Verbundvorhaben: Bewertung von Schadstoffen im Flächenrecycling und nachfolgenden Flächenmanagement auf der Basis der Verfügbarkeit/Bioverfügbarkeit

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1 Abschlussbericht Verbundvorhaben: Bewertung von Schadstoffen im Flächenrecycling und nachfolgenden Flächenmanagement auf der Basis der Verfügbarkeit/Bioverfügbarkeit (BioRefine) Teilvorhaben 2: Aspekt Lebensraumfunktion und Abbaupotential FKZ: B Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME Schmallenberg Projektleitung: Dr. Kerstin Hund-Rinke (IME) Tel: Projektlaufzeit:

2 Berichtsblatt 1. ISBN oder ISSN 2. Berichtsart Abschlussbericht 3a. Titel des Berichts BMBF-Förderschwerpunkt: REFINA Verbundvorhaben: Bewertung von Schadstoffen im Flächenrecycling und nachfolgenden Flächenmanagement auf der Basis der Verfügbarkeit/Bioverfügbarkeit (BioRefine) Teilvorhaben 2: Aspekt Lebensraumfunktion und Abbaupotential 3b. Titel 4a. Autoren des Berichts (Name, Vorname(n)) Hund-Rinke, Kerstin; Derz, Kerstin; Bernhardt, Cornelia 5. Abschlußdatum des Vorhabens Februar Veröffentlichungsdatum geplant 4b. Autoren der Publikation (Name, Vorname(n)) 7. Form der Publikation 8. Durchführende Institution (Name, Adresse) 9. Ber.-Nr. Durchführende Institution Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie 10. Förderkennzeichen *) B Auf dem Aberg 1 11a. Seitenzahl Bericht Schmallenberg 11b. Seitenzahl Publikation 13. Fördernde Institution (Name, Adresse) 12. Literaturangaben 24 Ministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF) Bonn 16. Zusätzliche Angaben 17. Vorgelegt bei (Titel, Ort, Datum) 14. Tabellen Abbildungen Kurzfassung Das Vorhaben war Bestandteil eines Verbundprojektes, in dem PAK und MKW kontaminierte Böden untersucht wurden. In dem Teilvorhaben wurden zwei Aspekte betrachtet: Untersuchungen der Bioverfügbarkeit von Schadstoffen hinsichtlich der Lebensraumfunktion von Böden. Die Auswertung der ökotoxikologischen Tests erfolgte mit zwei Zielrichtungen. Zum einen sollten die Standortböden hinsichtlich ihrer Lebensraumfunktion für Bodenmikroorganismen und Regenwürmer charakterisiert werden. Zum anderen sollte ermittelt werden, ob durch spezifische Elutionsverfahren Informationen über den bioverfügbaren Anteil an Schadstoffen gewonnen werden kann. Ergibt sich eine Korrelation von biologischer Wirkung und der extrahierten Schadstofffraktion, würde das entsprechende Extraktionsverfahren eine schnelle Methode zur Erfassung des Schadstoffanteils darstellen, der für die entsprechenden Organismen verfügbar ist. Ökotoxikologische Effekte traten nur für die MKW-belasteten Standorte auf. Dabei ließen sich folgende Zusammenhänge von Lebensraumfunktion und Schadstofffraktion ließen sich erkennen: - C10-C22-Fraktion und dem für Regenwürmer verfügbaren Anteil - C10-C22-Fraktion aus der 3-Phasen-Extraktion und dem für Regenwürmer verfügbaren Anteil - C10-C22-Fraktion aus der 3-Phasen-Extraktion und dem mikrobiellen Atmungsquotienten - Konzentration im Eluat aus dem Schütteltest und dem mikrobiellen Atmungsquotienten. Alle Zusammenhänge erscheinen auch unter biologischen Aspekten durchaus sinnvoll. Untersuchung der 3-Phasen-Extraktion als Indikator für die Abbaubarkeit der Kontamination Es wurden 4 verschiedene chemische Testverfahren zur schnellen Erfassung des abbaubaren Schadstoffanteils ausgewählt (3-Phasen-Extraktion mit Tenax, XAD und Hydroxypropyl-ß-cyclodextrin (kurz: HPCD) sowie die Oxidationsmethode mit Persulfat), für die es in der Literatur bereits Anhaltspunkte für eine Korrelation mit der beobachteten Abbaubarkeit gegeben hat und die in der ISO (2008) ebenfalls erwähnt werden. Alle chemischen Testverfahren wurden in mehreren Arbeitsschritten mit gespikten Böden untereinander und mit den Ergebnissen von Bodenabbautests verglichen sowie ihre Durchführbarkeit und Aussagekraft überprüft. Die Laborabbautests wurden in Anlehnung an die OECD-Richtlinie 307 durchgeführt, wobei durch konventionelle chemische Analytik Abbaukinetiken aufgenommen wurden. Als geeignete Methoden erwiesen sich die 3-Phasen-Extraktionen mit Tenax und HPCD, die ebenfalls bei den Stand- Seite I

3 ortböden angewendet wurden. Bei den PAK-kontaminierten Böden zeigten die Laborabbautests und die 3-Phasen-Extraktionen mit Tenax und HPCD übereinstimmend einen sehr geringen für Abbauprozesse verfügbaren Schadstoffanteil an. Obwohl hohe PAK-Gesamtgehalte im Boden bestimmt werden konnte, besteht das PAK-Spektrum hauptsächlich aus PAK mit mehr als 4 Ringen, die aufgrund von Festlegungen nur noch zu einem sehr geringen Anteil für Mikroorganismen verfügbar sind. Für die PAK-kontaminierten Böden wurde deshalb ein weiterer signifikanter Abbau von PAK ausgeschlossen. Aufgrund der Ergebnisse der 3-Phasen-Extraktion mit Tenax und HPCD ergeben sich zudem keine Hinweise auf Verlagerung der noch im Boden vorliegenden PAK und eine weitere signifikante Grundwasserbelastung. Für die untersuchten MKW-belasteten Böden zeigten die Laborabbautests dagegen einen relativ hohen für Abbauprozesse verfügbaren Schadstoffanteil an, wobei die höchsten Abbauraten bei Böden mit einem hohen Anteil an kurzkettigen, mobilen MKW (C10-C22) erzielt wurden. Die 3-Phasen-Extraktionen spiegelten dieses Abbauspektrum gut wider. Die 3-Phasen-Extraktion mit HPCD zeigte eine gute Übereinstimmung mit den abbaubaren Schadstoffanteilen in MKW-belasteten Böden, lediglich bei einem Boden wurden die für Abbauprozesse verfügbaren Anteile unterschätzt. Die Aussagekraft der 3-Phasen-Extraktion mit Tenax für MKW-Kontaminationen konnte aufgrund eines nicht-optimalen Boden/Tenax-Verhältnisses im Testsystem nicht abschließend beurteilt werden. Die gewonnenen Ergebnisse flossen in die Gesamtstandortbewertung ein. Diese ist im Abschlussbericht der Freien Universität Berlin enthalten (Verbundkoordinator). Dort findet sich auch der Beitrag des IME zur Qualitätssicherung und zu den Untersuchungskonzepten. 19. Schlagwörter Bioverfügbarkeit; 3-Phasen-Extraktion; Bodenabbau; PAK; MKW; ökotoxikologische Untersuchungen 20. Verlag 21. Preis Seite II

4 Report Cover Sheet 1. ISBN oder ISSN 2. Type of Report Final report 3a. Report Title Refina Consortium Assessment of contaminants in the frame of land recycling and land management on the basis of availability / bioavailability (BioRefine). Project 2: Habitat function and degradation potential 3b. Title of Publication 4aAuthors of the Report 5. End of Project Hund-Rinke, Kerstin; Derz, Kerstin; Bernhardt, Cornelia February Publication Date intended 4b. Authors of the Publication 7. Form of Publication 8. Performing Organization (Name, Adress) 9. Originator S Report No. Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie 10.Reference No Auf dem Aberg 1 11a.No. of Pages Report Schmallenberg 11b. No. of Publication 13. Sponsoring Agency (Name, Adress) 12. No. of Reference 24 Ministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF) Bonn 16. Supplementatry Notes 17. Presented at (Titel, Ort, Datum) 14. Tables Figures Abstract: The project is part of joint project in which soils contaminated with PAH and mineral oil were investigated. In this subproject two aspects were considered: Assessment of the habitat function of soils for soil microflora and earthworms Two problems were considered: (I) the contamined sites were assessed with respect to the habitat function of the soil for microorganisms and earthworms. (II) It was investigated whether specific extraction procedures are suitable to characterize the bioavailable fraction of the contamination. In this case there should be a relationship between effect and concentration of contaminants in an extract (bioavailable concentration). If such correlations exist the respective extraction procedure could be used as fast screening method for the available fraction concerning the respective soil organism. Only for the mineral oil contaminated sites ecotoxicological effects were detected. For mineral oil contaminations following relationships were observed: C10-C22 fraction and earthworms C10-C22 fraction of 3-phase-extraction and earthworms C10-C22 fraction of 3-phase-extraction and microbial respiration quotient Concentration in eluat of batch extraction and microbial respiration quotient The relationships can be explained with respect to biological aspects. Testing and standardisation of three phase extraction techniques as an indicator of the degradability of organic contaminats in soil For the testing four different chemical extraction techniques were selected (three phase extraction with Tenax, XAD and hydroxypropyl-ß-cyclodextrin (HPCD) and the persulfate oxidation method). Results of all these methods published in the literature indicate a correlation with the observed biodegradability and also ISO (2008) considered these methods to be suitable for estimating the biodegradation. In a first step, results of all these chemical extraction techniques using spiked soils were compared with each other and with the results of an aerobic degradation test according to OECD guideline 307 concerning practicability and expressiveness. Results of three phase extraction with Tenax and HPCD turned out to be most appropriate receiving best correlation to soil degradation results. Both methods were used for the soils of the contaminated sites which were selected for the BioRefine project. Regarding the soils of PAH-contaminated sites, exhaustive extraction of these soils resulted in high total concentrations especially of PAH with more than 4 aromatic rings. However, both laboratory degradation Seite III

5 test and three phase extraction with Tenax and HPCD showed concordantly a low available and degradable fraction of these contaminants. Therefore, a further significant degradation of PAHs was excluded for the PAH-contaminated sites. On the basis of theses findings, further leaching and groundwater contamination by the existing PAHs is unlikely to occur. Regarding the soils of petroleum hydrocarbon contaminated sites, both degradation test and three phase extraction with Tenax and HPCD indicate that relatively high amounts of petroleum hydrocarbons are still available especially the fraction of mobile, short-chain petroleum hydrocarbons (C10-C22). The three phase extraction techniques showed concordantly petroleum hydrocarbons spectra compared to the biodegradation. Results of three phase extraction with HPCD received a good correlation to soil degradation results. Only in one case the degradable fraction of petroleum hydrocarbons was underestimated by this technique. The expressiveness of three phase extraction with Tenax could not be finally assessed due to the use of a non-optimal soil/tenax ratio in the test system. The results were used for the overall assessment of the contaminated sites which is part of the final report of the Free University of Berlin (co-ordinator of the joint project) 19. Keywords bioavailability, 3-phase-extraction; degradation in soil; PAH, MHC; ecotoxicological testing 20. Publisher 21.Price Seite IV

6 Inhaltsverzeichnis 1 Zusammenfassung Einleitung und Zielsetzung Material und Methoden Standortauswahl Ökotoxikologische Untersuchungen Mikrobielle Atmung (DIN ISO 17155, 2003) Mikrobielle potentielle Ammoniumoxidation (DIN ISO 15685, 2004) Regenwurmreproduktionstest (DIN ISO , 2000) Untersuchungen zur Erfassung der abbaubaren Schadstoffanteile im Boden Abbautest Chemische Testverfahren zur Abschätzung des abbaubaren Schadstoffanteils Analytik Ergebnisse Ökotoxikologische Ergebnisse Beurteilung der Proben / Standorte Beurteilung der Lebensraumfunktion Beurteilung der Bioverfügbarkeit auf Basis von Elutionsversuchen Ergebnisse der Untersuchungen zur Erfassung der abbaubaren Schadstoffanteile im Boden Erprobung der chemischen Testverfahren zur Erfassung der abbaubaren Schadstoffanteile im Boden Erfassung der abbaubaren Schadstoffanteile in den Standortböden Literatur...53 Seite V

7 1 Zusammenfassung Das Vorhaben war Teil des Verbundvorhabens "Bewertung von Schadstoffen im Flächenrecycling und nachfolgenden Flächenmanagement auf der Basis der Verfügbarkeit/Bioverfügbarkeit (BioRefine)". Für den Verbund wurde ein gemeinsamer Abschlussbericht verfasst. Der vorliegende Teilbericht dient der Darstellung der am Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie verfassten Teilergebnisse. Für die Untersuchungen waren im Verbund vier Standorte ausgewählt worden, die mit PAKs bzw. MKWs belastet waren. In dem vorliegenden Teilvorhaben wurden zwei Aspekte betrachtet: Untersuchungen der Bioverfügbarkeit von Schadstoffen hinsichtlich der Lebensraumfunktion von Böden. Untersuchung der 3-Phasen-Extraktion als Indikator für die Abbaubarkeit der Kontamination Im Rahmen dieses Teilvorhabens wurden die Lebensraumfunktion von Böden für Bodenmikroorganismen und Regenwürmer über die entsprechenden ökotoxikologischen Tests erfasst. Die Untersuchungen erfolgten nach DIN ISO (mikrobielle Atmung), DIN ISO (potenzielle Ammoniumoxidation) sowie nach DIN ISO (Eisenia fetida: Reproduktion). Die Beurteilung der Ergebnisse aus den ökotoxikologischen Tests erfolgte mit zwei Zielrichtungen. Zum einen sollten die im Verbund bearbeiteten Standortböden hinsichtlich ihrer Lebensraumfunktion charakterisiert werden. Zum anderen sollte ermittelt werden, ob durch spezifische Elutionsverfahren Informationen über den bioverfügbaren Anteil an Schadstoffen gewonnen werden kann. Ergibt sich eine Korrelation von biologischer Wirkung und der extrahierten Schadstofffraktion, würde das entsprechende Extraktionsverfahren eine schnelle Methode zur Erfassung des Schadstoffanteils darstellen, der für die entsprechenden Organismen verfügbar ist. Dies würde zu einer Minimierung von zeit- und arbeitsintensiven Inkubationsversuchen führen. Ökotoxikologische Effekte waren nur für die MKW-Standorte zu beobachten. Dabei ergab sich ein unterschiedliches Muster hinsichtlich der Beeinträchtigung der Lebensraumfunktion für die betrachteten Organismen bzw. Parameter. Dies macht erneut deutlich, dass eine umfassende Beurteilung nur auf Basis unterschiedlicher Organismen möglich ist. Eine Zusammenschau der Ergebnisse unter dem Aspekt "Beurteilung der Lebensraumfunktion" ist aus Tabelle 10 - Tabelle 13. ersichtlich. Gemäß Richtlinie ISO (2007) sollen Verfahren zur Extraktion bioverfügbarer Schadstoffanteile biologische Prozesse abbilden. Im Verbund wurden daher folgende Extraktionsverfahren verwendet: Schüttelelution (Boden : Wasser-Verhältnis 1:2) Säulenelution (Boden : Wasser-Verhältnis 1:2) 3-Phasen-Extraktion Bei den Mineralölen wurde neben der Gesamtfraktion (Kettenlänge von C10 - C40) auch die mobile Fraktion (Kettenlänge von C10 - C22) betrachtet. Um einen Zusammenhang zwischen Schadstoffgehalten und Wirkung zu erkennen, wurden die Standorte nach den Schadstoffgehalten aus den verschiedenen Extraktionsverfahren sortiert. Diese Reihung wurde mit der Beurteilung der Standorte hinsichtlich "Lebensraumfunktion eingeschränkt" Seite 1

8 "keine Einschränkung der Lebensraumfunktion" verglichen. Bei einer idealen Übereinstimmung wären alle Standorte mit gleicher Beurteilung der Lebensraumfunktion auf einer Seite. Die Höhe der Einschränkung auf Basis der ökotoxikologischen Ergebnisse spielte nur eine untergeordnete Rolle. Zwischen extrahierbarer Schadstoff-Fraktion und Lebensraumfunktion ließen sich folgende Zusammenhänge erkennen (s. auch Tabelle 15 - Tabelle 21): C10-C22-Fraktion aus den Gesamtgehalten und dem für Regenwürmer verfügbaren Anteil C10-C22-Fraktion aus der 3-Phasen-Extraktion mit HPCD bzw. Tenax und dem für Regenwürmer verfügbaren Anteil C10-C22-Fraktion aus der 3-Phasen-Extraktion mit HPCD bzw. Tenax und dem mikrobiellen Atmungsquotienten Gesamtkonzentration im Eluat aus dem Schütteltest und dem mikrobiellen Atmungsquotienten. Alle Zusammenhänge erscheinen unter biologischen Aspekten sinnvoll. Die Exposition von Regenwürmern erfolgt sowohl über die Haut (dermale Aunahme) als auch über den Darm. Damit erklärt sich, eine reine Wasserextraktion (Schüttelelution, Säulenelution) die Verhältnisse beim Regenwurm nicht angemessen simulieren kann. Im Gegensatz zu der Extraktion mit hohen Wasseranteilen spiegelt eine stärkere Extraktion die Verfügbarkeit sowohl über die Haut als auch über den Darm wider. Da auch bei den Schadstoffgehalte die Reihung und nicht die Absolutwerte entscheidend war, erklärt, dass eine Übereinstimmung mit der C10 - C22-Fraktion aus den Gesamtgehalten und aus der 3-Phasen- Extraktion vorliegt. Mikroorganismen werden über die Wasserphase exponiert. Die mikrobielle Atmung umfasst sowohl Toxizitätsindikatoren als auch Indikatoren für das Abbaupotential der vorhandenen Schadstofffraktion. So ist der respiratorische Aktivierungsquotient geeignet, das Abbaupotential anzuzeigen, was zu den Schadstoffgehalten in den Eluaten aus den Schüttelversuchen passt. Die 3-Phasen-Extraktion wiederum wurde hinsichtlich ihrer Prognosefähigkeit für den Abbau der Kontaminanten optimiert. Dabei wurde nicht gezielt zwischen der Gesamtfraktion an MKW (C10 - C40) und der mobilen Fraktion (C10 - C22) unterschieden, da Aussagen zur potentiell abbaubaren Fraktion gewonnen werden sollten. Im Atmungstest werden dagegen mit der gewählten Methodik einer Kurzzeitmessung primär die leicht verfügbaren Kohlenstoffquellen detektiert. Somit passt hierzu die Übereinstimmung mit der mobilen Fraktion (C10 - C22) beider 3-Phasen-Extraktionen. Keine Korrelation konnte zwischen Schadstoffgehalten und der mikrobiellen Nitrifikation hergestellt werden. Über potentielle Ursachen der mangelnden Korrelation kann nur spekuliert werden. Die Durchführung der Tests zur Erfassung des abbaubaren Schadstoffanteils erfolgte ebenfalls mit zwei Zielrichtungen. Zum einen sollten mittels konventioneller Abbautests (in Anlehnung an die OECD-Richtlinie 307) Informationen über die Stoffumwandlungskapazität der Standortböden gewonnen werden. Zum anderen wurden chemische Extraktionsverfahren wie z.b. die 3-Phasen-Extraktion erprobt und standardisiert, um den bioverfügbaren und somit potentiell abbaubaren Schadstoffanteil der Bodenkontamination abschätzen zu können. Seite 2

9 Für dieses Verbundvorhaben wurden chemische Verfahren für die Erfassung der abbaubaren Schadstoffanteile im Boden ausgewählt, für die es in der Literatur bereits Anhaltspunkte für eine Korrelation mit der beobachteten Abbaubarkeit gegeben hat und die in der ISO (2008) ebenfalls erwähnt werden. Dabei handelt es sich um die 3-Phasen-Extraktion mit Tenax, XAD und Hydroxypropyl-ß-cyclodextrin (kurz: HPCD) sowie die Oxidationsmethode mit Persulfat. Alle chemischen Testverfahren wurden in mehreren Arbeitsschritten mit gespikten Böden untereinander und mit den Ergebnissen von Laborabbautests verglichen sowie ihre Durchführbarkeit und Aussagekraft überprüft. Die Bodenabbautests wurden in Anlehnung an die OECD-Richtlinie 307 durchgeführt, wobei durch konventionelle chemische Analytik Abbaukinetiken aufgenommen wurden. Während dieser Erprobungsphase erwies sich die 3-Phasen-Extraktion mit XAD als nicht geeignet für eine schnelle Abschätzung des abbaubaren Schadstoffanteils, da sich die lange Extraktionsdauer von 2 Wochen, die zur Gleichgewichtseinstellung mit PAK-Kontaminationen nötig war, nachteilig auch auf Analytik und Korrelation mit dem biologischen Bodenabbau auswirkte. Ebenfalls schied die Oxidationsmethode mit Persulfat aufgrund sehr hoher Oxidationsraten aus. Für die Bearbeitung der Standortböden wurden die 3-Phasen-Extraktionen mit Tenax und HPCD ausgewählt, wobei aufgrund der Untersuchungen zur zeitabhängigen Extraktionsausbeute eine Extraktionsdauer von 24 Stunden als ausreichend erachtet wurde. Bei den PAK-kontaminierten Böden zeigten die Laborabbautests in Anlehnung an die OECD 307 und die 3-Phasen-Extraktionen mit Tenax und HPCD übereinstimmend einen sehr geringen für Abbauprozesse verfügbaren Schadstoffanteil an. Obwohl hohe PAK- Gesamtgehalte im Boden bestimmt werden konnte, besteht das PAK-Spektrum hauptsächlich aus PAK mit mehr als 4 Ringen, die aufgrund von Festlegungen nur noch zu einem sehr geringen Anteil für Mikroorganismen verfügbar sind. Für die PAK-kontaminierten Böden wurde ein weiterer signifikanter Abbau von PAK ausgeschlossen. Aufgrund der Ergebnisse der 3-Phasen-Extraktion mit Tenax und HPCD ergeben sich zudem keine Hinweise auf Verlagerung der noch im Boden vorliegenden PAK und eine weitere signifikante Grundwasserbelastung. Für die untersuchten MKW-belasteten Böden zeigten die Laborabbautests dagegen einen relativ hohen für Abbauprozesse verfügbaren Schadstoffanteil an, wobei die höchsten Abbauraten bei Böden mit einem hohen Anteil an kurzkettigen, mobilen MKW (C10-C22) erzielt wurden. Die 3-Phasen-Extraktionen spiegelten dieses Abbauspektrum gut wider. Die 3- Phasen-Extraktion mit HPCD zeigte eine gute Übereinstimmung mit den abbaubaren Schadstoffanteilen in MKW-belasteten Böden, lediglich bei einem Boden wurden die für Abbauprozesse verfügbaren Anteile unterschätzt. Die Aussagekraft der 3-Phasen-Extraktion mit Tenax für MKW-Kontaminationen konnte aufgrund eines nicht-optimalen Boden/Tenax- Verhältnisses im Testsystem nicht abschließend beurteilt werden. Die 3-Phasen-Extraktionen mit HPCD und Tenax (unter Vorbehalt bei MKW- Kontaminationen) ergeben vor allem in Kombination mit spezifischer Analytik der Gesamtgehalte, die auch die Schadstoffprofile mit einschließt, aussagekräftige Ergebnisse für die untersuchten PAK- und MKW-kontaminierten Böden. Der Arbeitsbedarf bei der Testdurchführung der Tenax-Extraktion wird jedoch im Vergleich mit der HPCD-Extraktion höher eingeschätzt. In Tabelle 1 sind die Ergebnisse aus den Untersuchungen zur Ökotoxikologie und zum verfügbaren Anteil für die Standortböden in Abhängigkeit der Schadstoffbelastung zusammengefasst, die Bedeutung für die Standorte erläutert und Empfehlungen aufgestellt. Seite 3

10 Tabelle 1: Zusammenfassende Darstellung der Ergebnisse für die Standortböden in Abhängigkeit der Schadstoffbelastung und Schlussfolgerungen Schadstoff- Chemische Analytik Einschätzung 3-Phasen- Aussage Ökotoxikologische Generelle Aussage gruppe Extraktion Untersuchungen PAK MKW PAK-Profil: überwiegend höherkernige PAK mit 5 und 6 Ringen, PAK mit 3 und 4 Ringen fehlen weitgehend MKW-Profil mit Unterteilung in mobile (C 10 -C 22 ) und nicht-mobile Anteile (C 22 -C 40 ); Belastungsprofil zeigt teilweise beträchtliche Anteile an mobiler C 10 - C 22 -Fraktion gemäß prognostiziertem Belastungsprofil sind die biologisch abbaubaren PAK weitgehend aus dem Boden entfernt kein signifikanter weiterer Abbau; keine signifikanten weiteren Einträge ins Grundwasser, da höherkernige PAK nicht als mobil gelten mobile Anteile sind noch im Boden vorhanden möglicherweise weitere Einträge ins Grundwasser, signifikanter weiterer Abbau möglich nur geringe Mengen mittels Tenax- und HPCD- Extraktion extrahierbar Ein beträchlicher Anteil der C 10 -C 22 Fraktion konnte extrahiert werden durch unabhängige Methode Bestätigung der auf dem Belastungsprofil basierenden Einschätzung Bestätigung der auf dem Belastungsprofil basierenden Einschätzung; mittels Laborabbautests wurde belegt, dass der extrahierbare Anteil biologisch abbaubar ist Keine Ökotoxizität mit den verwendeten Testorganismen nachweisbar. Die noch vorhanden PAKs sind für die Organismen nicht verfügbar. Sowohl im Regenwurmreproduktionstest als auch im mikrobiellen Atmungsquotienten ist eine ökotoxikologische Wirkung detektierbar. Hier ist eine Zusammenhang mit der C10- C22-Konzentration festzustellen. Bei dem mikrobiellen Atmungsquotienten ergibt sich auch ein Zusammenhang zum eluierbaren Anteil im Schütteltest. Altlastenstandort mit bereits erfolgtem Abbau der verfügbaren 2- bis 4- Ring-PAK, keine Grundwassergefährdung durch weiterhin vorhandene 5- und 6-Ring- PAK. Exposition des Menschen vermeiden Keine Entwarnung für die MKWbelasteten Flächen; Mobile, abbaubare und ökotoxikologisch relevante Schadstoffanteile liegen im Boden vor. Es ist abzuklären, ob bei diesen Altlasten der biologische Abbau prinzipiell nicht stattfindet oder ob die Kontamination im Boden so gekapselt vorliegt, dass sie nicht verfügbar ist und nur durch Bodenprobenahme und -aufarbeitung verfügbar wurde. Seite 4

11 Die gewonnenen Ergebnisse flossen in die Gesamtstandortbewertung ein. Diese ist im Abschlussbericht der Freien Universität Berlin enthalten. Dort sind auch die Beiträge des IME zu den Themenkreisen Flächenbewertung, Qualitätssicherung, Untersuchungskonzepte, Ableitung von Maßnahmen und übergreifende Ergebnisauswertung integriert. 2 Einleitung und Zielsetzung Das Vorhaben war Teil des Verbundvorhabens "Bewertung von Schadstoffen im Flächenrecycling und nachfolgenden Flächenmanagement auf der Basis der Verfügbarkeit/Bioverfügbarkeit (BioRefine)". Für einen nachhaltigen Umgang mit der Ressource Boden ist die Verminderung der Flächeninanspruchnahme unumgänglich. Eine Option für eine verringerte Neuinanspruchnahme ist die Verwertung von Brachflächen. Ein Hemmnis auf dem Weg zur Wiedernutzung stellt dabei meist die ungeklärte Frage nach vornutzungsbedingten Bodenverunreinigungen dar. Hohe Sanierungskosten auf Grund der Beurteilung anhand von Gesamtgehalten verzögern oder verhindern dabei eine erfolgreiche Zwischen- oder Nachnutzung. Eine Gesamtbeurteilung unter Einbeziehung verfügbarer/bioverfügbarer Schadstoffgehalte ermöglicht eine Harmonisierung der schutzgutbezogenen Bewertung und eine realitätsnahe Risikobewertung für den einzelnen Standort. Im Verbund waren vier Standorte ausgewählt worden, die mit PAKs bzw. MKWs belastet waren. An diesen sollte die neue Vorgehensweise exemplarisch erprobt und die Vorteile gegenüber der herkömmlichen Methodik aufgezeigt werden. In dem vorliegenden Teilvorhaben wurden zwei Aspekte betrachtet: Untersuchungen der Bioverfügbarkeit von Schadstoffen hinsichtlich der Lebensraumfunktion von Böden. Untersuchung der 3-Phasen-Extraktion als Indikator für die Abbaubarkeit der Kontamination Die Durchführung der ökotoxikologischen Tests erfolgte mit zwei Zielrichtungen. Zum einen sollten die Standortböden hinsichtlich ihrer Lebensraumfunktion für Bodenmikroorganismen und Regenwürmer charakterisiert werden. Zum anderen sollte ermittelt werden, ob durch spezifische Elutionsverfahren Informationen über den bioverfügbaren Anteil an Schadstoffen gewonnen werden kann. Ergibt sich eine Korrelation von biologischer Wirkung und der extrahierten Schadstofffraktion, würde das entsprechende Extraktionsverfahren eine schnelle Methode zur Erfassung des Schadstoffanteils darstellen, der für die entsprechenden Organismen verfügbar ist. Dies würde zu einer Minimierung von zeit- und arbeitsintensiven Inkubationsversuchen führen. Die Durchführung der Tests zur Erfassung des abbaubaren Schadstoffanteils erfolgte ebenfalls mit zwei Zielrichtungen. Zum einen sollten mittels konventioneller Abbautests (in Anlehnung an die OECD-Richtlinie 307) Informationen über die Stoffumwandlungskapazität der Standortböden gewonnen werden. Zum anderen wurden chemische Extraktionsverfahren wie z.b. die 3-Phasen-Extraktion erprobt und standardisiert, um den bioverfügbaren und somit potentiell abbaubaren Schadstoffanteil der Bodenkontamination abschätzen zu können. Die konventionellen Abbautests stellen somit bei der Erprobung der chemischen Seite 5

12 Extraktionsverfahren zudem eine Meßgröße für die Leistungsfähigkeit der einzelnen chemischen Verfahren dar. Ergeben sich Übereinstimmungen mit dem biologischen Abbau im Boden, können chemische Extraktionsmethoden als schnelle und kostengünstige Alternative gegenüber den zeit- und kostenaufwendigen Abbautests als Abschätzung des abbaubaren Schadstoffanteils herangezogen und zur Ableitung geeigneter Maßnahmen wie z.b. mikrobiologischer Sanierungen oder Natural Attenuation eingesetzt werden. Die gewonnenen Ergebnisse flossen in die Gesamtstandortbewertung ein. Die detaillierten Ergebnisse sowie die Gesamtstandortbewertung ist im Abschlussbericht der Freien Universität Berlin, dem Koordinator des Vorhabens, enthalten. Dort sind auch die Beiträge des IME zu den Themenkreisen Flächenbewertung, Qualitätssicherung, Untersuchungskonzepte, Ableitung von Maßnahmen und übergreifende Ergebnisauswertung integriert. Seite 6

13 3 Material und Methoden 3.1 Standortauswahl Für den Verbund waren vier Standorte ausgewählt worden, die mit PAKs bzw. MKWs belastet waren. Im Folgenden (Tabelle 2, Tabelle 3) ist nur eine Kurzbeschreibung aufgeführt. Die umfassende Darstellung findet sich im Gesamtbericht des Verbundvorhabens. Tabelle 2: Kurzcharakteristika der Modellflächen Modellfläche innerstädtische Industriebrache (Gewerbe und Gasanstalt) ehemalig industriell genutzte Fläche ehemaliges militärisch genutztes Tanklager und ehemalige Reparatureinheit ehemalige militärisch genutzte Liegenschaft mit zahlreichen Technikbereichen Bezeichung HO WO KU FZ Ehemalige Nutzung Gaswerk und Gewerbe Teerpappenfabrik Reparatureinheit, Tanklager Hauptkontaminanten im Boden Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe/Mineralölkohlenwasserstoffe Mineralölkohlenwasserstoffe Mineralölkohlenwasserstoffe Panzerkaserne, Bauregiment, Handelslager Tabelle 3: Bodenkennwerte und Feststoffgehalte der Untersuchungsböden Bodencharakterisierung Feststoffanalytik [mg/kg TS] Modellliegenschafminatiobenart* [%] (CaCl 2 ) [B(a)P] [mobiler Anteil C 10 -C 22 ] Hauptkonta- Pro- Boden- C org ph PAK 16 MKW C 10 -C 40 bez innerstädtische HO-1 Ss 0,2 7,6 74,1 [5,5] < 25 [< 25] Industriebrache (Gewerbe und Gasanstalt) - PAK HO-2 Su2 2,3 7,3 19,8 [1,6] < 25 [< 25] HO HO-3 Ss 1,9 7,8 98,9 [10,8] < 25 [< 25] ehemalig industriell genutzte Fläche - WO ehemaliges militärisch genutztes Tanklager - KU ehemalige militärisch genutzte Liegenschaft mit zahlreichen Technikbereichen - FZ PAK und MKW MKW MKW WO-2 Su2 3,5 7,7 608,6 [50,2] < 25 [< 25] WO-3 Sl2 6,5** 7,1 279,7 [21,3] 878 [185] WO-4 Sl2 1,6 7,2 514 [40,5] 815 [381] KU-1 Ss 1,1 5,1 13,3 [0,9] 2212 [351] KU-2 Ss 0,5 4,4 0,6 [< 0,02] 4527 [3983] FZ-1 Ss 1,6 5,0 0,4 [0,04] 2501 [742] FZ-2 Ss 1,3 6,6 0,6 [0,06] 2145 [640] FZ-3 Ss 1,0 6,4 0,7 [0,07] 634 [496] FZ-4 Ss 1,0 7,3 0,9 [0,06] 819 [660] *Ss = reiner Sand, Su2 = schwach schluffiger Sand, Sl2 = schwach lehmiger Sand, ** hoher C org von 6,5 resultiert aus hoher Feinwurzeldichte und anthropogenen organischen Beimengungen Seite 7

14 3.2 Ökotoxikologische Untersuchungen Als ökotoxikologische Tests wurden Untersuchungen mit der Bodenmikroflora (Atmung, potenzielle Ammoniumoxidation) und mit Regenwürmern (Mortalität, Reproduktion) herangezogen. Die Untersuchungen erfolgten nach DIN ISO (2003, mikrobielle Atmung), DIN ISO (2004, potenzielle Ammoniumoxidation) sowie nach DIN ISO (2000, Eisenia fetida: Reproduktion). Alle genannten Richtlinien sind speziell auf die Bodenbeurteilung ausgelegt. Für die mikrobiellen Untersuchungen wurde der Boden jeweils auf 50 % der maximalen Wasserhaltekapazität eingestellt, für die Regenwurmtests auf 60 %. Zur Beurteilung der Ergebnisse wurde sowohl für die Nitrifikation als auch für den Regenwurmreproduktionstest ein Kontrollboden benötigt. Die Charakterisierung der Böden ist Tabelle 4 zu entnehmen. Tabelle 4: Charakterisierung der Kontrollböden für die Nitrifikation und den Regenwurmreproduktionstest Kontrollboden 1 (für Regenwurmtest) Kontrollboden 2 (für Nitrifikation) Kontrollboden 3 (für Nitrifikation) Bezeichnung RefeSol 01-A RefeSol 03-G RefeSol 04-A Nutzung landwirtschaftlich landwirtschaftlich landwirtschaftlich Bodentyp / Beschreibung Korngrößenverteilung: Sand: Schluff: Ton: Braunerde / schwach lehmiger Sand, mittel sauer, sehr schwach humos Braunerde / schluffiger Lehm, mittel sauer, mittel humos Gley Podsol / schwach schluffiger Sand, mittel sauer, mittel humos Corg 0,93 3,85 2,91 ph 5,7 5,6 5, Mikrobielle Atmung (DIN ISO 17155, 2003) Über die mikrobielle Atmung wird die Leistung der Mikroorganismen in der zu bewertenden Bodenprobe erfasst. Sie gibt somit einen Hinweis auf die generelle mikrobielle Aktivität am Standort. Der Vergleich mit festgelegten Schwellenwerten ermöglicht die Interpretation der Ergebnisse im Hinblick auf die Lebensraumfunktion von Böden. Die Vorgehensweise ist in Abbildung 1 dargestellt. Seite 8

15 Abbildung 1: Vorgehensweise bei der Bestimmung der mikrobiellen Atmungsrate (dargestellte Messeinrichtung ist beispielhaft; verschiedene Systeme sind auf dem Markt erhältlich) Zur Erfassung der mikrobiellen Atmung wurde die O 2 -Aufnahme der Böden vor und nach Zusatz eines leicht abbaubaren Substrats (Glucose + Ammonium + Phosphat) regelmäßig gemessen. Aus den Werten der O 2 -Aufnahme wurden verschiedene mikrobielle Parameter (Basalatmung, substratinduzierte Atmung, Lag-Phase, Atmungsaktivierungsquotient, tpeakmax) errechnet. 1. Atmungsrate: konstante Masse des aufgenommenen O 2 je Masseeinheit Boden je Zeiteinheit. 2. Basalatmungsrate: Atmungsrate ohne Substratzugabe 3. Substratinduzierte Atmungsrate: Atmungsrate nach Substratzugabe. 4. Lag-Phase: Zeit von der Zugabe eines Wachstumssubstrats bis zum Beginn des exponentiellen Wachstums. 5. Atmungsaktivierungsquotient: Basalatmungsrate, dividiert durch die substratinduzierte Atmungsrate. 6. tpeakmax: Zeit von der Zugabe des Wachstumssubstrates bis zur maximalen Atmungsrate Der Verlauf einer Atmungskurve sowie die erfassten Parameter sind exemplarisch aus Abbildung 2 ersichtlich. Seite 9

16 Abbildung 2: Bodenatmungsrate vor und nach der Zugabe eines leicht abbaubaren Substrats (entnommen aus: DIN ISO 17155; 2003) Die Lebensraumfunktion für Bodenmikroorganismen wurde auf Basis der drei Parameter Lag-Phase, Atmungsaktivierungsquotient, tpeakmax beurteilt. Für jeden Parameter wurden Schwellenwerte festgelegt. In Abhängigkeit des Parameters weist eine Unter- bzw. Überschreitung des Schwellenwertes auf eine eingeschränkte Lebensraumfunktion für Bodenmikroorganismen hin. Die Lebensraumfunktion wurde bei Vorliegen eines der folgenden Kriterien als eingeschränkt betrachtet (DIN/ISO 17616): Respiratorischer Aktivierungsquotient (Quotient aus Basal- und substratinduzierter Atmung): > 0,3 Lag-Phase (Zeitspanne bis zum Einsetzen des exponentiellen Wachstums): > 20 h Peak-Maximum (Zeitpunkt der maximalen Atmungsrate): > 50 h Mikrobielle potentielle Ammoniumoxidation (DIN ISO 15685, 2004) Die Ammoniumoxidation ist der erste Schritt der autotrophen Nitrifikation im Boden und wird zur Bewertung der potentiellen Aktivität von nitrifizierenden Mikroorganismenpopulationen angewendet. Die Ergebnisse, die mit einem potentiell belasteten Boden erhalten werden, werden auf die eines unkontaminierten Referenzbodens bezogen. Der Vergleich mit festgelegten Schwellenwerten ermöglicht die Interpretation der Ergebnisse im Hinblick auf die Lebensraumfunktion von Böden. Der Ablauf ist aus Abbildung 3 ersichtlich. Seite 10

17 Abbildung 3: Vorgehensweise bei der Bestimmung der mikrobiellen Ammoniumoxidation Die im Boden vorhanden Nitrifikanten wurden durch Zugabe einer Ammoniumsulfatlösung erfasst. Durch Zugabe von Natriumchlorat wurde die Oxidation des Nitrit durch nitritoxidierende Bakterien in der Suspension gehemmt. Der sich daraufhin ergebende Nitritgehalt wurde als Maß der potentiellen Aktivität von ammoniumoxidierenden Bakterien gewertet. Die Beurteilung von potentiell verunreinigten Böden erfolgte durch einen Vergleich mit einem unkontaminierten Referenzboden. Die Nitrifikationsaktivität wurde in dem zu beurteilenden Boden, in einem Referenzboden mit guter Nitrifikationsaktivität sowie in einer 1:1-Mischung beider Böden erfasst. Bei Mischungen von verunreinigten und unkontaminierten Böden ist der verunreinigte Boden als toxisch zu betrachten, wenn die Mischung eine Ammoniumoxidation aufweist, die geringer als 90 % der mittleren Aktivität der beiden getrennt geprüften Böden ist Regenwurmreproduktionstest (DIN ISO , 2000) Mit diesem Verfahren wird die Wirkung von potentiell kontaminierten Böden auf das Wachstum, Überleben und die Reproduktionsleistung des Kompostwurms im Vergleich zu einem unbelasteten Referenzboden untersucht. Der Vergleich der Ergebnisse von Test- und Referenzboden unter Berücksichtigung von festgelegten Schwellenwerten ermöglicht die Interpretation der Ergebnisse im Hinblick auf die Lebensraumfunktion von Böden. Als Testorganismus können die beiden Arten Eisenia fetida bzw. Eisenia andrei verwendet werden. Im vorliegenden Projekt wurde der die Art Eisenia andrei eingesetzt (Abbildung 4). Abbildung 4: Der Testwurm Eisenia andrei Seite 11

18 Der Testablauf ist in Abbildung 5 dargestellt. Der Kompostwurm kann in Zucht gehalten werden. Geschlechtsreife Würmer mit einem Gewicht von mg und einer Altersdifferenz von maximal 4 Wochen wurden in die Böden gesetzt. Die Feuchtigkeitseinstellung der Böden erfolgte über die Faustprobe (Faustprobe: eine Hand voll des Bodens in der Faust drücken; dabei müssen bei ausreichender Feuchtigkeit kleine Wassertropfen zwischen den Fingern entstehen). Die Würmer wurden mit Dung gefüttert und über 4 Wochen bei C und einer Beleuchtung mit Tag/Nacht-Rhythmus inkubiert. Während dieser Inkubationszeit wurden Coccons gelegt, aus denen junge Würmer schlüpfen. Nach 4 Wochen wurden die adulten Würmer entfernt und gewogen. Der Boden mit den darin enthaltenen Coccons bzw. den bereits geschlüpften jungen Würmern wurde für weitere 4 Wochen inkubiert. Im Anschluss an die Inkubationszeit wurde die Anzahl an Jungtieren in allen Testansätzen manuell bestimmt. Die Nachkommenanzahl in den Ansätzen mit dem potentiell belasteten Boden wurde mit der Anzahl in den Referenzansätzen verglichen. Bei Unterschreitung des Schwellenwertes (weniger als 50 % Nachkommen in dem Testboden im Vergleich zu dem Referenzboden) galt die Lebensraumfunktion des zu beurteilenden Bodens hinsichtlich Würmer als eingeschränkt. 1. Zucht 2. Adulte Tiere ( mg) 3. Inkubation für 56 d im Test-boden Abbildung 5: Testablauf des Regenwurmreproduktionstests 4. Manuelle Zählung der Jungtiere 3.3 Untersuchungen zur Erfassung der abbaubaren Schadstoffanteile im Boden Für die Erfassung der abbaubaren Schadstoffanteile wird zunächst der Laborabbautest in Anlehnung an die OECD-Richtlinie 307 herangezogen. Bei diesem Inkubationsverfahren wird der tatsächliche Abbau des Schadstoffs im Boden bestimmt, wofür jedoch eine Inkubationsdauer von mehreren Wochen bzw. Monaten benötigt wird. Als chemische Verfahren zur Abschätzung der potentiell abbaubaren Schadstofffraktion wurden in der Literatur bereits beschriebene Testmethoden herangezogen und erprobt, die ebenfalls in der ISO als vielversprechende chemische Testverfahren für den biologischen Abbau genannt werden. Dabei handelt es sich einerseits um chemische Extraktionsverfahren, bei denen der Boden mit Wasser und einer weiteren Phase extrahiert wird. Die verschiedenen Methoden werden nach der Wahl der dritten Phase im Testsystem benannt: Einbezogen wurden die Tenax- Methode nach Cornelissen et al. (1998), die XAD-Methode nach Lei et al. (2004) sowie die Seite 12

19 Cyclodextrin-Methode nach Reid et al. (2000). Diese Testverfahren basieren auf der Wiederfreisetzung von sorbierten Kontaminationen vom Boden in die Wasserphase (was den Expositionspfad für die Mikroorganismen widerspiegelt), um dort von einem Adsorbens (= 3. Phase) der Wasserphase wieder entzogen zu werden. Die Adsorption des Schadstoffs an die 3. Phase verschiebt das Boden/Wasser-Gleichgewicht, so dass sich immer wieder der potentiell verfügbare Schadstoffanteil vom Boden nachlöst. Dabei spiegelt das Adsorbens im Testsystem den abbauenden Mikroorganismus im Boden/Bodenlösungssystem wider. Desweiteren wurde ein chemisches Testverfahren erprobt, welches auf der Oxidation von nicht-stabiler organischer Bodensubstanz zusammen mit organischen Schadstoffen beruht. Bei der Oxidationsmethode mit Persulfat nach Cuypers et al. (2000) werden mit dieser nichtstabilen organischen Bodensubstanz ebenfalls nicht so stark gebundene also besser verfügbare Schadstoffanteile oxidiert, während stabile organische Bodensubstanz und fester gebundene Schadstoffe (= weniger verfügbar) nicht angegriffen werden sollen. Mit den chemischen Testverfahren sollen im Gegensatz zum Laborabbautest schnelle Methoden (ca. ein Tag) erprobt und standardisiert werden, die zu einer Abschätzung des bioverfügbaren Anteils für abbauende Mikroorganismen herangezogen werden können. Alle gewählten chemischen Methoden stellen Schüttelverfahren ohne aufwendige Geräteerfordernisse dar. Zudem basieren sie auf Prozesse, die in Böden oder Organismen bzw. an der Grenzfläche Boden/Bodenorganismus ablaufen. Die Eignung der Verfahren soll hinsichtlich Korrelation mit dem biologischen Bodenabbau jedoch auch bezüglich Durchführbarkeit und Handhabbarkeit geprüft werden. Die Erprobung und schließlich die Anwendungen der chemischen Testverfahren erfolgte in mehreren Schritten. Nach der Implementierung der Methoden, wurden alle chemischen Extraktionsverfahren zunächst mit Böden erprobt, die im Labor mit ausgewählten Schadstoffen kontaminiert waren. Für diese Erprobungsphase wurden insgesamt drei Referenzböden ausgewählt, die sich hinsichtlich Korngrößenverteilung und Gehalt an organischen Kohlenstoff unterschieden. Die Charakteristika der verwendeten Böden sind in Tabelle 5 aufgeführt. Die unterschiedlichen chemischen Verfahren wurden zunächst mit Referenzboden 1 getestet bevor auch Referenzböden 2 und 3, die bindigere Böden mit einem höheren organischen Kohlenstoffanteil (RefeSol 03-G) bzw. mit einem höheren Tonanteil (RefeSol 06-A) repräsentierten, in verschiedenen Alterungsstufen mit in das Erprobungsverfahren einbezogen wurden. Im letzten Schritt wurden die vielversprechensten Methoden für die Erfassung des abbaubaren Schadstoffanteils in den Standortböden mit ihren realen Kontaminationen verwendet. Tabelle 5: Charakterisierung der Referenzböden für die Erprobung der chemischen Extraktionsmethoden Referenzboden 1 Referenzboden 2 Referenzboden 3 Bezeichnung RefeSol 01-A RefeSol 03-G RefeSol 06-A Nutzung landwirtschaftlich landwirtschaftlich landwirtschaftlich Bodentyp / Beschreibung Korngrößenverteilung: Sand: Schluff: Ton: Braunerde / schwach lehmiger Sand, mittel sauer, sehr schwach humos Braunerde / schluffiger Lehm, mittel sauer, mittel humos Braunerde Rendzina / mittel schluffiger Ton, sehr schwach sauer, mittel humos Corg 0,93 3,85 2, Seite 13

20 ph 5,7 5,6 6, Abbautest Der Abbautest erfolgte in Anlehnung an die OECD-Testrichtlinie 307 (2002). Bei diesem Inkubationsverfahren wird der tatsächliche Abbau im Boden bestimmt, wodurch die Stoffumwandlungsfunktion des betreffenden Bodens charakterisiert wird. Für den Abbautest wurden die auf < 2 mm gesiebten Bodenproben aus Horizont A bzw. der obersten Schicht auf einen für das mikrobielle Wachstum optimalen Feuchtegehalt von % der maximalen Wasserhaltekapazität (WHK max ) eingestellt. Die Inkubation der Bodenproben erfolgte in Glasgefäßen unter aeroben Bedingungen bei 20 ± 2 C im Dunkeln, um Photoabbau auszuschließen. Die Inkubationsdauer betrug bis zu 245 Tage, wobei der Feuchtegehalt wöchentlich kontrolliert und gegebenenfalls mit destilliertem Wasser wieder eingestellt wurde. Abbildung 6: Inkubation von Bodenproben während des Abbautests Der mikrobiell abbaubare Schadstoffanteil wurde mittels konventioneller chemischer Analytik vor und nach der Inkubation quantifiziert. Bei PAK-kontaminierten Standortböden wurden die Gehalte der 16 EPA-PAK nach DIN ISO (2000) bestimmt. Bei Standortböden mit MKW-Kontaminationen wurde der MKW-Summenparameter nach DIN ISO (2005) analysiert. Für die Erfassung der potentiell abbaubaren Schadstoffraktion wurde versucht, limitierende Faktoren in den Standortböden bei zusätzlichen Abbautests auszuschließen. Zu diesem Zweck wurde den Bodenproben ein nicht kontaminierter Grünlandboden mit guter mikrobieller Aktivität (RefeSol 03-G) untergemischt sowie mit einer auf PAK angereicherten Mikroorganismensuspension angeimpft, um eventuell in den sandigen Böden vorkommende mikrobielle Defizite auszugleichen. Des weiteren wurden die Nährstoffe Stickstoff und Phosphor, die in manchen Böden den biologischen Abbau limitieren können, als wäßrige Lösungen zugegeben. Die Bodenproben wurden wie oben beschrieben inkubiert und analysiert Chemische Testverfahren zur Abschätzung des abbaubaren Schadstoffanteils 3-Phasen-Extraktion: Tenax-Methode Tenax ist ein Feststoff aus dem hydrophoben, polymeren Adsorberharz Poly-p-2,6-Diphenylphenylenoxid, welcher den im Wasser gelösten Schadstoffen eine Adsorptionsfläche bietet. Allgemeine Vorgehensweise: Eine Bodenprobe wird in einem Glasgefäß mit einer wäßrigen Phase und dem Tenax-Material versetzt und auf einer Schüttelmaschine geschüttelt. Im Anschluß an die Extraktion wird das Adsorberharz abgetrennt. Sowohl das Tenax-Material Seite 14

21 als auch der extrahierte Boden können mit einem geeigneten organischen Lösungsmittel extrahiert und so der Gehalt des Schadstoffs in den beiden Phasen bestimmt werden. Der Gehalt des Kontaminanten im Tenax-Extrakt repräsentiert den prinzipiell verfügbaren Schadstoffanteil. Abbildung 7: Absaugen des Tenax-Materials aus einer vorher zentrifugierten Probe Verwendete Methode für Standortböden: Für die Extraktion der Standortböden wurden ca. 20 g Boden (Feuchtgewicht, < 2 mm gesiebt, Bodentrockengewicht muss bekannt sein) in ein Glasgefäß eingewogen und 400 ml 0.01 M CaCl 2 -Lösung sowie 10 g Tenax zugegeben (Boden:Tenax-Verhältnis 1:0.5). Der Testansatz wurde verschlossen und 24 Stunden auf dem Horizontalschüttler bei 150 rpm im Dunkeln bei 20 C extrahiert. Nach diesem Extraktionsschritt wurde die Probe in Zentrifugengläser überführt und 20 min bei 1100 g zentrifugiert und anschließend das Tenax- Material mit Hilfe von Unterdruck abgesaugt (siehe Abbildung 7). Das Tenax-Material wurde dabei in einer Waschflasche aufgefangen. Von dort wurde es mit Hilfe von wenigen ml destilliertem Wasser aus einer Spritzflasche in einen Schütteltrichter überführt. Das Tenax- Material wurde dort mit ml destilliertem Wasser gewaschen. Das Waschwasser wurde aus dem Schütteltrichter abgelassen und das Tenax-Material über Nacht bei 40 C getrocknet. Das trockene Tenax-Material und der extrahierte Boden wurden anschließend getrennt extrahiert und so der Gehalt des Analyten in den beiden Phasen chromatographisch bestimmt: Das Tenax-Material im Schütteltrichter wurde für die MKW-Analytik mit 80 ± 1 ml Aceton und 40 ± 0,1 ml RTW-Standardlösung 1 Stunde auf dem Horizontalschüttler bei 150 rpm extrahiert. Als RTW-Standardlösung wird die Standardlösung für den Retentionbereich gemäß DIN ISO (2005) bezeichnet, die die Standards n-decan und n-tetracontan gelöst in n-heptan beinhaltet. Für die Extraktion des Tenax- Materials wurde die doppelte Menge an Aceton und RTW-Standardlösung verwendet als in der DIN ISO beschrieben. Die organische Phase wurde mittels Zentrifugation für 20 min und 2000 rpm abgetrennt und das Aceton durch zweimaliges Schütteln für 5 min mit je 100 ml destilliertem Wasser entfernt. Die RTW-Lösung wurde wie in der DIN ISO beschrieben über Natriumsulfat getrocknet und 10 ml des Extrakts über eine Florisil-Säule gereinigt. Der Extrakt wurde anschließend gaschromatographisch vermessen. Für die PAK-Analytik wurde das getrocknete Tenax-Material 2 x mit 80 ml n-hexan eine 1 Stunde auf dem Horizontalschüttler bei 150 rpm extrahiert. Der 3. Extraktionsschritt erfolgte mit 80 ml n-hexan über Nacht. Das n-hexan wurde nach jedem Extraktionsschritt aus dem Schütteltrichter abgelassen und vereinigt. Der n-hexan- Seite 15

22 Extrakt wurde am Rotationsverdampfer bis auf ca. 1 ml eingeengt und in einen geeigneten Messkolben überführt. Dort wurde das restliche n-hexan mit Hilfe eines Stickstoffstroms abgedampft und anschließend Acetonitril bis zum Eichstrich des Messkolbens aufgefüllt. Der Extrakt wurde mittels HPLC analysiert. Der Boden wurde für die MKW-Analytik wie in der DIN ISO beschrieben extrahiert. Das Verfahren beinhaltete eine Extraktion mit 40 ± 1 ml Aceton und 20 ± 0,1 ml RTW-Lösung für 1 Stunde auf dem Horizontalschüttler, Entfernen des Acetons durch Schütteln mit Wasser, Trocknen des Extrakts über Natriumsulfat und Aufreinigung über eine Florisil-Säule bevor der Extrakt gaschromatographisch analysiert werden konnte. Für die PAK-Analytik wurde der Boden luftgetrocknet und anschließend wie in der DIN ISO beschrieben eine Soxhlet-Extraktion mit Toluol durchgeführt. Zusätzlich wurden die Toluol-Extrakte über eine Kieselgel-Säule (KG 60) gereinigt. Das dafür benötigte Kieselgel wurde 2 Stunden bei 200 C ausgeheizt. Säulen mit 1 g Kieselgel wurden mit ml Hexan/Toluol (7:3, v:v) vorgewaschen. Aliquots der Extrakte wurden auf ca. 1 ml eingeengt und mit 2-3 ml Hexan versetzt. Diese Lösung wurde auf die vorbehandelte Kieselgel-Säule gegeben. Verwendete Glasgefäße wurden mit 1-2 ml Hexan/Toluol (7:3, v:v) ausgespült, die ebenfalls auf die Säule aufgegeben wurden. Anschließend wurde mit 8-10 ml n-hexan/toluol (7:3, v:v) eluiert. Das Eluat wurde gesammelt, das Lösungsmittel abgedampft und der Rückstand mit Acetonitril aufgenommen. Der Acetonitril-Extrakt wurde mittels HPLC analysiert. 3-Phasen-Extraktion: XAD-Methode XAD ist ein Feststoff aus einem hydrophoben, polymeren Adsorberharz (Polystyrol- Divinylbenzol-Copolymer). Es bietet wie Tenax den im Wasser gelösten Schadstoffen eine hydrophobe Adsorptionsfläche an, hat jedoch gegenüber dem Tenax-Material eine größere Korngröße. Allgemeine Vorgehensweise: Eine Bodenprobe wird in einem Glasgefäß mit einer wäßrigen Phase und dem XAD-Material versetzt und auf einer Schüttelmaschine geschüttelt. Im Anschluß an die Extraktion wird das Adsorberharz abgetrennt. Sowohl das XAD-Material als auch der extrahierte Boden können mit einem geeigneten organischen Lösungsmittel extrahiert und so der Gehalt des Schadstoffs in den beiden Phasen bestimmt werden. Der Gehalt des Kontaminanten im XAD-Extrakt repräsentiert den prinzipiell verfügbaren Schadstoffanteil. Abbildung 8: Proben mit den 3 Phasen Boden, wäßrige Phase und XAD-Material Verwendete Methode für Standortböden: Diese Methode wurde nicht für Standortböden angewendet. Seite 16

23 3-Phasen-Extraktion: Cyclodextrin-Methode Neben nicht-löslichen Feststoffen können auch wasserlösliche Makromoleküle wie Cyclodedextrin-Derivate als hochsorptive 3. Phase eingesetzt werden. Bei den Cyclodextrinen handelt es sich um zyklische Polymere der α-d-glucopyranose, die sich in der Anzahl der Glucosemoleküle unterscheiden. Für die 3-Phasen-Extraktion wird in der Regel das 2- Hydroxypropyl-ß-Cyclodextrin (kurz: HPCD) mit 7 Glucose-Einheiten eingesetzt (Reid et al., 2000). Die ringförmig verknüpften Glucose-Einheiten bilden eine toroidale (napfförmige) Molekülstruktur mit einem zentralen, hydrophoben Hohlraum und einer polaren Außenfläche. Dadurch ist das HPCD-Molekül in der Lage, sogenannte Einschlußverbindungen mit hydrophoben organischen Verbindungen einzugehen und dennoch sehr gut wasserlöslich zu bleiben. Allgemeine Vorgehensweise: Eine Bodenprobe wird in einem Glasgefäß mit einer wässrigen HPCD-Lösung auf einer Schüttelmaschine geschüttelt. Im Anschluß an die Extraktion wird die wässrige Phase vom Boden abgetrennt. Sowohl die wässrige Phase als auch der extrahierte Boden können mit einem geeigneten organischen Lösungsmittel extrahiert und so der Gehalt des Schadstoffs in den beiden Phasen bestimmt werden. Der Schadstoffanteil in der wässrigen Phase repräsentiert den verfügbaren Anteil. Abbildung 9: Extraktion von Proben bestehend aus Boden und wäßriger HPCD-Lösung (links) sowie abzentrifugierte wässrige Phasen (rechts) Verwendete Methode für Standortböden: Für die Extraktion der Standortböden wurden ca. 25 g Boden (Feuchtgewicht, < 2 mm gesiebt, der Trockenmasseanteil des Bodens muss bekannt sein) in ein Glasgefäß eingewogen und 500 ml 50 mm HPCD-Lösung (HPCD gelöst in destilliertem Wasser) zugegeben. Der Testansatz wurde verschlossen und 24 Stunden auf dem Horizontalschüttler bei 150 rpm im Dunkeln bei 20 C extrahiert. Nach diesem Extraktionsschritt wurde die Probe in Zentrifugengläser überführt und 20 min bei 1100 g zentrifugiert. Anschließend wurde die wässrige Phase abdekantiert (siehe Abbildung 9). Die abzentrifugierte, wässrige Phase, welche die HPCD-Moleküle beinhaltet, und der extrahierte Boden wurden anschließend getrennt extrahiert und so der Gehalt des Analyten in den beiden Phasen chromatographisch bestimmt: Der gesamte, wässrige Überstand oder ein Aliquot wurde für die MKW-Analytik mit 20 ± 0,1 ml RTW-Standardlösung (Lösungsmittel n-heptan mit internen Standards n- Decan und n-tetracontan nach DIN ISO 16703) versetzt und 1 Stunde auf dem Horizontalschüttler bei 150 rpm extrahiert. Weitere Schritte wie Abtrennen der RTW- Lösung, Trocknen über Natriumsulfat und Aufreinigung über eine Florisil-Säule sind in der DIN ISO beschrieben. Der Extrakt wurde anschließend gaschromatographisch analysiert. Seite 17

24 Für die PAK-Analytik wurde ein Aliquot oder der gesamte wässrige Überstand 2 x mit 80 ml n-hexan für eine 1 Stunde auf dem Horizontalschüttler bei 150 rpm extrahiert. Der 3. Extraktionsschritt erfolgte mit 80 ml n-hexan über Nacht. Das n-hexan wurde nach jedem Extraktionsschritt aus dem Schütteltrichter abgelassen, vereinigt und über Natriumsulfat getrocknet. Anschließend wurde der Extrakt über einen 0,45 µm PTFE-Membranfilter filtriert. Der n-hexan-extrakt wurde am Rotationsverdampfer bis auf ca. 1 ml eingeengt und in einen geeigneten Messkolben überführt. Dort wurde das restliche n-hexan mit Hilfe eines Stickstoffstroms abgedampft und anschließend Acetonitril bis zum Eichstrich des Messkolbens aufgefüllt. Der Extrakt wurde mittels HPLC analysiert. Der Boden wurde für die MKW-Analytik wie in der DIN ISO beschrieben extrahiert. Das Verfahren beinhaltet eine Extraktion mit 40 ± 1 ml Aceton und 20 ± 0,1 ml RTW-Lösung für 1 Stunde auf dem Horizontalschüttler, Entfernen des Acetons, Trocknen des Extrakts über Natriumsulfat und Aufreinigung über eine Florisil-Säule bevor der Extrakt gaschromatographisch analysiert werden kann. Für die PAK-Analytik wurde der Boden luftgetrocknet und anschließend wie in der DIN ISO beschrieben eine Soxhlet-Extraktion mit Toluol durchgeführt. Zusätzlich wurden die Toluol-Extrakte über eine Kieselgel-Säule (KG 60) gereinigt. Das dafür benötigte Kieselgel wurde 2 Stunden bei 200 C ausgeheizt. Säulen mit 1 g Kieselgel wurden mit ml Hexan/Toluol (7:3, v:v) vorgewaschen. Aliquots der Extrakte wurden auf ca. 1 ml eingeengt und mit 2-3 ml Hexan versetzt. Diese Lösung wurde auf die vorbehandelte Kieselgel-Säule gegeben. Verwendete Glasgefäße wurden mit 1-2 ml Hexan/Toluol (7:3, v:v) ausgespült, die ebenfalls auf die Säule aufgegeben wurden. Anschließend wurde mit 8-10 ml n-hexan/toluol (7:3, v:v) eluiert. Das Eluat wurde gesammelt, das Lösungsmittel abgedampft und der Rückstand mit Acetonitril aufgenommen. Der Acetonitril-Extrakt wurde mittels HPLC analysiert. Oxidationsmethode mit Persulfat Bei der Oxidationsmethode wird nicht-stabile organische Bodensubstanz oxidiert, an der Schadstoffe weniger stark gebunden und damit besser bioverfügbar sein sollen. Für diese Methode wird Kaliumperoxodisulfat verwendet, das Kaliumsalz der Peroxodischwefelsäure. Werden Kaliumperoxodisulfat-Lösungen erwärmt, zerfällt das Persulfat-Ion in Sulfat- Radikalanionen, die mit organischen Substanzen in einer Radikal-Kettenreaktion reagieren. Auf diese Weise ist Kaliumperoxodisulfat ein Radikalbildner und starkes Oxidationsmittel. Allgemeine Vorgehensweise: Eine Bodenprobe wird in einem Glasgefäß mit einer wäßrigen Kaliumperoxodisulfat-Lösung in einem Schüttelwasserbad bei 70 C inkubiert. Im Anschluß an die Extraktion wird die wässrige Phase vom Boden abgetrennt. Der Boden wird vor und nach der Oxidation mit einem organischen Lösungsmittel extrahiert und so der Gehalt des Schadstoffs bestimmt. Der verfügbare Schadstoffanteil wird durch Differenzbildung der Gehalte vor und nach Oxidation ermittelt. Seite 18

25 Abbildung 10: Proben während der Persulfat-Oxidation im Schüttelwasserbad Verwendete Methode für Standortböden: Diese Methode wurde nicht für Standortböden angewendet Analytik MKW-Analytik Bestimmung der Gesamtgehalte: Die Extraktion, Aufreinigung und Analytik der mit Mineralölkohlenwasserstoffe (MKW) kontaminierten Bodenproben erfolgte nach DIN (2005). Für die chromatographische Messung der Proben stand ein Gaschromatograph mit einem Atomemissiondetektor (GC-AED) zur Verfügung. Folgende Einstellungen wurden routinemäßig verwendet: GC-Gerät Gaschromatograph Detektor GC-Software Chromatographische Bedingungen GC-Säule Injektor Trägergas Flussrate Temperaturprogramm: 7890 A, Agilent AED plus, JAS Agilent HP-5, J+W Scientific 30 m, 0,32 mm ID, 0,25 µm Filmdicke Mode: Splitless Temperatur: 325 C Helium (höchste Reinheit) 2,5 ml/min 40 C für 1 min, mit 20 C/min auf 325 C 325 C für 10 min Laufzeit: min Reaktantgase O 2 und H 2 Wellenlänge 193 nm (Kohlenstoff) Temperatur Transferline 325 C Temperatur Cavity 325 C Seite 19