Lebensraumfunktion und Abbaupotential

geofuberlin

Lebensraumfunktion und Abbaupotential

BMBF-Forschungsverbund:

Bewertung von Schadstoffen im Flächenrecycling und

nachhaltigen Flächenmanagement auf der Basis der

Verfügbarkeit/Bioverfügbarkeit (BioRefine)

Teilvorhaben 2: Lebensraumfunktion und Abbaupotential

Dr. Kerstin Hund-Rinke

Dr. Kerstin Derz

Prof. Dr. Macholz

Umweltprojekte GmbH


Zielstellung

Lebensraumfunktion von Bodenorganismen

und

Abbaupotential von Schadstoffen

1. Beurteilung der Verbundproben

2. Können über Extraktionsverfahren Informationen zur

Bioverfügbarkeit von Schadstoffen gewonnen werden

Korrelation von biologischer Wirkung / Aktivität und eluierter

Schadstofffraktion:

→ schnelles Verfahren, zur Erfassung des Schadstoffanteils,

der für Organismen verfügbar ist

→ Minimierung von Inkubationsversuchen

Prof. Dr. Macholz

Umweltprojekte GmbH

2


Arbeitspaket: Lebensraumfunktion

Vorgehensweise:

• Mikrobielle Atmung, Nitrifikation – Vergleich der Aktvität mit

Kontrollansatz

• Reproduktionstest mit Regenwürmern in Standortboden –

Vergleich der Reproduktionsrate in Referenzboden

Überschreitung bzw. Unterschreitung von Schwellenwerten

→ Beurteilung als "Lebensraumfunktion eingeschränkt"

• Vergleich von Wirkung mit eluierten Schadstoffgehalten

(Schüttelelution, Säulenelution, 3-Phase-Elution)

Prof. Dr. Macholz

Umweltprojekte GmbH

3


Bodenorganismen – Mikroorganismen, Atmung

1. Befeuchten

des Bodens

2. Einwiegen

3. Inkubation: 24 h

Prof. Dr. Macholz

Umweltprojekte GmbH

4. Auswertung der

O 2-Aufnahme

4


Bodenorganismen – Mikroorganismen, Nitrifikation

(NH 4 + → NO3 - )

1. Einwiegen

2. Inkubation (6 h)

mit einer

Ammoniumquelle


(NH 4 + → NO2 - )

3. Filtration

Prof. Dr. Macholz

Umweltprojekte GmbH

4. Photometrische

Bestimmung

von Nitrit

5


Regenwürmer - Reproduktion

1. Zucht

2. Adulte Tiere

(300 – 600 mg)

3. Inkubation für

56 d im Testboden

Prof. Dr. Macholz

Umweltprojekte GmbH

4. Manuelle Zählung

der Jungtiere

6


Bodenbeurteilung

Mikroorganismen – Atmung: 3 Kriterien

• Atmungsaktivierungsquotient

• Lag-Phase

• tpeakmax:

Mikroorganismen – potentielle Ammoniumoxidation:

• Ammoniumoxidation im Vergleich zu einem Referenzboden

Regenwürmer – Reproduktion:

• Nachkommenanzahl im Vergleich zu einem Referenzboden

Beurteilung:

Über- bzw. Unterschreitung von Schwellenwerten →

Lebensraumfunktion eingeschränkt

Prof. Dr. Macholz

Umweltprojekte GmbH

7


PAK-Belastung: Wirkung auf Bodenorganismen

Sortiert nach Gesamt-PAK-Konzentration

Gesamtgehalt

Mobile Anteile

Schüttel-,

Säulenversuch)

Mikroorganismen

Regenwürmer

Industriell

genutzte

Fläche

– WO-1

PAK

InnerstädtischeIndustriebrache

– HO-1

PAK

5,75

5,89

InnerstädtischeIndustriebrache

– HO-3

PAK

36,1

2,73

PAK

38,5

0,79

Prof. Dr. Macholz

Umweltprojekte GmbH

Industriell

genutzte

Fläche

– WO-2

Keine Einschränkung

Innerstädtische

Industriebrache

– HO-2

PAK , Zn

3,3

1,6

8


PAK-Belastetung: Wirkung auf Bodenorganismen

Zusammenfassung – Wirkung auf Bodenorganismen:

• Keine Wirkung

• Kontamination nicht bioverfügbar (Gesamtgehalte bis 514 mg/kg)

Konzentrationen in Elutionsversuchen von 1 – 39 mg/kg

Lebensraumfunktion nicht beeinträchtigt

→ Überschreitung des Prüfwertes aus Sicht der

Bodenorganismen tolerierbar

Prof. Dr. Macholz

Umweltprojekte GmbH

9


MWK-Belastung: Wirkung auf Bodenorganismen

MO-Atmung

MO-Nitrifikation

Regenwurm

MO-Atmung

MO-Nitrifikation

Regenwurm

MO-Atmung

MO-Nitrifikation

Regenwurm

Sortiert nach mobilen MKW-Anteilen (C10-C22) im Feststoff

WO-3

FZ-1

FZ-1

KU-1

1

WO-4

KU-1

1

WO-4

KU-1

1

KU-2

2

FZ-3

FZ-3

WO-3

FZ-2

1

WO-3

FZ-2

1

Prof. Dr. Macholz

Umweltprojekte GmbH

FZ-4

Sortiert nach eluierten MKW-Gehalten im Schütteltest

KU-2

Sortiert nach eluierten MKW-Gehalten im Säulentest

2

WO-4

FZ-1

FZ-4

FZ-3

KU-2

2

FZ-2

1

FZ-4

10


MKW-Belastung: Wirkung auf Bodenorganismen

Zusammenfassung – Wirkung auf Bodenorganismen:

• MKW: ab ca. 300 mg/kg (Fraktion C10-C22): toxische Wirkung

auf Regenwürmer

• MKW: keine Aussage hinsichtlich Mikroorganismen

(Fraktion: C10-C22, Schüttel- und Säulentest)

• Unterschiede in der Übereinstimmung von Effekt bei

Regenwürmern und Mikroorganismen: unterschiedliche

Expositionspfade (Aufnahme über Darm bei Regenwürmern)

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MKW-Belastung: Wirkung auf Bodenorganismen

Gesamtschlussfolgerung: Übereinstimmung

• Schüttel- und Säulenversuche als Hilfsgrößen für bioverfügbaren

Anteil (Mikroorganismen, Regenwürmer) weniger geeignet

• Regenwürmer: Hinweise auf Fraktion C10-C22 als Indikator

• Mikroorganismen - Übereinstimmung mit 3-Phasen-Extraktion?

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Chemische Extraktionsmethoden

Es wurden von verschiedenen Arbeitsgruppen Methoden

entwickelt, um den potentiell abbaubaren Schadstoffanteil zu

erfassen.

Ziel:

Erprobung der verschiedenen Methoden an denselben

Böden bzw. Verbundproben

→ direkter Vergleich und Bewertung der Methoden

hinsichtlich Handhabbarkeit, Korrelation mit Abbau etc ist möglich

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13


Chemische Extraktionsmethoden

Getestet wurden:

3-Phasen-

Extraktionen

� Schüttelextraktion

mit Boden, Wasser

und einem Feststoff

(Tenax, XAD) bzw.

Cyclodextrin als 3.

Phase

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Partielle Oxidation

� Oxidation der

organischen

Bodenbestandteile

bzw. Schadstoffe mit

Kaliumperoxodisulfat

gelöst in

Wasser

14


Partielle Oxidation

Oxidation mit Kaliumperoxodisulfat

� Methode nach Cuypers et al (2000)

� Prinzip: Oxidation gut zugänglicher und damit verfügbarer

organischer Substanzen

� Verwendung der Persulfat-Oxidation bei künstlich mit

polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK)

kontaminiertem Böden ergab keine übereinstimmenden

Ergebnisse mit dem biologischen Bodenabbau:

Überschätzung des verfügbaren Schadstoffanteils

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15


3-Phasen-Extraktionen

Extraktion mit 3 Phasen: Boden – Flüssigphase (Wasser) – Feststoff

Parameter für den Schadstoffabbau: der im Porenwasser des Bodens

gelöste Anteil des Schadstoffs ist für abbauende Mikroorganismen

verfügbar Abbau entspricht dem Schadstoffanteil, der sich immer

wieder nachlöst. Durch die 3. Phase wird das Nachlösen beschleunigt.

Methoden benannt nach 3. Phase (Feststoff):

Tenax-Methode

XAD-Methode

Cyclodextrin

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Umweltprojekte GmbH

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3-Phasen-Extraktionen

Cyclodextrin (HPCD)

� Cyclodextrine sind zyklische

Oligosaccharide mit einem

zentralem Hohlraum

� Bilden Einschlussverbindungen

mit den apolaren

Schadstoffmolekülen

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Umweltprojekte GmbH

Tenax, XAD

� Polymerische Adsorberharze

mit definierter Oberfläche

und Porengröße

� Bieten den in Wasser

gelösten Schadstoffen eine

Adsorptionsfläche

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3-Phasen-Extraktionen

Untersuchungsstrategie

- Schritt 1: Testung mit 3 verschiedenen, im Labor

kontaminierten Böden und unterschiedlichen Alterungsstufen

Kontamination: PAK (Phenanthren, Pyren, Benzo[g,h,i]perylen)

Alterungsstufen: 1d (nicht gealtert), 21d, 56d, 266d

- Schritt 2: Testung mit Verbundproben

Vorgehensweise:

� Chemische Methoden: Erstellung von Kinetiken (Extraktionszeit,

die zur Gleichgewichtseinstellung benötigt wird)

� Analytik: Bestimmung der Gesamtgehalte mittels Soxhlet-

Extraktion

� Vergleichswert: biologische Bodenabbaubarkeit in

Anlehnung an OECD 307

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18


Ergebnisse

Vergleich Bodenextraktion mit Tenax und Cyclodextrin

Schluffiger Lehm (Refesol 03-G), 1d nach Kontamination

extrahierte Menge

[%]

100

80

60

40

20

0

HPCD-Extraktion

1 8 15 22 29 36 43 50 57 64 71

Extraktionsdauer [h]

Phenanthren Pyren Benzo[g,h,i]perylen

extrahierte Menge

[%]

100

80

60

40

20

0

Prof. Dr. Macholz

Umweltprojekte GmbH

Tenax-Extraktion

1 8 15 22 29 36 43 50 57 64 71

Extraktionsdauer [h]

Phenanthren Pyren Benzo[g,h,i]perylen

19


extrahierte Menge

[%]

Ergebnisse

Vergleich Bodenextraktion mit Tenax und Cyclodextrin

Schluffiger Lehm (RefeSol 03-G), 266d Alterung

80

60

40

20

0

HPCD-Extraktion

1 8 15 22 29 36 43 50 57 64 71

Extraktionsdauer [h]

Phenanthren Pyren Benzo[g,h,i]perylen

extrahierte Menge

[%]

80

60

40

20

0

Prof. Dr. Macholz

Umweltprojekte GmbH

Tenax-Extraktion

1 8 15 22 29 36 43 50 57 64 71

Extraktionsdauer [h]

Phenanthren Pyren Benzo[g,h,i]perylen

20


Ergebnisse

Vergleich Bodenextraktion mit Tenax und Cyclodextrin

Schluffiger Lehm (RefeSol 03-G), 1d und 266d Alterung

Gehalt [%]

100

80

60

40

20

0

Extraktionen/Bodenabbau

1 Tag/ 266 Tage

HPCD-1A Tenax-1A Bodenabbau-

1A

Phenanthren Pyren Benzo[g,h,i]perylen

HPCD-266A Tenax-266a Bodenabbau-

266A

Prof. Dr. Macholz

Umweltprojekte GmbH

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extrahierte Menge [%]

Ergebnisse der Verbundproben

Verbundprobe HO-1

1 0

8

6

4

2

0

A ltla s t H P C D -E x tra k tio n

1 8 1 5 2 2 2 9 3 6 4 3 5 0 5 7 6 4 7 1

E x tra k tio n s d a u e r [h ]

P h e n a n th re n P y re n B e n z o [g h i]p e ryle n

[%] des Gesamtgehaltes

100

80

60

40

20

0

extrahierte Menge [%]

1 0

Extraktionen (24h) / Bodenabbau

HPCD-Kinetik Tenax-Kinetik Bodenabbau

Phenanthren Pyren Benzo[g,h,i]perylen

(91 Tage)

8

6

4

2

0

Prof. Dr. Macholz

Umweltprojekte GmbH

A ltla s t T e n a x -E x tra k tio n

1 8 1 5 2 2 2 9 3 6 4 3 5 0 5 7 6 4 7 1

E x tra k tio n s d a u e r [h ]

P h e n a n th re n P yre n B e n z o [g h i]p e ry le n

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Ergebnisse Verbundproben

Verbundprobe KU-2

[mg/kg]

[mg/kg]

3000

2500

2000

1500

1000

500

0

6000

5000

4000

3000

2000

1000

0

HPCD-Extraktion

1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69

Extraktionsdauer

extrahierte MKW

Tenax-Extraktion

1 26 51 76 101 126 151 176 201 226 251 276 301 326

Extraktionsdauer [h]

extrahierte MKW

Prof. Dr. Macholz

Umweltprojekte GmbH

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Zusammenfassung

�Erprobungsphase mit künstlich kontaminiertem Boden:

�3-Phasen-Extraktion mit XAD und Oxidationsmethode scheiden

aus

�Schnelle Gleichgewichtseinstellung der 3-Phasenextraktionen mit

Tenax und HPCD, relativ gute Übereinstimmung mit den

Ergebnissen des biologischen Bodenabbaus

�Anwendung bei Verbundproben:

�PAK: beide Methoden spiegeln Situation in bisher untersuchten

Altlastenböden wider → sind zur Abschätzung der Verfügbarkeit

geeignet

�MKW: Methoden erscheinen prinzipiell anwendbar

Prof. Dr. Macholz

Umweltprojekte GmbH

24


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Prof. Dr. Macholz

Umweltprojekte GmbH

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