Die Biogeochemie von Wolfram (W) im Boden-Pflanze-Kontinuum

Wolfram (W) ist ein ökonomisch wichtiges Übergangsmetall, das durch seine speziellen Eigenschaften (höchster Schmelzpunk und hohe Dichte) ein breites Anwendungsspektrum findet. Durch den zunehmenden Einsatz von Wolfram in der Industrie und beim Militär (insbesondere Munnition, Mahl- und Bohrwerkzeuge) in den letzten Jahrzehnten, finden sich vermehrt erhöhte W Konzentrationen in natürlichen Systemen. Böden agieren als wichtige Filter-und Puffersysteme für Schadstoffe und bestimmen somit deren Bioverfügbarkeit und deren Eintrittsrate in die Nahrungskette über die Pflanzenaufnahme. Doch im Vergleich zu anderen Metallen wissen wir derzeit nur wenig über das biogeochemische Verhalten von Wolfram im Boden-Pflanze Kontinuum. Ziel dieses Projekts ist es daher wichtige Erkentnisse über die Speziierung, Verteilung, sowie die Löslichkeit von Wolfram im Boden in Abhängigkeit von relevanten bodenchemischen Parametern zu sammeln. Planzenaufnahme, Verteilung innerhalb der Pflanze sowie physiologische Effekte auf die Stickstoffernährung (N Assimilation und symbiontische N2 Fixierung) der Pflanze werden insbesondere unter dem Blickwinkel der großen chemischen Ähnlichkeit von W und Molybdän (Mo) untersucht, da Molybdän ein, für den Stickstoffhaushalt essentieller Mirkonährstoff ist. In weiterer Folge werden W-Konzentrationen in der pflanzlichen Biomasse mit unterschiedlichen bodenchemischen definierten W Pools korreliert, um eine fundierte wissenschaftliche Basis für eine Risikoeinschätzung der Bioverfügbarkeit von Wolfram in Böden zu schaffen. Zusätzlich wird auch der Einfluss von Boden/Pflanze Interaktionen (Rhizosphärenprozesse) auf die Bioverfügbarkeit von Wolfram im Boden eingehend untersucht. Durch eine Kombination von konventionellen Methoden mit neuen Techniken und innovatier analytischer Verfahren wird dieses Projekt wichtige neue Erkenntnisse über die Biogeochemie von Wolfram im Boden-Pflanze Kontinuum hervor bringen. Die Ergebnisse werden als wissenschaftliche Basis für ein zukünftiges Rissikomanagement von erhöhten W Konzentrationen in der Umwelt dienen.

Die zunehmende Verwendung von Produkten auf Wolfram (W) -Basis eröffnet neue Wege für W in die Umwelt. Zu den wichtigsten Eintrittswegen gehören die Emission und Ablagerung von W-haltigen Abfallprodukten durch W-Produktionsanlagen, militärische Aktivitäten, W-Reifenbolzen- und Straßenabrieb. Aufgrund seiner chemischen Ähnlichkeit mit Molybdän (Mo), einem essentiellen Pflanzennährstoff, der an der Stickstoffaufnahme der Pflanzen beteiligt ist, wird erwartet, dass sich W ähnlich wie sein "Zwillingselement" Mo verhält. Ein tieferes Verständnis der Löslichkeit und Bioverfügbarkeit von W in Böden ist daher für die Bewertung des Umweltrisikos von entscheidender Bedeutung. Ziel dieses Projekts war es, detaillierte Informationen zur W-Löslichkeit, Speziierung und Verteilung in Böden sowie zur W-Pflanzentoxizität und den damit verbundenen Pflanzenstressreaktionen zu liefern. Unsere Ergebnisse zeigten eine starke Abhängigkeit der W-Löslichkeit vom pH-Wert des Bodens. Die W-Löslichkeit in Böden mit hohem pH-Wert (pH 7-8) war signifikant höher, was das Risiko, dass W in die Nahrungskette gelangt, stark erhöht. Oxide und Hydroxide wurden als die wichtigsten Mineraloberflächen identifiziert, die für die W-Sorption und damit die W-Retention in Böden verantwortlich sind. In einer Reihe von Experimenten konnten wir auch die Bildung von W-Polymeren (große Moleküle, die aus vielen wiederholten Untereinheiten bestehen) bestätigen Obwohl W eine mäßige Toxizität für Pflanzen zeigte, wurde festgestellt, dass diese W-Polymere für Pflanzen toxischer sind als einzelne W-Moleküle (Monomere). Molybdän ist für ein gesundes Pflanzenwachstum essentiell, kann aber in höheren Konzentrationen aber auch toxisch sein. Beim Vergleich der Pflanzenwachstumsleistung unter Wolfram- und Molybdänkontamination wurde festgestellt, dass W für Pflanzen toxischer ist als Molybdän. Molybdoenzyme sind an der Stickstoff-Aufnahme (Nitratreduktase) und an der symbiotischen Luftstickstoff-Fixierung (Nitrogenase) über Wurzelknöllchen-Bakterien beteiligt. Die Aktivität dieser Molybdoenzyme wurde in, auf W kontaminierten Böden wachsenden, Sojapflanzen untersucht und zeigte, dass die verringerte Nitratreduktase-Aktivität und die damit geringere Stickstoff-Aufnahme durch die symbiotische Stickstoff-Fixierung kompensiert werden konnte. Diese Ergebnisse deuten auf einen effizienteren Entgiftungs- / Kompartimentierungsmechanismus in den Wurzelknöllchen als in Sojabohnenblättern hin. Das Screening der Protein- und Metabolitenkonzentration im Sojabohnengewebe zeigte nicht nur, dass W typische Schwermetallstressreaktionen induzierte, sondern bestätigte auch, dass Stickstoff-fixierende Sojabohnen besser mit der W-Kontamination umgehen konnten. Wolfram-Schrotkugeln gelten als umweltfreundliche Alternative zu toxischem Blei bei der Jagd. Ein Vergleich der Verwitterung von W- und Blei-Schrot in Böden mit Hilfe von chemischen Bildgebungstechniken zeigte, dass Blei eine größere Mobilität als Wolfram aufweist. Obwohl W im Boden nicht sehr mobil war, wurde bei der Verwitterung der W-Schrot-Legierung eine beachtliche Menge Nickel freigesetzt, die bei der Bewertung des Umweltrisikos nicht vernachlässigt werden sollte. Zusammenfassend liefern unsere Ergebnisse wichtige Erkenntnisse über die Toxizität von W in Pflanzen und zeigen, wie wichtig es ist, den pH-Wert des Bodens in Risikobewertungsstudien zu W im Pflanzen-Boden-System zu berücksichtigen.