Die vier Griechischen Elemente: Massenbilanzierung von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) in Kleineinzugsgebieten des ländlichen Raumes

Abstract

Die Arbeit ist auf der Grundlage der vier griechischen Elemente (Erde, Wasser, Luft und Feuer) gegliedert: Emissionen von pyrolytisch generierten polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) verteilen sich in der Atmosphäre, reichern sich durch atmosphärische Deposition auch in emissionsfernen Gebieten über die Zeit in den Böden des ländlichen Raumes an und können durch Transport mit dem Sickerwasser zu einer flächenhaften Gefährdung des Grundwassers führen. Die atmosphärische Deposition der PAK folgt einem charakteristischen Jahresgang mit höheren Depositionsraten im Winter und niedrigeren während der Sommermonate. Der Vergleich von Jahresfrachten ergibt hingegen eine hohe zeitliche Konstanz des Eintrages dieser persistenten organischen Schadstoffgruppe in die Böden des ländlichen Raumes. Die reliefbedingte räumliche Heterogenität der atmosphärischen Deposition ist auf dieser Zeitskala vernachlässigbar, in Abhängigkeit vom Streueintrag treten Differenzen zwischen Freiland- und Bestandsdeposition (Durchtropfen und Streufall) um ca. Faktor 2 auf. Sehr ähnliche PAK-Verteilungsmuster in der atmosphärischen Deposition und in den Böden weisen auf die diffuse Belastung der Böden durch die Deposition hin. Durch die Berücksichtigung der historischen atmosphärischen Deposition kann die aktuelle Bodenbelastung mit PAK im ländlichen Raum auch quantitativ auf diesen Eintragspfad bezogen werden. Dies belegt die Persistenz dieser Verbindungen in den Böden. Eine Sonderrolle unter den PAK nimmt das Perylen ein, dessen hohe Konzentrationen in einem Pseudogley-Profil im Bereich des Stauwasserhorizontes die Hypothese einer natürlichen Generierung auch unter terrestrischen Umweltbedingungen unterstützt. Sehr niedrige PAK-Konzentrationen werden in Grund-, Sicker- und Oberflächengewässerproben ermittelt. Der Vergleich zwischen Eintrag und Austrag in kleinen Wassereinzugsgebieten zeigt, dass >90% der eingetragenen PAK in den Böden gespeichert werden. Eine Überschreitung der Pufferkapazität der Böden, in denen die PAK überwiegend durch Adsorption an die organische Bodensubstanz gebunden sind, ist demnach nicht gegeben. Dieser Befund wird auch durch Elutionsversuche ausgewählter Bodenproben unterstützt. Kohlige Partikel als Träger der PAKBelastung können sowohl in der atmosphärischen Deposition als auch in den Böden festgestellt werden. Durch morphologische Vergleichsstudien dieser Partikel wird in erster Näherung der Verkehr als Hauptquelle für die PAK-Belastung im ländlichen Raum identifiziert. Der Eintrag kohliger Partikel in die Böden kann zu einer Erhöhung der Sorptionskapazität über die Zeit führen. Dies würde auch die Mobilität der PAK entscheidend beeinflussen. Mit einer einfachen Modellrechnung ergeben sich Zeiten von >1000 Jahren, in denen mit einem flächenhaften Durchbruch von PAK unter Gleichgewichtsbedingungen durch die ungesättigte Bodenzone in der Größenordnung der Prüfwerte für das Sickerwasser nach BBodSchV gerechnet werden muss. Allerdings wird in dieser Modellbetrachtung der PAK-Transport auf präferenziellen Fließwegen nicht erfasst, der aktuell die Verlagerungsdynamik auf Einzugsgebietsebene kontrolliert.

The study is structured according to the four Greek Elements (earth, water, air and fire): Emissions of pyrolytic generated polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) into the atmosphere reach the earth surface due to atmospheric deposition even in rural areas. Thus, PAHs accumulate in the soils over time, which may pose a threat of groundwater contamination due to transportation with seepage water. In general, deposition rates of PAHs are higher in the winter season than during summer. Nevertheless, annual deposition rates display constant input values of these persistent organic pollutants into the soils. The heterogeneity of the long-term atmospheric deposition (annual basis) due to relief-depending exposure is negligible. On this time scale, the variation between open-field deposition and deposition in forests (via throughfall and litterfall) is within a factor of 2 depending on the amount of litterfall. Similar distribution pattern of PAHs in atmospheric deposition and soil samples indicate a close relationship between atmospheric input and accumulation of PAHs in soils in the terrestrial environment. Taking historical deposition rates into consideration the actual soil burden can be linked to this pathway even quantitatively. This is a sign for the persistency of the PAHs in the soils. Relatively high concentrations of perylene in the subsoil of a dystric Planosol supports the hypothesis of in-situ formation of this compound even in terrestrial environments. The PAHconcentrations in groundwater, seepage water as well as in surface water in remote areas are very low. The mass balances on catchment scale indicate that more than 90% of the deposited PAHs remain in the soils. Thus, the buffer capacities of the soils are not yet exceeded due to adsorption of PAHs on the soil organic matter. Even leaching tests on representative soil samples support this conclusion. Organic particles (soot, char, charcoal) act as carriers for the PAHs. They are abundant in the atmospheric deposition as well as in soil samples. Based on morphological studies of organic particles, traffic soot seems to be the major source for the actual PAH-deposition in rural areas. Due to atmospheric deposition of such particles, sorption capacity of the soil can rise over time. This should affect the mobility of PAHs in the soils. Based on a simple model the time was calculated, when PAHs should break through the unsaturated zone under equilibrium condition. Following this model calculation, legal limits defined for seepage water in the German Federal Soil Protection Act and Ordinance will not be exceeded in the next 1000 years. However, this model doesn’t take into account preferential flow, even though preferential flow controls the actual PAH-dynamics on catchment scale.