Arbeitsgruppe Prof. Dr. Dr. hc. mult. German Müller (Emeritus)

Anorganische Umwelt - Geochemie

Die Forschungsarbeit entstand im Rahmen des Leitprojekts "Elbe 2000" des Bundesministeriums für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF). Innerhalb des Programms der Internationalen Kommission zum Schutz der Elbe (IKSE) umfaßt dieses Leitprojekt Forschung und Entwicklung zur Sanierung der Elbe und ihres Einzugsgebietes. Dazu soll das Flußsystem umfassend untersucht werden, um bis zum Jahre 2000 Grundlagen für ein ökologisch ausgeglichenes, umweltverträglich zu nutzendes Gewässersystem zu schaffen.

Das Projekt ist in drei Phasen unterteilt, welche jeweils als Themenverbundprojekte angelegt sind. Die beiden ersten Phasen haben eine Bestandsaufnahme der Schwermetallsituation in den Gewässersystemen der Elbenebenflüsse zum Ziel. Dies wurde notwendig, da aufgrund der Charakteristik und industriellen Struktur der Einzugsgebiete der Elbenebenflüsse geschlossen werden konnte, daß ein Großteil der Elbebelastung aus ihnen stammt und nur ein unzureichendes Datenmaterial dazu vorlag. In der dritten Phase erfolgt die Erfassung und Beurteilung der Belastung der Elbe selbst mit Schadstoffen.

Mit einer Flußlänge von ca. 1100 km und einem hydrologischen Einzugsgebiet von ca. 148000 km² ist die Elbe einer der größten Flüsse Mitteleuropas. Mit ihren Auen bildet sie in Mitteleuropa die einzige noch weitestgehend intakte Flußlandschaft in der eine Vielzahl typischer und zum größten Teil bedrohter Tier- und Pflanzengemeinschaften ihren Lebensraum haben. Darüber hinaus haben sie und ihre Auen als Rast-, Durchzugs- und Überwinterungsgebiet für viele Vogelarten überregionale Bedeutung. Zugleich zählt die Elbe aber zu den am stärksten mit organischen und anorganischen Schadstoffen belasteten Flüssen Europas, deren Eintrag in die Nordsee dort bereits zu Störungen des Ökosystems geführt haben

Als einige der größten Nebenflüsse der Elbe sollten die hier untersuchten Havel/Spree und Schwarze Elster einen wesentlichen Beitrag zum Zustand des Flußsystems der Elbe liefern, wobei auch bei allen die Problematik des nur in unzureichendem Ausmaß vorhandenen Datenmaterials, zu Tage tritt. Größere Datenmengen sind nur für einzelne Regionen, wie z.B. den Raum Berlin, vorhanden.

Im Gegensatz zu vielen organischen Schadstoffen, die erst durch den Menschen in die Umwelt gebracht werden, sind Schwermetalle keine naturfremden Substanzen (Xenobiotika). Wie andere Spurenelemente sind sie in zahlreichen Mineralien und Gesteinen enthalten, so daß ihr Nachweis allein es nicht rechtfertigt von Kontamination zu sprechen.

Bisherige Schwermetalluntersuchungen von Flußsedimenten im Elbeeinzugsgebiet wiesen unterschiedlich hohe Konzentrationen auf, die z. T. auf hohe Belastungen der Sedimente hindeuten. Dabei können Aussagen über die Höhe der anthropogenen Schwermetall-anreicherungen nur bedingt erfolgen, da die Höhe der anthropogen verursachten Kontaminationen nur dann sicher abgeschätzt werden kann, wenn die natürlichen Schwermetallgehalte im jeweiligen Einzugsgebietes bekannt sind

Ziel dieser Arbeit ist es den 'geogenen Background' in den Einzugsgebieten der Havel, Spree und der Schwarze Elster für die in der Klärschlammverordnung aufgeführten, umweltrelevanten Elemente ( Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Zn) sowie As und Co zu bestimmen. In Ermangelung konkreter Daten werden für den 'geogenen Background' eines Gebietes zuweilen Werte von fossilen, d.h. zivilisatorisch nicht beeinflußten, Tongesteinen [z.B. 3] verwendet, die aber die regionalen Gegebenheiten nicht berücksichtigen.

Auf der Basis regionaler Background-Werte können über die bisherige Ermittlung des Ist-Zustandes hinaus Sanierungsschwerpunkte realistisch formuliert werden.

Da der Elementgehalt stark von der untersuchten Korngröße und damit der mineralogischen und chemischen Zusammensetzung sowie den physikalischen Eigenschaften abhängig ist, ist dieses Vorgehen nur dann näherungsweise als richtig anzusehen, wenn die Fraktion < 2 µm (=Tonfraktion, d.h. die Fraktion aus der die Tongesteine überwiegend aufgebaut sind) betrachtet wird. In jüngerer Zeit wird zunehmend die Kornfraktion < 20 µm zur vergleichenden Beurteilung herangezogen, da diese einfacher von der Gesamtprobe abgetrennt werden kann, während für die Gewinnung der Fraktion < 2 µm eine aufwendige Sedimentationsanalyse notwendig ist, bei der die Probe z.T. mit größeren Wassermengen (z.B. Atterberg-Methode, d.h. Trennung aufgrund unterschiedlicher Sedimentationsgeschwindigkeit in Wasser) in Berührung kommt. Da alle bisherigen Untersuchungen an Sedimenten der Elbe und ihres Einzugsgebietes an der Kornfraktion < 20 µm durchgeführt wurden, wird auch hier nur diese Fraktion betrachtet.
 
 

Ergebnisse und allgemeine Diskussion
 

Tabelle 1 Interpretierte Daten (Havel/Spree)
 
 
 

Tabelle 2 Interpretierte Daten (Schwarze Elster)
 
 
 
 

Erwartungsgemäß konnten für die verschiedenen Lithotypen in den Einzugsgebieten der Havel und der Schwarzen Elster unterschiedliche natürliche Schwermetallgehalte ermittelt werden. Daher war es notwendigs deren Ergebnisse getrennt darzustellen.

Die in den Tabellen dargestellten Werte stellen die geogenen Schwermetallgehalte in den Auensedimenten (fluviatile Ablagerungen) der Einzugsgebiete der Havel/Spree und der Schwarzen Elster dar.

Die Quantifizierung der geogenen Schwermetallgehalte ist eine Voraussetzung für die Abschätzung anthropogener Schwermetalleinträge in Böden. Maßgebend sind die lithogenen Grundgehalte im gesamten Profil. Dabei werden die lithogenen Grundgehalte im Zuge unterschiedlicher Prozesse verändert. An- und Abreicherungsvorgänge finden statt. Inwieweit die vertikale Verlagerung von Schwermetallen in den Auensedimenten der untersuchten Gebiete quantifizierbar ist, stellte eine der Schwierigkeiten dar, mit der die geochemische Interpretation der Profilen behaftet ist.

Die Auensedimente erwiesen sich als inhomogen und zeigen bei der Elementkonzentration eine große Variabilität auf. Generell können innerhalb enger räumlicher Bereiche die Voraussetzungen zur Ablagerung und Fixierung von Material und der in ihm enthaltenen Metallen sehr unterschiedlich sein. Diese Problematik wird durch das angewandte Auswertungsverfahren, welches sowohl Einzelkerne betrachtet, als auch die Summe aller vermessenen Proben ohne Rücksicht auf deren Herkunft (Standort), abgemildert. Im Grunde genommen wird dadurch mathematisch eine Mischprobe 'konstruiert', deren Fehler kleiner ist, als der von Einzelproben. Dabei geht lediglich die Information über den Einzelstandort verloren.

Der berechnete Schwankungsbereich kann von mehreren Faktoren abhängig sein:

-Art und Anzahl der im betrachteten Gebiet vorhandenen Ausgangsgesteine

-Homogenität des betrachteten Gebietes (großes s kann auch ein Hinweis darauf sein, daß es nicht sinnvoll ist, das Gebiet als Ganzes zu betrachten (z.B. aufgrund verschiedener lithologischer Einheiten)

-Güte der Trennung anthropogen beeinflußter von unbeeinflußten Proben

-Art und Ausmaß der natürlichen Prozesse

-Güte der Messungen sowie der gesamten Probenahme und Aufbereitung
 
 

Der Vergleich der Medianwerte der geogenen Schwermetall- und Arsengehalte in den Auensedimenten der untersuchten Gebiete zeigt, daß generell die Konzentrationen im Einzugsgebiet der Schwarzen Elster höher liegen als in dem Einzugsgebiet der Havel/Spree. Eine Ausnahme stellen die Hg-Konzentrationen dar, die größere Spannweite bei der Havel aufweisen

Der Vergleich der erhaltenen Daten mit dem Tongesteinsstandard nach Turekian & Wedepohl (1961) zeigt, daß alle Medianwerte mit Ausnahme von As (S. Elster), Pb (S.Elster, Havel) und Zn (S. Elster) unterhalb dieser Werte liegen (Tab. 3 ).

In Tabelle 3 werden ebenfalls die erhaltenen Mediane im Vergleich zu den Konzentrationen in den Sedimenten der Havel und der Schwarzen Elster dargestellt. Dabei weisen die Sedimente eine hohe Akkumulation von Schwermetallen und Arsen auf.
 

Tab. 3 :Vergleich der ermittelten Werte mit dem Tongesteinsstandard und den Konzentrationen der Sedimente (*) (**) (***)

Anmerkungen zu Tabelle

(*) T & W : Tongesteinstandard nach Turekian & Wedepohl (1961).

(**) Havel-Sedimente: Medianwerte der Gehalte der Havelsedimente (Schlammgreiferproben; Königswasser-Aufschluß der Fraktion <20 µm) nach [5]. Angegeben sind die Medianwerte für die anthropogen vermutlich gering belastete Obere Havel (12 Proben bis Fluß-km. 140) und in Klammern die Medianwerte für die gesamte Havel (57 Proben). Für die Elemente Co und Cr liegen nur die Ergebnisse der Proben bis Fluß-km. 196 (24 Proben) vor, während für Ni nur die Gehalte der Proben ab Flußkilometer 196 (32 Proben) bekannt sind. D.h. bei Co und Cr sind die vermutlich stärker belasteten Gebiete noch nicht erfaßt, während bei Ni gerade diese berücksichtigt wurden.

(**) S.Elster-Sedimente: Medianwerte der Gehalte der Havelsedimente (Schlammgreiferproben; Königswasser-Aufschluß der Fraktion <20 µm) nach [6]. Angegeben sind die Medianwerte der letzten 60 km vor der Mündung in die Saale.

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