Bildung und Eigenschaften anorganischer Kieselsäure-Schadstoffverbindungen im Boden
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Kontamination von Böden mit potenziell toxischen Metallen (PTM) wie Cadmium (Cd), Kupfer (Cu) und Blei (Pb) ist ein weltweites Problem, das die landwirtschaftliche und ökosystemare Leistungsfähigkeit von Böden gefährdet. Silizium (Si), das zweithäufigste Element der Erdkruste, kommt in der Bodenlösung hauptsächlich als monomere Kieselsäure (H4SiO4) bzw. in variierendem Ausmaß polymerisiert vor. Wir untersuchten, ob Kieselsäure im Zuge ihrer Polymerisation mit Cd, Cu und Pb interagiert und Kieselsäure-Schadstoffverbindungen bildet, wodurch die Metalle weniger pflanzenverfügbar und ins Grundwasser verlagerbar würden. Zur Identifizierung des Ausmaßes und der Mechanismen der Interaktionen zwischen PTM und Kieselsäure führten wir Ausfällungsexperimente in wässriger Lösung durch. Hierbei analysierten wir das Partikelwachstum und die Si- und Metallkonzentrationen in dialysierten Proben in Abhängigkeit der Zeit. Die strukturelle Analyse der Kieselsäure-Schadstoffverbindungen erfolgte an dialysierten und gefriergetrockneten Festphasen polymerisierter Kieselsäure. Der positive Effekt der Metalle auf das Partikelwachstum variierte (Cu (260 nm) > Cd (196 nm) > Pb (96 nm)) und somit auch die Polymerisation der Kieselsäure. Elementaranalysen der dialysierten Partikelsuspensionen zeigten bei Cu und Pb eine Zunahme der Si-Konzentrationen im zeitlichen Verlauf verglichen mit der Variante ohne Metallzugabe, jedoch nicht bei Cd. Die PTM interagierten nur im geringen Ausmaß mit polymerisierender Kieselsäure, da lediglich 2,1‰ des anfänglich hinzugegebenen Cadmiums mit Kieselsäurepartikeln assoziiert waren, bei Cu und Pb waren es 2 bzw. 1,4‰. Spektroskopische Analysen zeigten, dass nur Cu und Pb echte chemische Bindungen mit Kieselsäure eingingen (durch Einbau in das Polymernetzwerk, innersphärische Komplexierung), Cd hingegen nur schwach elektrostatisch gebunden wurde. Die tatsächliche Bildung dieser Kieselsäure-Schadstoffverbindungen, das Ausmaß der Bildung und ihren Transport im Boden untersuchten wir in Säulenversuchen mit nicht-kontaminiertem Boden. Hierfür wurde der Boden mit gelösten PTM in An- und Abwesenheit von gelöster Kieselsäure kontaminiert und anschließend mit künstlichem Regenwasser beregnet. Anhand von Elementar- und Partikelgrößenanalysen der Säuleneluate, der tiefenaufgelösten Gesamtgehalte von Cd und Cu sowie der Ammoniumnitrat-extrahierbaren Gehalte stellten wir fest, dass Cd und Cu auch im Boden mit Kieselsäure, wenn auch nur in geringem Ausmaß, interagierten. Die Größe der exportierten Partikel war signifikant von der Si-Zugabe abhängig, mit größeren Partikeln in Anwesenheit initial zugesetzter Kieselsäure. Ihre Zugabe bewirkte im oberen Bereich des Bodens (0-4,6 cm) eine höhere Retention von Cu. Allerdings wurde in den Varianten mit zusätzlichem Si mehr Cu bzw. Cd mittels Ammoniumnitrat extrahiert. Die Freisetzung von Cd und Cu erfolgte nicht ausschließlich als Kation, sondern partikulär in Assoziation mit Si als Kieselsäure-Schadstoffverbindung. Diese Verbindungen sind aufgrund ihrer negativen Ladung wahrscheinlich mobiler als Metallkationen, jedoch vermutlich schlechter pflanzenverfügbar. Unsere Untersuchungen zeigten, dass PTM mit Kieselsäure sowohl in wässriger Lösung als auch im Boden interagieren. Anders als ursprünglich postuliert, stellt jedoch die Applikation monomerer Kieselsäure auf Böden wahrscheinlich keine quantitativ effektive Maßnahme zur Verringerung der Mobilität kationischer Schadmetalle dar. Weitere Effekte, wie zum Beispiel durch Aggregierung des Bodens durch Gefrieren/Tauen oder Trocknen/Wiederbefeuchten, könnten die Mobilität von Kieselsäure-Schadstoffverbindungen stark beeinflussen. Solche Effekte und der spektroskopische Nachweis der Verbindungen im Boden sind Subjekte zukünftiger Forschung.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- 2020. Formation and properties of inorganic Si-contaminant compounds. Environmental Pollution 265, Artikel 115032
Stein, M., A. Georgiadis, D. Gudat, T. Rennert
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.envpol.2020.115032)
