Zusammenfassung Band 32

Gerhard Welp: Schwermetalle und organische Schadstoffe in Böden: Gehalte - Sorption und Löslichkeit - Wirkung auf Mikroorganismen. Bonner Bodenkundl. Abh. 32 (2000).

Die Habilitationsschrift enthält sechs Arbeiten, die von 1997 bis 1999 in verschiedenen Zeitschriften veröffentlicht wurden. In einem vorangestellten Abschnitt wird der inhaltliche Zusammenhang bzw. der Rahmen erläutert: die ausgewählten Publikationen behandeln aus unterschiedlicher Sicht wissenschaftliche Grundlagen, die bei einer Gefährdungsabschätzung für belastete Böden von Bedeutung sind.

Die Gehalte potentieller Schadstoffe dienen dazu, vorhandene Bodenbelastungen zu erfassen und zu bewerten. In Kapitel II wird anhand umfangreichen Datenmaterials (Gehalte von 18 Elementen in 335 Bodenproben aus Nordrhein-Westfalen) belegt, daß die Häufigkeitsverteilungen (HV) von Elementgehalten in Böden mehrmodal sind. Die Auswertung von HV mit einem nichtparametrischen Ansatz (Kerndichteschätzung) ermöglicht es, pro Element 5 - 10 Gehaltsbereiche auszuweisen, denen Bodenproben mit gemeinsamen Merkmalen (Ausgangsmaterial, spez. Belastungsursache etc.) zugeordnet werden können. Auf diese Weise lassen sich u.a. Hintergrundwerte für Schwermetalle ableiten.

Daten zu (Gesamt-)Gehalten, z.B. Hintergrundwerte, sind erforderlich zur Ausweisung belasteter Gebiete, zur Bewertung eines möglichen Risikos sind sie ungeeignet. Eine adäquate Bewertung erfordert es, zwischen löslichen (mobil, verfügbar) und unlöslichen (immobil, stark adsorbiert, gefällt) Schadstoff-Fraktionen zu differenzieren. Die Sorption und Löslichkeit von Schadstoffen ist deshalb ein zweiter wichtiger Parameter einer Risikobeurteilung. Vier Arbeiten (Kap. III - VI) behandeln diesen Aspekt.

In Kap. III wird die Sorption und Löslichkeit von zehn Metallen in vier Böden untersucht. Für acht Metalle [außer Cr(III) und Fe(III)] werden die Quantitäts-Intensitäts-Beziehungen durch Sorption und Komplexierung bestimmt; die Daten lassen sich mit Freundlich-Isothermen beschreiben.

In drei weiteren Publikationen wird die Untersuchung der Sorption und Löslichkeit kombiniert mit Mikroorganismentests, um Wirkungen auf Mikroorganismen zu messen. Eine Kombination von mikrobiellen Toxizitätstests mit Sorptionsversuchen ist ein effektiver Weg, die Zusammenhänge zwischen dem Stoffbestand der Böden und der Bioverfügbarkeit bzw. Toxizität potentieller Schadstoffe zu erfassen. Ein Datenpool von etwa 500 Dosis-Wirkungs-Beziehungen (DWB) wird weiterhin genutzt, um Reaktionsmuster von Mikroben in Böden unter chemischem Streß zu untersuchen (Kap. VII). Heterogene Mikroorganismenpopulationen in Böden reagieren deutlich vielfältiger als homogene Testgruppen, die in der klassischen Toxikologie üblicherweise verwendet werden. Die verschiedenen Verläufe von DWB sind erklärbar mit einer unterschiedlichen Sensitivität verschiedener Teilgruppen der Mikroflora und mit spezifischen Einflüssen des Habitats Boden. Ein Verfahren zur Interpretation und Klassifikation mikrobieller DWB wird vorgestellt.

Die in den Kap. III-VII vorgestellten Ergebnisse sind ein Beitrag zum grundsätzlichen Verständnis der kausalen Beziehungen zwischen Sorption, Löslichkeit und mikrobieller Toxizität von Schadstoffen in Böden. Die aufgezeigten engen Wechselwirkungen zwischen Schadstoffen und der Bodenfeststoffphase belegen, daß die Messung der Sorption und Löslichkeit ein wichtiger erster Schritt zur Kennzeichnung der Mobilität und Verfügbarkeit ist. Da weitere Parameter die biozide Wirkung von Schadstoffen beeinflussen (z.B. Speziation, Nährstoffstatus), sind darüber hinaus Bioassays erforderlich. Die Kombination von biologischen und chemischen Testverfahren erscheint eine angemessene Möglichkeit zu sein, das von Bodenbelastungen ausgehende ökotoxikologische Risiko zu kennzeichnen.

Summary Band 32

Gerhard Welp: Heavy metals and organic pollutants in soils: contents - sorption and solubility - effects on microorganisms. Bonner Bodenkundl. Abh. 32 (2000)

The thesis comprises six manuscripts published in different journals. Soil protection being the main theme the articles deal with different aspects that represent a necessary scientific basis of a risk assessment for polluted soils. The first step is to look at the total contents of different soil contaminants and to decide whether a pollution is given or not. In chapter II the contents of 18 elements in 335 soil samples of North Rhine-Westphalia are analysed, in order to determine groups of soil samples that are characterized by a certain range of element contents in connection with other common features (e.g., parent material, sampling region, specific source of pollution). The study bases on a detailed inspection of frequency distributions which are evaluated with a parametric method (assuming several single lognormal distributions) and with a nonparametric approach (Kernel density estimation). The latter method proved to be a useful tool to derive background concentrations for toxic elements in soils.
Exact background contents are an essential basis for the identification of polluted areas, but they are not suitable, if a risk potential has to be judged. For this purpose, it is necessary to differentiate between soluble (mobile, available) and insoluble (immobile, strongly adsorbed, precipitated) fractions of pollutants in soil. The sorption and solubility of pollutants in soils, therefore, is a second important parameter for an appropriate risk assessment. Four papers (chapter III-VI) deal with this aspect.
In chapter III sorption and solubility of ten metals in four soil samples is stu-died. The quantity-intensity relations of eight metals [except Cr(III) and Fe(III)] are governed by sorption and complexation procecces and can be fitted by Freundlich isotherms.
In three further papers sorption and solubility experiments with inorganic and organic toxicants are combined with microbial tests in order to detect effects on microorganisms in relation to soil properties. The large data set of about 500 dose-response curves was also used to examine the general reaction patterns of heterogeneous microbial populations under chemical stress (chapter VII). The data reveal that microbial populations in soil react more complexly than homogeneous groups of test subjects which are commonly used in classical toxicology. The diverse types of dose-response curves are attributed to a varying sensitivity of different parts of the soil microflora and influences of the habitat soil. A proposal for the interpretation and classification of microbial dose-response curves is presented.
The results presented in chapters III-VII are a contribution to the principle understanding of the causal relations between sorption, solubility and microbial toxicity of pollutants in soils. The data clearly demonstrate that there are strong and complex interactions between  pollutants and soil constituents. The measurement of sorption and solubility is an essential first step in calculating potential mobility and availability. Additional parameters that do influence the biocidal effects of pollutants in soil (e.g., speciation, nutrient status etc.) require to include  bioassays. Thus, at the present state of knowledge, a combination of biological and chemical tests seems to be an appropriate tool in order to assess the ecotoxicological risk of a soil contamination.