Was sind Schwermetalle?
Der Begriff Schwermetalle beschreibt Metalle mit vergleichsweise hoher Dichte, die sich im Boden anreichern können. In der Bodenkunde wird der Begriff jedoch weniger streng physikalisch verwendet, sondern vor allem wirkungsbezogen. Im Mittelpunkt stehen die ökologischen Eigenschaften, die Mobilität im Boden sowie mögliche Risiken für Pflanzen, Bodenorganismen und Umwelt.1
Essenzielle und nicht essenzielle Schwermetalle
Nicht alle Schwermetalle gelten grundsätzlich als Schadstoffe. Einige Metalle sind für Pflanzen sogar lebensnotwendig, solange sie in geringen Konzentrationen vorliegen. Zink ist ein klassisches Beispiel. Es wird als Spurenelement für zahlreiche enzymatische Prozesse benötigt und spielt eine zentrale Rolle im Stoffwechsel, bei der Photosynthese sowie bei der Stressresistenz von Pflanzen. Auch Kupfer, Eisen oder Mangan zählen zu diesen essenziellen Spurenelementen.
Andere Schwermetalle wie Blei, Cadmium oder Arsen besitzen hingegen keine biologische Funktion. Sie können im Gartenboden vorkommen und bereits in vergleichsweise niedrigen Konzentrationen toxisch wirken. Da Schwermetalle nicht biologisch abgebaut werden, verbleiben sie langfristig im Boden. Einmal in den Boden eingetragen, verbleiben sie dort oft über Jahrzehnte oder sogar Jahrhunderte.
Sonderfall Aluminium im Boden
Aluminium im Boden nimmt eine besondere Stellung ein. Aluminium ist eines der häufigsten Elemente der Erdkruste und in nahezu allen Böden enthalten. Unter neutralen bis schwach sauren Bedingungen ist es meist fest in Mineralstrukturen gebunden und für Pflanzen kaum verfügbar.
Kritisch wird Aluminium vor allem in stark sauren Böden, da es dort als Aluminium-Ion (Al³⁺) pflanzentoxisch wirken kann. Sinkt der pH-Wert, geht Aluminium zunehmend in lösliche Formen über. Diese können das Wurzelwachstum empfindlicher Pflanzen hemmen, die Nährstoffaufnahme beeinträchtigen und die Entwicklung des Feinwurzelraums stören. In der Praxis betrifft dies vor allem stark versauerte Standorte oder Böden mit geringer Pufferkapazität.2
Wie kommen Schwermetalle in den Boden?
Natürliche Herkunft
Ein Teil der Schwermetalle im Boden stammt aus der natürlichen Verwitterung des Ausgangsgesteins. Im Zuge der Bodenbildung werden Minerale durch physikalische, chemische und biologische Prozesse langsam zersetzt. Dabei werden die in den Gesteinen gebundenen Metalle freigesetzt und in den Boden überführt. Dieser Prozess läuft über sehr lange Zeiträume ab und ist ein grundlegender Bestandteil der natürlichen Bodenentwicklung.
Diese sogenannten geogenen Hintergrundgehalte sind regional sehr unterschiedlich und hängen von der geologischen Herkunft eines Standorts ab. Böden, die sich auf bestimmten magmatischen oder metamorphen Gesteinen entwickelt haben, enthalten von Natur aus höhere Mengen einzelner Metalle wie Nickel, Chrom, Zink oder Kupfer als Böden auf anderen Ausgangsgesteinen. Auch Sedimente aus früheren geologischen Ablagerungen können erhöhte natürliche Metallgehalte aufweisen.3
Diese natürlichen Gehalte weisen nicht auf einen belasteten Boden hin, sondern sind Teil des standorttypischen Bodens. Sie stellen den natürlichen Referenzzustand dar, der für die Bewertung von Schwermetallen im Boden entscheidend ist. Erst wenn die gemessenen Konzentrationen deutlich über diesen Hintergrundwerten liegen oder wenn sich die Metalle in besonders mobiler und pflanzenverfügbarer Form im Oberboden anreichern, spricht man von einer relevanten Belastung.
Anthropogene Einträge
Zusätzlich zu natürlichen Hintergrundgehalten können Schwermetalle auch durch menschliche Aktivitäten in den Boden eingetragen werden. Diese sogenannten anthropogenen Einträge unterscheiden sich von natürlichen Hintergrundgehalten dadurch, dass sie häufig örtlich konzentriert, oberflächennah und teilweise pflanzenverfügbar auftreten.
Wichtige Eintragsquellen sind unter anderem:
🔎 Industrieemissionen und Altlasten
In vielen industriellen Prozessen wurden Schwermetalle eingesetzt oder als Nebenprodukte freigesetzt. An ehemaligen Produktionsstandorten, Deponien oder Industriearealen können erhöhte Metallgehalte noch lange nach der Stilllegung im Boden nachweisbar sein.
🔎 Verkehr (historische Bleieinträge)
Über Jahrzehnte hinweg gelangten insbesondere durch verbleite Kraftstoffe Schwermetalle in die Umwelt. Entlang stark befahrener Straßen sowie in Siedlungsnähe finden sich daher häufig erhöhte Bleigehalte im Oberboden.
🔎 Bergbau und Hüttenwesen
Beim Abbau und bei der Verarbeitung von Erzen entstehen Abraum, Schlacken und Stäube, die Schwermetalle enthalten können. Diese Materialien wurden teils großflächig abgelagert und wirken oft langfristig auf umliegende Böden.
🔎 Aufbringung von Klärschlamm
Klärschlämme enthalten je nach Herkunft und Aufbereitung Schwermetalle in unterschiedlicher Konzentration. Frühere Anwendungen können heute noch erhöhte Gehalte im Boden verursachen, auch wenn aktuelle Regelungen deutlich strenger sind.
🔎 Bestimmte Düngemittel und Aschen
Phosphathaltige Düngemittel oder Aschen aus Verbrennungsprozessen können Schwermetalle enthalten. Bei wiederholter Anwendung über längere Zeiträume können sich diese Metalle im Boden anreichern.
🔎 Auffüllungen mit belastetem Material
Bei Baumaßnahmen, Geländemodellierungen oder Verfüllungen wurde in der Vergangenheit nicht immer unbelastetes Material verwendet. Solche Auffüllungen sind häufig inhomogen und können lokal stark erhöhte Schwermetallgehalte aufweisen.
Besonders in älteren Siedlungsgebieten, stadtnahen Gärten oder auf ehemaligen Industrieflächen können sich durch diese Einträge über Jahrzehnte Bodenbelastungen aufbauen. Diese wirken häufig noch lange nach. Entscheidend für die fachliche Bewertung ist dabei, ob sich die Metalle im Oberboden anreichern und pflanzenverfügbar sind oder ob sie tiefer im Boden festgelegt vorliegen und damit nur eingeschränkt wirksam sind.
Schwermetalle im Boden – Bindung, Mobilität und Verfügbarkeit der Schadstoffe
Für die Bewertung von Schwermetallen im Boden ist nicht allein der Gesamtgehalt entscheidend, sondern vor allem ihre Bindung im Boden. Zwei Böden mit ähnlichen Metallkonzentrationen können sich in ihrer Wirkung deutlich unterscheiden, je nachdem, wie fest die Schwermetalle an Bodenbestandteile gebunden sind.
Schwermetalle können im Boden an verschiedene Komponenten gebunden sein, insbesondere an Tonminerale, Eisen- und Manganoxide sowie an organische Substanz. Diese Bindungsformen wirken wie ein Puffer: Je stärker ein Schwermetall gebunden ist, desto geringer ist seine Mobilität im Boden und desto eingeschränkter ist seine Pflanzenverfügbarkeit. Locker gebundene oder gelöste Formen können hingegen leichter mit dem Bodenwasser verlagert und von Pflanzen aufgenommen werden.4
Böden mit hohem Ton- und Humusgehalt besitzen in der Regel eine hohe Bindungskapazität. Tonminerale und Humuspartikel bieten zahlreiche Bindungsstellen, an denen Schwermetalle chemisch fixiert werden können. In solchen Böden bleiben Schwermetalle oft stabil gebunden und stehen Pflanzen nur in begrenztem Umfang zur Verfügung, wenngleich der Gesamtgehalt erhöht ist.
Sandige Böden verfügen dagegen über deutlich weniger Bindungsstellen. Aufgrund ihres geringen Anteils an Ton und organischer Substanz können Schwermetalle dort leichter in Lösung gehen. Sie sind dadurch mobiler, können sich im Oberboden anreichern oder mit dem Sickerwasser verlagert werden und stehen Pflanzen vergleichsweise stärker zur Verfügung. Dies erklärt, warum sandige Böden bei ähnlichen Schwermetallgehalten häufig sensibler reagieren als ton- oder humusreiche Standorte.
Schwermetalle und Pflanzen – Aufnahme und Risiken
Aufnahme über die Wurzeln
Pflanzen nehmen Schwermetalle überwiegend über die Wurzeln auf, gemeinsam mit Wasser und gelösten Nährstoffen aus der Bodenlösung. Dieser Prozess erfolgt meist ungerichtet: Schwermetalle gelangen zusammen mit essenziellen Nährionen in die Pflanze, wenn sie in löslicher Form im Wurzelraum vorhanden sind. Die Aufnahme ist daher eng an die chemischen Eigenschaften des Bodens gekoppelt.5
Nicht alle Pflanzen verhalten sich dabei gleich. Einige Arten nehmen bestimmte Metalle vergleichsweise leicht auf, während andere über physiologische Mechanismen verfügen, mit denen sie im Gartenboden Schwermetalle weitgehend ausschließen oder im Wurzelraum zurückhalten. Auch Unterschiede in der Wurzelarchitektur, der Durchwurzelungstiefe und der Stoffwechselaktivität beeinflussen, wie stark Schwermetalle in die Pflanze gelangen.
Einfluss von pH-Wert, Humus und Bodenart
Der pH-Wert des Bodens hat einen entscheidenden Einfluss auf die Schwermetallaufnahme. In sauren Böden sind viele Schwermetalle besser löslich und damit leichter für Pflanzen verfügbar. Sinkt der pH-Wert, steigt in der Regel die Konzentration gelöster Metallionen in der Bodenlösung.
Ein hoher Humusgehalt wirkt dem entgegen. Humus besitzt zahlreiche funktionelle Gruppen, an die Schwermetalle gebunden werden können. Dadurch werden sie immobilisiert und stehen Pflanzen nur eingeschränkt zur Verfügung. Humusreiche Böden wirken daher häufig als Puffer gegenüber Schwermetallbelastungen.
Auch die Bodenart spielt eine wichtige Rolle. Ton- und humusreiche Böden verfügen über eine hohe Bindungskapazität und können Schwermetalle besser festlegen. Sandige Böden hingegen besitzen nur wenige Bindungsstellen, sodass Schwermetalle dort leichter mobilisiert werden und für Pflanzen vergleichsweise stärker verfügbar sind.
Bedeutung für Gemüse und Obst
Besonders relevant ist die Schwermetallaufnahme bei Gemüse und Obst, da hier ein direkter Bezug zur menschlichen Ernährung besteht. Schwermetalle werden innerhalb der Pflanze nicht gleichmäßig verteilt.
Häufig reichern sie sich bevorzugt in vegetativen Pflanzenteilen wie Blättern und Stängeln an.
Aus diesem Grund zeigt Blattgemüse oft höhere Schwermetallgehalte als Fruchtgemüse, bei dem die Metalle seltener in die essbaren Pflanzenteile verlagert werden. Die Pflanzenwahl ist daher ein wichtiger Ansatzpunkt zur Risikominderung auf belasteten Böden. Durch eine angepasste Auswahl von Kulturen lassen sich potenzielle Belastungen der Ernte deutlich reduzieren, ohne den Boden selbst verändern zu müssen.
Auswirkungen und Folgen von Schwermetallen im Boden
Die Auswirkungen von Schwermetallen im Boden zeigen sich in der Regel nicht abrupt, sondern entwickeln sich schleichend über längere Zeiträume. Häufig bleiben sie zunächst unbemerkt, da sichtbare Schäden an Pflanzen oder Bodenstruktur erst bei deutlich erhöhten Konzentrationen auftreten. Dennoch können bereits moderate Schwermetallgehalte langfristige Veränderungen im Boden bewirken.
Schwermetalle können die Aktivität von Mikroorganismen im Boden beeinträchtigen.6 Viele Bodenbakterien und Pilze reagieren empfindlich auf erhöhte Metallkonzentrationen, da Schwermetalle in ihre Stoffwechselprozesse eingreifen. Enzymatische Reaktionen werden gehemmt oder verlangsamt, was sich auf zentrale Bodenprozesse wie den Abbau organischer Substanz, die Mineralisierung von Nährstoffen und die Bildung stabiler Bodenaggregate auswirkt.
Ein gestörtes Bodenleben hat weitreichende Folgen. Nährstoffkreisläufe funktionieren weniger effizient, der Humusaufbau wird gebremst und die Bodenstruktur verliert an Stabilität. Langfristig kann dies die Bodenfruchtbarkeit mindern, selbst wenn Wasser- und Nährstoffversorgung auf den ersten Blick ausreichend erscheinen.
Gelangen Schwermetalle in Pflanzen, können sie über pflanzenfressende Tiere (Primärkonsumenten) und den Menschen in die Nahrungskette eintreten. Dabei stehen weniger akute Vergiftungserscheinungen im Vordergrund als vielmehr die langfristige Anreicherung bestimmter Metalle im Organismus. Da Schwermetalle kaum ausgeschieden werden, kann eine dauerhafte Aufnahme über belastete Nahrungsmittel zu gesundheitlichen Risiken führen. Entscheidend ist daher nicht der einzelne Kontakt, sondern die dauerhafte Exposition über längere Zeiträume.
Schwermetalle im Boden messen und nachweisen
Die wirksamste Maßnahme für die Bodenverbesserung auf sandigen Böden ist der Aufbau von Humus und Feinerde, um das Wasserhaltevermögen und die Nährstoffspeicherung zu erhöhen.3
Eine Bodenanalyse ist das zentrale Instrument zur Bewertung einer möglichen Schwermetallbelastung. Sie liefert die notwendige Datengrundlage, um zwischen natürlichen Hintergrundgehalten und zusätzlichen, nutzungsbedingten Einträgen zu unterscheiden. Besonders sinnvoll ist eine Untersuchung bei älteren Gärten, bei unbekannten Auffüllungen, in der Nähe ehemaliger Industrie- oder Verkehrsflächen sowie vor intensivem Gemüseanbau, wenn der Boden dauerhaft für die Nahrungsmittelproduktion genutzt werden soll.
Entscheidend für aussagekräftige Ergebnisse ist eine fachgerechte Bodenprobe.
Sie muss repräsentativ für die untersuchte Fläche sein und die relevanten Bodenschichten erfassen, in denen Pflanzen wurzeln und Stoffaustausch stattfindet. Eine unsachgemäße Probenahme kann zu verfälschten Ergebnissen führen und Fehlbewertungen begünstigen.
Die Bodenanalyse Schwermetalle liefert auf Basis einer Bodenprobe Schwermetalle verlässliche Informationen zu möglichen Schadstoffbelastungen im Gartenboden. Die Analyse ermöglicht es, Schwermetallgehalte einzuordnen und bildet eine wichtige Grundlage, um den Handlungsbedarf einzuschätzen und geeignete Maßnahmen zur Anpassung der Nutzung oder zum Bodenmanagement abzuleiten.
Was tun bei belasteten Böden?
Nicht jede erhöhte Schwermetallkonzentration im Boden erfordert sofort drastische Maßnahmen. Für die Beurteilung ist entscheidend, wie hoch die Belastung ist, welche Metalle betroffen sind und wie der Boden genutzt wird. Ein Boden mit leicht erhöhten Gehalten kann unter bestimmten Bedingungen weiterhin sicher genutzt werden, insbesondere dann, wenn die Schwermetalle fest gebunden sind und nur in geringem Umfang pflanzenverfügbar vorliegen.
In vielen Fällen reicht es aus, die Nutzung des Bodens gezielt anzupassen. Dazu gehört beispielsweise, besonders empfindliche Kulturen zu meiden oder den Anbau entsprechend zu steuern. Häufig ist es sinnvoll, Fruchtgemüse statt Blattgemüse anzubauen, da Schwermetalle bevorzugt in vegetative Pflanzenteile eingelagert werden. Auch die Auswahl von Pflanzenarten, die Schwermetalle nur begrenzt aufnehmen, kann das Risiko deutlich reduzieren, ohne den Boden selbst verändern zu müssen.
In der Praxis ist es meist sinnvoller, Schwermetalle im Boden zu binden, als sie vollständig entfernen zu wollen. Eine Entfernung ist technisch aufwendig, kostenintensiv und häufig nur durch Bodenaustausch möglich, bei dem belasteter Boden abgetragen und durch unbelastetes Material ersetzt wird. Solche Maßnahmen sind vorwiegend bei kleineren Flächen oder im Garten selten praktikabel.
Stattdessen zielt ein angepasstes Bodenmanagement darauf ab, die Pflanzenverfügbarkeit der vorhandenen Schwermetalle zu verringern. Humusaufbau erhöht die Bindungskapazität des Bodens, während eine Stabilisierung des pH-Wertes die Löslichkeit vieler Metalle reduziert. Auch organische Bodenhilfsstoffe können dazu beitragen, Schwermetalle langfristig zu immobilisieren. Ziel ist dabei nicht die Beseitigung der Metalle, sondern ihre sichere Festlegung im Boden, sodass Risiken für Pflanzen und Nutzung deutlich minimiert werden.
Literaturverweise
1 Vgl.: Don, Axel; Prietz, Roland: Unsere Böden entdecken – Die verborgene Vielfalt unter Feldern und Wiesen. Springer, Berlin 2019.
2 Vgl.: Umweltbundesamt (UBA): Schadstoffe in Böden. Umweltbundesamt, Dessau-Roßlau 2023.
3 Vgl.: Umweltbundesamt (UBA): Bodenzustand in Deutschland. Umweltbundesamt, Dessau-Roßlau 2019.
4 Vgl.: LABO – Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Bodenschutz: Hintergrundwerte für anorganische Stoffe in Böden. Bericht 02/2017.
5 Vgl.: Schubert, Sven: Pflanzenernährung. 4. Auflage. UTB, Stuttgart 2024.
6 Vgl.: Amelung, Wulf; Blume, Hans-Peter; Fleige, Heiner; Horn, Rainer; Kandeler, Ellen; Kögel-Knabner, Ingrid; Kretzschmar, Ruben; Stahr, Karl; Wilke, Berndt-Michael: Scheffer/Schachtschabel – Lehrbuch der Bodenkunde. 17. Auflage. Springer, Wiesbaden 2018
