Bindungen von Schadstoffen

Schadstoffe können durch verschiedene Arten im Boden gebunden sein. Diese Bindungen variieren in ihrer Stabilität: Während manchmal der Kontakt zu Wasser im neutralen pH-Bereich ausreicht, um sie aufzulösen, sind sie teilweise nur in stark sauren oder alkalischen Milieus angreifbar, oder unter stark reduzierenden beziehungsweise oxidierenden Bedingungen. Es gibt folgende Möglichkeiten Schadstoffe mineralogisch zu binden:
- Einbau ins Kristallgitter
- Komplexbildner
- Adsorption
- Okklusion
- Kationenaustausch

Einbau ins Kristallgitter

Foto eines Bleiglanzes, auch Galenit genannt. Foto: W. Stoiber, 2023.

So können anorganische Schadstoffe wie Blei, Quecksilber oder Arsen direkt in Minerale, z.B. die Sulfide Arsenopyrit FeAsS, Galenit PbS und Cinnabarit HgS, eingebaut werden. In manchen Mineralen werden Ionen durch andere isomorph ersetzt: In Silikaten können Schwermetalle anstelle von Si⁴⁺ ins Kristallgitter eingebaut werden. Die Bindungen in diesen Mineralen sind nur schwer aufzubrechen, die Metalle sind daher nicht löslich und können nicht von Organismen aufgenommen werden. Erst bei der Verwitterung werden die Schwermetalle frei. Allerdings gilt das nicht für alle Minerale: Wenn man das Carbonat Witherit BaCO₃ verschluckt, wird es von Magensäure zersetzt, wodurch der Körper das Barium aufnehmen kann. Weil es Calcium in biologischen Prozessen ersetzen kann, führt es zu Schäden am Herz, zentralen Nervensystem und Magen-Darm-Trakt.

Koordinative Bindung / Komplexverbindungen

Eine weitere Option ist die koordinative Bindung, die in Komplexverbindungen vorliegt. In solchen Verbindungen ist ein Atom oder Ion von sogenannten Liganden, die Ionen oder Moleküle sein können, umgeben. Sie werden durch Elektronenpaare verbunden, die im Gegensatz zu kovalenten Bindungen nur von einem Bindungspartner geliefert werden, meist von den Liganden. Organische Schadstoffe können in den Zwischenschichträumen von Tonmineralen mit den dortigen Kationen Komplexe bilden und sind dadurch im Inneren des Kristalls gebunden. Metallische Schadstoffe können hingegen als Brückenkationen zwischen Schichtsilikaten und Huminstoffen in Ton-Humus-Komplexen dienen. Die Stabilität und Mobilität von Komplexen hängt stark von den jeweiligen Bindungspartnern ab. Beispielsweise geht Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA), das in Waschmitteln verwendet wird und unter neutralem pH im Wasser hochmobil ist, starke koordinative Bindungen mit Kationen wie Ni²⁺, Cu²⁺ und Co²⁺ ein. So werden die Metalle mobilisiert und können sich in der Bodenmatrix über das Grundwasser verteilen.

Adsorption

Sehr wichtig für die Bindung der Schadstoffe ist die Adsorption, bei der Ionen an die Oberfläche von Mineralen gebunden werden. Für Ionen ist die Adsorption an Tonmineralen möglich, weil die Oberfläche von Tonmineralen geladen ist. Dabei unterscheidet man zwischen permanenter und variabler Ladung: Permanente Ladungen werden durch die Substitution von Silizium durch Aluminium in den Tetraederschichten der Dreischichtsilikaten verursacht. Der Ladungsunterschied kann zwischen den Schichten mit Hilfe großer Kationen ausgeglichen werden, an den Oberflächen des Kristalls verbleibt eine meist negative Ladung. Vom pH-Wert abhängige variable Ladungen entstehen vor allem an den Seitenflächen und Kanten. Dort befinden sich Kationen, die nicht ausreichend Bindungspartner haben, wodurch eine positive Ladung entsteht. Haben die Minerale aber Kontakt zu Wasser, können sie OH-Gruppen an sich binden. Im Alkalischen geben diese OH-Gruppen leicht Protonen ab und sind damit negativ geladen, in sauren Milieus jedoch werden Protonen aufgenommen, die eine positive Ladung hervorrufen. Das bedeutet, dass bei hohen pH-Werten eher Kationen an den Seiten der Tonminerale adsorbieren, bei sauren Verhältnissen eher Anionen. Adsorption ist aber nicht nur vom pH-Wert abhängig, sondern auch vom Redox-Potential: So kann Arsen zwar auf Eisenoxidmineralen adsorbieren, doch die Oberflächen der Minerale lösen sich unter reduzierenden Bedingungen auf und setzen den Schadstoff frei.

Okklusion

Ionen, die auf der Oberfläche des Minerals adsorbiert sind, können beim Kristallwachstum räumlich eingeschlossen werden, man spricht dann von Okklusion. Anders als beim Einbau in die Kristallstruktur geht das Metall keine feste Bindung mit den Bestandteilen des Minerals ein, es ist lediglich von ihnen umschlossen. Trotzdem werden Schadstoffe dadurch immobil, solange der Kristall, beziehungsweise die Phase intakt bleibt.

Kationenaustausch

Für Schichtsilikate wie Tonminerale sind aber nicht nur die Oberflächen für die Bindung von Schadstoffen entscheidend, sondern auch die Räume zwischen den Schichten. Hier befinden sich Kationen, die die Ladungsüberschüsse der einzelnen Schichtpakete kompensieren. Da sie nicht fest in die Kristallstruktur eingebaut sind, können sie leicht herausgelöst und durch ein anderes Ion ersetzt werden, was man als Ionenaustausch bezeichnet. Anders als an der Oberfläche und den Kanten der Minerale werden in den Zwischenräumen der Schichtstruktur keine Anionen eingelagert, sondern Kationen. Daher wird die Fähigkeit der Tonminerale, Kationen aus der Umgebung aufzunehmen und durch die vorher eingelagerten zu ersetzen als Kationen-Austauschkapazität (KAK) bezeichnet. Sie ist abhängig von Korngröße, Strukturtyp und Ausbildung der Minerale, aber auch vom pH-Wert. Tonminerale können so nicht nur Schwermetalle wie Pb²⁺ aufnehmen, sondern auch positiv geladene organische Verbindungen. Kationen, die so von Tonmineralen aufgenommen werden, können aber auch wieder abgegeben werden, wenn andere gelöste Ionen ihren Platz einnehmen. Vor allem nach Wasseraufnahme aufgequollene Tonminerale setzen Kationen aus ihren Zwischenschichträumen leicht frei.

Quellen:

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Lewandowski, J., Leitschuh, S. & Koß, V. (1997): Schadstoffe im Boden: Eine Einführung in Analytik und Bewertung. – 339 S., Springer-Verlag, Heidelberg.
Jasmund, K. & Lagaly, G. (Hrsg.) (1993): Tonminerale und Tone: Struktur, Eigenschaften, Anwendungen und Einsatz in Industrie und Umwelt. –490 S., Steinkopff Verlag, Darmstadt.
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https://de.wikipedia.org/wiki/Witherit#Vorsichtsma%C3%9Fnahmen
https://www.diagnosticpathology.eu/content/minfib/Whiterite.php
Aßbichler, D., Weichselgartner, N., Diesner, N., Kayalar, M., Otte, C., Heuss-Aßbichler, S., Tautenhahn, S. & Friedrich, A. (2024): Mineralogy – the key to understanding and predicting the elution behavior of arsenic. EGU General Assembly 2024. doi.org/10.5194/egusphere-egu24-14683.

Autorin:

Dieser Artikel wurde geschrieben und gegengelesen von:

Kathrin Wolf

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