Einschätzung der Bodenqualität mit Hilfe pflanzlicher und tierischer Bioindikatoren: Forschungsbericht 29774037
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Berlin
Umweltbundesamt
2000
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| adam_text | 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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| author | Meyer, Ulrike Belotti, Eduard |
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| discipline | Geologie / Paläontologie Agrar-/Forst-/Ernährungs-/Haushaltswissenschaft / Gartenbau Geographie |
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