Eignung verschiedener Pflanzen zur Sicherung und Langzeitdekontamination für feste bis pastöse Kontaminationen aus der carbo- und petrolchemischen Industrie
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| Veröffentlicht: |
Osnabrück
<<Der>> Andere Verl.
2002
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| Schriftenreihe: | Hallenser bodenwissenschaftliche Abhandlungen
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Autor: Hübner, Thorsten
Jahr: 2002
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Literaturübersicht
2.1 Überblick über die Förderung und Verwertung fossiler Energieträger
2.1.1 Förderung und Verwertung von Kohle (Braun- und Steinkohle)
2.1.2 Förderung und Verwertung von Rohöl
2.2 Altlasten der carbo- und petrolcbemischen Industrie
2.2.1 Gefahrenpotenzial
2.3 Stand der Forschung
2.3.1 Die Ausbreitung von Phenolen, MKW und PAK in den Ökosystemen
2.3.1.1 Verhalten von Phenolen im Boden
2.3.1.2 Verhalten von MKW und PAK im Boden
2.3.2 Transport und Wirkungen von Phenolen, MKW und PAK in der Pflanze
2.3.2.1 Allgemeines zur Phytotoxizität
2.3.2.2 Transport und Wirkungen der durch die Pflanze aufgenommenen Phenole
2.3.2.3 Transport und Wirkung der durch die Pflanze aufgenommenen PAK
2.3.3 Mikrobieller Abbau von Phenolen, MKW und PAK
2.3.3.1 Mikrobieller Phenolabbau
2.3.3.2 Mikrobieller Abbau von MKW und PAK
2.4 Sanierungsmöglichkeiten von kohlen wasserstoffhalt igen Altlasten
2.4.1 Konventionelle Methoden der Dekontamination
2.4.2 Alternative Möglichkeit der Sicherung und Langzeitdekontamination von
mineralölhaltigen Altlasten durch Pflanzenbewuchs
3. Problemstellung und Zielsetzung
4. Material und Metboden
4.1 Kurzbeschreibung der untersuchten Altlaststandorte
4.2 Vegetationsstudie (Standorte)
4.3 Bodenparameter
4.3.1 Bodenkenndaten
4.3.2 Nährstoffe im Boden (Gefäßversuche)
4.3.3 Bodenmikrobiologische Bestimmungen
4.3.4 Bioindikatoren und ökotoxikologische Parameter
4.3.5 Parameter der Schadstoffanalytik
4.4 Parameter der Pflanzenanalysen (Gefäßversuche) 27
4.5 Bepflanzungsversuche in Gefäßen nach Mitscherlich 28
4.5.1 Beschreibung der Versuchssubstrate 29
4.5.2 Pflanzenmaterial 31
4.5.3 Standorterhebungen und Versuchsaufbau (GefäBversuche) 31
4.5.4 Probenahme 33
4.6 Statistische Auswertung 33
4.7 Überblick der Prüfparameter und der angewendeten 34
Analysemethoden
5. Ergebnisse und Diskussion 36
5.1 Standortuntersuchungen 36
5.1.1 Hauptvegetation auf den Altlaststandorten 36
5.1.2 Bodenkennwerte und Schadstoffgehalte 39
5.1.3 Kohlenstoffgehalte und mikrobielle Biomasse 41
5.1.4 Enzymaktivitäten 43
5.1.5 Köderstreifentest und Lumbricidenerfassung 44
5.2 GefäBversuche 50
5.2.1 Pflanzenwachstum und Durchwurzelung in den Abbauversuchen 50
5.2.2 Pflanzenwachstum und Durchwurzelung in den Penetrationsversuchen 59
5.3. GefäBversuche - MKW und PAK - Umsetzung 62
5.3.1 MKW - Umsetzung in schluffigen und sandigen Substraten 62
5.3.2 MKW - Umsetzung bei Bepflanzung des Ölabscheiderrückstandes 67
5.3.3 Fraktionierung der Kohlenwasserstoffe mittels der SAR-Trennung 68
5.4 PAK - Umsetzung bei Bepflanzung mit Schilf und Luzerne 70
5.5 Humifizierung von MKW in den Versuchssubstraten 71
5.6 Basalatmung, mikrobielle Biomasse und metabolischer Quotient 75
5.6.1 Basalatmung nach 2 Vegetationsperioden 75
5.6.2 Basalatmung nach 3 Vegetationsperioden (sandiges Substrat) 78
5.6.3 Mikrobielle Biomasse nach 2 Vegetationsperioden 79
5.6.4 Mikrobielle Biomasse nach 3 Vegetationsperioden (sandiges Substrat) 82
5.6.5 Metabolischer Quotient nach 2 Vegetationsperioden 83
5.6.6 Metabolischer Quotient nach 3 Vegetationsperioden (sandiges Substrat) 84
5.7 Bestimmung der Pilz- und Bakterienbiomasse mittels selektiver 87
Hemmung
5.8 Enzymaktivitäten 89
5.8.1 Katalaseaktivität 89
5.8.2 Arginin - Desaminierung 93
5.8.3 ß - Glucosidaseaktivität 96
5.9 Ökotoxikologiscbe Bewertung der Versuchssubstrate 99
5.9.1 Respiratorischer Quotient nach PALMBORG und NORDGREN 99
5.9.2 Leuchtbakterientest 102
6. Abschlussdiskussion 106
6.1 Standortuntersuchungen 106
6.2 Gefäßversuche 107
6.2.1 Pflanzenwachstum 107
6.2.2 Schadstoffumsetzung 108
6.2.3 Bodenmikrobiologische Untersuchungen 109
6.2.4 Ökotoxikologische Bewertung 112
7. Zusammenfassung und Schlußfolgerungen 115
8. Literaturverzeichnis 121
Anbang 1 (Erdölarten und ihr geographisches Vorkommen)
Anhang 2 (Vegetationsstudie auf den Altlaststandorten)
Anhang 3 (Standorterhebungen auf den Altlaststandorten)
Anbang 4 (Gefäßversuche)
Danksagung
Abbildungsverzeichnis Seite
Abb. 2.1 Einsatz der Braunkohle in der DDR (KUCHLING et.al, 1993) 3
Abb. 2.2 Stoffbilanz einer Braunkohlenschwelerei (KUCHLING et.al, 4
1993)
Abb. 2.3 Schematische Darstellung der Möglichkeit einer bepflanzten 19
Fläche bzw. Deponie mit negativem Grundwasserpotenzial
Abb. 4.1a Mitscherlichgefäß der Varianten der Penetrationsversuche 30
Abb. 4.1b Mitscherlichgefäß der Varianten der Abbauversuche 30
Abb. 5.1a Aus dem Böschungsbereich einer Deponie auslaufender Teer, 30
bewachsen mit Schilf (Teufe)
Abb. 5.1 b Kontaminierter Unterboden durch unterirdisch verkippten Teer 45
und belastetes Grundwasser (Waldau)
Abb. 5.2 Fraßprofile an den Standorten Waldau, Teufe und Spergau. 45
Dargestellt ist die prozentuale Verteilung der Fraßaktivität im
Tiefenprofil
Abb. 5.3a: Trockengewicht (TG) der oberirdischen Pflanzenteile und 51
Anzahl der Wurzelspitzen (WU) von ausgewählten Pflanzen bei
Bepflanzung bitumenhaltiger Bodensubstrate H (hoch dosiert) N
und andere niedrig dosiert, verglichen mit der Kontrolle bei
Versuchsende
Abb. 5.3b: Trockengewicht (TG) der oberirdischen Pflanzenteile und 51
Anzahl der Wurzelspitzen (WU) von ausgewählten Pflanzen bei
Bepflanzung eines Ölabscheiderrückstandes verglichen mit der
Kontrolle bei Versuchsende nach 2 Jahren
Abb. 5.4: Trockengewicht der oberirdischen Pflanzenteile (1) von Schilf 52
bei Bepflanzung von unterschiedlich kontaminierten sandigen
Bodensubstraten und der Kontrolle im Vergleich zur 1.
Vegetationsperiode
Abb. 5.5: Tiefenverteilung der Wurzelspitzen in den bitumenhaltigen 53
Varianten am Beispiel der Bepflanzung mit Schilf und Luzerne
im schluffigen Substrat
Abb. 5.6: Wurzelspitzenanzahl nach 3 Jahren Wachstum von Schilf im 54
sandigen Substrat in Abhängigkeit vom MKW - Gehalt
Abb. 5.7a: Anteile der Wurzel- (wu) und der Sprossbiomasse (ob) an der 60
Gesamtbiomasse (Penetrationsbarriere aus Heißkleber: 1,5 cm
bzw. 3,5 cm
Abb. 5.7b: Mittlere Verteilung der Wurzeln (TG) im Boden ober- und 60
unterhalb der Penetrationsbarriere aus HeiDkleber: 1,5 cm bzw.
3,5 cm
Abb. 5.8 Verlauf der MKW - Gehalte bei 3-jährigen Versuchen mit 63
unterschiedlicher Bitumenkontamination im sandigen Substrat,
bepflanzt mit Schilf und unbepflanzt
Abb. 5.9 VerlaufdesMKW-Gehaltes bei 2-jährigen Versuchen mit 65
Bitumenkontamination, bepflanzt mit Erle, Robinie, Luzerne
und unbepflanzt
Abb. 5.10: Verlauf des MKW - Gehaltes bei 2-jährigen Versuchen mit 66
Bitumenkontamination, bepflanzt mit Rohrglanzgras, Schilf,
Weide und unbepflanzt
Abb. 5.11: Anteile der polaren- (resins), aromatischen- (aromatics) und 68
gesättigten (saturates) Kohlenwasserstoffe am Ölgebalt im
sandigen Boden zu Versuchsbeginn und am Ende
Abb. 5.12 Verlauf der PAK - Umsetzung bei 2 -jährigen Versuchen, 70
bepflanzt mit Schilf und Luzerne bzw. unbepflanzt
Abb. 5.13: Gehalte an CbioorI in bitumenhaltigen Substraten (sandiges 72
Substrat H3: hoch, N3: niedrig dosiert; seh luftiges Substrat2)
und C, Gehalt in den bitumenfreien Kontrollen bei
Versuchsende
Abb. 5.14: Humifizierungs- und Mineralisierungsrate sowie der Rest-MKW 73
- Gehalt in bitumenhaltigen Bodensubstraten (sandiges Substrat
3H: hoch, 3N: niedrig dosiert; schiuffiges Substrat2) und C,
Gehalt in den bitumenfreien Kontrollen1 bei Versuchsende
Abb. 5.15: Basalatmung in bitumenhaltigen Bodensubstraten und den 76
Kontrollen nach 2 Vegetationsperioden bei Bepflanzung mit
Schilf bzw. unbepflanzt
Abb. 5.16: Basalatmung in unterschiedlich bepflanzten und nicht 77
bepflanzten Varianten mit und ohne Schadstoffzugabe
Abb. 5.17: Basalatmung in bepflanzten! und unbepflanzten Varianten nach 79
3 Vegetationsperioden mit und ohne Schadstoffzugabe
Abb. 5.18 Mikrobielle Biomasse in bitumenhaltigen Bodensubstraten nach 80
2 Vegetationsperioden bei Bepflanzung mit Schilf bzw.
unbepflanzt
Abb. 5.19: Mikrobielle Biomasse (Cmic) in bitumenhaltigen Bodensubstraten 81
und den Kontrollen ohne Scbadstoffzugabe
Abb. 5.20: Mikrobielle Biomasse in bepflanzten und unbepflanzten 82
Varianten nach 3 Vegetationsperioden mit und ohne
Schadstoffzugabe
Abb. 5.21: Metabolischer Quotient (qCO2) in bitumenhaltigen 83
Bodensubstraten nach 2 Vegetationsperioden bei Bepflanzung
mit Schilf bzw. unbepflanzt
Abb. 5.22: Metabolischer Quotient (qCO2) in bitumenhaltigen 84
Bodensubstraten und den Kontrollen ohne Schadstoffzugabe
Abb. 5.23: Metabolischer Quotient in bepflanzten und unbepflanzten 85
Varianten nach 3 Vegetationsperioden mit und ohne
Schadstoffzugabe
Abb. S.24: Pilz- und Bakterienbiomasse im schluffigen Substrat mit und 87
ohne Bitumen bepflanzt mit Schilf und Luzerne bzw.
unbepflanzt nach 2 Jahren
Abb. 5.25: Mittlere Veränderung der Katalasezahl in bitumenhaltigen 91
Bodensubstraten innerhalb des Versuchszeitraumes verglichen
mit der bitumenfreien Kontrolle
Abb. 5.26: Mittlere Veränderung der Katalasezabl innerhalb des 92
Versuchszeitraumes bei Bepflanzung im sandigen Substrat H
(Bitumen, hoch), N (niedrig dosiert), im schluffigen Substrat II
(Bitumen) und den bitumenfreien Kontrollen
Abb. 5.27: Mittlere Veränderung der Arginin - Desaminierung innerhalb 95
des Versuchszeitraumes bei Bepflanzung in den bitumenfreien
Kontrollen
Abb. 5.28: Mittlere Veränderung der ß - Glucosidase in bitumenhaltigen 97
Bodensubstraten innerhalb des Versuchszeitraumes verglichen
mit der bitumenfreien Kontrolle
Abb. 5.29: Veränderung der ß - Glucosidase innerhalb des Versuchs- 98
Zeitraumes bei Bepflanzung im sandigen Substrat (II) H
(Bitumen, hoch) bzw. N (niedrig dosiert) und im schluffigen
Substrat II (Bitumen) sowie den jeweiligen bitumenfreien
Kontrollen
Abb. 5.30: Respiratorischer Quotient in bitumenhaltigen Bodensubstraten 100
sowie den bitumenfreien Kontrollen verschieden bepflanzt bzw.
unbepflanzt
Abb. 5.31: Zeitlicher Verlauf der Leuchtbakterienhemmung im sandigen 103
Substrat I bei unterschiedlichen Bitumengebalten bepflanzt bzw.
unbepflanzt
Abb. 5.32: Zeitlicher Verlauf der Leuchtbakterienbemmung im schluffigen 104
Substrat mit Bitumen und verschieden bepflanzt bzw.
unbepflanzt
Tabelleoverzeichnis
Tab. 2.1: Überblick Ober die Förderung, Vorräte und Reichweite wichtiger 2
Energieträger (nach WELLMER, 1995)
Tab. 2.2: Sanierungsumfang im Bereich Tagebaue und Veredelungsanlagen 3
im mitteldeutschen Raum (nach ANONYM, 1994a)
Tab. 2.3a: Nach dem Schwelen in der asche- und wasserfreien Substanz 5
enthaltene Grundstoffe (nach ZERBE, 1969)
Tab. 2.3b: Kohleschwelprodukt und darin enthaltener Teeranteil S
(nach ZERBE, 1969)
Tab. 2.4: Gegenüberstellung der Braunkohlenteere und Öle, Fertigerzeug- 5
nisse und ausgewählte Produktionsverfahren (nach ZERBE, 1969)
Tab. 2.5: Verteilung der Welt-Erdölreserven (nach PUSCH et al, 1994) 6
Tab. 2.6: Einfluss verschiedener Rohöle auf die Ausbeute von Benzin u. 7
Schweröl
Tab. 2.7: Gehalte an Fluoranthen und Benzo(a)pyren in Oberböden (Ah- 8
Horizonte, bei Waldböden z.T. Oh- Horizonte, bei Industrieböden
oberste Bodenschicht) (nach RABER, 1996)
Wasserlöslichkeit einiger Phenole (nach Rippen, 1992) 10
Physikochemische Eigenschaften von einigen PAK, MKW und 11
anderer Kohlenwasserstoffe (nach RABER, 1996, KOHL, 1998,
ZERBE, 1969)
Sanierungsmethode und dabei zu beachtende Problematik 17
Übersicht einzelner Angaben zur Teerverarbeitung am Standort 24
Teufe
Textur des Versuchsbodens (ermittelt nach Köhn) 28
Nährstoffgehalte des Versuchsbodens vom Standort Etzdorf 29
Nährstoffgehalte im Komplexdünger Hakophos-Spezial 29
Penetrationszahlen der verwendeten Materialien 30
Überblick Versuchsaufbau 32
Überblick der Prüfparameter und der angewendeten 34
Analysenmethode
Auszüge der Artenlisten der Gebietskartierung in Waldau, Spergau 37
und Rohlingen
Bodenkennwerte (Ah-Horizont) der Standorte (Schürfe) 39
Ausgewählte MKW- und PAK - Gehalte im Boden (Ah-Horizont) 40
und im Grundwasser
Schwermetaligehalte der Böden (Ah-Horizont) 41
(K= kontaminiert, V= Vergleichsfläche)
Kohlenstoffgehalte auf den untersuchten Flächen (Ab-Horizont) 41
(K= kontaminiert, V= Vergleichsfläche)
Ausgewählte bodenmikrobiologische Parameter (Ah-Horizont) 42
Tab. Tab. 2.8: 2.9:
Tab. Tab. 2.10: 4.1:
Tab. Tab. Tab. 4.2: 4.3: 4.4:
Tab. Tab. Tab. 4.5: 4.6: 4.7:
Tab. 5.1:
Tab. Tab. 5.2 5.3
Tab. 5.4:
Tab. 5.5:
Tab. 5.6:
Tab. 5.7: Enzymaktivitäten auf den untersuchten Standorten (Ah-Horizont) 43
Tab. 5.8: Lumbricidenanzahi und -biomasse (Sandorte) (nach TISCHER, 46
2001)
Tab. 5.9: Schwermetallgehalte in den Lumbriciden und Transferfaktoren 47
(TF) für Zn und Cd
Tab. 5.10: PAK - Gehalte (in mg/kg TS) in Böden (Ah-Horizont) und 48
Lumbriciden
Tab. 5.11: Transferfaktoren ausgewählter Substanzen 49
Tab. 5.12: Mittlere Nährstoffgehalte im sandigen Boden 56
Tab. 5.13: Mittlere Nährstoffgehalte im Boden [mg/100g] bei 57
Versuchsabbruch im schluffigen Substrat
Tab. 5.14: Stickstoffgehalte in den Pflanzen [mg/kg TS] bei Versuchsabbruch 58
Tab. 5.15: Penetrationszahlen der verwendeten Materialien bei 25°C und 61
35°C
Tab. 5.16: TOC - Gehalt [mg/1] im S4 - Eluat (sandiges Substrat) 70
Tab. 5.17: Katalasezahl im Verlauf des ersten Versuchsjahres und bei 90
Versuchsabbruch bei verschiedenen Bitumenkonzentrationen bei
Bepflanzung mit Schilf bzw. Nichtbepflanzung im Vergleich zu
einer Kontrollvariante ohne Bitumenzusatz
Tab. 5.18: Arginin - Desaminierung im Verlauf des ersten Versuchsjahres 94
und bei Versuchsabbruch bei verschiedenen
Bitumenkonzentrationen bei Bepflanzung mit Schilf bzw.
Nichtbepflanzung im Vergleich zu einer Kontrollvariante ohne
Bitumenzusatz
Tab. 5.19: Überblick über MKW - Gehalt, metabolischer Quotient (qCO2), 101
respiratorischer Quotient (Qr), lag-Phase und
Wachstumsmaximum
Tab. 6.1: Ausgewählte Parameter sowie die Einschätzung der Eignung zur 114
Pflanzenauswahl und zur Bewertung bitumenhaltiger
Bodensubstrate
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| series | Hallenser bodenwissenschaftliche Abhandlungen |
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