| Ökotoxikologische Untersuchung eines Schadstoff belasteten Auenbodens der Spittelwasserniederung bei Jeßnitz (Sachsen-Anhalt) als Grundlage zur Beurteilung natürlicher Rückhalteprozesse in Auenböden
Bley, S., Hamburg/D, Schwartz, R., Hamburg/D, Gerth, J., Hamburg/D, Neumann-Hensel, H., Hamburg/D, Förstner, U., Hamburg/D
Sonja Bley, Dr. Fintelmann und Dr. Meyer Handels- und Umwelt-schutzlaboratorien GmbH; Mendelssohnstr. 15d, 22761 Hamburg
Einleitung Großflächig kontaminierte Böden und Sedimente in Niederungsgebieten von Flüssen stellen als langfristige Schadstoffreservoire ein weitgehend ungelöstes Problem dar. Ursache für die Verschmutzungen sind dabei in erster Linie Einleitungen von Abwasser sowie diffuse Lufteinträge. Sofern die Beseitigung der belasteten Sedimente nicht aus nutzungsbedingten Gründen erforderlich ist, besteht inzwischen die Tendenz, natürliche Abbau- und Rückhalteprozesse als passive Sanierungsmaßnahme zu nutzen. Vorraussetzung für dieses als „Natural Attenuation“ bezeichnetes Verfahren ist die Erforschung der im Boden ablaufenden Rückhalte- und Abbauprozesse, die zu einer Verminderung der Konzentration oder Toxizität der Schadstoffe führen können. Für eine ökotoxikologische Bewertung der Schadstoffbelastung im Boden reichen dabei die Befunde chemischer Analysen nicht aus, da sie kaum Aussagen über die Wirkung einer Kontamination auf biologische Systeme gestatten. [1] Auch werden gebundene, nach herkömmlichen Verfahren nicht extrahierbare Substanzen, so genannte „bound residues“, mittels Routineuntersuchungen nicht erfasst, so dass die entsprechende Belastung im Boden mit diesen Stoffen unterschätzt werden könnte.
Im Rahmen ökotoxikologischer Untersuchungen besteht insbesondere hinsichtlich der Wirkung gebundener Schadstoffe sowie dem Einfluss von Alterungsprozessen im Boden auf deren Bioverfügbarkeit weiterhin Forschungsbedarf. Eine Erhöhung der Widerstandsfähigkeit gegenüber mikrobiellem Abbau bzw. einer Extraktion bei längerer Anwesenheit der Schadstoffe im Boden konnte von Calderbank für Pestizide aufgezeigt werden. [2] Andere Untersuchungen zeigten die potentielle Verfügbarkeit an Boden gebundener Schadstoffe für Pflanzen, Würmer und deren Abbau durch Bodenmikroorganismen. Die mikrobiell vermittelte Freisetzung von gebundenen Rückständen in einem mit Prometryn behandelten Boden konnte von Khan und Ivarson nachgewiesen werden. [3]
Ziel der Untersuchungen ist die Entwicklung einer ökotoxikologischen Teststrategie zur Erfassung natürlicher Rückhalteprozesse belasteter Auenböden. Eingebunden sind diese im vom BMBF im Forschungsverbund KORA (Kontrollierter natürlicher Rückhalt und Abbau von Schadstoffen bei der Sanierung kontaminierter Grundwässer und Böden) geförderten Projektes 'Methoden der Erfassung, Bewertung und Prognose der intrinsisch/zeitlich verstärkten Schadstoffrückhaltung in kontaminierten Sedimenten'. Unter-suchungsgebiet ist die ca. 60 km2 umfassende Spittelwasserniederung bei Bitterfeld/Wolfen im Land Sachsen-Anhalt. Dieses Gebiet weist sowohl eine hohe Kontamination an Schwermetallen wie Quecksilber, Cadmium und Arsen als auch an chlorierten organischen Verbindungen wie HCH-Isomeren und DDTs auf.
Vielfältige Untersuchungen zeigen, dass eine allgemein ökotoxikologische Aussage mit nur einem Testsystem nicht möglich ist. [4,5,6] Aus diesem Grund wurde ein erprobtes Methodenset unter Berücksichtigung der Kompartimente Feststoff, Wasser und Biozönose eingesetzt. Die eingesetzten Methoden orientieren sich an der DECHEMA Broschüre „Biologische Testmethoden für Böden“ und wurden um eine von Ahlf vorgeschlagene Testbatterie ergänzt. [1] Durch die Untersuchungen unterschiedlich alter Bodenhorizonte sollen insbesondere frühdiagenetische Vorgänge im Substrat nachgewiesen und die Reaktivität der Feststoffmatrizes sowie den Festlegungsgrad der Schadstoffe anhand der Mobilisierbarkeit und der Bioverfügbarkeit bewertet werden. Einen weiteren Schwerpunkt bildet die Verknüpfung der ökotoxikologischen Ergebnisse mit den geochemischen Befunden zur Schadstoffrückhaltung der Auenböden der Spittelniederung.
Methodik Die ökotoxikologischen Untersuchungen erfolgten an den unterschiedlichen Horizonten eines Bodenprofils bis zu einer Tiefe von 120 cm. Die Rückhaltefunktion des Bodens wurde mit aquatischen Tests an den Bodeneluaten der unterschiedlichen Horizonte untersucht. Eingesetzt wurde eine Testkombination aus Leuchtbakterientest (DIN EN ISO 11348-3 L34), Algenwachstumshemmtest (DIN 38412 L33) und Daphnientest (DIN 38412 L30). Das genotoxische Potential der Bodeneluate wurde zusätzlich mit Hilfe des Umu -Tests (DIN 38415 T3) ermittelt. Zur ökotoxikologischen Bewertung von Sedimenten werden darüber hinaus Labortests benötigt, die mit dem Gesamtsediment durchgeführt werden, so genannte Sedimentkontakttests. Bei diesen wird ein direkter Kontakt der Testorganismen mit den Sedimenten gewährleistet, so dass eine Überprüfung des wasserlöslichen und des gebundenen toxischen Potentials ermöglicht wird. Eingesetzt wurde der Kontakttest mit dem Bodenbakterium Arthrobacter globiformis, der in Anlehnung an DIN 38412 L48 in miniaturisierter Form durchgeführt wurde. [7] Des Weiteren wurde die Hemmung der Nitritbildung durch Nitrosomonas communis im Nitrifikantenkontakttest ermittelt. Durch Kopplung des Nitrifikantenkontakttests mit einem Test auf potentielle Ammoniumoxidation kann zusätzlich eine Aussage über eine mögliche Beeinträchtigung des Stickstoffkreislaufs durch die vorliegende Schadstoffbelastung getroffen werden. Zur Charakterisierung der Leistungsfähigkeit der mikrobiellen Biozönose erfolgte eine Bestimmung der mikrobiellen Aktivität mittels DMSO-Reduktion (GC-Analytik) sowie eine Ermittlung der Substratverwertung mittels Biolog. Die beschriebenen Testverfahren wurden jeweils an sieben unterschiedlichen Bodenhorizonten eines Tiefenprofils durchgeführt, um den Einfluss von Alterungsprozessen im Boden auf die Bioverfügbarkeit der Schadstoffe zu ermitteln. Zur Charakterisierung fest gebundener, nicht mobilisierbarer Schadstoffe sind zusätzlich Sedimentkontakttests nach vorheriger Behandlung der Böden mit Austauscherharzen geplant. Adsorptions- und Desorptionsdaten dienen der Bewertung der Mobilität von Chemikalien in Böden sowie deren Tendenz zum Eintritt in die Gas- oder in die Flüssigphase. In der Literatur besteht die Annahme, dass ein Teil der sorbiert vorliegenden Verbindungen für den biologischen Abbau nicht verfügbar ist. So zeigten Untersuchungen von Cornelissen et al., dass ein Rückgang der PAK-Konzentration durch mikrobiellen Abbau fast ausschließlich bei der schnell desorbierenden Fraktion erfolgte, während die Konzentration der langsam desorbierenden PAK-Fraktion nahezu unverändert blieb. [8] Durch unterschiedlich lange Behandlungszeiten der Böden mit Austauscherharzen, soll die Wirkung unterschiedlich fest gebundener Schadstoffe und damit der Einfluss der Alterungseffekte des Bodens auf die Bioverfügbarkeit näher bestimmt werden. Gekoppelt werden diese Untersuchungen mit chemischer Analytik, um die jeweiligen Konzentrationen an Schwermetallen, DDTs und HCHs zu erhalten.
Ergebnisse Die ökotoxikologischen Untersuchungen der Bodeneluate aus den obersten Bodenhorizonten zeigten insbesondere beim Algenwachstumshemmtest eine hohe Toxizität (siehe Abb.1). Beim zweiten Bodenhorizont war bis zu einer Verdünnung von 1:16 (G16) eine Hemmung der Chlorophyllfluoreszenz größer als 20 % zu verzeichnen.
Auch beim Leuchtbakterientest wies der zweite Bodenhorizont mit einer Hemmung von ca. 55 % in der unverdünnten Probe und Hemmungen von ca. 20 % in den G-Stufen G3 und G4 die höchste Toxizität auf. Im Daphnientest war die höchste Toxizität hingegen für die Bodenhorizonts drei bis sechs zu verzeichnen.
Anders als bei den Eluattests, die nur die Wirkung wasserlöslicher Komponenten widerspiegeln, wird mit Hilfe des Kontakttests mit Arthrobacter globiformis zusätzlich die Wirkung gebundener Schadstoffe aufgezeigt. Für die unverdünnten Böden war für die obersten drei Bodenschichten eine nahezu vollständige Hemmung der Dehydrogenaseaktivität des Testorganismus zu verzeichnen (siehe Abb. 2). Die Verdünnung der Böden erfolgte mit dem Standardreferenzboden St. 2.2 bezogen auf das Trockengewicht des Bodens. Beim vierten Horizont wurde eine feinere Unterteilung (JE 1-4a bis JE 1-4d) vorgenommen, um eventuelle Rückhalteprozesse aufzuzeigen. Innerhalb dieses Horizontes war eine kontinuierliche Abnahme der Hemmung von ca. 90 % in JE 1-4a auf ca. 70 % in JE 1-4d zu verzeichnen. Mit Hilfe der noch ausstehenden Untersuchungen mit Austauscherharzen soll geklärt werden, in wie weit diese Abnahme der Toxizität auf eine veränderte Bioverfügbarkeit der Schadstoffe aufgrund von Alterungsprozessen im Boden zurückzuführen ist.
Abb. 2: Hemmung der Dehydrogenaseaktivität von Arthrobacter globiformis im Kontakttest durch unterschiedliche Bodenhorizonte (JE 1-1: aGo-aoAh1, JE 1-2: aGo-aoAh2, JE 1-3: aAh-aM, JE 1-4: aM, JE 1-5: aGo-aM, JE 1-6: aM-aGro, JE 1-7: II aGor) eines Tiefenprofils der Spittelwasserniederung bei Bitterfeld/Wolfen
Ausblick Neben den geplanten Sedimentkontakttests an Bodenproben nach Behandlung mit verschiedenen Austauscherharzen sind ökotoxikologische Untersuchungen an Sickerwasserproben aus Säulenversuchen geplant. Mit gezielten Manipulationen soll das Schadstofflösungsverhalten im Überflutungs- und Wiederbelüftungsfall ermittelt werden. Um eine ganzheitliche Bewertung des Gefahrenpotentials der Auenböden tätigen zu können, ist eine Verknüpfung der geochemischen und ökotoxikologischen Befunde vorgesehen.
Literatur [1] Ahlf,W., Altlasten 1992, 1, 26-31. [2] Calderbank, A. Residue Rev 1989, 108, 71-103. [3] Khan, U.S., Ivarson, K.C., J Agric Fd Chem 1981, 29, 1301-1303. [4] Dutka, B.J., Walsh, K., Kwan, K.K., El Shaarawi, A., Liu, D. und Thompson, K., Water. Poll. Res. J. Canada 1986, 21, 267-282. [5] Ahlf, W., In: Steinberg, Bernhard, Klapper. Handbuch Angewandte Limnologie. Ecomed Verlagsgesellschaft 1995. [6] Wenzel, A., Nendza, M., Hartmann, P. und Kanne, R., Chemosphere 1997, 35. 307-322. [7] Neumann-Hensel, H., In: bfg Veranstaltungen Statusseminar – Sedimentkontakttests 2004, 5, 36-45. [8] Cornelissen, G., Rigterink, H., Ferdinandy, M., M., A., van Noort, P., C., M., Environ Sci Technol 1998, 32, 966-970
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Abb.1:
Hemmung der Chlorophyllfluoreszenz der Grünalge Desmodesmus
subspicatus 
