Prof. Dr. Tim Mansfeldt

Arsen (As) ist ein toxisches Element, das Böden auf natürliche Weise oder durch anthropogene Einflüsse zugeführt wird und dessen Löslichkeit entscheidend von dem Redoxmilieu eines Bodens abhängt.
Bei der Erstellung digitaler Bodenbelastungskarten sind erhöhte Arsengehalte in Oberböden eines Naturschutzgebietes im Kreis Recklinghausen festgestellt worden. Die dort vorkommenden Böden entwickeln sich aus lehmigen Fluss- und Bachablagerungen des Holozäns und überdecken quartäre Niederterrassensande. Das Arsen entstammt der lokalen Gesteinsverwitterung und reichert sich auf natürliche Weise über den lateralen Transport im Grundwasserpfad an. Ziel der Untersuchung war (i) die allgemeine Charakterisierung des Bodens, (ii) die Erfassung der Redoxpotenzialdynamik innerhalb eines Jahres in verschiedenen Bodentiefen und (iii) die Untersuchung der Arsenlöslichkeiten in Abhängigkeit von der Redoxdynamik.
Die Errichtung der Geländemessstation (16 m2) erfolgte auf einer als Grünland genutzten Fläche. In 10, 30, 50, 80 und 120 cm Tiefe sind in dreifacher Wiederholung Pt-Elektroden zur Messung des Redoxpotenzials und Kunststoffsaugkerzen zum Sammeln der Bodenlösung installiert worden. Tensiometer sind in zweifacher und Temperaturfühler in einfacher Wiederholung eingebaut worden. Ein PVC-Grundwasserrohr, eine für die Redoxmessungen nötige Salzbrücke und ein Niederschlagsmesser ergänzten die Messeinrichtungen. Die Aufnahme der Geländedaten erfolgte wöchentlich im Jahr 2005 und die Gewinnung der Bodenlösung im letzten Halbjahr.

Der Boden ist ein Brauneisengley mit pH-Werten zwischen 4,5 und 5,8. Er weist in den Oxidationshorizonten hohe Gehalte an Mangan und vor allem Eisen auf, die teilweise verfestigt als Konkretionen vorliegen. Der Grundwasserstand unterliegt starken Schwankungen und sinkt nicht unter eine Tiefe von -80 cm. In 16 % des Jahres reicht er bis an die Geländeoberfläche. Die oberen 70 cm (Oxidationshorizonte) befinden sich demnach im Grundwasserschwankungsbereich und unterliegen dem Wechsel von O2-Zufuhr und O2-Mangel. In 10 und 30 cm Tiefe schwanken die Redoxpotenziale zwischen -196 und 792 mV und bilden eine deutliche Dynamik heraus. Es werden zu 22-37 % oxidierende (> 400 mV), zu 10-27 % schwach reduzierende (200 bis 400 mV), zu 29-33 % mäßig reduzierende (-100 bis 200 mV) und zu 19-23 % stark reduzierende (< -100 mV) Bedingungen erreicht. In 50 cm Tiefe sind Redoxpotenziale zwischen -180 und 158 mV aufgetreten, die zu 61 % mäßig und zu 39 % stark reduzierend sind. Eine geringe Dynamik zeigt sich auch in 80 und 120 cm Tiefe. Diese beiden unteren Tiefen zeigen stets niedrige Redoxpotenziale zwischen -233 und 1 mV an, sodass zu 21 % (80 cm) und 60 % (120 cm) mäßig reduzierende und zu 79 % (80 cm) und 40 % (120 cm) stark reduzierende Bedingungen vorherrschen. Ursache für die niedrigen Potenziale ist der Sauerstoffmangel, der aufgrund der ganzjährigen Wassersättigung in diesen Tiefen anhält.

Es ist somit eine deutliche Zweiteilung innerhalb des Profils festzustellen, die die oberen 70 cm in oxidierende und die Tiefen darunter in reduzierende Bedingungen einteilt. Die Unterteilung wird zudem durch die Höhe der in der Fest- und Lösungsphase auftretenden Gesamtgehalte und Stoffkonzentrationen verdeutlicht. In den Fluss- und Bachablagerungen der oberen drei Tiefen treten mit 39-380 g Fe kg-1, 0,07-1,7 g Mn kg-1, 1,8-11 g P kg-1 und 159-1010 mg As kg-1 hohe Gehalte auf. In der Lösungsphase sind die Konzentrationen des Eisens mit 0,02-4,15 mg l-1, des Mangans mit 0,02-0,68 mg l-1, des Phosphats mit 0,02-0,78 mg l-1 und des Arsens mit < 2-12,8 µg l-1 sehr gering. Umgekehrt verhält es sich in den Talsanden, die durch niedrige Gesamtgehalte von 5,4 g Fe kg-1, 0,07 g Mn kg-1, 0,15 g P kg-1 und 9,5 mg As kg-1 gekennzeichnet sind, bei gleichzeitig hohen Lösungskonzentrationen von 17,4-81,2 mg l-1 Eisen, 0,67-1,47 mg l-1 Mangan, 0,09-2,12 mg l-1 Phosphat und 25,3-307 µg l-1 Arsen.

Die Reduktion von Eisenoxiden beeinflusst die Arsenlöslichkeit, da Arsen eine ausgeprägte Affinität gegenüber Fe-Oxiden aufweist. Das Fehlen von Fe-Oxiden in 80 und 120 cm aufgrund konstant niedriger Redoxpotenziale begünstigt eine hohe Arsenlöslichkeit. Schwankungen der As-Konzentrationen werden auf laterale Stoffflüsse zurückgeführt, die im Untersuchungsgebiet von großer Bedeutung sind. Das zeitweise Auftreten reduzierender Verhältnisse in den oberen Tiefen geht nicht mit einer erhöhten As-Löslichkeit einher, denn das freigesetzte As scheint sofort an die im Überschuss vorhandenen Eisenoxide sorbiert zu werden, was als sekundäre As-Adsorption bezeichnet werden kann.

Fördernde Stelle: Landesumweltamt NRW
Laufzeit: 2004 bis 2005