Verteilung von Schwermetallen in Mooren - Möglichkeit eines historischen Überblicks

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Hintergründe
2.1 Herkunft der Elemente
2.2 Transport und Deposition
2.3 Fixierung der Schwermetalle
2.4 Möglichkeiten postsedimentärer Verlagerung von Schwermetallen
2.5 Die Rolle der Torfmoose (Sphagnen)
2.6 Datierung

3 Ergebnisse und Interpretation
3.1 Vertikalverteilung von Schwermetallen
3.2 Sukzession nach Bränden im Moor

4 Diskussion
4.1 Verschiedene Interpret. der Horizontalverteilung von Schwermetallen
4.2 Ist eine objektive Forschung gewährleistet?

5 Zusammenfassung

Literatur

1 Einleitung

In Folge des Wissens um die Klimaveränderung beschäftigt sich die Wissenschaft seit den achtziger Jahren verstärkter mit der Paläoklima-Forschung und der Frage nach den historischen Zusammensetzungen der Atmosphäre.

Um Informationen über die Aerosol-Depositionen früherer Zeiten zu bekommen, werden seit der Pionierstudie von Tyler (1972; in Radtke 1993) an Moorprofilen in Südschweden bis heute Bohrkerne aus weitgehend ungestörten Hochmooren als Archive herangezogen. Diese haben den Vorteil, dass sie chronologisch abgelagert wurden, teilweise bis mehrere 1000 Jahre in die Vergangenheit zurück reichen, gut datierbar sind und ein außergewöhnlich hohes Bindevermögen für zumindest einige der eingetragen Schwermetalle aufweisen.

Als weitere Medien für die Untersuchung der historischen Aerosol-Depositionen werden Seesedimente und Eisbohrkerne herangezogen. Für den Bereich jüngerer Untersuchungszeiträume können die Einlagerungen in die Jahrringe von Bäumen analysiert werden.

Mit dem Wissen um die Paläozusammensetzung der Atmosphäre lassen sich evtl. Rückschlüsse auf Klimaveränderungen oder Rekonstruktionen der lokalen und großräumigen Siedlungsgeschichte in Europa machen.

Bedingung für die Verwendung von Bohrkernen aus Hochmoortorfen ist die vollständige Immobilität der untersuchten Elemente im Profil.

Inwieweit diese gegeben ist, wird seit geraumer Zeit heftig diskutiert. Wurden früher noch sehr viele der Schwermetalle für immobil gehalten, bezieht man sich heut­zutage vorwiegend nur noch auf Blei.

Von einer weitgehenden Immobilität zumindest einiger Schwermetalle im Torf gehen Görres et al. (1997), Kempter (1996), Kempter et al. (1997), Küster et al. (1997), Livett et al. (1988), Martinez Cortizas et al. (2002), Shotyk et al. (1997) und Weiss et al. (1997) aus. Clymo et al. (1990), Damann et al. (1992; s. Hölzer & Hölzer 2003), Hölzer & Hölzer (1987, 1990, 2003), Urban et al. (1990) und Wandter (1981) halten die vertikalen Elementverteilungen im Torfprofil für ungeeignet, um hieraus auf historische Schwermetallbelastungen der Atmosphäre zu schließen.

2 Hintergründe

Hochmoore weisen per Definition eine Torfmächtigkeit von mindestens 30 cm auf. Sie bestehen zu mindestens 30% aus organischem Material (Schweikle 2002). Die Grundwasserstände liegen meist in einem Bereich von 5 - 30 cm unter Flur und schwanken im Jahresgang durchschnittlich um etwa 10 cm (Hölzer mdl.). Unterhalb des Wasserspiegels herrschen reduzierende Bedingungen, die verursachte O2-Armut führt zu einer geringen Zersetzung des organischen Materials (auch als Großreste bezeichnet), pH-Werte zwischen 2 und 3,5 verhindern zusätzlich eine Zersetzung durch Bodenorganismen. Hochmoore beziehen die Gesamtheit ihrer Nährstoffe aus den Niederschlägen. Durch ihre Mächtigkeit sind sie im Gegensatz zu Nieder- und Übergangsmooren vom mineralischen Untergrund abgeschottet.

Das Wachstum von Mooren kann zeitweise zum Erliegen kommen. Natürliche Gründe hierfür sind Kälte und Trockenheit oder eine wachstumsbedingte Steilheit (Schweikle 2002). Anthropogene Ursachen für Änderungen der Standort­bedingungen sind Belüftung oder Nährstoffzufuhr.

2.1 Herkunft der Elemente

Die Emissionsquellen wurden ihrer Bedeutung nach aufgelistet, weniger wichtige sind in Klammern gesetzt. Um das Bild vollständiger zu machen, wurden nicht nur die Schwermetalle (Dichte > 6 g/cm3) aufgeführt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab. 1: Herkunft der Elemente (verändert nach Alloway 1999, Gaida et al. 1993 und Kempter 1996)

2.2 Transport und Deposition

Die horizontale Transmission der Schwermetalle von den Entstehungsorten entlang der Hauptwindrichtungen erfolgt als Aerosole. Unter diesen versteht man eine Mischung sehr kleiner Tröpfchen und/oder fester Partikel, die in der Luft suspendiert sind (Klockow 1982 in Kempter 1996). Ihrer Größe nach kann man sie in zwei Hauptgruppen unterteilen:

Feinstäube (0,002 – 2 µm), deren Freisetzung vorwiegend über Verbrennungs­vorgänge erfolgt. Die Elemente K, S, V, Cu, Zn, Br, Pb und Ni werden vorwiegend als Feinstäube transportiert.

Grobstäube (2 – 100 µm), deren Quellen meist mechanischer Art sind, wie Aufwirbelung von Bodenstäuben, Vulkanausbrüche, aber auch Verbrennungs­prozesse. Die Elemente Cr, Ti, Si, Fe und Cl sind dieser Klasse zuzuordnen (Kempter 1996).

Durch Koagulation mit anderen Teilchen oder Tröpfchen kommt es zur Deposition. Hier wird zwischen nasser (Regen, Nebel, Schnee) und trockener Deposition unterschieden.

Gerade bei den Feinstäuben können Transportweiten von über 2000 km erreicht werden (Rahn & Lowenthal 1985 in Gaida et al. 1993), so dass in Mittel- und Nordeuropa verursachte Emissionen sogar als Depositionen im Grönländischen Eis nachweisbar sind.

2.3 Fixierung der Schwermetalle

Torf weißt eine hohe Affinität gegenüber vielen Schwermetallen auf. Die Bindung erfolgt hierbei durch (Rump et al. 1977 in Wandter 1981, 158):

- Ionenaustausch

Schwermetalle werden an den Oberflächen von Torfmoosen v.a. durch Ionenaustausch gebunden. Hierbei wirkt die Zellwand als Fangorgan (Brehm 1988), wobei ihr Inhaltsstoff Polygalacturonsäure im Tausch H+-Ionen abgibt. Diese schädigen die anderen Pflanzen und verursachen das saure Milieu der Moore. Generell können höherwertige Ionen stärker gebunden werden. Rückling & Taylor (1970; in Gaida et al. 1993, 135) geben für Pb und Cu sehr hohe, für Cd und Ni mittlere und für Zn und Mn geringe Bindungen durch Austauschervorgänge an.

- Komplexbildung (Chelatisierung)

Eine sehr bedeutende Fähigkeit der Huminstoffe ist diejenige mit den Schwermetallionen, -oxiden und -hydroxiden Komplexe zu bilden (Schnitzer 1978 in Kempter 1996, 9). Für diesen Vorgang spielen v.a. die funktionellen Carboxyl- und phenolischen Hydroxyl-Gruppen eine Rolle. Für die entstehenden Metallkomplexe ergeben sich unterschiedliche Stabilitäten, die je nach Autor variieren. Irving-Wiliams geben folgende Stabilitätsreihe an (Schnitzer 1987 in Kempter 1996, 9):
Pb > Cu > Ni > Co > Zn > Cd > Fe > Mn > Mg
Abhängig vom Grad der Schwermetallsättigung formen Humin- und Fulvosäuren lösliche und unlösliche Komlexe mit Kationen. „Wegen ihrer hohen Azidität und ihrem relativ niedrigen Molekulargewicht sind die Metallkomplexe der Fulvosäuren leichter löslich und damit mobiler als die der Huminsäuren (Stevenson 1982). In der oberen Zone, in der der Gehalt an Fulvosäuren hoch ist, sind diese Komplexe mobiler, weiter unten dagegen macht deren geringer Anteil dagegen eine Festlegung der Metalloxide möglich (Dalitz 1990)“ (Kempter 1996, 9).

- Mitfällung

Durch die Niederschläge werden auch erhebliche Mengen an Schwefel in die Moore eingetragen. Auf Grund der anaeroben Bedingungen dürfte der größte Teil des Schwefels als Sulfid vorliegen (Grosse-Baukmann 1990 in Gaida et al. 1993, 135), wobei sowohl chemische, als auch biologische (z. B. durch Desulfovibrio desulphuricans) Reduktionsvorgänge in Betracht kommen. Ein Teil des gebildeten Sulfids wird als H2S ausgasen, ein anderer Teil ist in der Lage mit Schwermetallen schwerlösliche Sulfid-Verbindungen einzugehen (Gaida et al. 1993, 135).

Bezüglich der Affinität des Torfes gegenüber Schwermetallen lässt sich folgende Reihe aufstellen (nach Livett 1988 & Malmer 1988 in Gaida 1993, 135):

Cu > Pb > Cd > Zn > Ni

Ludwig et al. (1983) kommen in der Verfahrenstechnik zu folgender Reihe, die Kupfer unterschiedlich einstuft:

Hg ~ Pb > Cd > Cu > Zn > Ni

Hierbei ist zu beachten, dass die Fulvosäuren im Moor löslich sind und komplex gebundene Schwermetalle vertikal und horizontal verlagern können (Rump et al. 1977 in Gaida et al. 1993, 135; u.a.).

Huminstoffe als Hauptbestandteile des Dauerhumuses werden per Definition in die alkaliunlöslichen Humine, sowie in die alkalilöslichen Fulvo- und Huminsäuren unterteilt. Letztere weisen einen ähnlichen Bau auf, unterscheiden sich aber in ihrer Säurelöslichkeit. Fulvosäuren haben ein größeres Säureäquivalentgewicht, d.h. mehr saure funktionelle Gruppen pro Molokühleinheit, als Huminsäuren. Hieraus und aus dem tendenziell niedrigeren Molekulargewicht ergibt sich die höhere Mobilität der Fulvosäuren (Gisi 1990). Nach Kempter (1996) treten Fulvosäuren in tieferen Torflagen seltener auf als in höheren. Rump et al. (1977) behaupten gegenteiliges.

2.4 Möglichkeiten postsedimentärer Verlagerung von Schwermetallen

Grundwasserströmungen

Moore sind zu einem sehr hohen Grad wassergesättigt. Durch die Transpiration der Moosköpfchen (die keinerlei Verdunstungsschutz besitzen) kommt es in den oberen Profilbereichen zu einem aufwärts gerichteten Grundwasserstrom, über den beispielsweise Kalium, aber auch andere lösliche Elemente, sowie die bereits erwähnten Fulvosäuren nach oben transportiert werden. Dieser Prozess wird auch als „element-lifting“ (Gaida et al. 1993) bezeichnet. Am ausgeprägtesten ist er während der Sommermonate, wenn die Transpiration am größten ist.

In tieferen Schichten finden auf Grund der Kompaktheit des Torfes kaum noch Wasserbewegungen statt. Eingeschaltete Holzkohlelagen dichten die Poren im Torf zusätzlich ab (Hölzer mdl.).

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