Bodenökologie: Mikrobiologie und Bodenenzymatik Band III: Anorganische Schadstoffe PDF
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Bodenökologie: 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 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschiitz!. Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der Ubersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung ader der Vervielfâltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitnngsan1agen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertnng, vorbehalten. Eine Vervielfli1tigung dieses Werkes ader van Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutsch land vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zuHissig. Sie ist grundsătzlich vergiitnngspflichtig. Zuwi derhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Die Wiedergabe van Gebrauchsnamen, Handelsnarnen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daB solche Narnen im Sinne der Warenzeichen-und Marken schutz-Gesetzgebung a1s frei zu betrachten wăren und daher von jedermann benutz! werden diirften. 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 SPIN: 10530691 31/3137 - 5 4 3 210 - Gedruckt aufsăurefreiem Papier 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
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