Relevanz der Mineralogie im Kontext der Umweltgeologie

Die Mineralogie stellt eine wesentliche Grundlage für die Beurteilung umweltgeologischer Fragestellungen dar. Um Prozesse der Schadstofffreisetzung und -bindung zu verstehen, ist eine genaue Kenntnis der Mineralogie und auch der mineralogischen Verhältnisse eines Systems unerlässlich. Minerale können dabei sowohl positive als auch negative Auswirkungen auf die Umwelt haben, insbesondere im Hinblick auf die Mobilisierung oder Immobilisierung von Schadstoffen.

Minerale und die Mobilität von Schadstoffen

Bei geogenen bzw. anorganischen Schadstoffen spielt es eine entscheidende Rolle, in welchem Mineral und an welcher Position innerhalb der Kristallstruktur ein Schadstoff gebunden ist. Ein Schadstoff kann strukturell in das Kristallgitter eingebaut werden oder lediglich an der Mineraloberfläche adsorbiert vorliegen. Während oberflächengebundene Schadstoffe vergleichsweise leicht mobilisiert werden können, erfolgt die Freisetzung strukturgebundener Schadstoffe meist erst dann, wenn das Mineral sein Stabilitätsfeld verlässt. Das ist beispielsweise infolge veränderter pH- oder Eh-Bedingungen. So geht der Schadstoff sukzessive in Lösung. Auch spielt es eine Rolle, in welchem Verhältnis oder welcher Menge der Schadstoff in einem Mineral vorkommt. Darüber hinaus beeinflussen Minerale geochemische Systeme auch durch ihre Wirkung auf die chemischen Rahmenbedingungen. So können sie puffernd auf den pH-Wert wirken oder als oxidierende bzw. reduzierende Phasen das Redoxmilieu eines Systems mitbestimmen. Die Wirkung mineralischer Phasen kann sowohl negativ als auch positiv sein. Durch Kationenaustauschkapazitäten (KAK), Adsorptionsprozesse oder die Neubildung mineralischer oder amorpher Phasen können sowohl anorganische als auch organische Schadstoffe temporär oder dauerhaft gebunden und somit immobilisiert werden. Im Folgenden werden exemplarisch einige Beispiele vorgestellt, die die Wirkungsweise von Mineralen in umweltgeologischen Fragestellungen verdeutlichen.

Karbonate

Karbonate können je nach geologischer, hydrologischer und chemischer Situation sehr unterschiedlich auf ein umweltgeologisches System einwirken. Insbesondere ihre hohe Löslichkeit, ihre chemische Reaktivität sowie ihre Fähigkeit zur Neubildung mineralischer Phasen beeinflussen sowohl das Grundwasser als auch das Verhalten von Schadstoffen. Karbonatgesteine wie Kalkstein oder Dolomit sind relativ leicht löslich und neigen infolgedessen zur Ausbildung von Karststrukturen. Durch Lösungsprozesse entstehen Hohlräume, die eine hohe Durchlässigkeit aufweisen. Karbonate stellen daher häufig gute Grundwasserleiter dar. Dies kann dazu führen, dass Schadstoffe über große Distanzen transportiert und weit verbreitet werden können. Außerdem besitzen Karbonate eine puffernde Wirkung auf den pH-Wert in wässrigen Systemen. Durch Lösungs- und Fällungsreaktionen von Karbonatmineralen können Säureeinträge neutralisiert und pH-Schwankungen abgefangen werden. Der Pufferbereich liegt zwischen etwa pH 6,5 und 7,5. Diese Pufferwirkung wirkt sich auch auf die Mobilität von Schwermetallen aus: Unter neutralen bis schwach alkalischen Bedingungen nimmt die Löslichkeit vieler Metalle, wie beispielsweise von Blei, ab. Dadurch wird ihre Mobilität reduziert. Darüber hinaus bieten Karbonate durch ihre Oberflächen oder durch Neubildung die Möglichkeit zur Bindung von gelösten Schadstoffen. Bei der Ausfällung von Karbonaten können anorganische Schadstoffe entweder an Mineraloberflächen adsorbiert oder direkt in die Kristallstruktur eingebaut werden. Auf diese Weise können Schadstoffe temporär oder dauerhaft immobilisiert und dem wässrigen System entzogen werden.

Sulfidminerale

Sulfidminerale sind unter reduzierenden Bedingungen stabil. Gelangen diese Minerale in Kontakt mit oxidierenden Bedingungen können sie chemisch destabilisiert werden. Dabei wird elementarer Schwefel bzw. Sulfid zu Sulfat oxidiert, wobei Schwefelsäure entsteht. Diese wirkt stark pH-senkend. Durch die damit verbundene pH-Absenkung können Schwermetalle aus Gesteinen und Böden mobilisiert werden. Besonders relevant sind diese Prozesse im Zusammenhang mit bergbaulichen Aktivitäten, bei denen sulfidführendes Gestein der Atmosphäre ausgesetzt wird. Ein bekanntes Beispiel ist die Oxidation von Pyrit (FeS₂), bei der Sulfat entsteht. Sulfat stellt einen einstufungsrelevanten Parameter in der Entsorgung dar. Die Identifikation von Erzmineralen ist jedoch relativ einfach möglich: Pyrit ist aufgrund seiner charakteristischen optischen Eigenschaften relativ leicht mikroskopisch erkennbar.

Tonminerale

Tonminerale spielen aufgrund ihrer besonderen strukturellen und chemischen Eigenschaften eine zentrale Rolle in umweltgeologischen Systemen. Sie gehören zur Gruppe der Schichtsilikate und kommen überwiegend in sehr feinkörniger Form vor. Diese geringe Korngröße führt zu einer großen spezifischen Oberfläche, auf der zahlreiche reaktive Bindungsstellen zur Verfügung stehen. Ein wesentliches Merkmal von Tonmineralen sind geladene Oberflächen. Dadurch besitzen Tonminerale eine hohe Kationenaustauschkapazität (KAK), welche es ihnen ermöglicht, gelöste Kationen reversibel zu binden. In wässrigen Systemen können so unter anderem Schwermetalle an Tonmineraloberflächen adsorbiert und vorübergehend oder dauerhaft immobilisiert werden. Auf diese Weise tragen Tonminerale maßgeblich dazu bei, die Mobilität von Schadstoffen zu reduzieren und deren Eintrag in das Grundwasser zu begrenzen. Darüber hinaus weisen bestimmte Tonminerale, insbesondere Smektite, quellfähige Zwischenschichten auf, in denen Wasser und gelöste Ionen eingelagert werden können. Diese Eigenschaft verstärkt sowohl die Sorptionsfähigkeit als auch die Rückhaltewirkung gegenüber Schadstoffen. Neben ihrer chemischen Reaktivität beeinflussen Tonminerale auch die Eigenschaften eines Bodens oder Sediments. Aufgrund ihrer feinen Korngröße besitzen tonige Böden eine geringe Wasserdurchlässigkeit. Das Sickerwasser bewegt sich daher nur langsam durch das Porensystem, was die Kontaktzeit zwischen Wasser, gelösten Stoffen und Mineraloberflächen verlängert. Diese verlängerte Aufenthaltszeit begünstigt Sorptions- und Austauschprozesse und erhöht damit die Effizienz der Schwermetallbindung.

Anorganische Schadstoffe

Zu den umweltrelevanten Schwermetallen zählen unter anderem Blei (Pb), Cadmium (Cd), Quecksilber (Hg), Chrom (Cr), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Nickel (Ni), Arsen (As), Kobalt (Co), Antimon (Sb), Thallium (Tl) und Uran (U). Diese Elemente können einerseits durch natürliche Prozesse wie die Verwitterung von Gesteinen freigesetzt werden, andererseits auch infolge anthropogener Einträge, wie industrielle Prozesse, Bergbau oder durch landwirtschaftliche Nutzung, in die Umwelt gelangen. Ein bekanntes Beispiel für geogen bedingte Belastungen sind tertiäre Sedimente, die häufig erhöhte Arsengehalte aufweisen. Für die umweltrelevante Bewertung solcher Elemente ist jedoch nicht allein deren Gesamtgehalt entscheidend, sondern insbesondere die chemische Bindungsform und die Minerale, in dem sie vorliegen. Schwermetalle können in Form von Erzmineralen, etwa als Sulfide oder Oxide, auftreten, die sehr hohe Konzentrationen eines Elements enthalten. Sie sind häufig nur in geringer Menge im Gestein vorhanden sind. Alternativ können diese Elemente auch als Spurenelemente in weit häufig vorkommenden Mineralphasen eingebaut werden oder an Mineraloberflächen adsorbiert vorliegen. In diesem Fall ist die Konzentration in den jeweiligen Mineralen zwar gering, durch den hohen Anteil dieser Minerale im Gesamtgestein kann jedoch dennoch eine relevante Gesamtbelastung entstehen. Darüber hinaus hängt die Toxizität vieler Schwermetalle stark von ihrer Oxidationsstufe ab. So ist beispielsweise Cr⁶⁺ hochtoxisch und karzinogen, während Cr³⁺ in geringen Mengen für den menschlichen Stoffwechsel essenziell ist. Asbest ist ein Mineral, das für den Menschen sehr gefährlich ist. Allerdings ist es ein Spezialfall, da nicht die Zusammensetzung toxisch ist, sondern die Morphologie der Kristalle problematisch ist.

Organische Schadstoffe

Organische Schadstoffe sind Schadstoffe, die aus Kohlenstoff mit anderen Elementen wie Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff bestehen. Viele sind wasserunlöslich (hydrophob) und schwer biologisch abbaubar. Sie können sich im Fettgewebe von Organismen anlagern, wo sie giftig, krebserregend oder hormonähnlich wirken können. Besonders relevant sind polyzyklische, aromatische Kohlenwasserstoffe (PAKs). Sie entstehen durch eine unvollständige Verbrennung und sind langlebig in Boden und Sedimenten. Außerdem relevant sind polychlorierte Biphenyle (PCB). Sie sind heute verboten, aber sehr stabil. Dichlordiphenyltrichlorethan (DDT) und andere Pestizide wurden früher zur Schädlingsbekämpfung genutzt und sind heute in vielen Ländern verboten. Sie sind auch langlebig und reichern sich in Nahrungsketten an, weshalb sie auch noch heute eine Rolle spielen. Dioxine und Furane entstehen beispielsweise als Nebenprodukt bei der Müllverbrennung und sind sehr giftig. Organische Lösungsmittel wie z.B. Trichlorethen werden in der Reinigung verwendet. Bei unsachgemäßer Anwendung kann es zu einer Grundwasserverunreinigung kommen. Per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) sind auch heute noch in vielen Produkten wie Löschschäumen und Regenjacken enthalten und sind sehr stabil. Außerdem sind sie sehr mobil und können sich so großflächig ausbreiten.

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(noch in Bearbeitung)

Autorin:

Dieser Artikel wurde geschrieben und gegengelesen von:

Juliane Buhl, Donjá Aßbichler

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