Spurenmetalle sind Nährstoffe wie Zink, die Tiere und Pflanzen in geringen Mengen benötigen, um richtig zu funktionieren. Tiere nehmen Spurenmetalle im Allgemeinen über die Nahrung oder durch Umwelteinflüsse auf, während Pflanzen ihre Spurenelemente aus dem Boden aufnehmen. Wenn wir zu wenig davon bekommen, kann es zu einem Mangel kommen, aber auch das Gegenteil kann der Fall sein: Zu viel eines Spurenmetalls kann giftig sein.
Wissenschaftler gehen davon aus, dass bis zu 50 % der Spurenmetalle in Böden und städtischen Umgebungen an die Oberflächen von Mineralkörnern gebunden sein können, sodass die Spurenmetalle praktisch nicht für den Verzehr oder die Exposition verfügbar sind. Forscher der Washington University in St. Louis fragten sich, was sie an ihrem Platz hält.
„Wenn Mineralien Spurenmetalle binden, gehen wir oft davon aus, dass sie wie ein Schwamm wirken“, sagte Jeffrey G. Catalano, Professor für Erd-, Umwelt- und Planetenwissenschaften und Direktor für Umweltstudien in Arts & Sciences. „Aber manchmal binden sie Spurenmetalle und lassen sie nicht los. Das ist großartig, wenn es sich um Schadstoffe handelt, aber schlecht, wenn sie als Mikronährstoffe dienen.“
In einer Studie veröffentlicht im Tagebuch Umweltwissenschaft und -technologie, Catalano und Greg Ledingham, ein Ph.D. Der Doktorand in seinem Labor entdeckte, dass ein weit verbreitetes Mineral namens Goethit – ein eisenreiches Mineral, das in den Böden, die die Erde bedecken, reichlich vorhanden ist – dazu neigt, im Laufe der Zeit Spurenmetalle in seine Struktur einzubauen und die Metalle so zu binden, dass sie blockiert werden aus dem Verkehr gezogen.
Die Forscher fanden heraus, dass der Anteil der Spurenmetalle, die an Goethit gebunden werden, mit der Ionengröße skaliert. Bis zu 70 % des Nickels, dem Spurenmetall mit den kleinsten Ionenradien in dieser Studie, waren nicht rückgewinnbar, während nur 8 % des Cadmiums irreversibel an Goethit gebunden waren.
„Um zu untersuchen, wie sich Spurenmetalle an Mineraloberflächen anlagern und zurückgehalten werden, mussten Geochemiker in der Vergangenheit die chemischen Bedingungen auf eine Art und Weise erheblich verändern, die nicht realistisch oder realen Systemen entsprach“, sagte Ledingham, der ein Doktorand von ist das McDonnell Center for the Space Sciences. „Eine Änderung des pH-Werts beeinflusst beispielsweise die Gruppierung von Partikeln und kann Einfluss darauf haben, wie Metalle an der Oberfläche binden.
„Wir verwendeten einen neuen Ansatz namens Isotopenaustausch, der es uns ermöglichte, in Echtzeit und unter Bedingungen, die für reale Böden und Flusssysteme repräsentativ sind, zu verfolgen, wie Metalle sich binden, ablösen und in Eisenoxyhydroxide einbauen“, sagte er.
„Unsere Studie legt nahe, dass Eisenoxyhydroxidmineralien wie Goethit möglicherweise eine viel bessere Senke für Spurenmetalle darstellen als bisher angenommen“, sagte Catalano.
Das Wissen, dass Goethit dazu neigt, im Laufe der Zeit auf natürliche Weise Spurenmetalle einzufangen, könnte Wissenschaftlern helfen, besser vorherzusagen, wie sich bestimmte Schadstoffe durch die Umwelt bewegen, so die Autoren der Studie. Es könnte auch bedeuten, dass Spurenmetallnährstoffe, die dem Boden auf dem Bauernhof und im Garten zugesetzt werden, nach einigen Monaten an Wirksamkeit verlieren.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Auswirkungen auf die Umwelt gemischt sind: Durch das Einfangen von Metallen, die als Schadstoffe wirken, werden Böden und Wasservorräte gereinigt, aber Metalle, die als essentielle Nährstoffe dienen, stehen Pflanzen und anderen Organismen auch nicht zur Verfügung, sagten die Forscher.
Mehr Informationen:
Greg J. Ledingham et al., Irreversible Spurenmetallbindung an Goethit, kontrolliert durch die Ionengröße, Umweltwissenschaft und -technologie (2024). DOI: 10.1021/acs.est.3c06516