Bernd Schönmuth HUB , Carmen Büttner HUB & Wilfried Pestemer BBA

Humboldt-Universität, Fachgebiet Phytomedizin, Berlin-Dahlemund Institut für Ökotoxikologie und Ökochemie im Pflanzenschutz, (BBA), BerlinB. Schoenmuth, KORA – TV 5 Rüstungsaltlasten, 31.05.05 Hannover, Folie 1

Biologische Bundesanstalt für Land- und Forstwirtschaft (BBA)

Dendrotoleranz gegenüber STV in Altlastböden und

Langzeitschicksal von [14C]-Trinitrotoluol und [14C]-Hexogen in Nadelgehölzen.

Bernd SchönmuthHUB, Carmen BüttnerHUB & Wilfried PestemerBBA

Humboldt-Universität zu Berlin (HUB)Fachgebiet Phytomedizin

www.DendroRemediation.de = www.schoenmuth.de


KORA-Themenverbund 5 „Rüstungsaltlasten“

Nutzung von Selbstreinigungspotenzialen in STV-belasteten Böden und Grundwasserleitern

Projekt 5.1 Clausthal-Zellerfeld

Prognose und Kontrolle des natürlichen Rückhalts und Abbaus von Nitroaromaten im Festgestein

Projekt 5.2 Stadtallendorf

Untersuchung des NA-Potenzials in STV-kontaminierten GW-Leitern

unter Berücksichtigung von Milieubedingungen

Projekt 5.3 Torgau / Elsnig

Versuche mit Modelsubstanzen und Untersuchung des NA-

Potenzials in Böden und GW bei unterschiedlichen Milieu-

bedingungen

Projekt 5.5

Boden- und GW-Untersuchung auf polare Nitroaromaten sowie analytische Qualitätssicherung

Projekt 5.4

Dendrotoleranz gegenüber STV in Altlastböden und Langzeitschicksal von [14C]-Trinitrotoluol und

[14C]-Hexogen in Nadelgehölzen.

Projekt 5.6

Koordinierung des Themenverbundes 5: Nutzung von Selbstreinigungspotenzialen in STV-belasteten Böden und Grundwässern

und Erabeitung de Branchenleitfadens

Projekt 5.0 Koordinierung

NO2O2N

NO2

CH3NO2

NO2

O2N

CH2H2C

CH2

NN

N


Gliederung

1. Problemstellung

2. Ergebnisse aus Vorprojekten

3. Teilziele und Teilaufgaben des Projektes

TA 1: DendroToleranzmessungen

TA 2: Natural Attenuation von STV in Altlast-Nadelwäldern

TA 3: Methodenverbesserung

TA 4: Langzeitschicksal von [14C]-TNT und [14C]-RDX in Nadelgehölzen

TA 5: Bewertung der Ergebnisse und Beitrag für den Leitfaden

4. Stand der Arbeiten

15 %

5 %

5 %

60 %

15 %


TNT

Niederschlag

Evapo-Transpiration

Versickerung

Wurzelraum-Filterung

Oberflächen-Abfluss

STV-Auswaschung

3. Partikuläre STV werden langsam, stetig und lange in die Bodenlösung ausgewaschen.

RDX

Das Problem

1. STV kommen auf Produktions- und Verarbeitungsstellen für STV oberflächennah partikulär vor.

2. Partikuläre STV sind auch als Folge von „Low Order Explosions“ und regulären Detonationen auf unzähligen Militärübungsplätzen und Kriegsgebieten weitflächig verbreitet.

1. Ein Großteil der STV-Vorkommen ist bewaldet, vorrangig mit Nadelbäumen.

2. Bäume können erhebliche Massen von TNT u.ä. STV aus der Bodenlösung aufnehmen.

3. Aufgenommenes TNT wird zu mind. 80% nicht-extrahierbar festgelegt. Extrahierbare Restfraktionen bestehen aus stark polaren TNT-Abkömmlingen.

Nutzung von Bäumen zur natürlichen Verringerung der Boden-Kontamination mit STV

4. Zur Hexogen-Aufnahme durch Nadelgehölze gibt bisher es keinerlei Informationen!


Zu klärende Fragen

STV-Aufnahme über Transpirationssog

STV-TransformationSTV-Bindung, Inkorporation

STV-Rhizo-Filtration STV-Rhizosphären-Transformation

# Was passiert nachhaltig mit inkorporierten „STV“ nach dem Absterben der Baumorgane ?

# Welche Bäume ertragen STV-Kontaminationen am Besten ?

Fragen bei der Nutzung der NA von Rüstungs-Altlast-Wäldern

- Haben Nadelbäume eine höhere DendroToleranz als Laubgehölze ?

- Welche (einfachen !) DendroToleranzparameter können genutzt werden ?

# Welche Bäume können zur Gestaltung von Rü-Altlastwäldern empfohlen werden ?

# Gibt es toxikologische Risiken bei der Holznutzung von Rü-Altlastwäldern ?# Welche Akkumulationsorte für STV-Inkorporationen sind möglich ?

- Hat der Altlastboden einen Einfluss auf die DendroToleranz ?

- In welche biochemische Fraktionen werden STV inkorporiert ?

# Ist die Dekontamination von STV durch Bäume in situ nachweisbar ?

STV-Akkumulation Mikrobielle STV-Mineralisierung zu CO2

- Wie hoch ist die Mineralisierung zu CO2 ?

Wurzeln !, Nadeln Streuschicht ?

- Welche Mikroorganismen sind potenziell abbau-aktiv ?

- Gibt es Risiken bei der Verrottung von Resten der Zweige, Nadeln und vor allem Wurzeln ?


Bisherige Arbeiten und Anknüpfungspunkte von KORA (rot)

Rough calculation of tree specific Dendroremediation potential

Site specificsuitability of trees

Tree basedphyto-sanitation procedures

Pre-assessment ofnatural attenuation in woodlands

In-situ results of the ‘Tanne’-project

Picea, Populus, Sambucus

Salix, Picea

DendroRemediation of TNT

Salix, Picea, Pinus, Populus

Salix, Populus, Betula, Picea

Screening to TNT-tolerance and TNT-uptake

Cloned Salix, Populus

‘Native’ trees

Betula, Picea, Pinus

Salix, Populus, Betula, Picea, Pinus Salix, Picea, Betula

3. Radiotracer experimentsFate of [14C]-TNT in morphological

compartments of trees

2. Dynamical dendrotoleranceand fate of ‘cold’ pollutants ?!

Leachate toxicity

1. Outdoor trials

TNT analysis in AP-site trees

Tree yield in the field

Mesocosm balance studies with TNT-soils in lysimeter pots

(TNT, DNT, TNB, ADNT)

Varied from: Schoenmuth and Pestemer: ESPR – Environ Sci & Pollut Res 11 (5), 331-339 (2004)


Oberirdische Verteilung der [14C]-TNT- Radioaktivität

0

20

40

60

80

100

Ab

ov

eg

rou

nd

Ra

dio

ac

tiv

ity

[%

]

indirectly directly

15.4

48.8

21.4

14.4

20.6

42.8

14.9

21.7 Leaves

Whigs

Stem, wood

Stem, bark

WillowSalix EW-20

Sand SandSubstrate:

Application:

2.5 2.9 4.3

5.73.22.3

indirectly directly directly

May sprouts

Old needles!Accumulation?

Whigs

12.49.48.9

24.017.6 19.4

53.765.068.6

Stem, woodStem, bark

Norway sprucePicea abies

Sand Sand AP soil

# Kein Unterschied zwischen Nährlösungsapplikation und Bodenapplikation.

# Bei Weiden wird die oberirdische Radioaktivität zu 50 % im Holz gefunden.

# Bei Fichten gelangt die Radioaktivität zur Hälfte in die vorjährigen Nadeln.

# Auch die Konzentration (Bq / mg TM) ist vorjährigen Nadeln am höchsten.


DC-Auftrennung von Wurzelextrakten

0 0,25 0,5 0,75 1,0 Rf

U1 U2 U3 U5

U4

Salix + Essigsäure

Picea + Essigsäure

Picea + MeOH2,4-DANT, ADNTs, TNT, TNB, DNTs

Salix + MeOH

Extrahierbarkeit

ES

Me

AcN

DCM

EA

18 %

7 %

3

3

1

25 %

15 %

6

5

3

Weide Fichte

Weder TNT, 2-ADNT, 4-ADNT, 2,4-DANT, TNB, noch 2,4-DNT, 2,6-DNT, 3,4-DNT zu finden !

Höchstens 25 %

noch extrahierbar !

Extrakte enthalten nur noch unbekannte, sehr polare Verbindungen !

TNT ist vollständig metabolisiert.


Dynamische Dendrotoleranz (und Verbleib von STV bei Fichten)

Ressourcenaufteilung für Teilziele und Teilaufgaben

Quantifizierung und Lokalisierung der Aufnahme von [14C]-TNT und [14C]-RDX in Nadelgehölzen

und Langzeitschicksal der aufgenommenen STV

in Nadelgehölzen in Rotteversuchen

Methoden-Testung

# Extraktions-

methoden,

# Docht-

Applikations-

systeme

Untersuchung der Langzeiteffekte

einer Fichten-Anpflanzung in

CZin

Zusammenarbeit mit dem UFT der

Univ. Bremen

DendroToleranz-parameter für Boden/Baum-

Systeme# Einfluss von

Altlastböden aus CZ und TE

Teilaufgabe 460 %

Teilaufg. 35 %

Teilaufgabe 25 %

Teilaufgabe 115 %

Langzeitschicksal von [14C]-Trinitrotoluol und [14C]-Hexogen in Nadelgehölzen

Methoden-verbesse-

rung

Langzeitwirkung von

Baumpflanzungen auf TNT-Böden

Teilziel 4Teilziel 3Teilziel 2Teilziel 1

Teilziel und Teilaufgabe 5: Bewertung der Ergebnisse und Beitrag für den Leitfaden 15 %

15 % 5 % 5 % 60 %

15 %


TA 1TA 1: DendroToleranzmessungen – Ziele: DendroToleranzmessungen – Ziele

Wir brauchen:

# eine Methodik zur zeitlich-auflösenden, quantifizierbaren STV-Zufuhr zu den Gehölzen (dynamische „Dotierung“, Zeitrafferversuche)

# einen Toleranzparameter für die Toxizitätswirkung von STV auf Nadelgehölze

# eine methodische Querverbindung zu den geplanten Verbleibsuntersuchungen mit 14C-STV (TA 4)

Wir wollen wissen,

# ob Nadelgehölze toleranter als Laubgehölze gegenüber STV sind

# wie hoch die tolerierten STV-Konzentrationen sind

# wieviel „Zufuhr“-Masse an STV pro Zeiteinheit toleriert wird

# ob der Altlastboden einen Toleranz-Einfluss hat

# unbelasteten Boden aus CZ und TE


250-ml skalierter Polypropylen-Becher

Pflanzen von Picea glauca ‚Conica‘(ca. 3 Jahre alt)

2 x 1-mm-Glasfaserdochte (je 20 cm)

max. 100 ml Testlösung (TNT, RDX, u.a.)

Elektronische Waage

8-cm Topf mit 200 g Boden oder Sand

TA 1: DendroToleranzmessungen - Durchführung

Mindestens 8 Töpfe pro Variante

# „Natürliche“, fortlaufende STV-Dotierung der Fichten

# Gravimetrische Messung der Evapo-Transpiration von Fichten


TA 1TA 1: DendroToleranzmessungen – Fragen: DendroToleranzmessungen – Fragen

2. Ist die Transpiration als Toleranzparameter für STV bei Nadelgehölzen geeignet?

3. Ist Toleranz gegenüber STV bei Nadelbäumen höher als bei Laubbäumen?

Ja Nein Endpunktparameter, wie: Zweigzuwachs,

(Frischmasse, Trockenmasse)

Ja Nein Leitfaden-Empfehlung: für ökolog. Waldumbau von Nadelwald-Monokulturen (TA 5)

Leitfaden-Empfehlung: für Bevorzugung von Nadelhölzern (TA 5)

Testung

von STV

2,4,6-TNT,

2,4-DNT,

2,6-DNT,

MNTs ?,

RDX,

HMX,

TNBS ?

Weitere STV?

1. Welche STV sind preiswert-massenverfügbar?


TA 2: Natural Attenuation von STV in Altlast-Nadelgehölzen

# Standortboden-Beprobung in CZ

(TNT, 4-ADNT und 2-ADNT)

# Zuwachsmessung an Fichten

# Zusammenarbeit mit UFT Bremen


TA 4: Verbleib von 14C-TNT und 14C-RDX

Grobstruktur des Untersuchungsplanes

Aufnahme von STV

Morphologische

Kompartimentierung

Biochemische

Kompartimentierung

TA 4a: Vorläufiger Verbleib von 14C-TNT und 14C-RDX

TA 4b: Langzeit-Verbleib von 14C-TNT und 14C-RDX

Inokulation und Inkubation

in Absorber-Inkubatoren

Verottungs-Bilanz

14C-Extrahierbarkeit


TA 4a: Vorläufiger Verbleib von 14C-TNT und 14C-RDX

Nadeln

Holz

Wurzeln

Dynamische 14C-Dotierung Boden/Sand

Lignin

Zellulose

Hemizellulosen

Extr. Fraktion

Lignin

Zellulose

Hemizellulosen

Extr. Fraktion

Lignin

Zellulose

Hemizellulosen

Extr. Fraktion

Rückstände

Extrahierbare Fraktionen

1. MorphologischeKompartimentierung

2. BiochemischeKompartimentierung

Separation der Gehölzteile

!

!

Gravimetrische Kontrolle

der 14C-Zufuhr


Inokulation und Inkubationin Absorber-Inkubatoren

TA 4b: Langzeit-Verbleib von 14C-TNT und 14C-RDXMorphologischeKompartimentierung

Verottungs-Bilanz

Mineralisierungsgrad zu 14CO2

14C-Extrahierbarkeit mit versch. Lös.mitteln

Extrakt-Charakterisierungmit Radio-DC und

Radio-HPLC

NadelnWurzeln

Homogenisierung

Inokulation mit lignolytischen und /oder cellolytischen Pilzen und mit Streuschicht- bzw. Boden-Inokulaten aus Altlastbodenin Absorber-Inkubatoren Probenahme zu

verschiedenen Zeitpunkten


Standortbezug der Arbeiten

1. Zur Untersuchung der Langzeiteffekte von angepflanzten Fichten, (Zitterpappeln und Holunder) sind Standort-Boden-Beprobungen in Clausthal-Zellerfeld (CZ, „Tanne”-Versuchsfeld) und evtl. Saugkerzen-Beprobung der Bodenlösung gemeinsam mit dem UFT Bremen geplant.

2. Für die Rotteuntersuchungen radioaktiv markierter STV mit Fichten sollen Böden aus CZ und/oder TE Verwendung finden.

3. Die Dendrotoleranzuntersuchungen sollen mit Gehölzen in Böden aus CZ und TE erfolgen. Böden aus Stadtallendorf (SA) wurden bereits in einem BMBF-Vorprojekt verwendet (s. Schoenmuth 2002).

4. Ein Standortbezug ist für die Hauptkontaminante TNT für CZ, TE und SA gegeben.

5. Die Untersuchung von RDX bei radioaktiven Versuchen, wie auch bei den Dendrotoleranzexperimenten trägt einen Bezug zum Standort Torgau/Elsnig.

6. Mononitrotoluole (MNT), die u.a. für den Standort Stadtallendorf von Bedeutung sind sollen bei Verfügbarkeit ebenfalls in Dendrotoleranz-Untersuchungen miteinbezogen werden.


Stand der Arbeiten

6 Wochen nach Projektbeginn

Beschaffung von Pflanzen sehr schwierig während des Maitriebes

Anzucht von Nadel-Gehölzen in verschiedenen Topfsystemen(Picea glauca ‚Conica‘, Picea abies, Pinus sylvestris)

Erste Transpirationsmessungen als Vitalitätskontrolle

Methodische und logistische Verbesserung der Inkubationssysteme

Bernd Schönmuth HUB , Carmen Büttner HUB & Wilfried Pestemer BBA

Documents

Transcript of Bernd Schönmuth HUB , Carmen Büttner HUB & Wilfried Pestemer BBA