TV5 A 1 - Schoenmuth€¦ · TV5-assoziiertes Projekt A1: „Dendrotoleranz gegenüber STV in...

Humboldt-Universität, Fachgebiet Phytomedizin, Berlin-Dahlemin Zusammenarbeit mit der Biologischen Bundesanstalt, (BBA), Berlin-DahlemB. Schoenmuth, KORA-TV 5 Rüstungsaltlasten, 25.10.06 Marburg, Folie 1

Biologische Bundesanstalt für Land-und Forstwirtschaft (BBA)

TV5 A 1TV5 A 1Toleranz von NadelgehToleranz von Nadelgehöölzen gegenlzen gegenüüber TNT und Hexogenber TNT und Hexogen

sowie deren Metabolite – eine alternative Möglichkeit für die Nachnutzung von Rüstungsstandorten?

Bernd Schönmuth und Carmen Büttner

Humboldt-Universität zu Berlin (HUB)Fachgebiet Phytomedizin

www. schoenmuth.de/kora/schoenmuth-marburg2006.pdf

TV5-assoziiertes Projekt A1: „Dendrotoleranz gegenüber STV in Altlastböden und Langzeitschicksal von [14C]-Trinitrotoluol und [14C]-Hexogen in Nadelgehölzen.“


Ausgangssituation

Ein Teil der Rüstungs-Standorte ist mit STV belastet.

3240 Rüstungs-Altstandorte in der Bundesrepublik (UBA 1995)

9.997 km² = 2,8 % der Fläche Deutschlands nehmen Rü-Altstandorte und gegenwärtig militärisch genutzte Liegenschaften ein.

Viele STV-Vorkommen und STV-Verdachtsflächen sind großflächig bewaldet,vorrangig mit Nadelbäumen.

Es bietet sich an, das Potenzial von Bäumen zur natürlichen Verringerung der Boden-Kontamination mit STV zu untersuchen.

Während es für Laubbäume Hinweise für STV-Aufnahme und Metabolisierung gibt, liegen für Nadelgehölze kaum Ergebnisse vor.

Insbesondere zur Hexogen-Aufnahme durch Nadelgehölze gab es bisher keinerlei Informationen.


Wiederbelebung forstlicher Nutzungsmöglichkeiten von Rü-Altstandorten

Fichtenbestand in CZ, November 2004Sanierte Brandplatzhalde Elsnig, Juni 2006

Nebenziel: Erwirtschaftung von Mitteln zur techn. Sanierung von „hot spots“

Revitalisierung STV-kontaminierter, devastierter Flächen durch Neubepflanzung mit Gehölzen

Künftige Artengestaltung und Holzbewirtschaftung bereits bewaldeter STV-Flächen

Bedingung: Bäume sollen wachsen und gleichzeitig zur STV-Minderung beitragen(Duale Nutzung von Bäumen als Repositions- und Remediationspflanzen)


Bewaldeter Altstandort „Tanne“ bei Clausthal-Zellerfeld

Gehölze:Gehölze: Vorwiegend Fichten auf saurem BodenVorwiegend Fichten auf saurem Boden


Kiefern-bewaldeter Altstandort Torgau-Elsnig


Altstandort Stadtallendorf

Kiefernbewaldung der Außenbereiche


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 dualen Nutzung von Rüstungs-Altstandort-Wäldern

- Haben Nadelbäume eine höhere DendroToleranz als Laubgehölze ?- Welche (einfachen !) DendroToleranzparameter können genutzt werden ?

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

# Gibt es toxikologische Risiken bei der Holznutzung von Rü-Altlastwäldern ?

# Welche Akkumulationsorte für STV-Inkorporationen sind möglich ?

- In welche biochemische Fraktionen werden STV inkorporiert ?

STV-Akkumulation Mikrobielle STV-Mineralisierung zu CO2

Wurzeln ?, Holz ?, Nadeln Streuschicht ?

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


Toleranz-Test-Methodik für Gehölze

Fichten

Dochtapplikations-Systeme

Kiefern

Weiden

# Lassen Transpirationsmessungen in Großserien gravimetrisch durchführen# Quantifizieren zeitnah die Masse des STV-Inputs in das Boden/Baum-System

# Ermöglichen Permanent- und Impuls-Applikationen von STV


Laubgehölze: „Schwache“ Toleranz gegen STV

Relative Transpirations-Rate (rel TR) von Salix EW13

0%

25%

50%

75%

100%

125%

150%

-7 0 7 14 21 28Dauer-Applikation von 40 mg/l RDX [d]

rel T

R [

% d

er K

ontr

olle

]

N

N

NO2N

NO2

NO2

0.d +40 mg/l RDX Quarzsand

Relative Transpirations-Rate (rel TR) von Salix

0%

25%

50%

75%

100%

125%

150%

0.d TNT 14.d TNT 28.d TNT 42.d TNTZeit nach TNT-Applikation [d]

rel T

R [

% d

er K

ontr.

]

BBA-Boden

+TNT -TNTRDXRDX

TNTTNT

90 mg/l -> 188 mg/kg

45 mg/l -> 122 mg/kg

5 mg/l -> 16 mg/kg15 mg/l -> 45 mg/kg

482 mg RDX / kg

Die Transpiration von Weiden (Salix EW13) wird schon nach 14 Tagen durch TNTTNT und auch durch RDXRDX gehemmt.

Erste RDX-Symptome schon nach 7 Tagen sichtbar

Kontrolle = 100 %


Einfluss von RDX auf Transpiration von Weiden(Konzentrationsabhängigkeit)

Re lative Trans pirations -Rate (re l TR) von Sa l ix EW13 in Quarzs and

0%

25%

50%

75%

100%

125%

150%

-STV 7 d +STV 0 d +STV 7 d +STV 14d

+STV 21d

+STV 28d

Ze it nach RDX-Applik ation [d]

rel T

R [

% d

er K

ontr

olle

]Kontrolle1 = 100 %

2,5 mg/l RDX

5 mg/l RDX

15 mg/l RDX

30 mg/l RDX

40 mg/l RDX

N

N

NO2N

NO2

NO2RDX0.d + RDX

Quarzsand

Schwache RDXRDX--Konzentrationen Konzentrationen können die Transpiration von Weiden sogar fördern.


Toleranz von Fichten gegenüber TNT

0%

25%

50%

75%

100%

125%

150%

-7.d TNT 7.d TNT 21.d TNT 35.d TNTZeit nach TNT-Applikation [d]

rel T

R [

% d

er K

ontr

.]

5 mg/l TNT

15 mg/l TNT

45 mg/l TNT

90 mg/l TNT

Quarzsand+TNT

0

200

400

600

0 14 28 42Zeit nach TNT-Applikation [d]

TNT-

Zufu

hr [m

g/kg

]

Quarzsand 90 mg/l -> 482 mg/kg

45 mg/l -> 246 mg/kg

15 mg/l -> 86 mg/kg

5 mg/l -> 27 mg/kg

Relative Transpirations-Rate (rel TR) von Picea glauca in Quarz + TNT

kumulative TNT-Zufuhr je kg Quarzsand-TM bei Picea glauca

# Trotz hoher kumulativer TNT-Zufuhr von bis zu 480 mg TNT je kg Substrat

hat TNTTNT selbst in Quarzsand kaum einen Effekt auf die Transpiration von Fichten

# RDXRDX hat bewirkt ebenfalls keine Transpirationshemmung


Kein TNTTNT-Einfluss auf die Biomasse bei Kiefern

Kein Einfluss von TNT auf die Frischmassen- und Trockenmassenverteilung bei zweieinhalbjährigen KiefernKiefern nach 133-tägiger TNT-Applikation (ca. 4 1/2 Monate).

0 g FM

20 g FM

40 g FM

60 g FM

80 g FM

100 g FM

ohne 15 mg/l 45 mg/l 90 mg/l TNT-Konzentration [mg/l]

FM [g

/Top

f]

FM-Nadeln

FM-Stämme + Zw eige

FM-Wurzeln

0

NOO N

CH

NO

3

22

2

1030522133 TNT-Zufuhr [mg/kg]

85 9610281 Gesamtmasse [g FM]

0 g TM

20 g TM

40 g TM

60 g TM

80 g TM

100 g TM

ohne 15 mg/l 45 mg/l 90 mg/l TNT-Konzentration [mg/l]

TM [g

/Top

f]

TM-Nadeln

TM-Stämme + Zw eige

TM-Wurzeln

0 1030522133 TNT-Zufuhr [mg/kg]

NOO N

CH

NO

3

22

2

38 424335 Gesamtmasse [g TM]

Nadeln Stämme + Zweige Wurzeln

Kein Einfluss von STV auf die Biomasse-Entwicklung bei Fichten Fichten messbar (TNT; 2,4-DNT; 2,4-DNBS; MNTs und RDX)


40

30 4015 5 2,50 21 Tage RDX mg/l

STV-Schadsymptome an Laubgehölzen

Spezifische RDXSpezifische RDX-Schadsymtome bei Laubbäumen: Weiden, Ahorn, Hainbuchen

28. d

40 mg/l RDX

# Spezifische RDX# Spezifische RDX-Schadsymptome bei Laubbäumen: Weiden, Ahorn, Hainbuchen

# Unspezifische Schadsymptome bei TNTTNT-verwandten Verbindungen

45 mg/l TNT 45 mg/l 2,4-DNT 90 mg/l 2,4-DNBS


Kontrollpflanzen TNT+RDX-behandelte Pflanzen

Keine visuell erkennbaren Schadsymptome bei Fichten und Kiefern

für TNTTNT; 2,4-DNT; 2,4-DNBS; 2-MNT; 3-MNT; 4-MNT und RDXRDX

Keine STV-Schadsymptome an Nadelgehölzen


Frage: Sind Nadelhölzer Excluderpflanzen für STV?# # Da keine Schadsymptome und kaum Transpirationshemmungen bei KoniDa keine Schadsymptome und kaum Transpirationshemmungen bei Koniferen durch feren durch STV feststellbar sind STV feststellbar sind Verdacht auf Verdacht auf „„Stress AvoidanceStress Avoidance““

StressStress--Toleranz für STVToleranz für STVStressStress--“Vermeidung“ für STV“Vermeidung“ für STV

Stress ToleranceStress ToleranceStress AvoidanceStress Avoidance

Baum nimmt keine STV aufBaum nimmt keine STV auf Baum nimmt STV auf, Baum nimmt STV auf, akkumuliert STV und akkumuliert STV und

metabolisiert STVmetabolisiert STVBaum ist „Excluderpflanze“Baum ist „Excluderpflanze“

Keine pflanzenKeine pflanzen--bewirkte STVbewirkte STV--BodenabreicherungBodenabreicherung

Zusätzlich mikrobieller STVZusätzlich mikrobieller STV--Abbau in der WurzelzoneAbbau in der Wurzelzone

Direkte STVDirekte STV--Bodenabreicherung durch Bodenabreicherung durch

Gehölze möglichGehölze möglich

Unbedenklichkeit bei der Unbedenklichkeit bei der HolznutzungHolznutzung

Höchstens mikrobieller STVHöchstens mikrobieller STV--Abbau in der WurzelzoneAbbau in der Wurzelzone

Risiko bei der HolznutzungRisiko bei der Holznutzung


Morphologische Kompartimentierung

des Verbleibes von 14C-TNT und 14C-RDX

Nadeln

Holz

WurzelnDynamische 14C-Dotierung Boden/Sand

Separation der Gehölzteile

TNT (45 mg/l) über 35 TageTNT (45 mg/l) über 35 TageRDX (30 mg/l) über 21 TageRDX (30 mg/l) über 21 Tage

# # PermanentPermanent--Applikation von 14CApplikation von 14C--markierten STV über Dochtgefäßemarkierten STV über Dochtgefäße

33--jährige Fichtenjährige Fichten

22--jährige Kiefernjährige Kiefern

Gravimetrische Kontrolle

der 14C-Zufuhr


14C-TNT- und 14C-RDX-Verbleib

TNT-eq-Konzentrationen [mg/kg TM]

261

1883

308

0

100

200

300

400

Fichte Kiefer Sand

diesjähr. Nadelnvorjähr. Nadelnalte Nadelndiesjähr. Holzvorjähr. Holzaltes HolzWurzelnQuarzsand

NOO N

CH

NO

3

22

2

TNT-eq-Massen-Verteil. [µg TNTeq]

6211.785

4.1924.735 2.671

0

2.000

4.000

6.000

8.000

Fichte Kiefer Sand


RDX-eq-Konzentrationen [mg/kg TM]

2111 1310 1211 1511

258

20

49

1,91,0 1,922

11

0

50

100

150

200

Fichte Kiefer Sand

diesjähr. Nadeln

vorjähr. Nadeln

alte Nadeln

diesjähr. Holz

vorjähr. Holz

altes Holz

Wurzeln

Quarzsand

N

N

NO2N

NO2

NO2

Nadeln 94

Holz 40

Wurz. 21

RDX-eq-Massen-Verteil. [µg RDXeq]

191 297464

338 179

130143

0

200

400

600

800

1.000

Fichte Kiefer Sand


TNT wird vorwiegend in der TNT wird vorwiegend in der WurzelWurzel akkumuliertakkumuliert RDX wird vorwiegend in RDX wird vorwiegend in NadelnNadeln akkumuliertakkumuliert

Bis zu 94 mg RDXeq je kg TM in Ki-Nadeln

Nadelgehölze können TNT-haltige und RDX-belastete Böden deutlich abreichern

Bis zu 300 mg TNTeq je kg TM in Ki-Wurzeln


Vergleich der Festlegung von RDX und TNT

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Extra

hier

bark

eit [

%]

14C-RDX 14C-TNTFichten Fichten KiefernKiefern

Wurzeln

RDXRDX schwache Festlegung schwache Festlegung und kaum Metabolisierung kaum Metabolisierung des extrahierb. Anteils Extrakte enthalten fast ausschließlich RDX

TNTTNT hohe Festlegung hohe Festlegung und starke Metabolisierung starke Metabolisierung des extrahierbaren Anteils Extrakte enthalten nur polare Metabolite aber nicht TNT, ADNTs, DANTs

50 % Essigsäure

Methanol

Acetonitril

Leichter Aufwärtstransport zu Holz und Nadeln möglichBedenklichkeit bei der Holznutzung; Streuschichtakkumulation möglich

Durch starke Wurzelfestlegung wenig Aufwärtstransport ins Holz möglichLangzeitverhalten in Wurzeln muss abgeklärt werden (Mineralisierung?)


Zeitverlauf bei Nadel-Aufnahme von 14C-TNT und 14C-RDX

Zeitverlauf der Aufnahme von 14C-RDX und 14C-TNT in diesjährige Nadeln von 4-jährigen Picea glauca

0

5

10

15

0. d 7. d 14. d 21. d 28. d 35. d 42. dSTV-Expositionszeit [Tage]

Kon

z. [

mg

STVe

q/g

TM]

RDX N

N

NO2N

NO2

NO2

NOO N

CH

NO

3

22

2

TNT

Zeitverlauf der Aufnahme von 14C-RDX und 14C-TNT in diesjährige Nadeln von 3-jährigen Pinus sylvestris

0

20

40

60

0. d 7. d 14. d 21. d 28. d 35. dSTV-Expositionszeit [Tage]

Kon

z. [

mg

STVe

q/g

TM]

TNT

RDX

NOO N

CH

NO

3

22

2

N

N

NO2N

NO2

NO2

Fichte Kiefer

Sowohl RDX als auch TNT werden in den Nadeln stetig akkumuliert.Die RDX-Verlagerung in die Nadeln ist wesentlich intensiver als die von TNT.Kiefern zeigen für RDX eine höhere Akkumulationsfähigkeit als Fichten.


Zusammenfassung

1. Im Vergleich mit Laubgehölzen und krautigen Pflanzen sind Nadelgehölze(Fichte, Kiefer) toleranter gegenüber TNT, RDX und anderen STV.

2. Fichten und Kiefern können erhebliche Mengen an TNT und RDX aus der Bodenlösung extrahieren und TNT- bzw. RDX-Abkömmlinge akkumulieren. TNT-Abkömmlinge werden hauptsächlich in der Wurzel akkumuliert und dort zu ca. 80-90 % nichtextrahierbar festgelegt. RDX wird dagegen bevorzugt oberirdisch im Holz und vor allem in Nadeln akkumuliert.

3. Risiken bei der Holznutzung ergeben sich vor allem auf RDX-Standorten durch die Gefahr der Holz- und Streuschichtakkumulation.

Empfehlungen für den KORAEmpfehlungen für den KORA--Leitfaden:Leitfaden:Empfehlungen zur Artengestaltung müssen standortspezifisch erfolgen. Sie müssen Boden- und Klimafaktoren sowie den vorhandenen Pflanzenbestand berücksichtigen.

Nadelgehölze sind für die künftige Artengestaltung von Rüstungs-Altstandorten wegen ihrer STV-Toleranz und wegen ihrer „Wintertranspiration“ zu bevorzugen und auch wegen ihrer STV-Akkumulations- und STV-Metabolisierungsfähigkeit zur Bepflanzung geeignet.

Nadelwälder auf STV-Standorten sind grundsätzlich zu erhalten. Zur Erhöhung der Artenvielfalt sind Einpflanzungen von ca. 20 % Laubhölzern sinnvoll.


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Misch-Bepflanzung einer TNT/ADNT-belasteten Fläche in Clausthal-Zellerfeld

nach ca. 6 Jahren. Gehölze: Fichte, Zitterpappel und Holunder.

BMBF-Projekt des UFT der Universität Bremen

Fichte

Zitterpappel

Holunder verschwunden

Juni 2006

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