Table Of ContentBodenökologie:
Mikrobiologie und Bodenenzymatik
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Bodenökologie:
Mikrobiologie und Bodenenzymatik
Band I: Grundlagen, Klima, Vegetation und Bodentyp
Band II: Bodenbewirtschaftung, Düngung und Rekultivierung
Band III: Pflanzenschutzmittel, Agrarhilfsstoffe
und organische Umweltchemikalien
Band IV: Anorganische Schadstoffe
F. Schinner
R. Sonnleitner
Bodenökologie:
Mikrobiologie und
Bodenenzymatik
Band 111
Anorganische Schadstoffe
Mit 40 Tabellen
Springer
PROF. DR. FRANZ SCHINNER
Institut fUr Mikrobiologie
Universitat Innsbruck
TechnikerstraBe 25
A-6020 Innsbruck
MAG. RENATE SONNLEITNER
Institut fUr Mikrobiologie
Universitat Innsbruck
TechnikerstraBe 25
A-6020 Innsbruck
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Schinner, Franz: Bodenokologie : Mikrobiologie und Bodenenzymatik / F. Schinner ; R. Sonnleitner. -Berlin;
Heidelberg ; New York; Barcelona ; Budapest ; Hong Kong ; London ; Mailand ; Paris; Santa Clara; Singapur ;
Tokyo: Springer Bd. 4. Anorganische Schadstoffe: mit 40 Tabellen - 1997
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ISBN 978-3-642-64392-7 ISBN 978-3-642-60405-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-60405-8
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1997
Urspriinglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1997
Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 1997
Satz: Reprodnktionsfertige Vorlagen vom Autor
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Vorwort
Böden sind wesentliche Senken für durch anthropogene Aktivitäten in die
Umwelt freigesetzte anorganische Stoffe. Schwermetalle und Elemente,
wie Selen, Arsen und Fluor sowie schwefel- und stickstoffhaltige anorga
nische Verbindungen, vor allem Schwefeldioxid, Stickoxide und Ammo
niak, sind für Böden und angrenzende Umweltbereiche von besonderer
Relevanz.
Industrie, Gewerbe, Verkehr, Bergbau, Landwirtschaft, Haushalte und
Aktivitäten zur Beseitigung von Abfällen sind als Quellen dieser Stoffe an
zuführen, Aus Gründen der Verkehrssicherheit bewußt eingesetzte Mittel
mit Umweltrelevanz sind die Auftaumittel bzw. Streusalze. Das Natrium
chlorid spielt als solches eine dominierende Rolle.
Als klassische Luftschadstoffe traten zunächst anorganische Säure
bildner und Oxidantien, wie Schwefeldioxid und Stickoxide, in den Mittel
punkt des wissenschaftlichen und öffentlichen Interesses. Metalle, Halb
metalle und Fluor sind jedoch ebenso wie Kohlendioxid, Kohlenmonoxid,
troposphärisches Ozon, Distickstoffoxid und Ammoniak wichtige Luft
schadstoffe.
Schwefeldioxid, Stickoxide und Ammoniak werden über die Atmo
sphäre in den Boden eingetragen. Metalle und Halbmetalle gelangen hin
gegen nicht nur über die Atmosphäre, sondern auch im Zuge der Lagerung
und Beseitigung von Stoffen sowie über den Weg der direkten Boden
applikation von Abfällen, Abwässern und bestimmten Dünge- und
Pflanzenschutzmitteln in den Boden.
Unter den durch menschliche Aktivitäten verstärkt freigesetzten Ele
menten finden sich solche mit prinzipiellem Schadstoffcharakter, während
anderen primär auch eine natürliche Funktion als Makro- oder Mikronähr
stoffe zukommt. Schädigende Wirkungen der letztgenannten Elemente
sind mit höheren Konzentrationen und ungünstigen Verhältnissen zu
anderen Nährstoffen verbunden. Beispiele für die erste Gruppe sind die
Metalle Pb, Hg und Cd; die Elemente N, S, Cu, Mo, Fe und Mn können als
Beispiele für die zweite Gruppe angeführt werden.
Das Verhalten und der Schadstoffcharakter eines in den Boden einge
tragenen anorganischen Stoffes wird sowohl durch dessen Quantität und
Qualität als auch die Eigenschaften des Bodens bestimmt und ist damit
VI
standortabhängig. Im Boden werden diese Stoffe in bodeneigene Bin
dungsformen überführt. Letztere können sich in ihrer Verfügbarkeit und
biologischen Wirkung wesentlich von der ursprünglich eingetragt;nen Spe
zies unteIScheiden.
Bodenmikroorganismen und -enzyme haben wesentlichen Anteil an der
Transformation und Festlegung der eingetragenen anorganischen Stoffe
und damit an deren Verteilung und Verhalten im Boden. Anorganische
Schadstoffe können jedoch, anders als viele organische Schadstoffe, nicht
durch Mineralisierung aus dem Boden entfernt werden.
Erfolgte die Beurteilung chemischer Bodenbelastungen zunächst vor
nehmlich auf der Basis chemisch/physikalischer Parameter, so wurde der
Wert der Einbeziehung auch mikrobieller und bodenenzymatischer Para
meter zunehmend erkannt.
Die quantitative und qualitative Beeinflussung von Bodenmikroorga
nismen und -enzymen durch anorganische Schadstoffe konnte in zahl
reichen UnteISuchungen gezeigt werden. Unter dem Einfluß anorganischer
Schadstoffe treten Veränderungen physikalischer, chemischer, physika
lisch-chemischer und biologischer Bodeneigenschaften auf. Mikroorga
nismen und biochemische Stoffumsetzungen können deshalb durch an
organische Schadstoffe sowohl direkt als auch indirekt, über sogenannte
Sekundäreffekte, beeinflußt werden.
Im ersten Kapitel dieses Bandes werden zunächst Quellen von Metallen,
Halbmetallen und von Fluor sowie das Verhalten dieser Elemente im
Boden behandelt. Wechselwirkungen mit Mikroorganismen im Boden und
deren Einfluß auf die Qualität und Quantität der den Boden besiedelnden
Mikroorganismen werden ebenso umfassend dargestellt wie deren Einfluß
auf biochemische Stoffumsetzungen. Auch wird auf den Problemkreis der
Etablierung von Richt- und Grenzwerten für potentiell toxische Elemente
im Boden Bezug genommen. Die Standorteigenschaften sind wichtige
Faktoren bei der Bestimmung jener Elementkonzentration, bei welcher die
Hemmung eines bodenbiologischen Parameters auftritt. Neben der Rele
vanz solcher Befunde für die Erarbeitung standortspezifischer Grenzwerte
für potentiell toxische Elemente, zeigen diese auch wichtige Implikationen
für die Wahl von Standorten zur Entsorgung von schadelementhaltigen
Abfallen auf. Perspektiven der mikrobiologischen Sanierung schwer
metallkontaminierter Böden schließen das eISte Kapitel ab.
Das zweite Kapitel ist schwefel- und stickstoffhaltigen Luftschadstoffen
gewidmet. Auch hier werden zunächst die Quellen und die Natur der
Stoffe betrachtet. Ein wesentlicher Schwerpunkt wird dem Themenkreis
der Bodenversauerung eingeräumt. Gleiches gilt für das Phänomen der
"neuartigen Waldschäden" und die Befunde der diesbezüglichen Ur
sachenforschung. Der Rolle des Bodens gilt dabei besonderes Augenmerk.
Die mit der Kalkung und Düngung von Waldböden verfolgten Ziele, die
Beeinflussung mikrobiologischer und enzymatischer Parameter durch
VII
diese Maßnahmen und die Eignung biologischer Parameter als Indikatoren
einer Meliorationsmaßnahme, werden behandelt. Die Beeinflussung
mikrobiologischer und biochemischer Bodenparameter durch schwefel
und stickstoffhaltige Depositionen wird in einem weiteren Kapitelabschnirt
diskutiert.
Das dritte Kapitel beschäftigt sich mit dem Themenkreis der Streusalz
applikation. Dabei werden vor allem die durch Natriumchlorid induzierten
Veränderungen nichtbiologischer, mikrobiologischer und biochemischer
Bodeneigenschaften dargestellt.
Frühjahr 1997 F. Schinner
R. Sonnleitner
Inhaltsverzeichnis
1 Metalle und Halbmetalle 1
1.1 Natürliche und anthropogene Quellen 2
1.2 Verhalten im Boden 13
1.2.1 Bindung im Boden 14
1.2.2 Metallfraktionen und -verfügbarkeit 28
1.2.3 Richt- und Grenzwerte 32
1.3 Die Elemente Blei, Cadmium, Zink, Kupfer, Chrom,
Mangan, Eisen, Cobalt, Quecksilber, Nickel, Bor,
Arsen, Selen und Fluor 36
1.3.1 Blei 36
1.3.2 Cadmium 39
1.3.3 Zink 42
1.3.4 Kupfer 44
1.3.5 Chrom 45
1.3.6 Mangan 47
1.3.7 Eisen 49
1.3.8 Cobalt 51
1.3.9 Quecksilber 51
1.3.10 Nickel 54
1.3.11 Bor 55
1.3.12 Arsen 56
1.3.13 Selen 57
1.3.14 Fluor 59
1.4 Bodenmikrobiologie und -biochemie 63
1.4.1 Wirkungsmodifizierende Faktoren 67
1.4.2 Mikrobielle Resistenz 84
1.4.3 Mikrobielle Populationen, Keimzahl und Biomasse 92
1.4.4 120
~odenatmung
1.4.5 Okophysiologische Parameter 139
1.4.6 Stickstofft ransformationen 152
1.4.7 Ausgewählte Bodenenzymaktivitäten 174
1.4.8 Vegetation und Streuabbau 238
1.5 Sanierung schwermetallkontaminierter Böden 255
x
2 Schwefel-und stickstoftbaltige anorganische
Luftschadstoffe 259
2.1 Schwefeldioxid, Stickoxide und Ammoniak 259
2.2 Bodenversauerung 268
2.2.1 Bodenreaktion 268
2.2.2 Pufferreaktionen 277
2.3 Waldschäden 291
2.3.1 Phänomen der "neuartigen Waldschäden" 291
2.3.2 Ursachenforschung 295
2.4 Walddüngung und Waldkalkung 320
2.4.1 Zielsetzung und eingesetzte Materialien 320
2.4.2 Mikrobiologie und Biochemie 330
2.5 Einfluß auf die Bodenmikrobiologie und -biochemie 354
2.5.1 Mechanismen und methodische Probleme 354
2.5.2 Mikrobielle Populationen und Biomasse 361
2.5.3 Atmung 372
2.5.4 Stickstofftransformationen 378
2.5.5 Ausgewählte Bodenenzymaktivitäten 385
2.5.6 Streuabbau 391
3 Streusalz 395
3.1 Physikalische und chemische Bodeneigenschaften 397
3.2 Bodenmikrobiologie und -biochemie 403
3.2.1 Anpassung an Wasserstress 405
3.2.2 Biochemische Parameter 408
Literatur 419
Sachverzeichnis 449
