Xenobiotische Chemikalien

Das Vorhandensein von Stoffen im Boden, die nicht auf natürliche Weise von biologischen Arten produziert werden, ist von großer öffentlicher Besorgnis. Viele dieser sogenannten xenobiotischen Chemikalien (aus dem Griechischen xenos, „Fremder“ und bios, „Leben“) haben sich als krebserregend erwiesen oder können sich in der Umwelt mit toxischen Auswirkungen auf Ökosysteme ansammeln (siehe Tabelle der wichtigsten Bodenschadstoffe). Obwohl die Exposition des Menschen gegenüber diesen Substanzen hauptsächlich durch Einatmen oder Trinkwasser erfolgt, spielen Böden eine wichtige Rolle, da sie die Mobilität und biologische Wirkung dieser Toxine beeinflussen.

The abundance of xenobiotic compounds in soil has been increased dramatically by the accelerated rate of extraction of minerals and fossil fuels and by highly technological industrial processes. Die meisten Metalle wurden typischerweise in sehr niedrigen Gesamtkonzentrationen in unberührten Gewässern gefunden – aus diesem Grund werden sie oft als Spurenmetalle bezeichnet. Ein rascher Anstieg der Spurenmetallkonzentrationen in der Umwelt ist häufig mit der Entwicklung ausbeuterischer Technologien verbunden. Diese Art der plötzlichen Veränderung setzt die Biosphäre einem Risiko der Destabilisierung aus, da Organismen, die sich unter Bedingungen mit niedrigen Konzentrationen eines vorhandenen Metalls entwickelt haben, keine biochemischen Wege entwickelt haben, die in der Lage sind, dieses Metall zu entgiften, wenn es in hohen Konzentrationen vorhanden ist. Die gleiche Argumentation gilt für die organischen toxischen Verbindungen.

Die Mechanismen, die der Toxizität xenobiotischer Verbindungen zugrunde liegen, sind nicht vollständig verstanden, es besteht jedoch ein Konsens über die Bedeutung der folgenden Prozesse für die Wechselwirkungen toxischer Metalle mit biologischen Molekülen: (1) Verdrängung eines an ein Biomolekül gebundenen Nährstoffminerals (z. B. Calcium) durch ein toxisches Metall, (2) Komplexierung eines toxischen Metalls mit einem Biomolekül, das das Biomolekül wirksam daran hindert, an der Biochemie eines Organismus teilzunehmen, und (3) Modifikation der Konformation eines Biomoleküls, das für seine biochemische Funktion entscheidend ist. Alle diese Mechanismen hängen mit der Komplexbildung zwischen einem toxischen Metall und einem Biomolekül zusammen. Sie legen nahe, dass starke Komplexbildner eher Toxizität induzieren, indem sie die normale Chemie von Biomolekülen stören.

Nicht alle Bodenschadstoffe sind xenobiotische Verbindungen. Probleme bei der Pflanzenproduktion in der Landwirtschaft treten auf, wenn in Böden in trockenen Klimazonen, in denen die Verdunstungsrate die Niederschlagsrate übersteigt, ein übermäßiger Salzgehalt (Salzansammlung) auftritt. Wenn der Boden trocknet, neigen Ionen, die durch mineralische Verwitterung freigesetzt oder durch salzhaltiges Grundwasser eingeführt werden, dazu, sich in Form von Carbonat-, Sulfat-, Chlorid- und Tonmineralien anzusammeln. Da alle Na + (Natrium) und K + (Kalium) und viele Ca2 + (Calcium) und Mg2 + (Magnesium) Salze von Chlorid, Sulfid und Carbonat leicht löslich sind, ist es dieser Satz von Metallionen, der am meisten zum Salzgehalt des Bodens beiträgt. Bei ausreichend hohen Konzentrationen stellen die Salze eine Toxizitätsgefahr durch Na +, HCO3- (Bicarbonat) und Cl− (Chlorid) dar und stören die Wasseraufnahme durch Pflanzen aus dem Boden. Toxizität von B (Bor) ist auch wegen der Anhäufung von borhaltigen Mineralien in trockenen Bodenumgebungen üblich.

Die nachhaltige Nutzung einer Wasserressource zur Bewässerung landwirtschaftlicher Flächen in einer Trockenregion erfordert, dass das eingesetzte Wasser die Bodenumgebung nicht schädigt. Bewässerungswasser sind auch Salzlösungen; Abhängig von ihrer besonderen Quelle und Nachbehandlung, Die im Bewässerungswasser vorhandenen Salze sind möglicherweise nicht mit der in den Böden vorhandenen Reihe von Mineralien kompatibel. Die pflanzliche Nutzung von Wasser und Düngemitteln hat die Wirkung, Salze im Boden zu konzentrieren; Folglich können bewässerte Böden ohne sorgfältige Bewirtschaftung salzhaltig werden oder Toxizität entwickeln. Ein weit verbreitetes Beispiel für bewässerungsinduzierte Toxizitätsgefahren ist die NO3- (Nitrat) -Akkumulation im Grundwasser, die durch das übermäßige Auslaugen von Stickstoffdünger durch landwirtschaftliche Böden verursacht wird. Menschliche Säuglinge, die nitratreiches Grundwasser als Trinkwasser erhalten, können aufgrund der Umwandlung von NO3− in toxisches NO2− (Nitrit) im Verdauungstrakt eine Methämoglobinämie („Blue-Baby-Syndrom“) erleiden. Kostspielige Grundwasseraufbereitung ist derzeit die einzige mögliche Abhilfe, wenn dieses Problem auftritt.