwermetalle in Böden Über den atmosphärischen Pfad werden Schwermetalle den Böden auch in in- dustriefernen Regionen sowohl in Form trockener als auch nasser Deposition zugeführt. Vor allem die Waldgebiete kämmen Schwermetalle aus der Luft und den Niederschlägen aus. Das gilt in den organischen Auflagehorizonten der Waldböden vor allem für Blei, Cadmi- um und einen Teil des Zinks und Kup- fers, die fast vollständig aus Immissio- nen stammen. Blei (Pb) zum Beispiel wird vor allem über Verbrennung fos- siler Energieträger freigesetzt. Im Boden ist es ausgesprochen immobil und wird im Auflagenhumus angereichert. Hohe Jahresniederschläge von über 1400 mm und das Auskämmen von Nebel führen beispielsweise dazu, dass die durch- schnittlichen Bleigehalte in den Böden auf den Höhenzügen des industriefernen und als so genanntes Reinluftgebiet be- kannten Nationalparks Bayerischer Wald mit etwa 250 mg/kg um das Fünf- fache über den durchschnittlichen Wer- ten der Waldböden im stadtnahen Um- feld einer Großstadt wie Regensburg liegen (642 mm Niederschlag/Jahr). Die in der Europäischen Union maximal zu- lässige Bleikonzentration in Böden be- trägt 300 mg/kg. Innerhalb industrieller Ballungsräume und in ihrem Umfeld ist die atmosphärische Belastung jedoch weitaus höher. Für das Umfeld Bleierze verarbeitender Verhüttungsanlagen und
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112Nationalatlas Bundesrepublik Deutschland – Relief, Boden und Wasser
Bodenbelastung durch SchwermetalleJörg Völkel
In der Natur treten Metalle und metall-ähnliche Elemente selten � gediegensondern in Form von Erzen auf. Wäh-rend die Leichtmetalle Silizium, Alumi-nium, Calcium, Eisen, Kalium, Magne-sium und Titan mit einem Anteil vonüber 99% in Verbindung mit Sauerstoffdie feste Erdkruste aufbauen, zählen dieweiteren Metalle zu den so genanntenSpurenelementen. Unter ihnen be-zeichnet man Metalle, deren Dichte ei-nen Wert von 4,5 g/cm3 überschreitet,als Schwermetalle. Während aus derSicht des Stoffwechsels von Organis-men die Schwermetalle Kupfer undZink bis zu einer gewissen Menge zu den
Betrieben werden jährliche Pb-Deposi-tionen von >10 kg/ha angegeben. InBallungsgebieten sind es generalisiertimmerhin noch 280 g/ha/a gegenübereinem bundesweit gemittelten Wertvon 27 g/ha/a. Die Werte sind im lang-jährigen Trend stark rückläufig.
Zur atmosphärischen Depositionkommen die Verunreinigung der Ge-wässer und die Kontamination der Bö-den mit industriell, von der Landwirt-schaft, durch Hausbrand und Verkehrfreigesetzten oder aufgetragenen Stof-fen, sowohl in heutiger als auch in his-torischer Zeit. In den Sedimenten derElbauen als einem industriell besondersstark verschmutzten Fluss liegen dieGehalte an Cadmium (Cd) im Unter-strombereich der Zuflüsse von Triebischund Mulde bei Spitzenwerten von230 mg/kg. Die Bleigehalte von Elbsedi-
menten erreichen Werte von bis zu1500 mg/kg. Für unbelastete Böden wer-den Cd-Werte von <0,5 mg/kg und Pb-Werte von <60 mg/kg angegeben. Ver-ursacht durch die Auswirkungen desjahrhundertelang betriebenen Bergbausweisen die Sedimente der Flüsse Okerund Innerste im Harzvorland Cd-Ge-halte von 200 mg/kg auf. Die Bleigehal-te können bis zu 4000 mg/kg betragen.Zink und Kupfer erreichen Werte von5000 mg/kg und 650 mg/kg. Das Bei-spiel zeigt, dass eine Dekontaminationvon Flusssedimenten keineswegs aus-schließlich von den aktuellen Einlei-tern der modernen industriellen Pro-duktion abhängig ist. Grundsätzlichsind in allen Regionen Deutschlandsmit historischem Bergbau in den Auese-dimenten der Flüsse Altlasten ver-steckt, die durch natürliche oder künst-
Adsorbenzien – Bodenbestandteile, andie sich Stoffe anlagern
Deposition – Ablagerung, Stoffeintrag
gediegen – in Reinform
Immission – Eintrag eines verunreini-genden Stoffs in die (Reinst)Luft
Moldanubikum – westlicher Teil desböhmischen Grundgebirges, bestehendaus metamorphen und magmatischenGesteinen mit geringmächtiger Sedi-mentbedeckung
Olivin – meist oliv- bis flaschengrünes� Silikat in magmatischen und metamor-phen Gesteinen
Saxothuringikum – Grundgebirge imBereich der � variskischen Gebirgsbil-dung von den Nordvogesen bis ThüringerWald, Erzgebirge und Sudeten
Serpentinit – metamorphes olivinrei-ches Gestein
ultrabasisches Gestein – magmatischesGestein mit einem Gehalt an Kieselsäurevon unter 45% SiO2
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Der � Pedosphäre als einer engräumi-gen, aber äußerst effektiven Schnittstel-
le zwischen � Lithosphäre, � Hydro-sphäre und � Atmosphäre kommt imÖkosystem die Rolle eines Puffers undeines Filters zu. Das gilt auch für Schad-stoffe. Allerdings besitzen Böden nichtdie Fähigkeit zur Selbstreinigung, sodass dort eine Anreicherung der überVerwitterung und Einträge zugeführtenStoffe stattfindet. Auch Schwermetallewerden in hohem Maße in den Bödengebunden. Je nach Element treten imBodenprofil charakteristische Vertei-lungsmuster auf, die sich an den Boden-horizonten orientieren �. Denn die Fä-higkeit von Böden, Schwermetalle zuimmobilisieren, hängt vor allem vomphysikochemischen Bodenmilieu undvon der Präsenz von � Adsorbenzien wie� Humusstoffen und reaktionsfreudigenEisenoxiden im Boden ab. Je nach Artdes Schwermetalls variieren die biologi-sche Verfügbarkeit innerhalb eines Bo-denhorizontes und die Tiefenverteilungim gesamten Bodenprofil erheblich. Be-züglich der Bewertung einer ökotoxiko-logischen Relevanz einzelner Schwer-metalle bedarf es daher unabhängig vonden jeweils ermittelten Gesamtgehaltenstets einer bodenkundlichen Standort-bewertung.
Anthropogen freigesetzteSchwermetalle in BödenÜber den atmosphärischen Pfad werdenSchwermetalle den Böden auch in in-dustriefernen Regionen sowohl in Formtrockener als auch nasser � Depositionzugeführt. Vor allem die Waldgebiete� kämmen Schwermetalle aus der Luftund den Niederschlägen aus. Das gilt inden organischen Auflagehorizonten derWaldböden vor allem für Blei, Cadmi-um und einen Teil des Zinks und Kup-fers, die fast vollständig aus � Immissio-nen stammen. Blei (Pb) zum Beispielwird vor allem über Verbrennung � fos-siler Energieträger freigesetzt. Im Bodenist es ausgesprochen immobil und wirdim Auflagenhumus angereichert. HoheJahresniederschläge von über 1400 mmund das Auskämmen von Nebel führenbeispielsweise dazu, dass die durch-schnittlichen Bleigehalte in den Bödenauf den Höhenzügen des industriefernenund als so genanntes Reinluftgebiet be-kannten Nationalparks BayerischerWald mit etwa 250 mg/kg um das Fünf-fache über den durchschnittlichen Wer-ten der Waldböden im stadtnahen Um-feld einer Großstadt wie Regensburgliegen (642 mm Niederschlag/Jahr). Diein der Europäischen Union maximal zu-lässige Bleikonzentration in Böden be-trägt 300 mg/kg. Innerhalb industriellerBallungsräume und in ihrem Umfeld istdie atmosphärische Belastung jedochweitaus höher. Für das Umfeld Bleierzeverarbeitender Verhüttungsanlagen und
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113Bodenbelastung durch Schwermetalle
liche Verlagerungen der Uferränderjederzeit wieder freigesetzt werden kön-nen.
Bekannt für ihre Befrachtung mitSchwermetallen sind Klärschlämme. Sieenthalten unter anderem erheblicheMengen an Cadmium, welches den Bö-den zudem auch über Dünger und denKfz-Verkehr (vor allem Reifenabriebund Dieselöl) zugeführt wird. Die Klär-schlammverordnung gibt das Maß anGehalten unterschiedlicher Schwerme-talle vor, die in industriellen Reststof-fen, welche der Umwelt wieder zuge-führt werden sollen, enthalten sein dür-fen. Dazu zählen die überall als Rück-stände der Abwasserreinigung anfallen-den Klärschlämme, von denen inDeutschland jährlich insgesamt etwa 60Mio. Tonnen (BMU 2002) anfallen, be-zogen auf ein Trockensubstanzvolumenvon 5%. Industrieschlämme und kom-munaler Kompost sind hier nicht einbe-zogen. Die nach Ausfaulung und Trock-nung verbleibenden Mengen wurdenvor dem Jahre 2001 zu etwa 37% in derLandwirtschaft vor allem aufgrund ho-her Organikanteile und weiterer Haupt-bestandteile in Form von Stickstoff, Ka-lium, Calcium, Magnesium und Phos-phor zur Bodenverbesserung eingesetzt.Der Herkunft des Klärschlamms ent-sprechend variieren die Schwermetall-konzentrationen erheblich, weshalbeine ständige Überprüfung erforderlichist. Im Falle zu hoher Schadstoffgehaltemüssen auch Klärschlämme auf geeigne-ten Deponien eingelagert werden, wasfür Industrieschlämme generell gilt.
Im Falle industrieller Produktions-und Altlastenstandorte können Schwer-metalle in besonders hoher Konzentrati-on in Böden auftreten. Ein Beispiel ei-ner räumlich eng begrenzten Schwer-
metallkontamination der Böden vor al-lem mit hochgiftigem Quecksilber (Hg)und Antimon (Sb) ist der 1985 auf-grund einer behördlichen Anordnungstillgelegte Standort der ChemischenFabrik Marktredwitz (CFM) in der Ob-erpfalz. Seit 1837 wurden dort unter-schiedlichste chemische Verbindungenhergestellt, im Rahmen der Produktionvon Pflanzenschutzmitteln neben ele-mentarem Quecksilber nahezu alle be-kannten anorganischen und organi-schen Quecksilberverbindungen. Nebendem Betriebsgelände selbst wurden auchdas Umfeld, wozu das Stadtgebiet vonMarktredwitz zählt, und die angrenzen-den Vorfluter erheblich kontaminiert.Die durchschnittlichen Konzentratio-nen an Quecksilber im Boden lagen imUmfeld bei 27,64 mg Hg/kg Trocken-substanz (TS) mit Belastungsspitzenvon 2,4 g Hg/kg TS, dabei in der Regelin hochmobiler Bindungsform. DieBundes-Bodenschutz- und Altlastenver-ordnung (BBodSchV) gibt für Quecksil-ber als Hintergrundwert in nicht belas-teten Böden eine Spannbreite von 0,05bis 0,5 mg Hg/kg TS an. Die Sanierungdieses Standortes konnte 1996 abge-schlossen werden.
Allgemeine Hintergrundwertevon Schwermetallen in BödenAuch auf natürliche Weise reichern Bö-den Schwermetalle an, allerdings inweitaus geringerem Maße als durchmenschliche Einflüsse. Diese Gehalteresultieren vor allem aus der Verwitte-rung der bodenbildenden Sedimenteund Gesteine im Zuge der Bodenent-wicklung. Im Gegensatz zu anthropogenfreigesetzten Schwermetallen werdendiese daher als � geogen bezeichnet. De-ren jeweilige Gehalte sind stark von der
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chemischen Beschaffenheit der Bodenbildenden Substrate abhängig. Sie vari-ieren daher in charakteristischer Artund Weise mit dem � lithologischenBau der naturräumlichen Einheiten. InVerbund mit der Nutzung einer Land-schaft (Forst, Grünland, Acker, Dauer-kulturen, Siedlungs- und Industrieflä-che) bilden sie Hintergrundwerte, derendeutschlandweite Darstellung sich aufdie bodenökologisch besonders relevan-ten humosen Oberbodenhorizonte be-zieht. Das Beispiel Blei verdeutlicht –losgelöst von anthropogenen Einträgen– den hohen Einfluss, welchen die Ge-steine auf die Schwermetallgehalte inBöden nehmen. Die Grundgebirgsein-heiten in Deutschland wie RheinischesSchiefergebirge, � Saxothuringikum,� Moldanubikum, der Schwarzwald undder Harz treten ausnahmslos über er-höhte Gehalte hervor �. Das Beispieldes Harzes lässt zudem lithologisch be-dingte Verteilungsmuster innerhalb ei-
ner naturräumlichen Einheit erkennen.Ein Gegenbeispiel ist Nickel, welchesauf den ersten Blick am allerwenigsteneinen Zusammenhang mit den das Bo-densubstrat stofflich mitbestimmendenGesteinen erkennen lässt �. Zwar sindauf der Karte teilweise auch naturräum-liche Einheiten kraft des Einflusses ih-rer Gesteinstypen auf die Schwermetall-gehalte der Böden erkennbar. Auchwird das Vorkommen ultrabasischer Ge-steine mit hohen Olivingehalten sowievon Serpentiniten klar nachgezeichnet.Bayerischer Wald und Oberpfälzer Waldals Teile der kristallinen Grundgebirgs-provinz des Moldanubikums setzen sichindes beispielsweise nicht von den li-thotypisch völlig anders gearteten� Lockersedimenten des südbayerischenRaumes ab, dessen bodenbildende Sub-strate aus � quartär- und � tertiärzeitli-chen Lockersedimenten bestehen.�
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