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  1. Bernd SchönmuthHUB, Carmen BüttnerHUB & Wilfried PestemerBBA Dendrotoleranz gegenüber STV in Altlastböden und Langzeitschicksal von [14C]-Trinitrotoluol und [14C]-Hexogen in Nadelgehölzen. Biologische Bundesanstalt für Land- und Forstwirtschaft (BBA) Humboldt-Universität zu Berlin (HUB)Fachgebiet Phytomedizin www.DendroRemediation.de = www.schoenmuth.de Humboldt-Universität, Fachgebiet Phytomedizin, Berlin-Dahlem und Institut für Ökotoxikologie und Ökochemie im Pflanzenschutz, (BBA),Berlin B. Schoenmuth, KORA – TV 5 Rüstungsaltlasten,31.05.05 Hannover,Folie 1

  2. CH3 H2 C O2N NO2 O2N NO2 N N H2C CH2 NO2 N NO2 KORA-Themenverbund 5 „Rüstungsaltlasten“ Koordinierung des Themenverbundes 5: Nutzung von Selbstreinigungspotenzialen in STV-belasteten Böden und Grundwässern und Erabeitung de Branchenleitfadens Projekt 5.0 Koordinierung Nutzung von Selbstreinigungspotenzialen in STV-belasteten Böden und Grundwasserleitern Projekt 5.1 Clausthal-Zellerfeld Versuche mit Modelsubstanzen und Untersuchung des NA-Potenzials in Böden und GW bei unterschiedlichen Milieu-bedingungen Projekt 5.5 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 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 Humboldt-Universität, Fachgebiet Phytomedizin, Berlin-Dahlem und Institut für Ökotoxikologie und Ökochemie im Pflanzenschutz, (BBA),Berlin B. Schoenmuth, KORA – TV 5 Rüstungsaltlasten,31.05.05 Hannover,Folie 2

  3. Gliederung • 1. Problemstellung • 2. Ergebnisse aus Vorprojekten • 3. Teilziele und Teilaufgaben des Projektes • 15 % • TA 1: DendroToleranzmessungen • 5 % • TA 2: Natural Attenuation von STV in Altlast-Nadelwäldern • 5 % • TA 3:Methodenverbesserung • 60 % • TA 4: Langzeitschicksal von [14C]-TNT und [14C]-RDX in Nadelgehölzen • 15 % • TA 5: Bewertung der Ergebnisse und Beitrag für den Leitfaden • 4. Stand der Arbeiten Humboldt-Universität, Fachgebiet Phytomedizin, Berlin-Dahlem und Institut für Ökotoxikologie und Ökochemie im Pflanzenschutz, (BBA),Berlin B. Schoenmuth, KORA – TV 5 Rüstungsaltlasten,31.05.05 Hannover,Folie 3

  4. Niederschlag Das Problem Evapo- Transpiration TNT RDX STV-Auswaschung Oberflächen- Abfluss Wurzelraum- Filterung Versickerung 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. 3. Partikuläre STV werden langsam, stetig und lange in die Bodenlösung ausgewaschen. Nutzung von Bäumen zur natürlichen Verringerung der Boden-Kontamination mit STV 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. Humboldt-Universität, Fachgebiet Phytomedizin, Berlin-Dahlem und Institut für Ökotoxikologie und Ökochemie im Pflanzenschutz, (BBA),Berlin B. Schoenmuth, KORA – TV 5 Rüstungsaltlasten,31.05.05 Hannover,Folie 4 • 4. Zur Hexogen-Aufnahme durch Nadelgehölze gibt bisher es keinerlei Informationen!

  5. Zu klärende Fragen STV-Aufnahme über Transpirationssog STV-Akkumulation STV-Transformation Mikrobielle STV-Mineralisierung zu CO2 STV-Bindung, Inkorporation STV-Rhizo-Filtration STV-Rhizosphären-Transformation Fragen bei der Nutzung der NA von Rüstungs-Altlast-Wäldern • # Welche Bäume ertragen STV-Kontaminationen am Besten ? • - Welche (einfachen !) DendroToleranzparameter können genutzt werden ? • - Haben Nadelbäume eine höhere DendroToleranz als Laubgehölze ? • - Hat der Altlastboden einen Einfluss auf die DendroToleranz ? # Welche Bäume können zur Gestaltung von Rü-Altlastwäldern empfohlen werden ? # Ist die Dekontamination von STV durch Bäume in situ nachweisbar ? # Gibt es toxikologische Risiken bei der Holznutzung von Rü-Altlastwäldern ? # Welche Akkumulationsorte für STV-Inkorporationen sind möglich ? Wurzeln !, Nadeln  Streuschicht ? # Was passiert nachhaltig mit inkorporierten „STV“ nach dem Absterben der Baumorgane ? - In welche biochemische Fraktionen werden STV inkorporiert ? - Welche Mikroorganismen sind potenziell abbau-aktiv ? Humboldt-Universität, Fachgebiet Phytomedizin, Berlin-Dahlem und Institut für Ökotoxikologie und Ökochemie im Pflanzenschutz, (BBA),Berlin B. Schoenmuth, KORA – TV 5 Rüstungsaltlasten,31.05.05 Hannover,Folie 5 - Wie hoch ist die Mineralisierung zu CO2 ? - Gibt es Risiken bei der Verrottung von Resten der Zweige, Nadeln und vor allem Wurzeln ?

  6. Bisherige Arbeiten und Anknüpfungspunkte von KORA (rot) DendroRemediation of TNT Betula, Picea, Pinus Cloned Salix, Populus Screening to TNT-tolerance and TNT-uptake ‘Native’ trees Salix, Populus, Betula, Picea 1. Outdoor trials Mesocosm balance studies with TNT-soils in lysimeter pots Salix, Populus, Betula, Picea, Pinus Salix, Picea, Betula Tree yield in the field TNT analysis in AP-site trees Leachate toxicity Salix, Picea, Pinus, Populus Salix, Picea 3. Radiotracer experimentsFate of [14C]-TNT in morphological compartments of trees 2. Dynamical dendrotoleranceand fate of ‘cold’ pollutants ?! (TNT, DNT, TNB, ADNT) Rough calculation of tree specific Dendroremediation potential Tree basedphyto-sanitation procedures Pre-assessment ofnatural attenuation in woodlands Site specificsuitability of trees In-situ results of the ‘Tanne’-project Picea, Populus, Sambucus Varied from: Schoenmuth and Pestemer: ESPR – Environ Sci & Pollut Res 11 (5), 331-339 (2004) Humboldt-Universität, Fachgebiet Phytomedizin, Berlin-Dahlem und Institut für Ökotoxikologie und Ökochemie im Pflanzenschutz, (BBA),Berlin B. Schoenmuth, KORA – TV 5 Rüstungsaltlasten,31.05.05 Hannover,Folie 6

  7. Oberirdische Verteilung der [14C]-TNT- Radioaktivität Norway spruce Picea abies Willow Salix EW-20 Aboveground Radioactivity [%] 2.3 3.2 May sprouts 5.7 100 14.4 Leaves 21.7 80 Old needles! Accumulation? 65.0 68.6 53.7 Whigs 14.9 21.4 60 42.8 Stem, wood 48.8 40 17.6 24.0 Whigs 19.4 20 12.4 Stem, wood 9.4 8.9 Stem, bark 20.6 15.4 Stem, bark 4.3 2.9 2.5 0 indirectly directly directly Application: indirectly directly Substrate: Sand Sand Sand Sand AP soil # 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. # Kein Unterschied zwischen Nährlösungsapplikation und Bodenapplikation. Humboldt-Universität, Fachgebiet Phytomedizin, Berlin-Dahlem und Institut für Ökotoxikologie und Ökochemie im Pflanzenschutz, (BBA),Berlin B. Schoenmuth, KORA – TV 5 Rüstungsaltlasten,31.05.05 Hannover,Folie 7

  8. U3 U4 U5 U1 U2 Salix + Essigsäure Picea + Essigsäure 2,4-DANT, ADNTs, TNT, TNB, DNTs Salix + MeOH Picea + MeOH 0,5 1,0 0 0,25 0,75 Rf DC-Auftrennung von Wurzelextrakten Extrahierbarkeit Fichte Weide ES 18 % 25 % Me 7 % 15 % AcN 3 6 DCM 3 5 EA 1 3 Höchstens 25 % noch extrahierbar ! TNT ist vollständig metabolisiert. Weder TNT, 2-ADNT, 4-ADNT, 2,4-DANT, TNB, noch 2,4-DNT, 2,6-DNT, 3,4-DNT zu finden ! Extrakte enthalten nur noch unbekannte, sehr polare Verbindungen ! Humboldt-Universität, Fachgebiet Phytomedizin, Berlin-Dahlem und Institut für Ökotoxikologie und Ökochemie im Pflanzenschutz, (BBA),Berlin B. Schoenmuth, KORA – TV 5 Rüstungsaltlasten,31.05.05 Hannover,Folie 8

  9. Ressourcenaufteilung für Teilziele und Teilaufgaben • Teilziel 1 • Teilziel 2 • Teilziel 3 • Teilziel 4 • Dynamische Dendrotoleranz (und Verbleib von STV bei Fichten) • Langzeitwirkung von Baumpflanzungen auf TNT-Böden • Methoden-verbesse-rung • Langzeitschicksal von [14C]-Trinitrotoluol und [14C]-Hexogen in Nadelgehölzen • Teilaufgabe 1 • 15 % • Teilaufgabe 2 • 5 % • Teilaufg. 3 • 5 % • Teilaufgabe 4 • 60 % • 15 % • 5 % • 5 % • 60 % • DendroToleranz-parameter für Boden/Baum-Systeme# Einfluss von Altlastböden aus CZ und TE • Untersuchung der Langzeiteffekte einer Fichten-Anpflanzung in CZ • in Zusammenarbeit mit dem UFT der Univ. Bremen • Methoden-Testung • # Extraktions- • methoden, • # Docht- • Applikations- • systeme • Quantifizierung und Lokalisierung der Aufnahme von [14C]-TNT und [14C]-RDX in Nadelgehölzen • und Langzeitschicksal der aufgenommenen STV in Nadelgehölzen in Rotteversuchen Humboldt-Universität, Fachgebiet Phytomedizin, Berlin-Dahlem und Institut für Ökotoxikologie und Ökochemie im Pflanzenschutz, (BBA),Berlin B. Schoenmuth, KORA – TV 5 Rüstungsaltlasten,31.05.05 Hannover,Folie 9 Teilziel und Teilaufgabe 5: Bewertung der Ergebnisse und Beitrag für den Leitfaden15 % • 15 %

  10. TA 1: DendroToleranzmessungen – Ziele • 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 • 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) • # unbelasteten Boden aus CZ und TE Humboldt-Universität, Fachgebiet Phytomedizin, Berlin-Dahlem und Institut für Ökotoxikologie und Ökochemie im Pflanzenschutz, (BBA),Berlin B. Schoenmuth, KORA – TV 5 Rüstungsaltlasten,31.05.05 Hannover,Folie 10

  11. TA 1: DendroToleranzmessungen - Durchführung # Gravimetrische Messung der Evapo-Transpiration von Fichten # „Natürliche“, fortlaufende STV-Dotierung der Fichten Pflanzen von Picea glauca ‚Conica‘ (ca. 3 Jahre alt) 8-cm Topf mit 200 g Bodenoder Sand 250-ml skalierter Polypropylen-Becher 2 x 1-mm-Glasfaserdochte (je 20 cm) max. 100 ml Testlösung (TNT, RDX, u.a.) Elektronische Waage Mindestens 8 Töpfe pro Variante Humboldt-Universität, Fachgebiet Phytomedizin, Berlin-Dahlem und Institut für Ökotoxikologie und Ökochemie im Pflanzenschutz, (BBA),Berlin B. Schoenmuth, KORA – TV 5 Rüstungsaltlasten,31.05.05 Hannover,Folie 11

  12. TA 1: DendroToleranzmessungen – Fragen • 1. Welche STV sind preiswert-massenverfügbar? • 2. Ist die Transpiration als Toleranzparameter für STV bei Nadelgehölzen geeignet? • Ja • Nein • Endpunktparameter, wie: Zweigzuwachs, • (Frischmasse, Trockenmasse) • Testung • von STV • 2,4,6-TNT, • 2,4-DNT, • 2,6-DNT, • MNTs ?, • RDX, • HMX, • TNBS ? • Weitere STV? • 3. Ist Toleranz gegenüber STV bei Nadelbäumen höher als bei Laubbäumen? • Leitfaden-Empfehlung: für ökolog. Waldumbau von Nadelwald-Monokulturen (TA 5) • Ja • Nein • Leitfaden-Empfehlung: für Bevorzugung von Nadelhölzern (TA 5) Humboldt-Universität, Fachgebiet Phytomedizin, Berlin-Dahlem und Institut für Ökotoxikologie und Ökochemie im Pflanzenschutz, (BBA),Berlin B. Schoenmuth, KORA – TV 5 Rüstungsaltlasten,31.05.05 Hannover,Folie 12

  13. 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 Humboldt-Universität, Fachgebiet Phytomedizin, Berlin-Dahlem und Institut für Ökotoxikologie und Ökochemie im Pflanzenschutz, (BBA),Berlin B. Schoenmuth, KORA – TV 5 Rüstungsaltlasten,31.05.05 Hannover,Folie 13

  14. TA 4: Verbleib von 14C-TNT und 14C-RDX • Grobstruktur des Untersuchungsplanes • TA 4a: Vorläufiger Verbleib von 14C-TNT und 14C-RDX • TA 4b: Langzeit-Verbleib von 14C-TNT und 14C-RDX • Aufnahme von STV • Inokulation und Inkubation • in Absorber-Inkubatoren • Morphologische • Kompartimentierung • Verottungs-Bilanz • Biochemische • Kompartimentierung • 14C-Extrahierbarkeit Humboldt-Universität, Fachgebiet Phytomedizin, Berlin-Dahlem und Institut für Ökotoxikologie und Ökochemie im Pflanzenschutz, (BBA),Berlin B. Schoenmuth, KORA – TV 5 Rüstungsaltlasten,31.05.05 Hannover,Folie 14

  15. Lignin Lignin Lignin Zellulose Zellulose Zellulose Hemizellulosen Hemizellulosen Hemizellulosen Extr.Fraktion Extr.Fraktion Extr. Fraktion TA 4a: Vorläufiger Verbleib von 14C-TNT und 14C-RDX 2. Biochemische Kompartimentierung 1. Morphologische Kompartimentierung ! Gravimetrische Kontrolle der 14C-Zufuhr Nadeln Holz ! Wurzeln Rückstände Dynamische 14C-Dotierung Separation der Gehölzteile ExtrahierbareFraktionen Boden/Sand Humboldt-Universität, Fachgebiet Phytomedizin, Berlin-Dahlem und Institut für Ökotoxikologie und Ökochemie im Pflanzenschutz, (BBA),Berlin B. Schoenmuth, KORA – TV 5 Rüstungsaltlasten,31.05.05 Hannover,Folie 15

  16. TA 4b: Langzeit-Verbleib von 14C-TNT und 14C-RDX Morphologische Kompartimentierung Inokulation mit lignolytischen und /oder cellolytischen Pilzen und mit Streuschicht- bzw. Boden-Inokulaten aus Altlastboden in Absorber-Inkubatoren Probenahme zu verschiedenen Zeitpunkten Inokulation und Inkubation in Absorber-Inkubatoren Verottungs-Bilanz Mineralisierungsgrad zu 14CO2 14C-Extrahierbarkeit mit versch. Lös.mitteln Nadeln Wurzeln Extrakt-Charakterisierung mit Radio-DC und Radio-HPLC Homogenisierung Humboldt-Universität, Fachgebiet Phytomedizin, Berlin-Dahlem und Institut für Ökotoxikologie und Ökochemie im Pflanzenschutz, (BBA),Berlin B. Schoenmuth, KORA – TV 5 Rüstungsaltlasten,31.05.05 Hannover,Folie 16

  17. Standortbezug der Arbeiten • 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. • Für die Rotteuntersuchungen radioaktiv markierter STV mit Fichten sollen Böden aus CZ und/oder TE Verwendung finden. • 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). • Ein Standortbezug ist für die Hauptkontaminante TNT für CZ, TE und SA gegeben. • Die Untersuchung von RDX bei radioaktiven Versuchen, wie auch bei den Dendrotoleranzexperimenten trägt einen Bezug zum Standort Torgau/Elsnig. • Mononitrotoluole (MNT), die u.a. für den Standort Stadtallendorf von Bedeutung sind sollen bei Verfügbarkeit ebenfalls in Dendrotoleranz-Untersuchungen miteinbezogen werden. Humboldt-Universität, Fachgebiet Phytomedizin, Berlin-Dahlem und Institut für Ökotoxikologie und Ökochemie im Pflanzenschutz, (BBA),Berlin B. Schoenmuth, KORA – TV 5 Rüstungsaltlasten,31.05.05 Hannover,Folie 17

  18. 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 Humboldt-Universität, Fachgebiet Phytomedizin, Berlin-Dahlem und Institut für Ökotoxikologie und Ökochemie im Pflanzenschutz, (BBA),Berlin B. Schoenmuth, KORA – TV 5 Rüstungsaltlasten,31.05.05 Hannover,Folie 18