Diese Arbeit trägt zur Effizienzsteigerung von Phytoextraktionsstrategien und Entwicklung von Möglichkeiten für eine sichere bodenbezogene Klärschlammverwertung bei. Konkret wird in dieser Arbeit die Akkumulation von Zn, Cu, Ni, Cd, Pb, Co, As und Cr im Spross von vier verschiedenen Arten (A. murale, F. esculentum, C. tinctorius und L. albus) in Abhängigkeit des verwendeten Substrates (reiner Boden, Boden+Gärrest, Boden+Klärschlamm oder reiner Klärschlamm) und der Anbauform (Reinkultur oder Mischkultur mit L. albus) untersucht. Es werden Faktoren und Prozesse, die während einer Phytoextraktion im Boden und in Pflanzen bedeutend sind, dargestellt und die Hintergründe des Experimentaufbaus näher hergeleitet. Zunächst wird der konkrete Aufbau des zugrundeliegenden Versuches dieser Arbeit und die verwendeten Methoden näher aufgeführt. Anschließend werden die gewonnenen Ergebnisse vorgestellt und im Rahmen des aktuellen wissenschaftlichen Kenntnisstandes diskutiert.
Seit der industriellen Revolution ist die Nachfrage nach Elementen, wie zum Beispiel Ni, Pb, Zn, Cd, Cu, As, Cr oder Co zur Herstellung industrieller Produkte, stark gestiegen. Beträchtliche Mengen dieser Elemente geraten bei deren Gewinnung und Verwertung in die Umwelt oder ins Abwasser und folglich auch in den daraus anfallenden Klärschlamm. Um den Eintrag von diesen potentiell toxischen Elementen in die Umwelt zu minimieren, wird ein Großteil des in Deutschland anfallenden Klärschlammes thermisch verwertet und die anfallende Asche hauptsächlich deponiert. Die enthaltenen Pflanzennährstoffe wie Phosphat, wenn sie nicht vorher chemisch aus dem Klärschlamm oder der Asche zurückgewonnen wurden, werden so dem Nährstoffkreislauf kurz- und mittelfristig entzogen und die humusbildende Organik gänzlich zerstört. In Anbetracht der möglichen C-Sequestrierung und damit klimaschützenden Wirkung durch den Aufbau von Humus und der Endlichkeit von Phosphatreserven ist die Suche nach einer sicheren bodenbezogenen Klärschlammverwertung lohnend.
Eine nicht-invasive und kostengünstige Möglichkeit zum Management PTE-belasteter Flächen stellt die Phytoextraktion dar. Dabei werden Pflanzen auf kontaminierten Boden angebaut. Diese nehmen potentiell toxische Elemente in ihre Wurzeln auf und verlagern sie anschließend in oberirdische Organe. Mit der Abfuhr der oberirdischen Biomasse ergibt sich so die Möglichkeit potentiell toxische Elemente aus dem Boden zu extrahieren.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Vom Boden in den Spross - Der Weg potentiell toxischer Elemente während der Phytoextraktion
1.1.1 Potentiell toxische Elemente in Böden
1.1.1.1 Geochemie potentiell toxischer Elemente
1.1.1.2 Rhizosphäreneffekte
1.1.2 Potentiell toxische Elemente in Pflanzen
1.1.2.1 Die Aufnahme in Pflanzen
1.1.2.2 Toxizität und Detoxifikationsmechanismen
1.1.2.3 Wurzel-Spross-Translokation
1.1.2.4 Unterschiede im Akkumulationsverhalten verschiedener Arten
1.2 Zielstellung dieser Arbeit
2 Material und Methoden
2.1 Versuchsaufbau
2.2 Untersuchung der Substrate
2.2.1 Bestimmung des Trockensubstanz- und Organikgehaltes
2.2.2 Bestimmung von elektrischer Leitfähigkeit und pH-Wert
2.2.3 Bestimmung der effektiven Kationenaustauschkapazität
2.2.4 Photometrische Bestimmung des Phosphat-, Ammonium- und Nitratgehaltes
2.2.5 Bestimmung der Gesamtelementkonzentration
2.2.5.1 Schmelzaufschluss
2.2.5.2 Mikrowellenaufschluss
2.2.6 sequenzielle Extraktion
2.3 Untersuchung des Pflanzenmaterials
2.4 Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma
2.5 Statistische Auswertung
3 Ergebnisse
3.1 Akkumulation von PTE im Spross der verschiedenen Arten in Abhängigkeit verwendeter Bodenadditiva
3.1.1 Artunterschiede im Akkumulationsverhalten
3.1.1.1 Artunterschiede auf reinem Boden
3.1.1.2 Artunterschiede auf Boden mit Gärrest
3.1.1.3 Artunterschiede auf Boden mit Klärschlamm
3.1.2 Wirkung der Bodenadditiva auf das Akkumulationsverhalten
3.1.2.1 Wirkung des Gärrestes
3.1.2.2 Wirkung des Klärschlammes
3.2 Einfluss der Mischkultivierung mit L. albus auf die Akkumulation von PTE im Spross von Mischkulturpartnern
3.2.1 Ernährungsstatus von L. albus
3.2.2 Einfluss auf F. esculentum
3.2.3 Einfluss auf C. tinctorius
4 Diskussion
4.1 PTE-Akkumulation der verschiedenen Arten in Abhängigkeit von den verwendeten Bodenadditiva
4.1.1 Artunterschiede im Akkumulationsverhalten
4.1.1.1 Artunterschiede auf reinem Boden
4.1.1.2 Artunterschiede auf Boden mit Gärrest
4.1.1.3 Artunterschiede auf Boden mit Klärschlamm
4.1.2 Wirkung der Bodenadditiva
4.1.2.1 Wirkung des Gärrestes
4.1.2.2 Wirkung des Klärschlammes
4.2 Einfluss der Mischkultivierung mit L. albus auf die Akkumulation von PTE im Spross von Mischkulturpartnern
4.2.1 Ernährungsstatus von L. albus
4.2.2 Mischkultur mit F. esculentum
4.2.3 Mischkultur mit C. tinctorius
4.3 Ausblick
5 Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht das Potential von vier Pflanzenarten (Alyssum murale, Fagopyrum esculentum, Carthamus tinctorius und Lupinus albus) zur Phytoextraktion potentiell toxischer Elemente (PTE) aus Böden. Dabei wird analysiert, wie sich die Akkumulation dieser Elemente durch die Zugabe von Bodenadditiva (Klärschlamm, Gärrest) und die Anbauform (Reinkultur vs. Mischkultur mit L. albus) beeinflussen lässt, um effizientere Sanierungsstrategien für kontaminierte Flächen zu entwickeln.
- Einfluss von Bodenadditiva (Klärschlamm und Gärrest) auf PTE-Akkumulation
- Vergleich der Phytoextraktionsleistung verschiedener Pflanzenspezies
- Untersuchung von Mischkultur-Effekten mit der Leguminose Lupinus albus
- Analyse biogeochemischer Prozesse und der Bioverfügbarkeit von PTE
- Evaluierung der pflanzenspezifischen Toleranz- und Detoxifikationsmechanismen
Auszug aus dem Buch
1.1.1 Potentiell toxische Elemente in Böden
Als grundlegende Voraussetzung für den Erfolg einer Phytoextraktion muss ein PTE überhaupt an die Wurzeloberfläche gelangen, ehe es durch die Pflanzenwurzeln aufgenommen werden kann. Dafür kommen verschiedene Möglichkeiten in Frage. Die größte Bedeutung hat dabei der Massenfluss, das heißt der transpirationsgetriebene Wasserfluss, und/oder die Diffusion durch den Boden in Richtung Wurzel (Marschner 2012, S. 316-317). In beiden Fällen muss das entsprechende Element mobil, das heißt gelöst in der Bodenlösung oder in kolloidaler Form, im Boden vorliegen, um zur Pflanzenwurzel transportiert zu werden. Liegt das entsprechende Element anschließend noch in einer pflanzenverfügbaren chemischen Form vor, kann es durch Wurzelzellen absorbiert werden. Wie viel von einem jeweiligen Element aber tatsächlich in einer mobilen und eventuell noch pflanzenverfügbaren Form im Boden vorliegt, wird durch eine Vielzahl biogeochemischer Prozesse beeinflusst und kann nicht allein durch die Gesamtkonzentration eines entsprechenden Elementes im Boden vorausgesagt werden. So kann ein Großteil eines PTE in einer inerten oder zumindest sehr stabilen Fraktion vorliegen. Beispielsweise können im Boden hohe Konzentrationen potentiell toxischer Elemente natürlicherweise im Gitter von primären Mineralen vorkommen (Oze et al. 2004) oder in Folge von Mineralumbildung und Fällungsprozessen im Gitter von sekundären Mineralen eingebaut sein (Bowell et al. 2014). Ionen dieser Fraktion werden nur langfristig durch Verwitterung in die Bodenlösung freigesetzt. Im Rahmen einer Vegetationsperiode bleiben sie allerdings nahezu vollkommen immobil und für Pflanzen unverfügbar (Adriano et al. 2004). Ein tiefergehendes Verständnis biogeochemischer Prozesse im Boden ist daher zur Abschätzung der Mobilität, Bioverfügbarkeit und folglich dem Umweltrisiko und Potential zur Phytoextraktion eines PTE im Boden von Nöten.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung führt in die Problematik der Umweltkontamination durch potentiell toxische Elemente (PTE) ein und erläutert die Grundlagen der Phytoremediation sowie die Relevanz der untersuchten Bodenadditiva und Pflanzenarten.
2 Material und Methoden: Dieses Kapitel beschreibt detailliert den Versuchsaufbau, die verwendeten Substrate und Pflanzen sowie die angewandten chemischen Analysen zur Bestimmung von Nährstoffgehalten und Elementkonzentrationen.
3 Ergebnisse: Dieser Hauptteil präsentiert die gewonnenen Daten zur PTE-Akkumulation in den verschiedenen Pflanzenspezies in Abhängigkeit der Bodenadditiva und untersucht den Einfluss der Mischkultivierung mit L. albus.
4 Diskussion: Hier werden die Ergebnisse kritisch interpretiert, in den wissenschaftlichen Kontext eingeordnet und die Forschungsfragen beantwortet, wobei auch Ansätze für zukünftige Untersuchungen aufgezeigt werden.
5 Zusammenfassung: Dieses Kapitel fasst die wesentlichen Erkenntnisse der Arbeit kurz und prägnant zusammen.
Schlüsselwörter
Phytoextraktion, PTE, Bodenadditiva, Klärschlamm, Gärrest, Alyssum murale, Lupinus albus, Carthamus tinctorius, Fagopyrum esculentum, Schwermetallbelastung, Bioverfügbarkeit, Rhizosphäre, Nährstoffaufnahme, Biomasseproduktion.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Die Arbeit untersucht, wie die Aufnahme und Anreicherung potentiell toxischer Elemente (PTE) in verschiedenen Kultur- und Wildpflanzen durch organische Bodenadditiva und spezielle Anbausysteme gesteigert werden kann, um belastete Standorte effizienter zu sanieren.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Schwerpunkte liegen auf der Phytoremediation, der Bodenkunde (speziell Nährstoffverfügbarkeit und Metallmobilität), der Pflanzenernährung und dem gezielten Einsatz von Mischkulturen zur Ertrags- und Extraktionssteigerung.
Was ist die primäre Forschungsfrage?
Die Arbeit fragt, ob durch den Einsatz von Klärschlamm und Gärrest als Dünger sowie durch eine Mischkultivierung mit der Lupinenart L. albus die Effizienz der PTE-Extraktion aus belasteten Böden signifikant verbessert werden kann.
Welche wissenschaftliche Methode wurde verwendet?
Es wurde ein kontrollierter Gewächshausversuch durchgeführt, in dem Pflanzen unter verschiedenen Substratbedingungen (Boden, Klärschlamm-Gemisch, Gärrest-Gemisch) und Anbauformen (Einzel- vs. Mischkultur) kultiviert wurden, gefolgt von umfangreichen chemischen Analysen der Sprossbiomasse mittels ICP-MS.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil analysiert die Akkumulationsunterschiede zwischen den Pflanzenarten auf den verschiedenen Substraten und den spezifischen Einfluss der Mischkultivierung auf die Elementgehalte und das Pflanzenwachstum.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Zu den Kernbegriffen gehören Phytoextraktion, PTE, Bodenadditiva, Klärschlamm, Gärrest, spezifische Arten wie Alyssum murale und Lupinus albus sowie die Bioverfügbarkeit von Schwermetallen.
Warum spielt die Lupine L. albus eine so wichtige Rolle in der Studie?
L. albus ist bekannt für ihre Fähigkeit zur Rhizosphärenmanipulation, etwa durch die Exsudation von organischen Säuren, welche PTE im Boden mobilisieren und so potenziell auch für andere Pflanzen verfügbar machen können.
Wie wirkt sich die Bodenverdichtung durch den Gärrest aus?
Die Studie zeigt, dass der Gärrest aufgrund seines hohen Feinporenanteils und der daraus resultierenden dichten Struktur das Wurzelwachstum einiger Arten negativ beeinträchtigte, was den eigentlich positiven Düngeeffekt maskierte.
Welches Fazit zieht der Autor für die Praxis?
Der Autor schließt, dass der kombinierte Einsatz von Klärschlamm und L. albus zwar prinzipiell möglich ist, aber auf Feldniveau weiter optimiert werden muss, wobei die Bestandesdichte und der Zeitpunkt der Düngung entscheidende Faktoren für den Sanierungserfolg sind.
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- Dominic Schirmer (Author), 2021, Aufnahme und Anreicherung potentiell toxischer Elemente in verschiedenen Pflanzenspezies in Abhängigkeit der Zugabe von Bodenadditiva (Klärschlamm, Gärrest) und der Anbauform, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1172345
