Bewertungsgrundlagen zur Beurteilung der Lebensraumfunktion kontaminierter Böden an Hand von mikrobiellen Gasumsätzen

Güttes, Ralf; Dott, Wolfgang

doi:23424

Bewertungsgrundlagen zur Beurteilung der Lebensraumfunktion kontaminierter Böden an Hand von mikrobiellen Gasumsätzen

Güttes, Ralf (Author)

2001

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Ralf Güttes

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2001

UmfangII, 196 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2001

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Dott, Wolfgang (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2001-05-09

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-1541
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61358/files/Guettes_Ralf.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Biowissenschaften, Biologie (frei) ; Bodenverschmutzung (frei) ; Bewertung (frei) ; Mikroorganismus (frei) ; Bodenatmung (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Zur Bewertung der mikrobiellen Lebensraumfunktion von Böden ist der Einsatz biologischer Testverfahren von großer Bedeutung. Ein wichtiges Testkriterium ist dabei der Umsatz von Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid der autochthonen Mikroorganismenpopulation, der in der Regel in Form des Summenparameters Bodenatmung erfaßt wird. Die Gesamtumsätze der mikrobiellen Bodenatmung setzen sich aus verschiedenen Stoffwechselvorgängen wie z. B. der aeroben Atmung, der Nitrifikation und der Ureaseaktivität zusammen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Einflüsse von Schadstoffen auf die Basalatmung und die substratinduzierte Atmung unter besonderer Berücksichtigung der Nährstoffsituation untersucht. An Hand schadstoffbedingter Abweichungen von der typischen Bodenatmung unkontaminierter Böden wurden Auswertungskriterien abgeleitet, die zur Bewertung der mikrobiellen Lebensraumfunktion herangezogen werden können. Als Kriterien zur Erfassung toxischer Wirkungen auf die Bodenmikroorganismen wurden Schwellenwerte für einen Mindestumsatz der kumulierten Basalatmung, für den zeitlichen Verlauf der Umsatzrate der substratinduzierten Atmung, für die maximale Steigung und für den Höchstwert der Umsatzrate der substratinduzierten Atmung vorgeschlagen. Desweiteren können mit Hilfe eines oberen Schwellenwertes für die kumulierte Basalatmung und eines Schwellenwertes für die zeitliche Reaktion der Mikroorganismen auf die Ammoniumzudosierung bei der Erfassung der substratinduzierten Atmung (D tN bzw. D tNP) aerob abbaubare Substanzen angezeigt werden. Ein Mangel der Makronährstoffe Ammonium und Phosphat kann zu ähnlichen Auswirkungen auf die Bodenatmung führen wie eine Belastung mit Schadstoffen. Aus diesem Grund ist die Nährstoffsituation einer Bodenprobe unbedingt bei der Auswertung der Atmungsmessung zu berücksichtigen. An Hand von Limitierungsquotienten für die Basalatmung (qBNPn) und für die substratinduzierte Atmung (qSXn) können Limitierungen und Hemmungen durch zudosierte Nährstoffe quantifiziert und falsch negative Ergebnisse bei der Bewertung der mikrobiellen Lebensraumfunktion durch Nährstoffmangel bzw. hemmende Wirkungen der zudosierten Nährstoffe ausgeschlossen werden. Für Böden, die vorwiegend mit Schwermetallen belastet waren, wurden hohe Werte für die Limitierungsquotienten qSNO2 bzw. qSNCO2 ermittelt. Es wird eine Auswertungsstrategie vorgestellt, die die Ergebnisse der vorgeschlagenen Kriterien kombiniert und eine weitergehende Bewertung der Lebensraumfunktion von Böden ermöglicht. Eine zuverlässige quantitative Bestimmung der Ammoniumoxidation an Hand des Sauerstoffverbrauchs konnte nicht realisiert werden, da diese spezielle Stoffwechselaktivität nicht vollständig vom Prozeß der Bodenatmung trennbar war. Obwohl die Ammoniumoxidation im Boden durch den Hemmstoff N-Allylthioharnstoff zu 100% hemmbar ist, wie mittels der photometrischen Bestimmung der Nitritbildungsrate bewiesen werden konnte, war die Hemmwirkung auf den Sauerstoffverbrauch der Ammoniumoxidation nicht eindeutig zu belegen. Durch den Vergleich des Sauerstoff- und des Kohlenstoffdioxidumsatzes konnte die Ammoniumoxidation aber qualitativ erfaßt werden und führte bei der Bewertung der Lebensraumfunktion der Versuchsböden zu einer weitgehenden Übereinstimmung mit der Messung der Nitritbildungsrate. Einzige Ausnahme bildete der Boden BMKW 1a, der eine ungewöhnlich hohe Stickstofflimitierung der Basalatmung aufwies und damit ein falsch positives Ergebnis anzeigte. Das Verfahren kann somit nur als Ergänzung zur Bodenatmungsmessung eingesetzt werden, da deutliche Nachteile im Vergleich zur Bestimmung der Nitritbildungsrate festgestellt wurden: Wesentlich längere Inkubationszeit, keine eindeutige Quantifizierung und falsch positive Ergebnisse in Ausnahmefällen. Die Ureaseaktivität der Versuchsböden konnte mittels des Kohlenstoffdioxidumsatzes bestimmt werden, da eine eindeutige Trennung der Kohlenstoffdioxidproduktion durch die Ureaseaktivität von der der Bodenatmung mit Hilfe des spezifischen Hemmstoffes NBPT möglich war. Das Verfahren bietet gegenüber der photometrischen Bestimmung der Ammoniumproduktion verschiedene Vorteile: Inkubation der Bodenprobe ohne Pufferlösung möglich, keine Elution der testrelevanten Substanz notwendig, geringerer Chemikalienverbrauch und bessere Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Die Ureaseaktivität erwies sich als senisitver Parameter zur Beurteilung der mikrobiellen Lebensraumfunktion, da für einen Großteil der kontaminierten Versuchsböden sehr geringe bzw. keine Ureaseaktivität festgestellt werden konnte. Vor allem wurden Böden auf Basis des vorgeschlagenen Schwellenwertes als bedenklich eingestuft, die an Hand der potentiellen Ammoniumoxidation als unbedenklich bezüglich der Lebensraumfunktion eingeordnet wurden. Auch der umgekehrte Fall konnte beobachtet werden, so daß durch die Verwendung beider Testverfahren die Wahrscheinlichkeit eines falsch positiven Ergebnisses bei der Beurteilung von Schadstoffeinflüssen auf die mikrobielle Lebensraumfunktion offensichtlich stark reduziert werden kann. Demnach ist eine Ergänzung der Untersuchung der mikrobiellen Lebensraumfunktion mittels Bodenatmung und Ammoniumoxidation durch die Ureaseaktivität zu empfehlen. Eine vollständige Validierung der Testverfahren bzw. der Gültigkeit der Auswertungskriterien und Schwellenwerte stehen noch aus. Die vorgeschlagenen Schwellenwerte sind demnach als Arbeitsgrundlage für weitere Untersuchungen zu verstehen.

The application of biological tests for the assessment of the habitat function of soils is of great importance. Soil respiration measured as oxygen consumption or carbon dioxide release is used frequently for the evaluation of contaminated sites. The oxygen and carbon dioxide turn over in soil respiration is composed of different metabolic activities, for example aerobic respiration, nitrification and urease activity. First of all the influence of pollutants on basal respiration and substrate induced respiration was investigated with special consideration of nutrient supply (nitrogen and phosphorus). For the derivation of evaluation criteria, respiration of uncontaminated soils was compared to the respiration of contaminated soils. It was shown that the following criteria can be used for the assessment of the habitat function: Cumulated basal respiration, maximum of substrate induced respiration rate, maximum slope of substrate induced respiration rate, the space of time, which is needed to reach the maximum substrate induced respiration rate. Furthermore it was possible to detect organic pollutants, which are degradable under aerobic conditions, by high cumulated basal respiration and by the influence of nitrogen supply for the time span, which is needed to reach the maximum substrate induced respiration rate (D tN and D tNP). The symptoms, which are caused by a lack of nutrients like ammonia and phosphate, are comparable to the effects caused by pollutants. For this reason the nutrient supply of a soil sample has to be considered for evaluation of soil respiration data. The positive (promotion) or negative (inhibition) influence of nutrients can be quantitatively estimated using the limitation quotients for basal respiration (qBNPn) and for substrate induced respiration (qSXn). Limitation quotients (qSNO2 and qSNCO2) for soils which had high contents of heavy metals were significantly higher than for soils without heavy metal contamination. Standard values and a strategy for a combined evaluation were proposed for the above mentioned criteria, which allows for an exact interpretation of the achieved data. A reliable quantitative measurement of ammonia oxidation by oxygen consumption could not be realized, because the specific process of ammonia oxidation could not be separated from soil respiration. The photometrical test with the specific inhibitor allylthiourea showed that the production of nitride in a soil sample could be stopped completely, but the inhibition of the oxygen consumption caused by ammonia oxidation could not definitely be proved. But the direct comparison of oxygen consumption and carbon dioxide release offers the possibility of a qualitative measurement of ammonia oxidation. In most cases the results of the two methods were corresponding. One exception occured with the soil BMKW 1a, which showed a very high nitrogen limitation of basal respiration. Therefore the result of measuring oxygen consumption seemed to be a very high ammonia oxidation, but the result of the measurement of nitride production was very low. For these reasons the measurement of oxygen consumption in testing ammonia oxidation can only be used as complementary investigation for soil respiration: Much longer incubation time, no reliable quantification possible and in special cases wrong results are obtained. The urease activity of soils could be measured by the carbon dioxide release. By using NBPT as specific inhibitor, it was possible to seperate the carbon dioxide which was produced by urease from the carbon dioxide which was produced by soil respiration. The developed method offers some important advantages in comparison to the photometrical measurement of ammonia: Incubation of a soil sample without using buffer solution, no extraction of ammonia from the soil sample necessary, less chemical consumption and better reproduction of results. Urease activity has proved to be a sensitive parameter for the assessment of microbial habitat function, because most of the contaminated soil samples showed low or no urease activity. Soils, which were classified as not critically influenced relative to the ammonia oxidation measured as nitride production, were graded as critical by the urease activity measured as carbon dioxide release. The reverse case could be observed, too. Therefore the use of both assays avoids the possibility of achieving misleading results if the influence of pollutants on the microbial habitat function has to be tested. As consequence the widespread use of soil respiration and ammonia oxidation should be completed by the urease activity measured as carbon dioxide release. The complete validation of the proposed assays, the validity of criteria of evaluation and proposed standard values have to be seen as basis for future investigations and have to be proved by investigating a greater amount of soil samples.

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