Metalle und Stäube. Stefan Smidt. Bundesforschungs- und Ausbildungszentrum für Wald, Naturgefahren und Landschaft. Smidt / BFW

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1 Metalle und Stäube Stefan Smidt Bundesforschungs- und Ausbildungszentrum für Wald, Naturgefahren und Landschaft

2 Anthropogene / natürliche Schwermetall- Emissionen anthropogene Emission überwiegt natürliche Emission = anthropogene Emission 100 natürliche Emission überwiegt 10 1 Fe Mn Co Cr V Cu Cd Zn Hg Pb

3 Schwermetalle reichern sich unterschiedlich stark in der Humusauflage des Waldbodens an Maßzahl ist der Anreicherungsfaktor Konzentration Auflagehumus Konzentration in 0-10 cm Bodentiefe

4 Anreicherungsfaktoren Auflagehumus / 0-10 cm Bodentiefe Zn Cu ziemlich gleichmäßig verteilt ziemlich gleichmäßig verteilt Pb Cd 3-fach Anreicherung 3,5-fache Anreicherung BFW: Österreichische Waldbodenzustandsinventur

5 Pb- und Cd-Gesamteintrag bis dato Pb: Cd: kg/ha 0,1 1,0 kg/ha Für Pb und Cd wurde im Zuge der Österreichischen Waldbodenzustandsinventur Long Range Transport nachgewiesen BFW: Österreichische Waldbodenzustandsinventur

6 Stäube - Aufnahme Viele Pflanzen akkumulieren Schwermetalle Aufnahme und Akkumulation sehr unterschiedlich Mobilität sinkt mit steigendem ph-wert (Ausnahme Mo-/As-/Cr-Oxyanionen) Pb ist schwerer löslich als z.b. Cd, Zn

7 Schwermetalle werden unterschiedlich stark von Pflanzen aufgenommen Maßzahl ist der Transferfaktor (TF): Konzentration Pflanze Konzentration im Boden Der TF spiegelt die Pflanzenverfügbarkeit wider und ist unter den gegebenen Bedingungen pflanzenspezifisch und elementspezifisch

8 Transferfaktoren (Richtwerte) Zn < 2 gut aufnehmbar Cd < 2 gut aufnehmbar Cu < 0,5 mittel Pb < 0,1 schlecht aufnehmbar < 0,1: die Konzentration ist im Boden mehr als 10x höher als in der Pflanze 2,0: die Konzentration ist im Boden halb so hoch wie in der Pflanze

9 Schad- und Nährelementkonzentrationen im Boden Schadelement Mikronährelement Makronährelement Pflanzenwachstum Mangel toxisch Gabe bzw. Elementkonzentration im Wurzelbereich

10 Stäube - Wirkungen Verschmutzung Lichtabsorption Blatterwärmung (Russ) Verätzung der Kutikula Alkalisierung des Bodens, Streuzersetzung vermindert, Hemmung der Mykorrhiza einseitige Nährstoffzufuhr

11 Stäube - Wirkungen Veränderung der Membranpermeabilität in den Wurzelzellen Störung des Ionentransportes Enzymhemmung (Proteinkonformation) Blockierung von SH-Enzymen Induktion eines Mangels an essentiellen Metallen in Enzymkomplexen Störung des Nukleinsäure-Stoffwechsels

12 Stäube - Wirkungen Verdrängung essentieller Metallionen aus Biomolekülen Radikalbildung und Lipidperoxidation Modifikation der aktiven Konformation von Enzymen und Polynukleotiden

13 Allgemeine Konsequenzen Beeinträchtigung der Photosynthese (Schädigungen der Chloroplasten und der Enzyme der CO 2 -Fixierung) Veränderungen des Wasserhaushaltes und der Nährstoffaufnahme (Wurzelschädigungen, Beeinträchtigung des Phloemtransportes)

14 Schwermetallbelastung im Boden und Kategorien zur Wirkungsbewertung

15 Symptome bei Überschuss Schwermetalle Fluorwasserstoff Dässler (1991)

16 Essentielle Schwermetalle (z.b.) Cu Zn Fe Mn

17 Kupfer Enzymaktivator Cytochromoxidase (Betriebsstoffwechsel, Atmung) Phenoloxidase (Sekundärstoffwechsel) Mangel Blattmissbildungen Nekrotische Flecken Braunfärbung

18 Kupfer - Schadwirkungen Schädigung von Membranstrukturen Störung der K-Aufnahme Chlorosen (Verdrängung von Fe) Störung des Wurzelwachstums (Zerstörung des Plasmalemmas)

19 Zink Enzymaktivator Carbonatanhydratase (HCO 3 -/ CO 2 - Gleichgewicht / Photosynthese) Chlorophyllbildung Mangel verminderte Blattgröße interkostale Chlorosen

20 Zink - Schadwirkungen Beeinträchtigung der CO 2 -Fixierung Störung des Phloemtransports Membranpermeabilität Chlorotische Blattflecken, Nekrosen

21 Zinkwüste

22 Eisen Enzymaktivator Nitrogenase (N 2 -Assimilation), Peroxidasen Cytochrom-Komponente (Photosynthese) Chlorophyll-Synthese Mangel interkostale Chlorosen

23 Mangan Enzymaktivator (z.b. N-Fixierung) Stabilität der Chloroplastenstabilität O 2 -Freisetzung bei der Photosynthese Mangel Interkostale Chlorosen Nekrotische Flecken Desorganisation der Thylakoidmembranen

24 Mn-Mangel Mn-Überschuss Flagler (1998)

25 Mangan-Mangel (Citrus) Flagler (1998)

26 Toxische Nicht-Nährstoffe Al (Leichtmetall) Pb Cd Hg As (Halbmetall)

27 Blei Vorkommen und Quellen: Pb-Mineralien im Boden; Antiklopfmittel im Benzin (Pb- Alkyle); Pb verarbeitende Industrie; Kohleverbrennung; Pflanzenschutzmittel Aufnahme: Erleichterte Aufnahme in sauren Böden (Vermeidung durch Aufkalkung). Festlegung v.a. an der Wurzeloberfläche und in der Zellwand der Wurzel - nur ein kleiner Teil ist verfügbar

28 Blei - Wirkungen Bindung an essentielle SH-Gruppen Hemmung der CO 2 -Fixierung bzw. der Carboxylase* Bindung an essentielle COOH-Gruppen Hemmung des Wurzel- und Zellwandwachstums; Chlorosen *) Pyruvatcarboxylase bildet im Rahmen der Gluconeogenese mit ATP und CO 2 Oxalacetat

29 Blei Grauschleier Die Verhältnisse Pb Oberboden / Pb Unterboden stehen mit Immissionseinwirkungen im Zusammenhang Mit zunehmender Seehöhe steigen in Österreich die Pb- (und Cd-) Gehalte im Oberboden

30 Cadmium - Wirkungen Bindung an essentielle SH-Gruppen Hemmung der CO 2 -Fixierung Aktivierung von POD, DNAsen Hemmung der Wasseraufnahme Hemmung der Atmung

31 Cadmium-Überschuss Flagler (1998)

32 Quecksilber Vorkommen und Quellen: Metallverhüttung, Klärschlämme, Hg-haltige Beizmittel, Industrie; (früher: Desinfektion mit Merfen-Orange) Aufnahme: Hohe Affinität zu festem Bodenmaterial (gering verfügbar für Pflanzenwurzeln); aber: hohe Aufnahmeraten bei Pilzen

33 Quecksilber Biochemische Wirkungen: stark phytotoxisch; Hemmung des Elektronentransportes; Veränderung an Pigmenten; Hemmung von Enzymen Symptome: Chlorosen

34 Schwermetall-Entgiftung Vermeidung Vermeidung der aktiven Aufnahme Toleranz Bindung an den Zellwandkomplex (Pektine, Proteine; Phosphate) Lagerung in der Vakuole oder im Cytoplasma

35 Immobilisierung in der Zellwand Unterbindet Weitertransport Kontakt mit Protoplasten Larcher (1994)

36 Erschwerte Permeation durch Plasmagrenzschichten Larcher (1994)

37 Chelatbildung Metallorganische Komplexe Bindung an SH-Gruppen z.b. von Glutathion und Proteinen, Bindung an Carbonsäuren Anorganische Komplexe Larcher (1994)

38 Abtransport Larcher (1994)

39 Magnesium ist ein Hauptnährstoff Chlorophyll (Photosynthese) Enzymaktivator (ATP) Regulation der Quellung Bestandteil des Pektats (Zellwand)

40 Mg-Mangel (Fichte) Mg ist mobil und kann in schlecht versorgte 1-jährige Nadeln transloziert werden

41 Mg kann zum Schadstoff werden Magnesitstaub (MgCO 3 ) Verkleben und Verätzen von Blattorganen Überdüngung Nährstoffungleichgewichte Alkalisierung des Bodens

42 Aluminium Al wurde am Beginn der Diskussion um das Waldsterben als wesentlicher Schädigungsfaktor angesehen: Begründung: Wenn der Boden durch den sauren Regen versauert, schädigt das frei gewordene Al die Feinwurzeln

43 Aluminium Bestandteil der Erdrinde und Boden (Tonminerale), Leichtmetall (Dichte: 2,75) Wenig löslich: schwach sauer - neutral Gut löslich: ph < 5 Organische Substanzen (Humus) binden Al 3+ komplex (daher keine oder nur geringe Wurzelschädigung in neutralen Böden) Normalwerte in Pflanzen: ppm

44 Aluminium Schäden Störungen der Plasmamembran (Plasmamembran) & Transportenzyme Mineral-Mangelerscheinungen Säureschäden : < Aufnahme von P, Mg, Ca Veränderungen der Zellwand durch Anlagerung im Pektin

45 Aluminium - Schäden gestörte Plastidenentwicklung Blattverfärbungen, Chlorosen, Nekrosen Beeinträchtigung des Wurzelwachstums (Tiefenwachstum, Verzweigung) (nicht so stark bei hohen Ca-Gehalten) Wachstumsbegrenzender Faktor auf vielen sauren Böden

46 Aluminium - Schäden Al hemmt die Nährstoffverlagerung in den Spross und die Wasseraufnahme (starke Al-Akkumulation in den Wurzeln, aber nur geringe Al-Konzentrationen in Blättern) Symptome ähnlich wie bei Nährstoffmangel

47 Literatur Dässler H.G. 1991: Einfluss von Luftverunreinigungen auf die Vegetation. Georg Fischer. De Kok L., Stulen I. (eds.) 1998: Responses of plant metabolism to air pollution and global change. Backhuys Publishers. Elling et al. 2007: Schädigungen von Waldökosystemen. Spektrum. Flagler R.B. 1998: Recognition of air pollution injury to vegetation. A pictoral atlas. Air and Waste Management Association. ISBN Pittsburgh, Pennsylvania. Hippeli S., Elstner E.F. 1996: Mechanisms of oxygen activation during plant stress:biochemical effects of air pollutants. J. Plant Physiol. 148, Hock B., Elstner E.F. 1995: Pflanzentoxikologie. BI Wissenschaftsverlag, Bibliographisches Institut Mannheim - Wien - Zürich. Larcher W. 1994: Ökophysiologie der Pflanzen. Eugen Ulmer. Möller D. 2003: Luft. De Gruyter Berlin, New York. Raven P.H. et al. 2000: Biologie der Pflanzen. Spektrum. Wellburn A. 1988: Air pollution and acid rain. John Wiley & Sons.