Phytosanierung und Gärtnern auf mit Schwermetallen belasteten Böden in der Region Freiburg

Eigenes frisches Gemüse, Kräuter und Obst aus dem Garten sind gut für die Gesundheit und für´s Klima, und ein vielfältiger Nutzgarten trägt auch zur Biodiversität bei. Humusaufbau im Boden durch Kompostkreisläufe, Einsparung von Emissionen durch weniger Ressourcenverbrauch für Verpackung,Transport und Lagerung- das alles schont das Klima und unseren Geldbeutel, wenn wir Lebensmittel selbst anbauen. Frische Vitamine und hilfreiche Mikroorganismen, die im Boden und auf Pflanzen aus Biogärten sitzen fördern unsere (Darm-)Gesundheit: Studien zeigen, dass Personen, die regelmäßig gärtnern, eine vielfältigere Darmflora besitzen (1, 2, 3).

Gärtnern trotz Schwermetallbelastungen in der Region

Diese Vorteile können also überwiegen, um dich für das Gärtnern zu entscheiden, auch wenn dein Gartenboden mit Schwermetallen belastet ist, wie es in vielen ehemaligen Bergbaugebieten und urbanen oder industriellen Bereichen der Fall ist. So gibt es in der Region Freiburg vor allem aufgrund der historischen Gewinnung von Erzen im Kappler Tal und im ehemaligen Überschwemmungsbereich der Dreisam, der Brugga und der Möhlin erhöhte Schwermetallgehalte im Boden (vor allem Cadmium, Blei, Zink, Arsen).

Karten zur Schwermetallbelastung in Freiburg und Infos zum Umgang mit dem Boden (Anbau, Spielplätze, Entsorgung):

https://www.freiburg.de/pb/232781.html

Karte zur Schwermetallbelastung im Landkreis Breisgau-Hochschwarzwald:

https://storymaps.arcgis.com/stories/fe49999ef90f49c29dd13a2eca5d203d

Als Ansprechpartner bei Fragen stehen das Umweltschutzamt und das Landwirtschaftsamt zur Verfügung.

Strategien zum Gärtnern auf belasteten Böden

Was gilt es also zu beachten, wenn du in einem belasteten Bereich gärtnern möchtest? Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um gesunde Lebensmittel trotz erhöhter Schwermetallkonzentrationen im Boden produzieren zu können:

1. Bodenauftrag oder -austausch (in Hochbeeten oder Töpfen, oder durch Bodenaustausch). Bis zu einer Tiefe von 40 cm muss der Boden bei dieser Methode ausgetauscht werden. Das geht jedoch nur in kleinem Umfang, da es sehr teuer sein kann. Ebenso auch die Anschaffung von Humus und Hochbeetfassungen. Und ein kompletter Bodenaustausch ist aus ökologischer Sicht auch ein großer Eingriff und eher ungeeignet. Achte beim Kauf von Humus auf torffreie Erde, um Torfmoore zu erhalten.

2. Reinigung des Bodens mit Hilfe von Pflanzen (Phytosanierung): Phytosanierung funktioniert grundsätzlich bei schwermetallbelasteten Böden, die nicht übermäßig stark belastet sind, also das zwei- bis dreifache der Grenzwerte enthalten (4). Insbesondere bei Metallen wie Cadmium (Cd), Zink (Zn), Kupfer (Cu) oder Nickel (Ni). Metalle wie Blei (Pb) oder Quecksilber (Hg) sind etwas schwieriger zu entfernen. Stark kontaminierte Standorte, die zum Beispiel mehr als ein Prozent Blei enthalten, können nicht saniert werden. Um diese sogenannten Altlastenstandorte zu entgiften, braucht es chemische Methoden (4). Oft ist es bei hohen Konzentrationen besser, das Blei zu immobilisieren und die Fläche wenig zu nutzen und begrünt zu lassen. Die im Raum Freiburg vorkommenden Schwermetall-Konzentrationen zwischen 0,01 und 0,07 Prozent (Blei, Cadmium und Arsen) liegen in einem Bereich, in dem es sehr gut möglich ist, Phytosanierung einzusetzen. Für eine erfolgreiche Anwendung ist eine sorgfältige Analyse des Bodens, der Schwermetallart und der geeigneten Pflanzen erforderlich. Oft wird Phytosanierung in Kombination mit anderen Sanierungsmethoden eingesetzt, um die besten Ergebnisse zu erzielen.

3. Stabilisierung des Boden-pH-Werts im neutralen Bereich und Immobilisierung der Schwermetalle im Boden durch Humusaufbau mit Kompost, Mulch und bodenschonender Bodenbearbeitung (no-dig-gardening).

    

Im folgenden schauen wir uns genauer die Möglichkeit der Phytosanierung und des Humusaufbau an, welche du beide mit einfachen Mitteln in deinem Garten anwenden kannst, um die Schwermetallgehalte und deren Löslichkeit im Boden zu reduzieren.

Was genau ist Phytosanierung?

Phytosanierung ist eine umweltfreundliche Methode, bei der Pflanzen verwendet werden, um Schadstoffe, einschließlich Schwermetalle, aus Böden, Wasser oder Luft zu entfernen oder zu stabilisieren. Es gibt hauptsächlich zwei Strategien der Phytosanierung, die bei Schwermetallen eingesetzt werden können:

Phytoextraktion: dabei werden die Schwermetalle von den Pflanzenwurzeln aufgenommen und in der ganzen Pflanze eingelagert. Dann werden die Pflanzen geerntet und entsorgt.

Phytostabilisierung: dabei werden die Schwermetalle durch Pflanzenwurzeln immobilisiert oder fixiert, wodurch die Schwermetalle nicht mehr ins Grundwasser gelangen oder durch Wind verbreitet werden können. Dafür braucht es eine dauerhafte Bepflanzung.

Beim Gärtnern mit Nutzpflanzenanbau ist die Phytoextraktion interessanter, da wir den Boden soweit wie möglich von den Schwermetallen reinigen wollen, um dann Nutzpflanzen kultivieren zu können.

Pflanzen zur Phytoextraktion von Cadmium, Blei und Arsen:

1. Brennessel: nimmt alle drei gut auf, ist mehrjährig und macht wenig Arbeit beim Anbau. Sie wurzelt bis zu 70 cm tief. Die Brennessel bietet über 30 Falterarten einen Lebensraum und ihre Fasern können z.B. auch für Makrame genutzt werden (siehe auch Artikel Fasernutzung Brennessel). Sie kann mehrmals im Jahr zurückgeschnitten werden, um die in der Biomasse angereicherten Schwermetalle zu entsorgen.

2. Sonnenblume: nimmt Blei und Cadmium sehr gut, Arsen mäßig auf. Sonnenblume macht schnell viel Biomasse und wurzelt bis zu 2m tief. Somit ist die Sonnenblume die effektivste Pflanze zur Bodenreinigung, da sie so tief wurzelt und schnell viel Schwermetalle in ihrer Biomasse einlagern kann. Sie ist eine einjährige Pflanze, nicht frosthart und muss jedes Jahr neu ausgesät werden.

3. Senf: nimmt Blei gut, Cadmium sehr gut und Arsen mäßig auf. Er wächst sehr schnell, lockert den Boden und wurzelt relativ tief. Er eignet sich als Vor- und Nachkultur im Frühjahr und Herbst als Ergänzung zum Anbau von Sonnenblumen im Sommer und muss jedes Jahr neu ausgesät werden.

4. Hanf: nimmt Blei mäßig, Cadmium sehr gut und Arsen mäßig auf. Hanf wurzelt bis zu einem Meter tief und ist nicht winterhart. Die Fasern des Hanf können für verschiedene Zwecke genutzt werden. Aber: für den Anbau von Hanf braucht es eine Sondergenehmigung.

5. Weide: entfernt Blei, Cadmium und Arsen. Sie ist eine mehrjähriges Gehölz und ihre Triebe können regelmäßig zurückgeschnitten werden. Diese können z.B. dann auch für die Herstellung von Körben genutzt werden.

Wichtig ist, die abgeernteten Pflanzen sicher zu entsorgen (z.B. im Restmüll) und zu verhindern, dass sich evtl. getrocknete Pflanzenteile über das Grundstück verteilen können.

Wie effektiv ist die Phytoextraktion?

Umfang und Geschwindigkeit der Phytoremediation hängen von der Konzentration der Schwermetalle im Boden, der Jahreszeit, der verwendeten Pflanzen, des pHs und weiterer Faktoren ab. So nimmt z.B. die Brennessel laut Studien schneller und mehr Schwermetalle auf, wenn der Boden höher belastet ist, und weniger im Fall von niedrigen Belastungen. Wird die Belastung zu hoch, so kann die Pflanze laut Studien auch die Aufnahme der Schwermetalle blockieren (5).

Langsame Extraktion mit Brennessel mit wenig Aufwand

In einer Studie mit Brennesseln in einem Bergbaugebiet in Tschechien mit moderaten Belastungen durch Blei, Cadmium, Arsen und Zink waren nach 4 Monaten ca 5% der Gehalte von Cadmium und Blei durch die Pflanzen aus dem Boden entfernt, Arsen konnte im Vergleich zu einer Studie mit sehr hohen Arsenbelastungen nicht durch die Pflanzen entfernt werden. Dabei befand sich das meiste Blei in den Wurzeln der Brennessel (6)

D.h. bei ähnlichen Schwermetallkonzentrationen wie in der Studie, die z.B. in Freiburg-Kappel vorliegen, könnten bei jeweils ca. 6 Monaten Hauptwachstumszeit im Jahr ca. 7,5% der Schwermetallbelastung an Blei, Cadmium und Zink pro Jahr entfernt werden, Arsen weniger. Damit wären bei konstanter Phytoextraktion nach ca. 10 Jahren 75% der Belastungen an Cadmium, Blei und Zink entfernt.

So ist die Phytoextraktion mit Brennessel eine langsame, aber effektive Methode, die wenig Arbeit im Anbau macht, da die Brennessel eine mehrjährige Pflanze ist und wenig Pflege braucht. Zusätzlich zum mehrmaligen Rückschnitt der Pflanze im Jahr sollten einmal im Jahr ein guter Anteil der Wurzeln zum Ende der Vegetationsperiode entfernt werden, um auch möglichst viel Blei von der Fläche zu extrahieren, das sich im Gegensatz zu Cadmium vor allem in den Wurzeln ansammelt.

Schnelle Extraktion mit Sonnenblumen und etwas mehr Pflegeaufwand

Eine andere Studie konnte zeigen, dass Sonnenblumen innerhalb einer Wachstumsperiode 57-72% des Cadmiums und Bleis aus dem Boden entfernen konnten. (7)

Dabei wurde das Cadmium schneller als Blei entfernt, welches sich im Gegensatz zu Cadmium auch vermehrt in den Wurzeln der Pflanze ansammelte. Die Ausgangswerte der Schwermetallgehalte waren zwar etwas geringer als im Kappler Tal bei Freiburg, aber da die Pflanzen bei höheren Schwermetallgehalten laut Studien meistens auch etwas mehr Schwermetalle einlagern, wären die Extraktionsraten beim Anbau von Sonnenblumen im Kappler Tal wahrscheinlich ähnlich. Es kann daher vermutet werden, dass es mit 2-3 Vegetationsperioden des Anbaus von Sonnenblumen möglich wäre, die Böden im Freiburger Stadtgebiet von Cadmium und Blei zu befreien.

Wichtig beim Entfernen der Sonnenblumen ist es, auch die Wurzeln soweit wie möglich aus dem Boden zu entfernen, um auch das in ihnen vermehrt angesammelte Blei zu extrahieren.

Eine Kombination des Anbaus der Sonnenblume mit Senf als Vor- und Nachkultur im Frühjahr und Herbst kann die Wirkungsweise zusätzlich beschleunigen.

Wichtig zu beachten

Um evtl. erhöht im Boden vorkommendes Arsen zusätzlich im Boden zu fixieren, welches durch die genannten Methoden leider wahrscheinlich nicht ausreichend entfernt werden kann, besteht die Möglichkeit, den Boden-pH-Wert auszugleichen, den Humusgehalt zu erhöhen und den Boden mit eisenhaltigem Sand anzureichern, da Arsen stark an Eisenoxide bindet (siehe unten).

Boden testen

Um den Erfolg der Phytoextraktion zu überprüfen, solltest du deinen Boden vor Beginn der Phytoextraktion auf die enthaltenen Schwermetallgehalte testen, sowie den Boden-pH-Wert und evtl. den Gehalt an Eisen und Ton (siehe unten). Dabei gilt es auch herauszufinden, bis zu welcher Bodentiefe die Belastung reicht. Die meisten Kulturpflanzen wurzeln bis zu 1m tief, manche auch noch tiefer, zum Beispiel Tomate oder Spargel. Bei Bäumen werden Schwermetalle vorrangig im Lignin eingelagert und nicht bis in die Früchte transportiert.

Einmal zu Jahresende wäre eine weitere Bodenanalyse zur Erfolgskontrolle der Phytosanierung sinnvoll bis zum Erreichen der Grenzwerte von Cadmium und einer wesentlichen Verringerung von Blei und evtl. Arsen.

Zusätzlich ist es sinnvoll, den Ph-Wert des Bodens regelmäßig zu checken (siehe unten), das kannst du auch selbst mit einem Teststreifen aus der Apotheke und einer Bodenlösung mit destilliertem Wasser machen oder mit einem Testkitt aus dem Gartenbedarfshandel. Optimal für die Phytoextraktion ist ein leicht saurer Wert (pH 5.5–6.5)

Wichtig: Die gängigen Labortests setzen meistens den sogenannten Königswasseraufschluss ein, bei dem alle im Boden vorhandenen Schwermetalle analysiert werden, unabhängig davon, ob sie tatsächlich im Boden mobil sind. Die Analyse per Ammonium-Nitrat-Extrakt wiederum analysiert die tatsächlich im Boden gelösten Schwermetalle, welche von Pflanzen aufgenommen werden können. Daher kann es zu Beginn der Phytoextraktion zwar interessant sein, den Gesamtgehalt der Schwermetalle mittels Königswasseraufschluss zu ermitteln, zum Ende der Phytoextraktion und während der darauffolgenden Bewirtschaftung der Fläche ist eine Bodenanalyse mittels Ammonium-Nitrat-Extrakt allerdings viel sinnvoller, um zu erfahren, wieviel Schwermetalle tatsächlich im Boden mobil sind. Dies wird beeinflusst von pH-Wert, Bodenart und Humusanteil (siehe unten).

Vor- und Nachteile der Phytosanierung

Vorteile der Phytosanierung sind, dass sie umweltfreundlich ist, da keine schädlichen Chemikalien eingesetzt werden und sie die Biodiversität fördert und außerdem kostengünstig ist. Zudem können die Pflanzen teilweise auch genutzt werden wie z.B. die Fasern der Brennessel, des Hanf oder die Weidenäste.

Nachteile sind die langsame Prozessdauer, denn es braucht meistens einige Jahre, bis die Schwermetallkonzentrationen unterhalb der Grenzwerte liegen. Bei relativ geringen Schwermetallkonzentrationen im Boden reichern die Pflanzen meistens weniger Schwermetalle an und es dauert länger, bis der Boden gereinigt ist. Auch ist die Wirksamkeit beschränkt, da oftmals z.B. Blei und Arsen nicht so gut entfernt werden können, denn beide binden stark an Bodenpartikel und ihre Löslichkeit hängt stark vom pH-Wert des Bodens ab.

In diesem Fall sind im Anschluss an die Phytoextraktion die Immobiliserung der verbleibenden Schwermetall durch Humusaufbau und evtl. weitere Maßnahmen wie der Zugabe von Kalk oder Raseneisenerz wichtig.

Ergänzende Maßnahmen zur Verringerung der Mobilität von Schwermetallen im Boden nach erfolgter Phytoextraktion oder bei nur leicht erhöhten Schwermetallkonzentrationen

Dazu hier zunächst ein Überblick zur Mobilität von Schwermetallen:

Blei: wird mobil bei einem pH niedriger als 5,5 (abhängig von Ton- und Humusgehalt im Boden). Phosphathaltige Dünger können die Mobilität von Blei im Boden reduzieren.

Cadmium: reagiert sehr stark auf den pH, optimal für wenig Mobilität ist ein pH von 6,7 bis 7,5. Cadmium ist generell sehr viel mehr löslich und pflanzenverfügbar als Blei. Kommt im Boden zusätzlich viel Zink vor, wird die Pflanzenaufnahme von Cadmium gehemmt (was im Kappler Tal in Freiburg z.B. größtenteils der Fall ist).

Arsen: wird bei hohen pH-Werten mobil (über 7). Zusätzlich zum pH ist seine Mobilität auch stark abhängig von Eisengehalt und Düngung des Bodens: höhere Eisengehalte fixieren Arsen, höhere Gehalte an Phosphat mobilisieren es. Außerdem wird es bei Sauerstoffmangel in feuchten, staunassen Böden mobil.

Daher sind folgende Maßnahmen zur Verringerung der Mobilität von Blei, Cadmium und Arsen wichtig:

Humusaufbau

Humus in Form von gut verrottetem Kompost bindet durch Huminstoffe generell Schwermetalle und andere Schadstoffe im Boden und reguliert den Boden-pH-Wert. Ein neutraler Boden-pH-Wert im Bereich zwischen 6,5 und 7 reduziert die Aufnahme von Schwermetallen durch Kulturpflanzen. Wird dem Humus zusätzlich Biokohle zugesetzt, wird dieser Effekt noch verstärkt. Außerdem wirken beide auch als Wasser- und Nährstoffspeicher und erleichtern dadurch den Anbau.

Für den Humusaufbau eignet sich vor allem die Zugabe von reifem Kompost, Mulch und bodenschonendes Gärtnern, wie das no-dig-gardening. Dabei wird der Boden nicht umgegraben, sondern nur oberflächlich bearbeitet und regelmäßig mit Kompost angereichert. Das fördert auch das Bodenleben und die Pflanzengesundheit. Ein reiches Bodenleben fördert auch Mikroorganismen, welche Schwermetalle fixieren können: einige Bakterien (z. B. Pseudomonas spp.) können Blei binden. Auch Mykorrhizapilze können Schwermetalle stabilisieren.

Zugabe von Kalk

Kalk erhöht den pH-Wert sauerer Böden und immobilisiert dadurch Blei. Allerdings sollte diese Methode nicht bei erhöhtem Arsengehalten im Boden angewendet werden, um das Arsen nicht zu mobilisieren. In diesem Fall sind vor allem Humusaufbau und evtl. die Zugabe von Eisenoxiden hilfreich.

Zugabe von Eisenoxiden

Eisenoxide (eisenhaltiger Sand, Raseneisenerz): binden Arsen.

Zugabe von Tonmineralien

Tonminerale binden Cadmium, Blei uns Arsen. D.h. In tonhaltigen Böden sind diese abhängig vom pH-Wert des Bodens meistens weniger mobil als in sandhaltigen Böden. Eine Zugabe von Tonmineralien wie z.B. Bentonit kann somit auch Schwermetalle im Boden binden.

Angepasste Düngung

Bei hohen Nährstoffvorräten im Boden ist jede überflüssige Düngung zu vermeiden, da ansonsten Schwermetalle in Lösung gehen könnten (Cadmium, Arsen)

Außerdem wichtig zu beachten beim Gärtnern nach der praktischen Umsetzung der Phytosanierung in deinem Garten oder auf schwermetallbelasteten Böden:

Verschiedene Kulturpflanzen reichern verschiedene Schwermetalle unterschiedlich stark an. Eine niedrige Anreicherung von Blei und Cadmium (keine Angabe zu Arsen) besitzen z.B.: Bohnen, Erbsen, Gurken, Tomaten, Zucchini (8)

Die Einladerungskonzentration von Schwermetallen nimmt allgemein in folgender Reihe ab: Wurzel, Blatt, Spross, Frucht/Same. Pflanzen mit großer Blattoberfläche reichern aufgrund erhöhter Transpirationsraten mehr Schwermetalle an. Wurzelgemüse (z.B. Möhren) und Gänsefußgewächse (z.B. Spinat, Mangold und Rote Beete) sollten laut den Empfehlungen der Stadt Freiburg auf mit Schwermetallen belasteten Böden nicht angebaut werden. Weitere Empfehlungen der Stadt Freiburg hier.

Im Übrigen sollten das Gemüse bzw. die Früchte vor dem Verzehr unbedingt gründlich gewaschen werden. Dies reduziert eine Schwermetallaufnahme über Bodenpartikel deutlich. Es wird empfohlen, erdgebundene Früchte (z.B. Kartoffeln, Möhren, Rettiche) vor dem Verzehr zu schälen.

Kinder sollten bei Schwermetallkonzentrationen oberhalb des Prüfwertes für Kinderspielflächen (200mg/kg Blei und 2mg/kg Cadmium) keine Erde in den Mund nehmen und sich die Hände nach Bodenkontakt gut waschen.

Weitere sehr gute Hinweise zum Gärtnern auf mit Schwermetallen belasteten Böden in diesem Blogartikel des Permakultur Institut e.V. hier.

Quellen:

(1) https://www.ideals.illinois.edu/items/121268

(2) https://www.mdpi.com/2076-2607/12/5/928

(3) https://www.mdpi.com/2076-2607/7/9/287?affiliateid=4/1000

(4) https://taz.de/Reinigung-von-verseuchten-Boeden/!5958876/

(5) https://www.researchgate.net/publication/342958618_ACCUMULATION_OF_HEAVY_METALS_AND_ARSENIC_IN_GREAT_NETTLE_URTICA_DIOICA_L_LEAF_TISS

(6) https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5145202/

(7) https://www.ajbasweb.com/old/ajbas/2013/may/888-894.pdf

(8) AK "Bodenbelastung" der Bund/Länder Arbeitsgemeinschaft Bodenschutz (LABO)

Dieser Artikel entstand als Teil des Projekts "Plants for future" des Junghof Kappel e.V., gefördert durch Mittel der Deutschen Postcode Lotterie