Einschätzung der Bodenqualität mit Hilfe pflanzlicher und tierischer Bioindikatoren: Forschungsbericht 29774037
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| Format: | Buch |
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| Veröffentlicht: |
Berlin
Umweltbundesamt
2000
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| Schriftenreihe: | Deutschland / Umweltbundesamt: Texte
2000,36 Umweltforschungsplan des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit : Bodenschutz |
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Titel: Einschätzung der Bodenqualität mit Hilfe pflanzlicher und tierischer Bioindikatoren
Autor: Meyer, Ulrike
Jahr: 2000
Inhaltsverzeichnis
1 BIOINDIKATION UND BODENBELASTUNGEN.12
1.1 Einführung und Zielstellungen.12
1.2 Bedeutung der Bioindikation.17
1.2.1 Begriffsbestimmungen.17
1.2.2 Ziele, Nutzen und Grenzen der Bioindikation von Schadstoffen
in Böden.20
1.3. Schadstoffe.24
1.3.1 Anorganische Schadstoffe.24
1.3.2 Organische Schadstoffe.30
1.4 Beeinflussung der Bioverfügbarkeit von Schadstoffen.34
1.4.1 Schwermetalle.34
1.4.2 Organische Schadstoffe.38
1.5 Anforderungen an Bioindikationsmethoden.40
2 PFLANZLICHE BIOINDIKATOREN.44
2.1 Schwermetalle und Metalloide - Bedeutung für höhere
Pflanzen.44
2.1.1 Zink.44
2.1.2 Kupfer.46
2.1.3 Nickel.48
2.1.4 Blei.50
2.1.5 Cadmium.52
2.1.6 Arsen.54
2.1.7 Chrom.56
2.1.8 Quecksilber.57
2.1.9 Bedeutung der Schwermetallaufnahme über die Blätter für die
Bioindikation von Schwermetallen in Böden.58
2.2 Reaktionen von Pflanzen auf Schwermetalle in Boden.60
2.2.1 Anpassungsmechanismen an hohe Schwermetallgehalte.61
2.2.1.1 Selektion schwermetallresistenter Genotypen.61
2.2.1.2 Resistenz und Toleranz; Excluder, Indikatoren und Akkumulatoren.64
2.2.2 Akkumulation von Schwermetallen in verschiedenen
Pflanzenorganen.70
2.2.3 Schadsymptome durch Schwermetalle.71
2.2.4 Kriterien für einen „idealen" Bioindikator.73
2.3 Wildpflanzen als Bioindikatoren schwermetallreicher
Standorte.75
2.3.1 Geobotanische und biogeochemische Erkundung.75
2.3.2 Metallophyten und Metallresistenz in verbreiteten Arten.79
2.3.3 Morphologische Änderungen.82
2.3.4 Sukzessionen auf schwermetallreichen Standorten.84
2.3.5 Eignung von Wildpflanzen als Bioindikatoren
schwermetallreicher Standorte.89
2.4 Kulturpflanzen als Bioindikatoren landwirtschaftlicher
Standorte.90
2.5 Bäume als Bioindikatoren.97
2.6 Pilze als Bioindikatoren für Schwermetalle in Böden.102
2.6.1 Pilze.als Akkumulationsindikatoren.103
2.6.1.1 Quecksilber.103
2.6.1.2 Cadmium.105
2.6.1.3 Blei.107
2.6.1.4 Zink.108
2.6.1.5 Kupfer.HO
2.6.1.6 Arsen und Nickel.111
2.6.2 Pilze als Reaktionsindikatoren.112
2.6.3 Eignung von Pilzen zur Bioindikation von Schadstoffen in
Böden.112
2.7 Wirkung organischer Schadstoffe auf höhere Pflanzen.114
2.7.1 Aufnahme von organischen Schadstoffen durch Pflanzen.114
2.7.2 PAK (Polycyclische Aromatische Kohlenwasserstoffe).115
2.7.3 PCB (Polychlorierte Biphenyle).117
2.7.4 HCH (Hexachlorcyclohexan).118
2.7.5 PCDD/PCDF (Polychlorierte Dibenzd-p-dioxine und -furane).122
2.7.6 HCB (Hexachlorbenzol).123
2.7.7 Eignung von Pflanzen als Bioindikatoren für organische
Schadstoffe.124
3 TIERISCHE BIOINDIKATOREN.126
3.1 Abgrenzung des Gegenstands dieser Untersuchung.126
3.2 Eignung von Bodentieren als Bioindikatoren.127
3.2.1 Physiologische Eignung.127
3.2.1.1 NahrungswaM.127
3.2.1.2 Assimilation von Schadstoffen.128
3.2.1.3 Formen der Speicherung.128
3.2.1.4 Exkretion.130
3.2.1.5 Adaptierte Populationen.131
3.2.2 Handhabbarkeit der Organismen.132
3.3 Akkumulationsindikation.138
3.3.1 Ziele, Möglichkeiten und Grenzen der Akkumulatonsindikation.138
3.3.2 Auswahl der Individuen für die Akkumulationsindikation.141
3.3.3 Aufbereitung der Proben bei der Akkumulationsindikation.142
3.3.3.1 Methode 1: Darmentleerung durch Hungern.143
3.3.3.2 Methode 2: Herauspräparieren des Darminhalts.144
3.3.3.3 Methode 3: Rechnerische Korrektur.144
3.4 Aktives Monitoring mit Regenwürmern.146
3.5 Anorganische Schadstoffe.147
3.5.1 Nicht essentielle Metalle und Metalloide.147
3.5.1.1 Cadmium.147
3.5.1.2 Blei.156
3.5.1.3 Nickel.165
3.5.1.4 Chrom.167
3.5.1.5 Quecksilber.168
3.5.1.6 Arsen.169
3.5.2 Essentielle Metalle.169
3.5.2.1 Kupfer.169
3.5.2.2 Zink.178
3.5.3 Auswirkungen von Mischkontaminationen mit Schwermetallen.184
3.5.4 Anorganische Schadstoffe in Böden: Zwischenbilanz.187
3.5.4.1 Akkumulation.187
3.5.4.2 Toxizität.188
3.6 Organische Schadstoffe.189
3.6.1 Biotransformation und Ausscheidung organischer Schadstoffe.189
3.6.2 Bestimmungsgrößen der Akkumulation organischer Schadstoffe
in Bodentieren.191
3.6.3 Auswirkungen organischer Schadstoffe auf Bodentiere.197
3.6.3.1 Chlorierte Kohlenwasserstoffe.197
3.6.3.2 Carbamate.202
3.6.3.3 Hexachlorbenzol.203
3.6.3.4 Polychlorierte Biphenyle (PCB).204
3.6.3.5 Chlorphenole und Chloranisole.207
3.6.3.6 Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK).213
3.6.3.7 Benzimidazole und Thiophanate.216
3.6.3.8 PCDD/F.220
3.6.4 Organische Schadstoffe in Böden: Zwischenbilanz.222
3.6.4.1 Akkumulation.222
3.6.4.2 Toxizität.223
3.7 Anorganisch-organische Mischkontamination: Der Fall
Brixlegg.224
3.8 Änderungen der Dominanzstruktur als möglicher
Wirkangsparameter.227
3.9 Änderungen im Aufbau des Humusprofils als Folge der
Schädigung von Bodentieren (Wirkungsparameter 2.
Ordnung).228
4 SCHLUSSFOLGERUNGEN.230
4.1 Arten mit bioindikativem Potential für Schadstoffe in Böden.230
4.1.1 Pflanzenarten mit bioindikativem Potential für Schadstoffe in
Böden.230
4.1.2 Bodentierarten mit bioindikativem Potential für Schadstoffe in
Böden.236
4.2 Abschließende Bewertung, Forschungs- und
Entwicklungsbedarf.241
4.2.1 Pflanzliche Bioindikatoren.241
4.2.2 Tierische Bioindikatoren.245
4.3 Aspekte von grundsätzlicher Bedeutung für die Entwicklung
von Verfahren zur Bioindikation von Schadstoffen mit
Pflanzen und Bodentieren.251
5 ZUSAMMENFASSUNG / SUMMARY.252
6 VERZEICHNIS DER TAXA.260
6.1 Verzeichnis der Taxa - Pflanzen.260
6.2 Verzeichnis der Taxa - Tiere.265
7 GLOSSAR.269
8 LITERATURVERZEICHNIS.270
9 ANHANG.312
TABELLENVERZEICHNIS
Tabelle 1: Übersicht der Mindestanforderungen für landesweite
Meßnetze und Dauerbeobachtungsstationen.13
Tabelle 2: Ziele der Bioindikation von Schadstoffen in Böden mit
Pflanzen und Bodentieren.,.21
Tabelle 3: Klassifizierung der Metalle nach der Art ihrer Liganden in
biologischen Systemen.25
Tabelle 4: Ursache von anorganischen Bodenkontaminationen.26
Tabelle 5: Ursache von organischen Bodenkontaminationen.30
Tabelle 6: Grenz-pH-Werte für eine beginnende Mobilisierung von
Schwermetallen und Arsen und Transferfaktoren.35
Tabelle 7: Maximale Anforderungen an Bioindikationsmethoden mit
Pflanzen.41
Tabelle 8: Arbeitsschritte für ein komplettes Bioindikationsverfahren mit
Bodentieren.43
Tabelle 9: Kriterien, die eine Bioindikationsmethode erfüllen sollte.43
Tabelle 10: Unterschiedliche Schwermetallaufnahme durch tolerante (T) und
nicht tolerante (NT) Genotypen von Pflanzenarten.63
Tabelle 11: Beispiele für JExcluder" - Pflanzen.66
Tabelle 12: Beispiele für Akkumulatoren (Hyperakkumulatoren).67
Tabelle 13: Beispiele für tolerante Pflanzenarten.69
Tabelle 14: Beispiele für nicht tolerante Pflanzenarten.69
Tabelle 15: Morphologische Veränderungen an Kulturpflanzen unter dem
Einfluß von Schwermetallen und Arsen.73
Tabelle 16: Kriterien für einen „idealen Akkumulationsindikator".74
Tabelle 17: Pflanzliche Indikatoren für Erzlagerstätten.78
Tabelle 18: Metallophyten und indifferente Metallovage.,.79
Tabelle 19: Zufällige Metallovage.80
Tabelle 20: Hohe Schwermetallgehalte (mg/kg TS) in den Blättern von
Pflanzenarten einer Armerietum /ra//er/-Gesellschaft auf
schwermetallreichen Pochsanden (Langelsheim/Harz).81
Tabelle 21: Bisher gemessene Höchstmengen an Schwermetallen und
Arsen in Blättern und Wurzeln von Pflanzen natürlich
schwermetallreicher Böden. Die Pflanzen weisen keine
Schadsysmptome auf.82
Tabelle 22: Schwermetall- und Mineral Stoffgehalte in grünen und
chlorotischen Blättern von schwermetallresistenten Pflanzen
auf zink- und bleireichen Erzböden.83
Tabelle 23: Vegetationszusammensetzung entlang eines Schwermetall-
gradienten auf einer Schlackenhalde bei Eisleben.88
Tabelle 24: Transferfaktoren bei Kulturpflanzen für den Übergang Boden-
Pflanze von Schwermetallen.91
Tabelle 25: Akkumulationsvermögen für Cadmium von Kulturpflanzen.92
Tabelle 26: Ertragsbezogene Toxizitätsgrenzen von Cadmium in Böden für
verschiedene Kulturpflanzen (A) und von Cadmium in
verschiedenen Kulturpflanzen (B).93
Tabelle 27: Cadmiumverteilung in Kulturpflanzen bei einem
Cadmiumgehalt des Bodens von 30 mg Cd/kg TS.94
Tabelle 28: Schwermetallgehalte in Organen von Kulturpflanzen mit
grünen bzw. chlorotischen Blättern auf schwermetallhaltigem
Ackerboden auf den Flußterrassen der Innerste bei
Langelsheim/Harz.95
Tabelle 29: Bleigehalt in Feinwurzeln von Betidapendula und Salix
caprea auf bleikontaminierten Standorten.99
Tabelle 30: Pilzarten, die Quecksilber akkumulieren.104
Tabelle 31: Mögliche Bioindikatoren für Cadmium.105
Tabelle 32: Pilzarten, die Cadmium akkumulieren.106
Tabelle 33: Pilzarten, die erhöhte Zink-Gehalte aufweisen können.109
Tabelle 34: Pilzarten, die Kupfer akkumulieren.110
Tabelle 35: Pilzarten, die Arsen akkumulieren.111
Tabelle 36: Pilzarten, die Nickel akkumulieren.112
Tabelle 37: Transferfaktoren für ß-HCH in Organen von Möhre, Mais und
Ackerbohne bei einem ß-HCH Gehalt von 200 mg/kg TS im
Boden.119
Tabelle 38: ß-HCH-Gehalte in auentypischen Gräsern bei ß-HCH-Gehalten
im Boden von 2 bis 35 mg/kg TS.120
Tabelle 39: Zusammenstellung der Kriterien für tierische Bioindikatoren.133
Tabelle 40: Bewertung verschiedener Tiergruppen hinsichtlich der
Erfüllung der Eignungskriterien für Bioindikatoren.135
Tabelle 41: Schwermetallgehalte und mobilitätsbestirrjnende
Eigenschaften von Böden in einer Bergbaursgion.139
Tabelle 42: Säureunlösliche Rückstände verschiedener Regenwurm-Arten.145
Tabelle 43: Cadmiumgehalte in Bodentieren aus natürlichen und
kontaminierten Böden.148
Tabelle 44: Letale Körpergehalte anCadmium in Bodentieren.155
Tabelle 45: Bleigehalte in Bodentieren aus natürlichen und kontaminierten
Böden.:.158
Tabelle 46: Wirkung von Quecksilber auf Eier und Larven von
Heuschrecken-Arten.169
Tabelle 47: Kupfergehalte in Bodentieren aus natürlichen und
kontaminierten Böden.172
Tabelle 48: Zinkgehalte in Bodentieren aus natürlichen und
kontaminierten Böden.181
Tabelle 49: Bioakkumulationsfaktoren chlorierter Kohlenwasserstoffe und
ihrer Abbauprodukte in Lumbricus rubellus in einem
Monitoring zweier Überflutungsräume am Rhein mit
unterschiedlicher Belastung.199
Tabelle 50: Prioritäre PCB (aufgrund von Verbreitung und Toxizität).205
Tabelle 51: PCB-Gehalte in Böden und Regenwürmern eines mit
Klärschlamm gedüngten Ackers und einer Kontrolle sowie
Bioakkumulationsfaktoren.206
Tabelle 52: Anreicherung von Chlorphenolen gegenüber dem Boden durch
zwei Regenwurm-Arten.208
Tabelle 53: Toxizität (als LC5o) von Chlorphenolen gegenüber zwei
Regenwurm-Arten.211
Tabelle 54: PCP-Empfindlichkeit verschiedener Nematoden-Arten im
aquatischen Akuttoxizitätstest, gruppiert nach trophischen
Gruppen.213
Tabelle 55: Wirkung von Benomyl auf Wachstum und Reifung
verschiedener Regenwurm-Arten.219
Tabelle 56: Eigenschaften der Böden am Bergbau- und Industriestandort
Brixlegg.224
Tabelle 57: Gehalte an Schwermetallen und Arsen der Böden am Bergbau-
und Industriestandort Brixlegg.225
Tabelle 58: Metallophyten, deren Verbreitung auf schwermetallreiche
Standorte beschränkt ist - Zeigerpflanzen.231
Tabelle 59: Indifferente Metallovage - weitverbreitete Arten, die
metallresistente Genotypen ausbilden.232
Tabelle 60: Zufällige Metallovage - weitverbreitete Arten, die
metalltolerante Genotypen ausbilden, aber besser auf
unbelasteten ßöden wachsen.233
Tabelle 61: Kulturpflanzen, für die Transferfaktoren 1 für
Schwermetalle berechnet wurden.234
Tabelle 62: Potentiell geeignete Pilzarten zur Bioindikation von
Schwermetallen (Cu, Cd).235
Tabelle 63: Lipidgehalte von Regenwurm-, Schnecken- und Assel-Arten.238
Tabelle 64: Arten mit nachgewiesenem bioindikativen Potential zur
Indikation von Schadstoffen in Böden.239
Tabelle 65: Faktoren, die die Aufnahme von Schwermetallen bzw. deren
Gehalt in Pflanzen und Pflanzenorganen komplex beeinflussen.242
Tabelle 66: Erhebungsbogen für Verfahren der Reaktionsindikation von
Schadstoffen im Boden mit Bodentieren.248
Anhang
Tabelle A-l: Schwermetall-und Arsengehalte in Pflanzen.312
Tabelle A-2: Prüf- und Maßnahmenwerte für den Schadstoffübergang
Boden-Nutzpflanze (BBodSchV 1999).313
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
Abbildung 1: Excluder, Indikator, Akkumulator.66
Abbildung 2: Einsatz von Pflanzen zur Indikation von Erzvorkommen
durch geobotanische und biogeochemische.77
Abbildung 3: Vegetationsstadien entlang eines Schwermetallgradienten auf
einem Transekt durch eine Schlackenhalde bei Eisleben.86 |
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