Evaluierung von Bodenextraktionmethoden für Uran

Abstract

Uran (U) ist unter natürlichen Bedingungen in Böden in sehr geringer Konzentration vorhanden. Nach den United Nations umfasst der Bereich der möglichen U-Bodenkonzentrationen 0,3 bis 11,7 mg kg^-1. Das Verhalten von U im Boden ist sehr komplex, da U in verschiedenen Verbindungen und Phasen vorkommt. Nur wenig Literatur ist veröffentlicht, die sich mit der U-Bioverfügbarkeit selbst und den Einflussfaktoren auf die Bioverfügbarkeit im Boden befasst. Ein besseres Verständnis dieser Prozesse ist Voraussetzung, um passende Extraktionsverfahren zu finden, die die Bioverfügbarkeit von U in kontaminierten Böden bestmöglich abbilden. Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit war es, U-Extraktionsverfahren aus herkömmlichen Schwermetallextraktionsverfahren zu evaluieren und diese hinsichtlich ihres Extraktionspotentials zu vergleichen. Im Ergebnis sollte das beste Verfahren für die Vorhersage der U-Pflanzenaufnahme aufgezeigt und die wichtigsten Parameter, die die Bioverfügbarkeit von U für Pflanzen in unterschiedlich U-kontaminierten Böden beeinflussen, bestimmt werden. Die Arbeit wurde am Institut für Pflanzenernährung und Bodenkunde (PB) der Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL) in Braunschweig, Deutschland, durchgeführt. Vier Gruppen von Bodenproben wurden untersucht, die den weiten Bereich praktisch möglicher U-Konzentrationen abdecken. Die erste Bodenprobengruppe wurde aus einem vorherigen Gefäßversuch von Rivas (2005) gewonnen; die zweite Probengruppe aus einem Inkubationsversuch unter anaeroben Verhältnissen (Lamas et al., 2005b), die dritte stammte aus einer Bergbauregion in Schneeberg (Sachsen, Deutschland) und die letzte Gruppe von Bodenproben entstammte Böden von zwei P-Dauerdüngungsversuchen (Freising und Braunschweig, Deutschland). Die Bioverfügbarkeit von U wurde mittels vier verschiedener Extraktionsmethoden untersucht, die sich in ihrem Extraktionspotential unterschieden. Für die Extraktion wurden AAAc-EDTA bei pH 4,65, 1N NH₄Ac bei pH 7,0, DTPA bei pH 7,3, sowie die durch Zentrifugation gewonnene Bodenlösung (20 min bei 7.000 U/min) eingesetzt. Die Hauptergebnisse der Arbeit werden im Folgenden vorgestellt:
1. Die Arbeit zeigte, dass die U-Löslichkeit eine Funktion der Stärke der Extraktionslösung ist. Die Extraktionsergebnisse von AAAc-EDTA, NH₄Ac, DTPA und Bodenlösung variierten für U in Abhängigkeit von der Herkunft der Bodenproben. Die AAAc-EDTA-Lösung erzielte die besten Ergebnisse, gefolgt von NH₄Ac und DTPA, wenn die Konzentration von löslichem U im Boden sehr gering war. Generell war AAAc-EDTA allen anderen Extraktionsmitteln überlegen. Vermutlich liegt das an dem enthaltenen Cheliermittel (EDTA).
2. Die Versuche zeigten, dass Mais im Vergleich zu Sonnenblume und Ackerbohne ein geringeres Potential hat, aufgenommenes U über die Wurzel wieder in den Boden abzugeben. Das Wurzelsystem der dikotylen Sonnenblume und Ackerbohne kann mehr U in den Boden abgeben als die Wurzeln der monokotylen Pflanze Mais.
3. Es ist in der Studie aufgezeigt worden, dass die Vorhersage der U-Aufnahme pflanzenartenabhängig ist. Für die Vorhersage der U-Aufnahme von Mais aus Ukontaminierten Böden ist AAAc-EDTA das geeignetste Extraktionsmittel, gefolgt von NH₄Ac. Bei Sonnenblumen eignet sich DTPA, gefolgt von AAAc-EDTA am besten. Keines der geprüften Extraktionsmittel ermöglichte eine zutreffende Vorhersage für U-Aufnahme von Ackerbohnen. Mit keinem der vier Extraktionsmittel konnten Ergebnisse erzielt werden, die zuverlässig eine Beziehung zwischen dem aus dem Boden extrahierbaren U und der U-Konzentration im Blattund Stängelgewebe der drei Kulturpflanzen darstellen.
4. Die absolute U-Konzentration im Boden ist der Haupteinflussfaktor auf die Bioverfügbarkeit von U im Boden. Hochsignifikante Korrelationskoeffizienten wurden bei dem Vergleich von U im Boden und der extrahierbaren U-Menge gefunden. Dies konnte in den meisten Bodenproben bewiesen werden.
5. Die U-Extrahierbarkeit variiert mit dem Boden-pH, wie anhand der Bodenproben aus einem Gefäßversuch gezeigt werden konnte. Bei dem Boden aus Sachsen bestand eine positive Korrelation zwischen Boden-pH und extrahierbarem U bei allen vier Extraktionsmitteln.
6. Die Phosphor (P)-Konzentration im Boden hatte abhängig von der Probenherkunft unterschiedliche Einflüsse auf die Bioverfügbarkeit von U. Vergleichbar war der Einfluss des Gehaltes an löslichem P im Boden.
7. Die Studie zeigte zudem den Einfluss von organischer Substanz auf die UBioverfügbarkeit. Der organisch gebundene Kohlenstoff im Boden des Langzeitversuches hat einen nicht-signifikanten negativen Effekt bei AAAc-EDTA und DTPA-Extraktion. NH₄Ac verhält sich nicht-signifikant positiv. Das kann bedeuten, dass U an Humuskomplexen im Boden gebunden wird, die nur NH₄4Ac lösen kann. Es zeigte sich, dass verschiedene Formen von organischem Material im U-kontaminierten Boden Einfluss auf die Bioverfügbarkeit von U haben.
8. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass die U-Verfügbarkeit im Boden zeit- und pflanzenartabhängig ist. Im Rahmen dieser Arbeit konnte jedoch kein sicherer Trend für den zeitlichen Effekt der U-Bioverfügbarkeit abgeleitet werden.
9. Bei N- und S-Düngung gab es keine Beziehung zur extrahierten U-Menge.
10. P-Verbindungen haben Einfluss auf Schwermetalle im Boden. Die Auswertung der Langzeitversuche zeigte, dass der Gesamt-P-Gehalt im Boden hoch signifikant mit U, Cd und Ni korreliert. Vermutlich liegt es an der vorhandenen Schwermetallkonzentration im P-Dünger. Dies wurde ebenfalls im Boden aus Sachsen gefunden und es zeigten sich enge Korrelationen zwischen U, Cd und P.
11. Zwischen dem Gesamt-S-Gehalt im Boden und den gemessenen Gesamt-U-, Cd-, Pb und Ni- Konzentrationen wurde eine enge Beziehung nachgewiesen.
12. Organische Kohlenstoffgehalte im Boden haben einen größeren Einfluss auf Schwermetalle wie Pb und Ni als auf U. Pb ist im Gegensatz zu Ni an organisches Material gebunden (positive Korrelation bei Pb, negative bei Ni). Keinerlei Korrelationen bestanden mit Cd im Boden. Die Ergebnisse legen nahe, dass zukünftige Arbeiten zu dieser Thematik größeres Augenmerk auf Beziehungen zwischen verschiedenen U-Gehalten im Boden und der U-Extrahierbarkeit unter Berücksichtigung unterschiedlicher Bodencharakteristika gelegt werden sollte. Keines der in dieser Arbeit untersuchten Extraktionsmittel erwies sich als bevorzugt geeignet, die U-Aufnahme durch Pflanzen aus kontaminierten Böden verlässlich vorauszusagen.