Radioaktive Spurenelemente in den fluviatilen Sedimenten und in den Bachwässern des Hembachgebietes

Mit Ausnahme des radioaktiven Kohlenstoffs 14C, der ständig in der Atmosphäre durch die Höhenstrahlung neugebildet wird, weisen die natürlichen radioaktiven Elemente sehr kleine Zerfallsgeschwindigkeiten und entsprechend hohe Halbwertszeiten auf. Bis auf das radioaktive Kaliumisotop 40K handelt es sich ausnahmslos um Spurenelemente, wobei das instabile Isotop bis 100% relative Häufigkeit am Gesamtelement ausmachen kann. Im Bezug auf die Häufigkeit und ihre Halbwertszeit liefern nur das Kalium 40K, das Thorium 232Th und die Uranisotope 238U, 235U und 234U meßbare Beiträge zur natürlichen Radioaktivität (SCHWAB 1987).

Thorium

Thorium weist in seinen Mineralen eine nahezu völlige Verwitterungsresistenz auf: Dies gilt auch für Minerale, in denen das vierwertige Thorium nur in Spuren vertreten ist wie in Monaziten oder Zirkonen. In Monazitseifen oder in Zirkonseifen erscheint Thorium jedoch in teilweise erheblicher lokaler Anreicherung bis in den Prozentbereich und setzt so hohe Strahlungsaktivität an der Erdoberfläche frei. Auch in den übrigen Sedimenten bleibt Thorium an Schwerminerale gebunden (SCHWAB 1987).

Thorium wirkt zwar nicht -- wie beispielsweise Uran oder Plutonium -- akut toxisch, ist aber wegen seiner Radioaktivität krebserzeugend.

Thoriumgehalte in Bachsedimenten und  Wässern des Hembachgebiets

Die Thoriumgehalte in den Sedimenten des Hembachs und des Höllenbachs liegen zwischen 0 und 23 ppm. Hohe Thoriumanteile in den Bachsedimenten konnten am Meßpunkt 06 im Mündungsgebiet des Höllenbachs in den Hembach sowie am Meßpunkt 11 im Höllenbach aufgefunden werden: Hier liegen vermutlich seifenartige Anreicherungen von radioaktiven Schwermineralen in den Sedimenten vor.

In Oberflächengewässern ist das Th4+-Ion nur in extrem niedrigen Konzentrationen vertreten und bildet auch keine eigenständigen Minerale in der Verwitterungszone.

Das wichtigste ThoriumIsotop ist 232Th mit der Halbwertszeit von 14,05 Milliarden Jahren. Daneben sind 24 Radionuklide bekannt; von diesen weisen 230Th (HWZ=75.400 a) und 229Th (7.340 a) die längsten Zerfallsraten auf. Die Isotope 217Th bis 220Th zerfallen bereits innerhalb weniger Mikrosekunden.

Der 232Thorium-Zerfall erfolgt über 228Ra (5,8 a), 228Th (1,9 a) und 224Ra (3,6 a) zum stabilen Bleiisotop 208Pb. Thorium besitzt aufgrund seiner geringen Löslichkeit keine biotropen Eigenschaften (SCHWAB 1987).

Die nahezu völlige Wasserunlöslichkeit der Thoriumionen wird durch die Meßergebnisse im Hembachgebiet verdeutlicht: In keinem der Oberflächenwässer konnte Thorium nachgewiesen werden.

Uran

Uran findet sich in fluviatilen oder limnischen Sedimenten deutlich angereichert, vor allem dann, wenn diese organische Substanz enthalten. Erhöhte Urankonzentrationen bis 9 ppm konnten FAUTH et al. (1985) im Verbreitungsgebiet des Fränkischen Keupers flächenhaft in den Bachsedimenten beobachten.

Die Fließgewässer in Deutschland weisen i.d.R. geogen bedingte Urangehalte von 1 µg/L bis 3 µg/L auf. Im anthropogen unbeeinflußten Grundwasser treten in Deutschland Urangehalte von weniger als 1 µg/L bis über 100 µg/L auf.

Im Bereich des Sandsteinkeupers von Stuttgart über den Steigerwald bis nach Coburg konnten FAUTH et al. (1985) eine breite Zone mit Urangehalten bis 40 ppb in den Gewässern nachweisen. In Bayern ermittelte das Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit im Jahre 2003 in über 150 Mineralwässern den Urangehalt: Hiervon wiesen 16 Proben Urangehalte auf, die über 5 µg/L lagen; der höchste Wert betrug 36 µg/L.

Urangehalte in Bachsedimenten und  Wässern des Hembachgebiets

In den Sedimenten des Hembachs und des Höllenbachs liegen die Urangehalte zwischen 1 und 6 ppm und dürften somit dem geogenen Eintrag aus den Burgsandsteinen entsprechen.

Die Lösung des Urans aus den Aktivarkosen der Burgsandsteine wird durch die sehr kohlendioxidreichen Grundwässer im Nürnberger Becken beträchtlich unterstützt. Uran tritt in der Natur überwiegend im vier- oder sechswertigem Oxidationszustand auf. Das vierwertige Uran verhält sich geochemisch weitgegend ähnlich dem Thorium und ist in natürlichen Wässern unter normalen pH- und Redox-Bedingungen nahezu unlöslich. Erst mit der Oxidation zum sechswertigem Uran erscheint im UO22+ ein auch im Bereich neutraler pH-Werte äußerst gut lösliches Ion, welches sehr stabile Karbonatkomplexe wie UO2(CO3)22- und UO2(CO3)34- bildet, die selbst im alkalischen Milieu das Uran in Lösung bleiben lassen; ähnliches gilt für die Phosphatkomplexe wie UO2(HPO4)22- (SCHWAB 1987).

Uran kann somit im gesamten pH-Bereich unter oxidierenden Bedingungen in Grund- und Oberflächenwässern gut transportiert werden. In natürlichen Wässern liegt das Uran überwiegend als sechswertiges Uranylion vor; vierwertige Uranverbindungen -- wie die Uranpechblende -- sind wesentlich schwerer löslich als die sechswertigen Verbindungen. Solange Sauerstoff im Wasser vorhanden ist, bleibt also die Löslichkeit von Uran auch bei Anwesenheit von Karbonat und pH-Werten über 7 sehr hoch. Erst beim Eintritt in reduzierendes Wassermilieu und Reduktion zum U4+ wird es ausgefällt und immobil fixiert.

In den Wässern des Hembachs und des Höllenbachs konnte Uran in allen Proben nachgewiesen werden: Die Urangehalte lagen hier zwischen 0,25 µg/L und 0,55 µg/L, wobei in den Quellwässern des Höllenbachs die höchsten Werte auftraten.

Im Höllenbach nehmen mit zunehmender Fließstrecke die Urangehalte des Bachwassers geringfügig ab, was durch Adsorption und Anreicherung an organische Substanz wie die Torfe der Anmoore bedingt ist. Uran kann generell im oxydativen Milieu durch adsorptive Bindung an Mangan- und Eisenoxide immobil fixiert werden; noch gewichtiger ist aber die Adsorption und Anreicherung an organische Substanz wie Torfe und Kohlen. So beschreibt ARMANDS (1967) Torfmoose in Nordschweden, in denen sich Uran bis auf 3,1 % in der Trockenmasse anreichert; es wird von Quellen mit 0,1 ppm Urangehalt gefördert und an die organische Substanz adsorbiert. Im Bereich der Moore nördlich von München konnten FAUTH et al. (1985) die Anreicherung von Uran in organischen Sedimenten mit Urangehalten der Wässer bis 60 ppb verdeutlichen.

Uranisotope gehen -- im Rahmen der natürlichen Zerfallsreihen -- über Tochternuklide letztlich in die stabilen Blei-Isotope 207Pb und 206Pb über. Als aktive strahlende Tochterelemente des Uranzerfalls gelten das Uran 234U mit einer Halbwertszeit von 246.000 a, das Radium 228Ra (5,7 a), 226Ra (1600 a), 224Ra (3,6 d) und das 223Ra (11,4 d) sowie das Edelgas Radon 222Rn (3,8 d), 220Rn (56 s) und 219Rn (SCHWAB 1987). Hervorgehoben werden muß jedoch der Umstand, daß der größte Teil der Radioaktivität des Thoriums und des Urans nicht von diesen selbst, sondern von -- bisweilen kurzlebigen -- Tochterelementen stammt.

Strahlungstypen

Als Strahlungstypen treten die Korpuskel-Emittierung der Alpha- und der Betastrahlung sowie die elektromagnetische Gamma-Strahlung auf. Hiervon durchdringt n. SCHWAB (1987) die energiereiche Alpha-Strahlung aufgrund der relativ großen Teilchen nur etwa 5 cm in der Luft und nur wenige Mikrometer im Gestein. Die Beta-Strahlung reicht in der Luft rund drei Meter und im Gestein ca. zwei Millimeter. Nur die Gamma-Strahlung wird in der Luft kaum gebremst. Nach SCHWAB (1987) sind jedoch unter einer etwa 0,5 Meter mächtigen Gesteinsbedeckung auch Uranlagerstätten mit einem Urangehalt um 1 % über Gamma-Strahlungsmessungen kaum mehr auffindbar.

Für die Strahlenbelastung des menschlichen Körpers wird das zu 99 % vorkommende Uran-Isotop 238 bislang als nur untergeordnet eingestuft. Zu bedenken ist jedoch, daß bei der körperinternen Strahlung neben der Gamma-Strahlung auch die Beta- und die Alpha-Strahlung voll zur Wirkung kommt. Uran und Thorium mit ihren Tochternukliden gehören zu den Alpha-Strahlern, wobei im menschlichen Körper ihre Alpha-Teilchen als besonders gewebeschädigend zur Wirkung kommen (SCHWAB 1987).

Während die Radiotoxizität des Urans aufgrund seiner sehr hohen Halbwertszeit bislang als relativ gering eingeschätzt wird, wird das Schwermetall Uran wird vor allem auf Grund seiner chemischen Toxizität als ähnlich problematisch wie Cadmium und Quecksilber angesehen. So kann es durch den Genuß von Trinkwasser mit erhöhten Urangehalten zum Auftreten von Leberschäden und Nierenkrebs kommen. Die WHO empfahl in den Neunziger Jahren zunächst einen radiologisch bedingten Richtwert von 140 µg/l; im Jahre 1998 wurde dann -- für einen 60 kg schweren Menschen -- bei einer Trinkwasseraufnahme von 2 l/d ein Richtwert von 2 µg/l festgelegt. Aufgrund eines postulierten Rechenfehlers wurde dieser Richtwert später auf 9 µg/l angehoben und 2005 schließlich auf 15 µg/l erhöht. In Deutschland existiert ein Grenzwert für Uran derzeit weder für Trink- noch für Mineralwasser. Von der bayerischen Gesundheitsverwaltung wird übergangsweise für Trinkwasser ein Richtwert von 5 µg/l zugrunde gelegt.

* Dr. A. Baier; last update: Freitag, 31. Juli 2009 12:07