Bildung und Eigenschaften anorganischer Kieselsäure-Schadstoffverbindungen im Boden

• Antragsteller: Professor Dr. Thilo Rennert, seit 10/2019
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 319417306

Mehrere Studien belegen die positive Wirkung von Si aus Dünger auf die Schadstoffresistenz einiger Pflanzen. Beispielweise führt die Anwendung von Si-Dünger zur deutlichen Reduzierung der Pb-, Cd- und Cu-Toxizität bei einigen Kulturpflanzen. Als eine der Ursachen wird die Schadstoffimmobilisierung nach Si-Zugabe durch eine Komplexierungsreaktion im Boden angesehen. Die Schadstoffe werden somit mit der Kieselsäure in einer für die Pflanzen nichtverfügbaren Form gebunden. Dieser Prozess wurde jedoch bisher nicht systematisch untersucht und aufgeklärt. Das Ziel des beantragten Projekts ist, die Prozesse der Immobilisierung der Metallkationen Pb, Cd und Cu im Boden mittels Kieselsäure zu klären. Es soll untersucht werden, welche Bindungsmechanismen zwischen der Kieselsäure und den Schadstoffen im Boden wirken und welche Rolle dabei natürliche im Boden vorkommende gelöste organische und anorganische Substanzen und Oberflächen spielen. Es wird angenommen, dass sich nach Si-Zugabe zum Boden Pb, Cd und Cu mit der Kieselsäure als Folge einer Polymerisationsreaktion thermodynamisch stabile Verbindungen bilden. Der Gehalt an Metallkationen einer solchen Kieselsäure-Schadstoffverbindung summiert sich aus einem eingebauten, okkludierten und adsorbierten Anteil. Die eingebauten und okkludierten Metallkationen werden als langfristig immobilisiert betrachtet. Es wird postuliert, dass das Ausmaß des Metalleinbaus in das Polymernetzwerk der Kieselsäure im Boden vom Metallkation, Si-Metall-Verhältnis sowie der Art und Menge der im Boden vorkommenden gelösten Ionen abhängt. Dies wirkt sich in der Ausbeute, Zusammensetzung sowie der thermodynamischen Stabilität der Kieselsäure-Schadstoffverbindungen aus. Feste Bodenbestandteile bieten Oberflächen, an denen die Aggregierung der Kieselsäure-Schadstoffverbindungen stattfindet, die dadurch im Boden kaum verlagerbar sind.Die Interaktionen zwischen der gelösten Kieselsäure und den Metallkationen in wässriger Lösung werden sowohl mit als auch ohne zwei in Böden der mittleren Breiten vorkommende Ionen bei unterschiedlichen Ausgangskonzentrationen in einer Reihe von Fällungsexperimenten untersucht. Die Zeitabhängigkeit des Wachstums der gebildeten Partikel wird durch die Messung der Ladung und Größenverteilung ermittelt. Die Bildung und Mobilität der Kieselsäure-Schadstoffverbindungen im Boden soll in Bodensäulenexperimenten mit metallbelastetem Ackerboden geprüft werden. Adsorbierte und okkludierte Metalle sowie die gesamten Metalle in den Kieselsäure-Schadstoffverbindungen werden nach den Fällungsexperimenten durch Extraktionen und Aufschlüsse bestimmt. Der Metalleinbau in das Polymernetzwerk der Kieselsäure wird mittels 29Si-NMR-Spektroskopie identifiziert. Die Erkenntnisse des Forschungsvorhabens bilden die Grundlage, wie durch Verwendung von Kieselsäure (als Si-Zugabe) in landwirtschaftlich genutzten Böden eine Reduzierung der Pflanzenverfügbarkeit von anorganischen Schadstoffen erreicht werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemalige Antragstellerin: Dr. Anna Georgiadis, bis 10/2019