Um notwendige Vorsorge- und Sanierungsmaßnahmen im Rahmen des Bodenschutzes zu treffen, muss die Wirkung von Kontaminationen insbesondere von Schwermetallen auf Bodenorganismen und auf ihre ökologisch ausschlaggebenden Aktivitäten untersucht und berücksichtigt werden.
Dementsprechend soll in diesem Laborversuch der Einfluss verschiedener (Schad-)Stoffe auf die Bodenaktivität an zwei verschiedenen Standorten untersucht werden. Dabei wurden Proben eines industriell geprägten Bodens, welcher noch zusätzlich mit Kupfer versetzt wurde, um die Grenzwerte einer Kontamination zu überschreiten, und eines naturnahen Waldbodens in Radeberg entnommen und davon abiotische und biotische Bodenparameter bestimmt. Die Durchführung der Versuchsreihe erfolgte im Zeitraum von sechs Monaten. In diesem Zeitraum wurden die beiden unterschiedlichen Böden getrennt voneinander mit jeweils Kohlenstoff in Form von Saccharose und Stickstoff in Form von Ammoniumsulfat gedüngt, um die Veränderung der mikrobiellen Aktivität bei Nährstoffzugabe verbunden mit einer Schwermetallkontamination zu untersuchen.
Der vorliegende Aufsatz bringt damit eine Übersicht über den Einfluss des Schwermetalls Kupfer auf die mikrobielle Umsetzung kohlenstoff- und stickstoffhaltiger Substrate sowie auf die Enzym- bzw. mikrobielle Aktivität.
Das C:N-Verhältnis der Düngung beläuft sich auf 10:1 und entspricht daher in etwa dem C:N-Verhältnis in der bakteriellen Biomasse sowie der von den Bakterien bevorzugten Nahrung. So ist ein C:N-Verhältnis von 10:1 für die Bakterien/Mikroorganismen, die zum Großteil die Enzyme bilden, eine gute Umweltressource. Bei dieser Bedingung kann die Zugabe beider Substrate recht gut miteinander verglichen werden.
Der industrielle Boden wies zu Versuchsbeginn deutlich geringere Aktivitäten der Katalase und sauren Phosphatase auf als der naturnahe Waldboden. Bei beiden Proben zeigten die Kontamination mit Kupfer sowie die Nährstoffzufuhr einen erheblichen Einfluss auf den Gehalt an organischer Substanz und die Bodenenzymaktivität.
Aus den zahlreichen Ergebnissen wurden Schlussfolgerungen gezogen, inwieweit eine Verbesserung der Nahrungsgrundlage der Mikroorganismen des Bodensystems eine Steigerung der Bodenqualität bewirkt und damit hemmenden Faktoren einer Schwermetallkontamination entgegenwirkt. Dementsprechend könnte die vorliegende Arbeit einen Ansatz für eine mögliche Renaturierung schwermetallkontaminierter Böden liefern.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Zusammenfassung
3. Grundlagen
3.1 Enzyme
3.1.1 Aufbau und Funktion
3.1.2 Abhängigkeit der Enzyme von Umweltbedingungen
3.1.2.1 Temperatur
3.1.2.2 pH-Wert
3.1.2.3 Schwermetalle
3.2 Bodenenzyme und mikrobielle Aktivität
3.2.1 Aufgaben, Lokalisation und Funktionsweise von Bodenenzymen
3.2.2 Eigenschaften der untersuchten Bodenenzyme
3.2.2.1 Alkalische und saure Phosphatase
3.2.2.2 Katalase
3.2.3 Mikrobielle Aktivität
3.2.3.1 Alkalische und saure Phosphatase
3.2.3.2 Katalase
3.3 Schwermetalle
3.3.1 Kupfer
3.3.1.1 Quellen und Gehalte im Boden
3.3.1.2 Verhalten im Boden
3.3.2 Wirkung von Schwermetallen auf Mikroorganismen
3.4 Renaturierung
3.4.1 Bekämpfung von Schwermetallkontaminationen
3.4.2 Bodenqualität
4. Untersuchungsgebiet
4.1 Geographische Lage
4.2 Geologie
4.3 Klima und Wasserhaushalt
4.4 Böden
4.5 Vegetation
5. Methoden und Auswerteverfahren
5.1 Probenennahme und Vorbereitung
5.2 Abiotische Bodeneigenschaften
5.2.1 pH-Wert und elektrische Leitfähigkeit
5.2.2 Trockenmasse und Wassergehalt
5.2.3 Glühverlust
5.2.4 Austauschbare Elementkonzentration
5.2.4.1 Aufschluss
5.2.4.2 ICP-OES Bestimmung
5.2.5 Bodenart und Bodenfarbe
5.3 Biotische Bodenparameter
5.3.1 Enzymaktivitäten & mikrobielle Aktivität
5.3.1.1 Saure Phosphatase
5.3.1.2 Alkalische Phosphatase
5.3.1.3 Katalase
6. Ergebnisse
6.1 Abiotische Parameter
6.1.1 Startwerte der Stammproben
6.1.2 pH-Wert im Verlauf des Versuches
6.1.3 Elektrische Leitfähigkeit im Verlauf des Versuches
6.1.4 Kupfergehalt im Verlauf des Versuches
6.1.5 Wassergehalt im Verlauf des Versuches
6.1.6 Organische Substanz am Ende des Versuches
6.2 Biotische Parameter
6.2.1 Startwerte der Stammproben
6.2.2 Aktivität der Katalase der nichtkontaminierten Bodenproben im Verlauf des Versuches
6.2.3 Aktivität der Katalase der kontaminierten Bodenproben im Verlauf des Versuches
6.2.4 Aktivität der sauren Phosphatase der nichtkontaminierten Bodenproben im Verlauf des Versuches
6.2.5 Aktivität der sauren Phosphatase der kontaminierten Bodenproben im Verlauf des Versuches
7. Diskussion
7.1 Wichtigste Ergebnisse
7.2 Fehlerabschätzung
7.2.1 Probenennahme und Transport
7.2.2 pH-Wert und elektrische Leitfähigkeit
7.2.3 Austauschbare Elementkonzentration
7.2.4 Glühverlust
7.2.5 Bodenart und Bodenfarbe
7.2.6 Enzymaktivität
7.2.7 Ausreißer
7.3 Vergleichbarkeit der Standorte hinsichtlich abiotischer und biotischer Faktoren
7.4 Diskussion der Bodenparameter
7.4.1 Bodenfarbe und organische Substanz
7.4.2 Gehalt an organischer Substanz, Wasser, Bodenart und mikrobielle Aktivität
7.4.3 pH-Wert, elektrische Leitfähigkeit, Wassergehalt und Bodentyp
7.4.4 Katalase
7.4.5 Saure Phosphatase
7.4.6 Katalase- und saure Phosphataseaktivität der Bodenproben
7.4.7 Gehalt an Kupfer
7.4.8 Kontamination
7.4.9 Konsequenzen für die Renaturierung
7.4.10 Reflexion
Zielsetzung & Themen
Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss einer Nährstoffzufuhr auf die mikrobielle Aktivität von unterschiedlich geschädigten Böden zu untersuchen, um Rückschlüsse auf die Wirksamkeit von Nährstoffen bei der Renaturierung schwermetallkontaminierter Böden zu ziehen.
- Untersuchung der mikrobiellen Enzymaktivität als Indikator für Bodenbelastungen.
- Vergleich von industriel geprägten, kupferbelasteten Böden mit naturnahen Waldböden.
- Analyse der Wirkung von Kohlenstoff- (Saccharose) und Stickstoffzugaben (Ammoniumsulfat).
- Einsatz statistischer Methoden zur Überprüfung der Auswirkungen von Nährstoffen auf die Enzym- und mikrobielle Aktivität.
Auszug aus dem Buch
3.1.1 Aufbau und Funktion
Bei Enzymen handelt es sich um Stoffe, welche als Biokatalysatoren biochemische Reaktionen beschleunigen. Sie sind vorwiegend aus Proteinen aufgebaut und bilden daher Makromoleküle mit einer einzigartigen dreidimensionalen Struktur (Tertiärstruktur).
Biochemische Reaktionen können sehr langsam verlaufen, ohne erkennbare Resultate zu zeigen. Fügt man aber ein Enzym hinzu, finden sie in sehr kurzer Zeit statt. Diesem Phänomen liegt die Aktivierungsenergiebarriere zugrunde. Die Aktivierungsenergie/freie Energie bildet eine Barriere, infolge der zum Start der Reaktion Energie zugeführt werden muss, die „zum Lösen der Bindungen in den Reaktandenmolekülen nötig ist“ und sie in einen instabilen Übergangszustand überführt. Das Lösen von bestehenden Bindungen der Reaktanden und das Ausbilden neuer Bindungen der Produkte ist ein Merkmal jeder chemischen Reaktion zwischen Molekülen und deren Umordnung der Atome. Für diesen Vorgang ist Aktivierungsenergie erforderlich, welche aus der Umgebung absorbiert werden muss. Dabei handelt es sich normalerweise um thermische Energie.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Diese Einleitung definiert Schwermetalle und ihre toxische Wirkung auf Bodenorganismen sowie das Ziel der Arbeit, die Wirkung von Nährstoffzufuhr auf die mikrobielle Aktivität zu untersuchen.
2. Zusammenfassung: Der Laborversuch wird zusammengefasst, bei dem der Einfluss von Nährstoffen auf die mikrobielle Enzymaktivität an zwei verschiedenen Standorten über einen Zeitraum von sechs Monaten untersucht wurde.
3. Grundlagen: Es werden die theoretischen Hintergründe zu Enzymen, deren Abhängigkeit von Umweltfaktoren, mikrobielle Bodenaktivität, die Rolle von Schwermetallen (speziell Kupfer) und Grundlagen der Renaturierung behandelt.
4. Untersuchungsgebiet: Geographie, Geologie, Klima sowie die Bodenverhältnisse und Vegetation der Entnahmeorte in Radeberg und der Dresdner Heide werden beschrieben.
5. Methoden und Auswerteverfahren: Die Probenentnahme, Vorbereitung sowie die analytischen Methoden zur Bestimmung abiotischer und biotischer Bodenparameter werden detailliert aufgeführt.
6. Ergebnisse: Die im Laborversuch gewonnenen Daten zu abiotischen Parametern und Enzymaktivitäten werden dargestellt.
7. Diskussion: Die Ergebnisse werden interpretiert, Fehlerquellen abgeschätzt und die aufgestellten Hypothesen hinsichtlich der Renaturierung schwermetallbelasteter Böden reflektiert.
Schlüsselwörter
Schwermetalle, Kupfer, Bodenaktivität, mikrobielle Aktivität, Enzymaktivität, Katalase, saure Phosphatase, Renaturierung, Nährstoffzufuhr, Bodenqualität, Bioindikation, Bodenbelastung, Bodenorganismen.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Die Arbeit untersucht, wie sich die Zugabe von Nährstoffen auf die mikrobielle Aktivität in Böden mit unterschiedlicher Schwermetallbelastung auswirkt.
Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?
Die Themen umfassen die Bodenbiologie, die Enzymkinetik, die Geochemie von Schwermetallen und ökologische Renaturierungsstrategien.
Was ist das primäre Ziel der Studie?
Das primäre Ziel ist es, zu ermitteln, ob eine Nährstoffzufuhr die mikrobielle Bodenaktivität in kontaminierten Böden steigern und somit die Renaturierung unterstützen kann.
Welche wissenschaftliche Methodik wurde angewendet?
Es wurde ein sechsmonatiger Laborversuch mit Bodenproben durchgeführt, bei dem abiotische Parameter und enzymatische Aktivitäten (Katalase, saure Phosphatase) regelmäßig bestimmt und statistisch ausgewertet wurden.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretischen Grundlagen der Bodenenzyme und Schwermetallbelastung, die Beschreibung des Untersuchungsgebiets, die detaillierte Darstellung der experimentellen Methoden und die Auswertung der Messergebnisse.
Welche Keywords charakterisieren die Arbeit am besten?
Die zentralen Schlagworte sind Schwermetallkontamination, mikrobielle Enzymaktivität, Renaturierung, Bodenqualität und Bioindikation.
Warum wurde Kupfer als Kontaminationsmittel gewählt?
Kupfer wurde gewählt, da es industriell häufig vorkommt und zudem privat leicht zugänglich ist, was eine kontrollierte Nachahmung der Kontamination im Labor ermöglichte.
Welche Schlussfolgerung zieht der Autor zur Saccharose-Düngung?
Der Autor rät von der Nutzung von Saccharose zur Renaturierung ab, da sie durch Säurebildung im Boden die mikrobielle Aktivität eher hemmt als fördert.
- Quote paper
- Felix Knothe (Author), 2014, Bioindikation bei der Renaturierung von schwermetallbelasteten Böden, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/277792
