Boden: Unsere Lebensgrundlage in Gefahr

Boden: Unsere Lebensgrundlage in Gefahr

 

Im geophysikalischen Sinne ist der Boden die durch physikalische, chemische und biologische Vorgänge entstandene belebte Lockermaterialschicht auf den Gesteinen der Erdkruste. Böden bestehen aus mineralischen Bestandteilen und aus lebendem und abgestorbenem organischen Material unterschiedlicher Größe; die Zwischenräume enthalten Wasser und Luft. Böden entstehen im Verlauf langer Zeiträume durch die Verwitterung von Gestein und die fortgesetzte biologische Aktivität von Pflanzen, bodenlebenden Tieren und Mikroorganismen. Je nach Entstehung, Aufbau und Zusammensetzung werden verschiedene Bodentypen unterschieden; besonders fruchtbar sind beispielsweise Schwarz- und Braunerden sowie aus Vulkangestein oder Löß entstandene Böden.

 

Böden weisen eine durchschnittliche Mächtigkeit von 0,5 bis 2 Metern auf, können aber auch erheblich tiefer reichen. Insgesamt sind etwa 40 Prozent der kontinentalen Oberflächen unfruchtbar (Wüste, Gebirge, Tundra), 34 Prozent sind mäßig fruchtbar und nur 26 Prozent sind von mittlerer Güte oder von Natur aus fruchtbar. Viele der besonders fruchtbaren Böden liegen dazu in dünn besiedelten Steppengebieten in Mittelasien, im mittleren Westen der USA und in Argentinien. In den dicht besiedelten Regionen Afrikas und Südasiens werden dagegen fruchtbare Böden immer knapper. Dies zeigt einmal mehr, wie wichtig der Schutz dieser Böden auch im globalen Maßstab ist.

 

Die mineralischen Bestandteile eines Bodens sind vor allem Quarz (Siliciumdioxid), verschiedene Silicate, Tonmineralien (wasserhaltige Aluminiumsilicate) und Kalk (Calciumcarbonat). Sie bilden Bruchstücke unterschiedlicher Größen; fachsprachlich heißen sie Korngrößen. Die Korngröße der mineralischen Bestandteile bestimmt den Wasser-, Luft- und Nährstoffhaushalt des Bodens — und damit letztlich, wie fruchtbar ein Boden ist und wie gut er sich bearbeiten lässt. Aus diesem Grund definiert man auch die Bodenart mithilfe der Korngröße. Die feinsten Partikel hat die Bodenart Ton, ein klein wenig größer sind Schluffpartikel, etwa in der Mitte steht Sand, sehr grob sind Kies und Stein. Lehm ist ein Gemisch aus Sand, Schluff und Ton.

 

Die organischen Bodenbestandteile machen etwa 2 bis rund 20 Prozent der Masse des Bodens aus. Sie bestehen vor allem aus verwesenden Pflanzenteilen sowie aus abgestorbenen Tieren und anderen Reststoffen biologischen Ursprungs. Diese werden von bodenbewohnenden Tieren zerkleinert, verdaut und schließlich von Mikroorganismen zu Humus abgebaut. Die humöse Bodenauflage wird durch mechanische und biologische Vorgänge — etwa durch Bodenorganismen, Durchwurzelung oder menschliche Arbeit (Pflügen) — mit der mineralischen Schicht durchmischt.

 

 Gesunde Böden sind belebt und »arbeiten«

 

Die mineralischen und organischen Bestandteile des Bodens bilden feste Partikel verschiedener Größe. Zwischen diesen Partikeln befinden sich Poren genannte Hohlräume, die mit Luft oder Wasser gefüllt sind. In ihnen siedelt sich eine große Zahl unterschiedlichster bodenbewohnender Organismen an. Erstaunlich ist nicht nur die Vielfalt der Bodenlebewesen, sondern auch ihre Population, also ihre Anzahl in einem bestimmten Volumen: In einem Teelöffel Boden können sich bis zu mehreren Milliarden Bakterien befinden!

 

Die Bodenorganismen besorgen arbeitsteilig den Abbau pflanzlichen und tierischen Materials. Bodenwühler lockern den Boden auf, durchmischen ihn und sorgen für seine Belüftung und damit für den Sauerstoffeintrag. Andere Bodenlebewesen zerkleinern und fressen Pflanzenteile, wirken also zersetzend und bereiten einen weiteren Abbau durch die Mikroorganismen vor. Diese Einzeller bauen schließlich die verbleibenden organischen Substanzen zu Humus und anorganischen Substanzen ab. Für die Humusbildung ist Sauerstoff erforderlich, alle anderen Abbauprozesse sind auch unter Verbrauch von Nitrat oder anderen reduzierbaren Stoffen möglich. Hauptprodukte dieses Abbaus sind Kohlendioxid und Wasser, in geringeren Mengen Phosphat, Ammonium, Nitrat und Sulfat. Pilze, Einzeller (zum Beispiel Geißel- und Wimpertierchen) und Bakterien können in einem vielstufigen Prozess auch schwer abbaubare Substanzen wie Cellulose und Lignin zersetzen.

 

Durch seine poröse Struktur wirkt der Boden wie ein feinmaschiger Filter: Partikel aus dem durchsickernden Bodenwasser werden zurückgehalten. Eine andere Eigenschaft des Bodens hängt mit der Natur der sehr kleinen mineralischen Teilchen — besonders des Tons — und der Humuspartikel zusammen: Sie sind einerseits klein und haben deshalb in ihrer Gesamtzahl eine relativ große Oberfläche, andererseits sind sie an der Außenseite schwach elektrisch geladen — sie können daher andere Stoffe »festhalten« oder, wie es fachsprachlich heißt, adsorbieren. Besonders ausgeprägt ist diese Eigenschaft bei den sehr kleinen Tonpartikeln. Dazu kommt noch, dass Humus-Substanzen zusammen mit den Tonpartikeln »Ton-Humus-Komplexe« bilden können, die ihrerseits weitere Substanzen chemisch binden können.

 

Insgesamt ergibt sich daraus eine wichtige Eigenschaft des Bodens: Ein Boden kann Moleküle und Ionen aus dem Wasser, das durch die Bodenporen dringt, bis zu einem gewissen Grad festhalten oder immobilisieren: So kann der Boden Metallionen binden, die natürlicherweise im Wasser gelöst oder die durch menschliches Tun in den Boden gelangt sind. Allerdings kann sich diese Bindung auch wieder lösen: Ist beispielsweise der Boden zu sauer (enthält er also zu viele Wasserstoffionen), so binden die Ton-Humus-Komplexe stärker diese Ionen und geben die vorher gebundenen Metallionen wieder frei. In welchem Ausmaß ein Boden Teilchen binden kann oder wieder freisetzt und damit mobilisiert, hängt auch von der Art des Bodens ab: Ein ton- und humusreicher Boden kann Substanzen wirkungsvoller aufnehmen und festhalten als ein sandiger Boden.

 

Wichtig ist, dass ein Boden Substanzen eine Zeit lang — oft sogar über mehrere Jahrzehnte — binden und damit immobilisieren kann. Er kann auf diese Weise die Ausbreitung von Schadstoffen verlangsamen, er wirkt also als Zwischenspeicher oder Puffer. Allerdings ist klar, dass zum einen diese Kapazität irgendwann erschöpft ist und zum anderen das Ökosystem Boden desto mehr gestört wird, je mehr Schadstoffe im Boden angereichert sind. Ein gesunder Boden besitzt dank seiner Bodenlebewesen ein hohes Regenerationsvermögen, eine Reihe von organischen Schadstoffen kann von ihnen zu ungefährlichen Substanzen abgebaut werden.

 

 Beeinflussung des Bodens durch den Menschen

 

Der Mensch beeinträchtigt die natürliche Bodenfunktion durch viele Tätigkeiten, die sich oft auch noch gegenseitig beeinflussen und verstärken, wie sich am Beispiel der Bodenverdichtung zeigt: Ein gesunder Boden hat eine lockere, poröse Bodenstruktur. Schon eine Viehherde kann den Boden merklich verdichten; noch stärker wirkt sich das Befahren mit schweren Fahrzeugen und Landmaschinen aus: Der Boden wird zusammengedrückt, das Porenvolumen verringert, die Luft- und Wasserversorgung der Bodenorganismen verschlechtert sich. Das alles wiederum kann sich auf die Bindung von Stoffen auswirken. Hatte der lockere, poröse Boden etwa Schwermetallionen gebunden, so kann es sein, dass er sie unter den veränderten physikalischen, chemischen und biologischen Bedingungen freisetzt.

 

Weltweit von großer Bedeutung ist auch die Bodenerosion, die durch die Zerstörung der Pflanzendecke, insbesondere die Entwaldung ausgelöst werden kann. Ganz besonders stark wirkt sich dies bei den tropischen Regenwäldern aus, denn unter diesen befindet sich nur eine sehr dünne Bodenschicht. In unseren Breiten verstärkt die Beseitigung von Hecken oder die Zusammenlegung von Ackerflächen zu immer riesigeren Feldern die Bodenerosion: Wind kann dann den Boden leichter verwehen, abfließendes Regenwasser Bodenmaterial herauswaschen und wegschwemmen. Dadurch verliert der Boden an Nährstoffen, die immer dünnere Pflanzendecke setzt der Erosion immer weniger Widerstand entgegen, bis schließlich im Extremfall die Regenerationsfähigkeit so weit herabgesetzt ist, dass der Boden praktisch tot ist. So weit kommt es zwar in unseren Breiten selten, jedoch sind verminderte Erträge und darüber hinaus eine erhöhte Gefahr von Erdrutschen und Hochwasser auch bei uns weit verbreitete Folgen der Bodenerosion.

 

Außer der direkten Schädigung des Bodens durch Verdichtung und Erosion stellen vor allem Schadstoffeinträge eine große Gefahr für natürliche Böden dar. Der Mensch bringt auf verschiedenen Wegen Substanzen der unterschiedlichsten Art, und damit auch viele Schadstoffe, in den Boden ein. Zu diesen anthropogenen Schadstoffeinträgen (anthropos, griechisch: Mensch) zählt der saure Regen. Saure Niederschläge setzen die Bindungsfähigkeit des Bodens für bestimmte Metallionen herab, sodass diese freigesetzt und in tiefere Bodenschichten transportiert werden können. Die Böden verarmen dadurch an Eisen und Magnesium, freigesetztes Aluminium wiederum trägt zum Waldsterben mit bei. Durch Streusalz und Bewässerung kommen immer mehr Salze in den Boden. Dies führt zu einem Aufquellen der Bodenpartikel; der Boden »versteppt« und die mikrobiellen Abbauprozesse werden stark behindert. Auch der Anbau von Feldfrüchten oder Nutzhölzern in Monokulturen beeinträchtigt die Bodenqualität.

 

Von seiner natürlichen Funktion her ist der Boden — wie wir gesehen haben — ein guter Puffer für viele dieser anthropogenen Schadstoffeinträge und kann sie eine Zeit lang abfangen. Qualität und Regenerationsfähigkeit der Böden werden jedoch bei einer andauernden Belastung beeinträchtigt — der Krug geht so lange zum Brunnen, bis er bricht. Können sich die Böden nicht mehr richtig regenerieren, dann breiten sich die Schadstoffe über die oberen Bodenschichten hinaus immer weiter aus. Sie schädigen dann nicht nur den Boden selbst, sondern auch Boden- und Grundwasser, Flüsse und Seen, von wo aus sie in die Nahrungskette eindringen. Daher verdienen diese Einträge besondere Aufmerksamkeit.

 

 Anthropogene Schadstoffeinträge

 

Schadstoffe werden in modernen Industriegesellschaften bei fast jeder menschlichen Tätigkeit an die Umwelt abgegeben. Schadstoffe, die in den Boden gelangen können, werden vor allem bei der Rohstoffförderung und -verarbeitung, in der industriellen und landwirtschaftlichen Produktion und im Straßenverkehr freigesetzt. Eine besondere Gefährdung für den Boden geht von der Behandlung und Ablagerung von Abfällen und Sondermüll aus. Gerade durch unkontrollierte Industrieproduktion und wilde Müllkippen können Flächen entstehen, die so stark mit Schadstoffen verunreinigt sind, dass sie nur noch eingeschränkt oder überhaupt nicht mehr genutzt werden können; von ihnen geht eine Gefährdung für Mensch und Umwelt aus. (Auf solche »Altlasten« werden wir später noch ausführlicher eingehen.) Schadstoffe, die in den Boden gelangt sind, können schließlich nach längerer Zeit in Grundwasser und Fließgewässer vordringen und damit die Trinkwasserversorgung gefährden.

 

Durch Pflanzen, die Schadstoffe aus dem Boden oder aus belasteten Gewässern aufgenommen haben, kommen Schadstoffe in die Nahrungskette. Schwer abbaubare Stoffe reichern sich besonders in Tieren an, die am Ende der Nahrungskette stehen. Diese Kette beruht auf dem Prinzip »Groß frisst Klein«. Stoffe werden aus dem Boden von Mikroorganismen und Pflanzen aufgenommen, die von Insekten und kleinen Pflanzenfressern, etwa Mäusen, verzehrt werden. Diese wiederum werden von kleinen Raubtieren oder -vögeln gefressen und so fort, bis schließlich am Ende der Kette die großen Raubtiere und nicht zuletzt der Mensch stehen. Besonders zwei Gruppen von Schadstoffen können den Boden langfristig kontaminieren, nämlich Schwermetalle und verschiedene schwer abbaubare organische Stoffe. Letztere werden fachsprachlich als »persistent« bezeichnet.

 

Bodenkontaminierende Schwermetalle, die auch für den Menschen gefährlich werden können, sind unter anderem Blei, Cadmium, Quecksilber, Arsen, Selen, Antimon, Zinn, Thallium, Chrom und Nickel, aber auch Kupfer und Zink. Durch Stäube und Niederschläge aus der Luft, den Austrag von Klärschlamm und Müllkompost, von Düngemitteln und Pflanzenschutzmitteln sowie die früher unkontrolliert praktizierte Verrieselung von Abwässern können diese Schwermetalle auf landwirtschaftliche Nutzflächen und damit in die Nahrungskette gelangen. An vielen Orten, wo Metalle gefördert, verhüttet, bearbeitet und schließlich abgelagert wurden, befinden sich heute altlastenverdächtige Standorte — etwa Abraumhalden, Minenabfälle, Altstandorte der Metallbearbeitung, Schrottplätze oder ungeordnete Deponien.

 

Die zweite große Gruppe von bodenverunreinigenden Stoffen sind die schwer abbaubaren organischen Stoffe. Wegen ihrer Beständigkeit reichern sie sich im Boden mit der Zeit immer mehr an. Zu ihnen zählen beispielsweise die polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAK, zum Beispiel Benzpyren), die besonders in der Umgebung von Kohle verarbeitenden Betrieben, alten Gaswerken oder Bahngeländen auftreten. Ebenfalls organisch-chemischer Natur sind polychlorierte Biphenyle (PCB), die früher als Flammschutzmittel und als Weichmacher in Kunststoffen eingesetzt wurden. Man findet sie in etlichen Mülldeponien und Klärschlämmen in recht hohen Konzentrationen (bis zu 100 Milligramm pro Kilogramm Trockensubstanz). Weitere Beispiele sind die sehr giftigen chlorierten Dibenzodioxine und -furane. Schließlich sind auch chlorierte Pestizide wie Lindan, Aldrin, Dieldrin oder DDT schwer abbaubar. Diese Substanzen gelangten beim Einsatz zur Schädlingsbekämpfung oder beim Düngen mit kontaminiertem Klärschlamm in den Boden.

 

 Natürliche und gestörte Stoffkreisläufe

 

Was sind nun die ökologischen Folgen von anthropogenen Schadstoffeinträgen? Hierzu muss man zunächst die natürlichen Stoffflüsse im Boden betrachten.

 

Im Boden sind vielfältige Abbau- und Aufbauprozesse miteinander verkoppelt. Mikroorganismen ernähren sich von im Boden vorhandenen organischen Substanzen, etwa abgestorbenen Pflanzenteilen und zersetzen sie dabei. Pflanzen wiederum nutzen die anorganischen Abbauprodukte, zum Beispiel Stickstoffverbindungen oder andere Mineralien, als Nährstoffe — es ergibt sich ein natürlicher Stoffkreislauf. In diesem Kreislauf gibt es für praktisch jede natürliche Substanz einen Organismus, dem sie als Nahrung dienen kann. So gesehen, gibt es in der vom Menschen unbeeinflussten Natur keinen Abfall — alles wird genutzt und ist für die Lebensgemeinschaft notwendig; solche Lebensgemeinschaften nennt man Ökosysteme.

 

Die beiden wichtigsten Stoffkreisläufe auf der Erde bilden der natürliche Kohlenstoffkreislauf und der Wasserkreislauf. So wie diese zirkulieren auch andere biologisch wichtige Elemente wie Sauerstoff, Stickstoff, Phosphor, und Schwefel durch die verschiedenen Ökosysteme. Über sehr lange Zeiträume hinweg betrachtet, befinden sich diese Elemente in einem fast vollständig geschlossenen Kreislauf.

 

Die vom Menschen verursachten Stoffflüsse bilden im Gegensatz dazu kein vollständig geschlossenes System. Die globalen Rohstoffreserven (zum Beispiel Erdöl, Kohle und Erze) werden nach und nach aufgebraucht; gleichzeitig erzeugt der Mensch daraus Abfälle und Abgase, die nicht mehr in die Produktionsabläufe zurückgeführt werden können. Mit der stetigen Steigerung von Produktion und Verbrauch erzeugen wir Menschen global gesehen einen gigantischen Müllberg. Diese Abfälle belasten die natürlichen Ökosysteme, da viele dieser Substanzen in der Natur nur schwer abgebaut werden können oder in einer Menge vorliegen, der die natürliche Abbaukapazität nicht gewachsen ist. Deshalb ist es wichtig, die anthropogenen Stoffflüsse zu Kreisläufen zu schließen, anstatt sie auf stetig wachsenden Deponien und Halden enden zu lassen.

 

 Welche Gefahren gehen von Schadstoffen im Boden aus?

 

Schadstoffe und Abfälle werden, wie gesagt, nach ihrer biologischen Abbaubarkeit unterschieden. So zählen etwa die Abfälle eines Schlachthofes (wie Sieb- und Rechengut, Rückstände der Fettabscheider, Exkremente und Spülwässer) zu den biologisch leicht abbaubaren Abfällen. Dennoch sind auch sie nicht ungefährlich, denn Krankheitserreger können sich in ihnen schnell vermehren; außerdem würde der unkontrollierte biologische Abbau zu starken Geruchsbelästigungen führen. Unter geeigneten technischen Bedingungen können solche Abfälle aber keim- und geruchsarm entsorgt und weitgehend in den natürlichen Stoffkreislauf zurückgeführt werden.

 

Die Erzeugnisse der chemischen Industrie und auch anderer Industriezweige können dagegen oft nur schwer biologisch abgebaut werden. Sie unterscheiden sich in ihrem molekularen Aufbau oft so stark von Naturstoffen, dass nur wenige oder gar keine biologischen Enzymsysteme existieren, die deren Abbau durch Mikroorganismen ermöglichen; sie sind sozusagen schwer oder unverdaulich. Solche Stoffe nennt man auch Xenobiotika (»lebensfremde Stoffe«). Diese Substanzen werden im Boden nur geringfügig biologisch oder chemisch zersetzt und können sich sehr lange in der Umwelt aufhalten — sie besitzen eine hohe Persistenz. Typische Beispiele hierfür sind chlorierte Kohlenwasserstoffe, aber auch viele Kunststoffe, die im Abfall kaum verrotten. Werden diese Stoffe in großer Menge verwendet, so können sie sich in der gesamten Umwelt stark ausbreiten; man bezeichnet sie dann als ubiquitär. Manche Stoffe können sogar weltweit nachgewiesen werden — wie etwa Blei, das mittlerweile sogar in den oberen Eisschichten auf der Insel Grönland aufgespürt wurde!

 

Schadstoffe können sich auf verschiedenen Wegen ausbreiten: Stäube und Gase über die Luft, lösliche, emulgierbare und suspendierte Stoffe über das Wasser. Nach dem Transport durch Luft und Wasser lagern sich viele Schadstoffe im Boden ab, wo sie in die Nahrungskette eindringen. Bei großer Persistenz reichern sie sich häufig in einzelnen Organismen oder stetig in der Nahrungskette an.

 

Wegen der Anreicherung von Schadstoffen am Ende der Nahrungskette kommt es bei Raubvögeln, Großsäugern und Menschen oft zu besonders hohen Belastungen und toxischen Wirkungen. Wie verschiedene Schadstoffe auf Ökosysteme und auf den Menschen wirken, wurde weltweit in langjähriger Arbeit untersucht; jedoch werden jedes Jahr so viele neue Substanzen entwickelt und in Verkehr gebracht, dass das Wissen der Toxikologen kaum Schritt halten kann. Dennoch haben wir seit den 1970er-Jahren ein wachsendes Wissen über die Ausbreitung und physiologische Auswirkung vieler wichtiger Schadstoffe. Seit den 1980er-Jahren sind auch die Bemühungen verstärkt worden, die Freisetzung dieser Stoffe in die Umwelt und damit auch in die Böden zu vermindern.

 

Am Anfang standen nachgeschaltete technische Maßnahmen im Mittelpunkt, um die im Produktionsprozess anfallenden Schadstoffe am Ende des Prozesses herauszufiltern oder nicht mehr benötigte Produkte zu entsorgen. Heute wird die Industrie dazu angehalten, die Produktion so zu gestalten, dass Schadstoffe gar nicht erst entstehen und Altstoffe möglichst wenig Schadstoffe enthalten. Vor allem gewinnt aber die Abfallvermeidung zunehmend an Bedeutung — und damit der Versuch, auch die anthropogenen Stoffflüsse zu einem Kreislauf zu schließen. Diese ist allerdings weniger ein technisches Problem als eines der Organisation der betrieblichen und gesellschaftlichen Abläufe und insbesondere des politischen Willens. Umwelttechnische Verfahren werden dabei immer ein wichtiger Bestandteil eines integrierenden Umweltkonzepts bleiben.

 

Dr. Sabine Willscher und Dr. Manfred Jank

 

Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:

 

Abfall und Altlasten

 

Literatur:

 

Fellenberg, Günter: Chemie der Umweltbelastung. Stuttgart 1990.

 Fritsche, Wolfgang: Umwelt-Mikrobiologie. Grundlagen und Anwendungen. Jena u. a. 1998.

 Heintz, Andreas / Reinhardt, Guido A.: Chemie und Umwelt. Ein Studienbuch für Chemiker, Physiker, Biologen und Geologen. Braunschweig u. a. ⁴1996.

 Kalusche, Dietmar: Ökologie in Zahlen. Eine Datensammlung in Tabellen mit über 10000 Einzelwerten. Stuttgart u. a. 1996.

 

Lehrbuch der ökologischen Chemie. Grundlagen und Konzepte für die ökologische Beurteilung von Chemikalien, herausgegeben von Friedhelm Korte. Stuttgart u. a. ³1992.

 Marquardt-Mau, Brunhilde u. a.: Umwelt. Lexikon ökologisches Grundwissen. Neuausgabe Reinbek 1993.