Bodenkunde (Fach) / Bodenkunde (Lektion)

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• Natürliche Funktion 1. Böden als Lebensgrundlage und Lebensraum Lebensgrundlage für Pflanzen mechanische Verankerung Wasser- und Nährstoffversorgung Lebensgrundlage für Menschen und Tiere Standort für Nahrungspflanzen Lebensraum von Bodenorganismen Mikroorganismen
• Natürliche Funktionen 2. Böden als Bestandteil der Wasser- und Nährstoffkreisläufe Böden besitzen die Fähigkeit der Wasseraufnahme und -speicherung. Niederschlagswasser wird im Boden zurückgehalten und retardiert. Wasser ist in kleinen Pooren auch in Trockenperioden verfügbar.  Böden haben die Fähigkeit der Nahrstoffspeicherung und -bereitstellung. Nährstoffe werden gebunden und tote Biomasse wird umgesetzt.
• Natürliche Funktionen 3. Böden als Abbau-, Ausgleichs- und Aufbaumedium für stoffliche Einwirkungen Böden als Filter stofflicher Einwirkungen mit der Fähigkeit der Fällung und Sorption Böden als Puffer (Neutralisation von Säuren aus Einträgen oder interner Produktion) Böden als Stoffumwandler mit entsprechenden Eigenschaften (Oxidation/Reduktion (an)organischer Verbindungen und Um- und Abbau organischer Verbindungen)
• Schädliche Bodenveränderungen Bodenkontamination (Schadstoffbelastung & Quellen) Der Boden erfährt Schadstoffbelastungen durch - Säuren - Schwermetalle - organische Verbindungen welche als Stofflicher Eintrag den Boden kontaminieren Typische Schadstoffquellen sind Emissionen der Industrie/Verkehr, Ablagerungen, Deponien, Dünger und Pflanzenschutzmittel
• Schädliche Bodenveränderungen Bodenkontamination (Auswirkungen auf Bodenfunktionen) Lebensgrundlage und Lebensraumwird beeinträchtigt Biogeochemische Stoffkreisläufe können durch toxische Wirkungen gestört werden. Filter-, Puffer- und Stoffumwandlungseigenschaften werden eingeschränkt Nutzungsfunktionen eingeschränkt
• Böden sind dank ihrer Filterfunktion wichtige Senke für viele Schadstoffe. Erläutern! Welche Schadstoffe gibt es? Schadstoffe werden gebunden/sorbiert und somit nicht weiter verbreitet. Schadstoffe reichern sich im Boden an. Anorganische Schadstoffe: Schwermetalle (Pb, Cd, Cu, Cr, Ni...), Säuren, Arsen, Cyanide... 2.  Organische Schadstoffe Pflanzenschutzmittel, Mineralölbestände, Arzneimittel/Antibiotika, Klärschlämme + einige 10.000 Verbindungen
• Schadstoffverbleib im Boden An erster Stelle ist die Sorption, also der Verbleib im Boden zu nennen.  Biologischer Abbau von Schadstoffen über Mikroorganismen, tlw. zu Metaboliten/Zwischenprodukten oder CO2. Verflüchtigung über die Gasphase (z.B. auf Deponien der Fall) Pflanzenaufnahme (WP Boden-Nutzpflanze von Relevanz) Verlagerung ins Grundwasser (WP Boden-Grundwasser)
• Wie werden Schadstoffe im Boden gebunden? Sorption an Feststoffe/Sobenten (Minerale/Ton, Humus, Metalloxide) Fällung von unlöslichen Reaktionsprodukten Komplexierung Immobilisierung der Schadstoffe Weniger Schadstoffe in der Lösungsphase Geringere Verlagerung ins Grundwasser Geringere Pflanzenverfügbarkeit Kein Einfluss auf Gesamtgehalte
• Definition von Sorption, Sorbenden und Sorbate Sorption: Anlagerung und Abgabe gelöster oder gasförmiger Stoffe (Sorbate) an festen Oberflächen (Sorbenten). Sorbenten: Tonminerale, Metalloxide, organische Substanz Sorbate: Ionen (Anionen, Kationen), organische Substanz
• Sorptionsmechanismen Van-der-Waals-Wechselwirkung Dipol-Dipol Wechselwirkung Wasserstoffbrückenbindung elektrostatische Wechselwirkung (Kationen- und Ligandenaustausch) Kovalente Bindung
• Sorptionsmechanismen elektrostatische Wechselwirkungen außersphärische Komplexe (Kationenaustausch) Austausch von an der Oberfläche von Bodenpartikeln gebundenen Kationen mit in der Bodenlösung gelösten Kationen. Tonminerale, Humus und Metalloxide weisen i.d.R. negative Ladungen auf, an die sie Kationen des Bodenwassers binden. Eher schwach, da aussersphärisch. innersphärische Komplexe (Ligandenaustausch) Chemische Reaktion, bei der ein Ligand eines Komplexes gegen einen anderen Liganden ausgetauscht wird. Stabiler als Kationen-austausch, da innersphärisch. Es entsteht derjenige Komplex der am stabilsten ist. Cu bildet solche Komplexe.
• Sorbenten Tonminerale, Metalloxide und Huminstoffe Sorptionsvermögen für Sorbate ist abhängig von spezifischer Oberfläche Oberflächenladung, permanent/variabel, positiv/negativ (Tonminerale mit permanenter Oberflächenladung, Eisenoxide variabel) Polarität/Benetzbarkeit von Wasser Oberflächenbelegung funktionelle Gruppen chemischem Millieu (pH, Salze, PAK) Böden sind keine Reagenzgläser, viele Faktoren beeinflussen die Sorptionsprozesse.
• Tonminerale Tonmineraleverleihen dem Boden die Fähigkeit Moleküle zu sorbieren. Sie haben eine hohe reaktionsfähigkeit aufgr. des isomorphen Ersatzes (permanente Ladung) der eine negative Schichtladung im Kristallgitter erzeugt. Sie können auch Komplexe mit Metalloxiden bilden, dabei werden Kationen fixiert. Wichtige Sorbenten im Boden sind meist silikatischer Natur <2µm groß in der Tonfraktion vorkommend.
• Tonminerale Ladung von Tonmineralen Isomorpher Ersatz im Kristallgitter, sie besitzen eine permanente (i.d.R. negativ) Oberflächenladung und können somit Kationen fixieren. Tonminerale besitzen pH-abhängigen Ladungsnullpunkt, Sorptionsvermögen wird beeinflusst. Tonminerale können Komplex mit Metalloxiden bilden.
• Kationenbelegung, Bindungsstärke Belegung der Austauscherplätze mit Kationen steht im Gleichgewicht mit der Bodenlösung und erfolgt nach Bindungsstärke sowie Wertigkeit der Metalle und ist pH-Abhängig. Viel Ca²+ in der Bodenlösung --> viel Ca²+ an den Austauscherplätzen...etc. Al³+ ist z.B. austauschstärker als K+ (einfach geladen) höherwertige Kationen binden stärker als niedrigwertige. bei gleicher Wertigkeit binden Kationen mit kleinen Ionenradii schwächer als Kationen mit großen.
• Metalloxide Sorbent im Boden, Oberflächenladung ist pH-Abhängig. Das ist eine chemische Verbindung eines Metalls mit Sauerstoff. besitzen einen Ladungsnullpunkt, welcher pH-Abhängig ist. Ist der pH<LNP so ist die Ladung positiv und ein Proton wird angelagert. Ist der pH>LNP so ist die Ladung negativ und ein Proton wird abdissoziert. z.B. Geothit (Eisenoxid)
• Wie entsteht variable Ladung bei Sorbenten? Metalloxide besitzen eine variable Ladung, welche vom pH abhängig ist. Je nach dem ob der pH kleiner oder größer als der LNP ist, ist die Oberflächenladung positiv (Proton wird angelagert) oder negativ (Proton wird abdissoziert). Beim LNP sind gleichviele positive wie negative Ladungen vorhanden. Auch Huminstoffe besitzen eine sehr hohe variable Ladung, welche pH-Abhängig ist.
• Sorptionsmessung Zur Ermittlung der Sorption eines Stoffes an die Bodenfestphase. Analog können Desorptionsversuche durchgeführt werden, wenn der Stoff bereits an die Festphase sorbiert ist. Batch-Versuche: Schütteln von Proben bei einem Boden:Lösungsverhältnis von 1:5 bis 1:100. (zB S4) Säulenversuche: Perkolation von Lösungen durch eine mit Boden gefüllte Laborsäule.
• Warum sind viele Sorptionsisothermen nicht linear? Welche Adsorptionsisothermen gibt es? Antwort: Da die Anzahl der Sorptionsplätze begrenzt ist, zstzl. Wechselwirkungen der Sorbate. Sorptionsisothermen beschreiben den Gleichgewichtszustand der Sorption eines Stoffes (Sorbat)  an einer Oberfläche (Sorbent). Man unterscheidet drei Adsorptionsisothermen: Linear: Gleichgewicht zwischen Lösungs- und Festphase ist Konstant. Langmuir: Sorptionskurve zeigt eine stetig zunehmende Sättigung der Sorptionsplätze (häufig). Freundlich: Ohne Abschätzung des Sättigungspunktes (selten).
• Was bedeutet der Koc-Wert? Beschreibt das Sorptionsvermögen in [mg/g] über : Kd (Verteilungskoeffizient) dividiert durch Anteil organischen Kohlenstoffs im Boden.
• Wann ist das Sorptionsvermögen hoch? Wenn pH hoch ist, Boden gekalkt Wenn KAK hoch ist Wenn viel Humus/Corg vorhanden ist
• Sorptionskinetik Sorptionsreaktionen verlaufen i.d.R. relativ schnell (min.-Std.), weisen aber auch eine geringe langsame Komponente auf, die tage-wochenlang anhalten kann (Sorptionskinetik). DIese Kinetik hat als Ursache: langsame Reaktionen bei Sorptionsvorgängen Ligandenaustausch Absorption Je mehr Humus als Sorbent, desto schneller die Reaktion
• Bound Residues Auch wenn Adsorptionsreaktionen reversibel sind, zeigen sie dennoch eine Hysterese auf. Diese gebundenen oder nicht extrahierbaren Rückstände sind chemische Zeitbomben. Diese Rückstände sind u.a. sehr stark an der Humusmatrix gebunden.
• Einfluss des pH auf die Cu- und Cd-Sorption an Geothit Grundsätzlich gilt, je niedriger der pH, desto geringer ist die Sorption von gelösten Stoffen an die Festphase. Cu wird gegenüber Cd schon bei pH 3 an Geothit sorbiert. Bei Cd setzt die Sorption erst bei pH 4 ein. Grund hierfür ist, dass Cu spezifische Bindungsplätze eingeht und somit der LNP gegenüber Cd verschoben vorliegt. Cd geht keinen Ligandenaustausch ein. Bei negtiver Oberflächenladung, wird ein Proton abdissoziert und ein Kation sorbiert. Geothit ist ein Metalloxid und hat folglich eine variable Ladung, welche jedoch in sehr niedrigen pH-Bereichen nicht mehr vorhanden ist.
• Wie werden Schadstoffe im Boden gebunden? Sorption an Feststoffe (Tonminerale, Humus, Metalloxide) Fällung von unlöslichen Reaktionsprodukten Komplexierung Meist alle Prozesse wirksam. Dadurch: Immobilisierung der Schadstoffe Weniger Schadstoffe in der Lösungsphase Geringere Verlagerung in das Grundwasser Geringere Pflanzenverfügbarkeit Kein EInfluss auf Gesamtgehalte
• Lösung - Fällung Lösung- Auflösung einer Festphase Fällung- die Bildung einer Festphase aus einer Lösung Löslichkeitsprodukt: ist die mathematische Formulierung der Vorgänge (Lösung und Fällung). Wird das Löslichkeitsprodukt überschritten, fällt die Verbindung als Kristall aus. Das Löslichkeitsprodukt beschreibt leicht und schwerlösliche Verbindungen.
• Warum beeinflusst der pH-Wert Fällungsreaktionen? Der pH-Wert beschreibt die Anzahl der Protonen. Ist der Boden sauer, so liegen viele Protonen (+) vor. Ist der Boden basisch, so liegen viele OH- (Hydroxidionen) vor und es besteht eine höhere Löslichkeit. Es gibt aber auch Reaktionspartner die pH-unabhängig sind.
• Was sind Komplexe, Liganden? Liganden liegen nicht nur einfach in der Bodenlösung frei gelöst vor, sondern gehen Verbindungen mit anderen Lösungsbedstandteilen ein. Man spricht auch von assoziierten Ionen oder Ionenspezies. Anorganische Stoffe liegen in der Bodenlösung als Mischung aus verschiedenen Ionenspezies und organischen Komplexen vor. Komplex= Kation+Ligand
• Was unterscheidet Cd & Hg von Cu & Zn? Cd und Hg sind Humantoxisch Cu und Zn sind essentielle Nährstoffe
• Einfluss löslicher organischer Liganden/Komplexbildner (organische Substanz) auf die Cu- und Zn-Löslichkeit. Bei Cu und Zn ist die Löslichkeit der beiden Metalle im sauren bereich deutlich höher als im basischen Bereich. Die Auswaschung ist demnach im sauern Bereich höher. Wird z.B. Kompost als Komplexbildner hinzugegeben, so wird im sauren pH-Bereich die Löslichkeit deutlich erniedrigt. Ursache hierfür ist, dass die Metalle Ionenspezies mit den Komplexbildnern eingehen. Cu geht hierbei jedoch deutlich mehr Verbindungen ein als Zn, da Cu spezifische Bindungsplätze eingeht. Sorptionsprozesse erniedrigen also die Löslichkeit, somit sind weniger Schadstoffe in der Lösungsphase.
• Bedeutung der Komplexbildung für das Verhalten von Schadstoffen im Boden Sorptionsverhalten verändert die Mobilität der Schadstoffe. Bioverfügbarkeit und Toxizität von Metallen und organischen Schadstoffen ist abhängig von Speziierung und Komplexierung. Nicht die Konzentration allein macht die Suppe, sondern die Verbindung der Metalle mit Komplexbildnern. Pflanzenwurzeln und Mikroorganismen scheiden gezielt anorganische und organische Liganden aus, um die Löslichkeit und Verfügbarkeit von Nähr- und Schadstoffen zu beeinflussen.
• Böden als Filter und Puffer gegenüber Schadstoffen Böden sind dank ihrer Filterfunktion wichtige Senke für viele Schadstoffe Schadstoffe werden gebunden und so nicht weiter verbreitet (Sorption an Tonminerale, Humus & Metalloxide/Fällung/Komplexierung) Schadstoffe reichern sich in Böden an und werden immobil
• Welche Anorganischen Schadstoffe gibt es? Meistens Schwermetalle Pb, Cd, Cu, Hg, Cr, Ni... Säuren Arsen (Halbmetall) Cyanide (Salze) Bor (Halbmetall)
• Schwer- und Spurenmetalle Def.: Metalle mit spezifischen Dichte von 6 g cm³, sprich 1 L Pb=6 kg Viele Schwermetalle sind essenzielle Spurenelemente für Pflanzen und Tiere Einige sind toxisch für Pflanzen, andere für Tiere und Mirkoorganismen, manche für beide. Die Dosis allein macht das Gift Spurenelemente für Tiere: Co, Cu, Mn, Mo, Ni, Se, Zn Humantoxisch: As, Cd, Cr, Hg, Pb, Sb (Antimon), Tl (Thallium)
• Quellen von Schwermetallen Verkehrsemissionen Pb bis 80er über verbleites Benzin, Bremsbeläge Verbrennung fossiler Brennstoffe (Viele!) Landwirtschaftliche Dünger und Pestizide Cd, Cu, As Abfallbeseitigung (Batterien), Metallverarbeitende Industrie (Zn, Cd) Bergbau und Erzverhüttung
• Welche organischen Schadstoffe gibt es? Pflanzenschutzmittel PAK Holzschutzmittel Mineralölbestandteile Arzneimittel Dioxine plus einige 10.000 Verbindungen Klassifikation erfolgt nach Polarität und Ladung bzw. Wasserlöslichkeit und Sorption an Oberflächen
• Quellen und Eintragspfade für organische Schadstoffe Verbrennungsprozesse (fossile Brennstoffe): PAK Ausgasungen aus verschiedenen Materialien: Benzol, Toluol, Xylol (BTX-Aromate), PCB, Weichmacher. Verflüchtigen über die Gasphase und werden über Niederschlag eingetragen. Unfälle: Mineralöle, Dioxine Pestizideinsatz (Landwirtschaft): DDT...reichert sich im Fettgewbe an Deponien: BTX, PAK Klärschlamm, Gülle: Arzneimittel, Hormone
• Klassifikation organischer Schadstoffe Klassifikation erfolgt anhand der Polarität und der Ladung Diese Eigenschaften bestimmen die Wasserlöslichkeit und ihre Tendenz, an Oberflächen zu sorbieren. Sorption und Abbaubarkeit sind die wichtigsten Prozesse, die das Verhalten organischer Schadstoffe in Böden bestimmen.
• Merkmale nicht ionischer hydrophober Verbindungen geringe bis extrem geringe Wasserlöslichkeit (Sw)-Wasserlöslichkeitsmaß hoher Oktanol-Wasser Verteilungskoeffizient (Kow) PAK sind z.B. extrem Hydrophob (3:1 Oktanol-Wasser-Koeffizient)
• Konsequenzen der Hydrophobizität von Chemikalien für das Verhalten in Boden und Umwelt Kaum im Bodenwasser gelöst Kaum verfügbar für Pflanzen oder Mikroorgansimen geringer Abbau geringer Transfer vom Boden in die Nahrungskette starke Akkumulation im Boden Bound Residues, chemische Zeitbomben Verbleib organischer Schadstoffe im Boden: Vor allem Sorptionsprozesse Pflanzenaufnahme eher gering Verlagerung aufgrund der Hydrophobizität/geringe Wasserlöslichkeit gering
• Konsequenzen der Hydrophobizität von Chemikalien für das Verhalten in Boden und Umwelt Kaum im Bodenwasser gelöstKaum verfügbar für Pflanzen oder Mikroorgansimengeringer Abbaugeringer Transfer vom Boden in die Nahrungskettestarke Akkumulation im BodenBound Residues, chemische Zeitbomben Verbleib organischer Schadstoffe im Boden: Vor allem SorptionsprozessePflanzenaufnahme eher geringVerlagerung aufgrund der Hydrophobizität/geringe Wasserlöslichkeit gering
• Einflussfaktoren der Sorption hydrophober Verbindungen im Boden Qualität der organischen Substanz nicht so wichtig wie deren Menge! Lösungsparamater (Salze, pH) Struktur und Polarität der organischen Substanz Löslichkeit der organischen Substanz 3.  gelöste organische Substanz Kolloide als lösliche Sorbenten Erhöhung der scheinbaren Löslichkeit
• Verbleib organischer Schadstoffe im Boden Alle organischen Verbindungen können durch chemische oder biochemische Prozesse verändert oder vollständig mineralisiert werden. Eine Förderung des Abbaus organischer Verbindungen ist möglich durch Einbringen von spezialisierten Mikroorgansimen und durch Optimierung der Lebensbedingungen (pH, Nährstoffe, Substrate) PCB: unter aeroben Bedingungen kaum abbaubar, aber über Verflüchtigung (seit 1972 in EU verboten, Kühlmittel) PAK: niedermolekulare Verbindungen sind besser wasserlöslich und biologisch abbaubar. relative Anreicherung höherchlorierter und höhermolekularer Verbindungen, die meist ökotoxikologisch problematischer sind.
• Zusammenfassung Organische Schadstoffe Viele organische Umweltchemikalien sind gekennzeichnet durch geringe bis extrem geringe Wasserlöslichkeit (Hydrophobizität), und Sorption an organische Bodenbestandteil (starke Akkumulation) Alle organischen Verbindungen sind biologisch abbaubar/ mineralisierbar. Ein Verschwinden im Boden ist aber auch möglich durch Umbau zu Metaboliten, Bildung nicht extrahierbarer Rückstände, Verflüchtigung über Dampfphase, Auswaschung mit dem Sickerwasser (nur niedermolkulare Verbindungen) Für die Risikobewertung einer organischen Kontamination ist entscheidend: Kow, Sw und Abbaubarkeit der Chemikalien, Humusgehalt (Qualität) und biologische Aktivität des Bodens, sowie Vorhandensein und Mobilität löslicher Sorbenten.
• Was bedeutet Bodenversauerung? Findet statt, wenn der Verbrauch an Puffersubstanzen im Boden größer ist als ihr Eintrag oder ihre Neubildung. Verlust an Säureneutralisationskapazität DIe kann mit einer pH-Abnahme verbunden sein Ist die Säurebilanz eines Bodens positiv (Input>Output), so findet Versauerung statt. Puffersubstanzen: Kalk, Mergel, Silikate (Tonminerale)
• Natürliche Ursachen der Bodenversauerung Unter humiden Klimabedingungen versauern alle Böden durch natürliche Prozesse: Biologische Atmungsaktivität: Alle Bodenlebewesen und Wurzeln atmen, wodurch CO2 freigesetzt wird. Je mehr CO2 in der Bodenluft, desto niedriger ist der pH in der Bodenlösung. Kohlensäure entsteht (H2CO3), wobei H+-Ionen (Säure) dissoziieren. Biologische Mineralisierungsaktivität: Nitratbildung (Anion), auch hierbei dissoziieren H+-Ionen Rhizosphärenversauerung: Wurzeln scheiden Säure aus. H+ Abgabe bei Kationenaufnahme, um Ladungsgleichgewicht zu erhalten. Abgabe von niedermolekularen organischen Säuren (Zitronensäure)
• Anthropogene Ursachen der Bodenversauerung Durch anthropogene Immissionen und Landnutzung kommt es zur anthropogenen Bodenversauerung: Säureeinträge aus Verbrennungsgasen (H+, Salpetersäure/2H+, Schwefelsäure) Ammonium-Einträge aus der Tierhaltung (2H+) Entzug von Puffersubstanzen mit Ernteprodukten: Alle Pflanzen nehmen basische Kationen auf (Ca2, Mg2, K), die als Puffersubstanzen verloren gehen, wenn sie nicht mit der abgestorbenen Biomasse in den Boden zurück gelangen. Anbau von Leguminosen (Soja): Diese fixieren N aus der Atmosphäre und haben hohe Gehalte an basischen Kationen. starker Verlust an Puffersubstanzen mit der Ernte Eintrag N-reicher Ernterückstände, die mineralisiert werden (H+)
• Säurepufferung Böden können aufgrund der natürlichen Funktion der Pufferung Säure neutralisieren (H+-Ionen werden neutralisiert). Puffersubstanz: reagiert mit H+ zu neutraler Verbindung (Kalk) Pufferkapazität: gibt an, wieviel H+ neutralisiert werden kann, bevor sich der pH-Wert ändert. Puffersystem: beschreibt die chemischen Reaktionspartner Pufferbereich: gibt an, in welchem pH-Bereich ein Puffersystem wirksam ist. Pufferrate: gibt an, wie rasch die Puffersubstanz mit der Säure reagiert. Puffersubstanzen: Kalk, Mergel, Tonminerale, Metalloxide
• Puffersubstanzen und Pufferungsprozesse Puffersubstanzen neutralisieren H+-Ionen Erdalkali-Karbonate: pH 8-6,5 , Kalkstein, Mergel Silikate: pH <7, Feldspat, Tonminerale variable Ladung (Austauscher): pH 8-3, Metallhydroxide, Tonminerale, organische Substanz Metalloxide (Al, Fe, Mn-Oxide): pH 4,5-3, im sauren Bereich wirksam Entscheidend für die Säurepufferung sind die Vorräte an Puffersubstanzen, Pufferraten (Geschwindigkeit der Reaktion) und pH des Bodens.
• Folgen der Bodenversauerung Freisetzung basischer Kationen (Ca,Mg, K), H+ wird gebunden erhöhte Pflanzenverfügbarkeit erhöhte Auswaschungsgefährdung     2.  Freisetzung toxischer Metalle (Al, Schwermetalle) Wurzelschäden Schädigung der Bodenorganismen Verlagerung ins Grundwasser     3.  Verlust an variabler Ladung weniger Speichervermögen für Nähr- und Schadstoffe

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