Biogeochemische Kopplung der Cd und Fe Zyklen in landwirtschaftlich genutzten Böden unter variierenden Redox- und geochemischen Bedingungen

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Kappler
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 408293668

Cadmium (Cd) findet man in landwirtschaftlich genutzten Böden aufgrund des Einsatzes von Cd-haltigen Phosphat-Düngern. Die Aufnahme von Cd führt zu gesundheitlichen Schäden wie Nierenversagen, Prostata-, Leber- und Nierenkrebs. Es ist deshalb wichtig das biogeochemische Verhalten von Cd zu verstehen, so dass die Mobilität von Cd in landwirtschaftlich genutzten Böden besser vorhergesagt und kontrolliert werden kann. Ein Weg wie dies erreicht werden kann ist die Interaktion von Cd mit dem biogeochemischen Kreislauf des Eisens zu untersuchen. Eisen ist das vierthäufigste Element der Erdkruste und bildet viele Eisenminerale mit hoher Oberfläche, die Schwermetalle wie Cd sorbieren und in die Kristallstruktur einschließen. Fe ist redox-aktiv und wechselt zwischen dem Fe(II) und Fe(III) Redoxzustand. Veränderungen des Redoxzustands, sowohl durch mikrobielle als auch durch geochemische Prozesse, können Mineralauflösung- und -transformation verursachen, was wiederum zu einer Freisetzung von Cd führen kann, welches sorbiert an die Mineraloberfläche oder eingebunden in die Kristallstruktur war. Arbeiten unserer Arbeitsgruppe haben gezeigt, dass während der mikrobiellen Reduktion von Cd-haltigem, abiogenem Ferrihydrit das Cd zuerst in die Lösung freigesetzt und dann wieder durch sekundär gebildete Minerale gebunden wird. Die Kultivierung von Nutzpflanzen in der Landwirtschaft führt aber regelmäßig zu Redoxzyklen in den Böden zwischen reduzierenden und oxidierenden Bedingungen (und der damit einhergehenden Auflösung und Bildung von Fe(III) Mineralen). Die biogeochemischen Prozesse, die während dieser Redoxzyklen auftreten beeinflussen zweifellos die Interaktion von Cd mit den Mineralen. Der Einfluss solcher Redoxzyklen auf das Umweltverhalten von Cd ist unbekannt. In dem vorliegenden Antrag wollen wir deshalb das Verhalten von Cd in landwirtschaftlich genutzten Böden untersuchen in Bezug auf den biogeochemischen und insbesondere auf den mikrobiellen Eisenkreislauf unter variierenden Redox- und geochemischen Bedingungen. Bedingungen die variiert werden, beinhalten Redox-Oszillationen (Wechsel zwischen anoxisch und oxisch) und die Anwesenheit von natürlichem, organischem Material (NOM) sowie Phosphat. Beide (NOM und Phosphat) sind bekannt dafür, dass sie zum Einen mit Cd um Bindungsplätze auf den Eisenmineral-Oberflächen konkurrieren und zum Anderen aber auch Komplexe mit Cd eingehen können, sowohl in Lösung als auch auf den Mineraloberflächen. Durch die Analyse der Bindungsumgebung von Cd mit verschiedenen Fe Mineralen unter verschiedenen biogeochemischen und Redox-Bedingungen können die günstigsten Bedingungen für die Bildung und Aufrechterhaltung von stabilen Cd-Fe-Bindungen bestimmt werden. Außerdem werden dadurch die biogeochemischen Prozesse, die eine Mobilisierung von Cd verursachen, besser verstanden und können an Cd-kontaminierten Standorten kontrolliert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen