Band 22:
Thiele, S. (1997): PAK in belasteten Böden: Untersuchungen zur Charakterisierung, Optimierung und Prognose des mikrobiellen PAK-Abbaus sowie zur Abschätzung der für Pflanzen verfügbaren PAK-Fraktion.
(PAHs in polluted soils: Investigations on the characterization, optimization and prognosis of the microbial degradation of PAHs as well as the estimation of the PAH-fraction available to plants).
318 S., 47 Abb., 105 Tab., Preis: 16,- EUR.
Zusammenfassung Band 22
Thiele, S. (1997): PAK in belasteten Böden: Untersuchungen zur Charakterisierung, Optimierung und Prognose des mikrobiellen PAK-Abbaus sowie zur Abschätzung der für Pflanzen verfügbaren PAK-Fraktion.
Zur Untersuchung des mikrobiellen PAK-Abbaus wurden Freiland-Gefäßversuche, ergänzt durch Laborversuche, durchgeführt. Dabei wurden zehn unterschiedlichen Altlastproben in verschiedenen Varianten gut abbaubare organische Substanzen, mineralische Düngemittel, teilweise Kalk sowie synthetische Tenside zugemischt. Zuvor wurden unter 20 Tensiden vier nichttoxische Produkte aufgrund ihrer guten PAK-Solubilisierungseigenschaften und geringen Mikroorganismentoxizität ausgewählt. Zur Quantifizierung der abiotischen Prozesse der PAK-Abnahrne wurden HgCl2-sterilisierte Varianten angesetzt. Bestmmt wurden 15 der 16 PAK nach der US-EPAListe (1979; ohne Acenaphthylen).
In Abhängigkeit von Art und Menge der verschiedenen Zugaben konnte die biologische Aktivität der Bodenproben erheblich gesteigert werden. Damit wurde eine wesentliche Minderung der Schadstofftoxizität gegenüber Bodenmikroorganismen sowie angebauten Pflanzen erreicht. Infolge der Ehöhung der (co-)metabolischen Abbauleistung der Mikroorganismen wurde in den unterschiedlichen Behandlungsvarianten binnen 74 Wochen eine Abnahme der PAK-Ausgangsgehalte um 4,6 - 90,9 % erzielt. Eine zum Teil deutliche weitere Abnahme der PAK-Gehalte war noch nach 121 Wochen festzusteIlen.
Die PAK-Abnahmen sind v.a. auf mikrobieIlen Ab- und Einbau zurückzuführen und lassen sich zumeist durch zwei gekoppelte Expomentialfunktionen anpassen. Effekte wie der Entzug durch Pflanzen oder die Auswaschung durch Sickerwasser sind nicht relevant. Der Anteil abiotischer Prozesse macht weniger als ca. 30 % der PAK-Abnahme aus. Demgegenüber war auch zwischenzeitliche PAK-Mobilisierungen festzusteIlen. Diese verursacht neben Lösungsvermittlern pedo-, bio- und technogener Herkunft der wechselnde Wassergehalt der Böden.
Höhere PAK Gesarntgehalte bedingen relativ größere PAK-Abnahrnen, die jedoch bei höheren Restgehalten zum Erliegen kommen. Die Persistenz der PAK wird v.a. durch ihre Verfügbarkeit bestirnmt, die wiederum durch ihre KF-Werte als Kenngrößen der Adsorption näherungsweise beschrieben werden kann. Niederkondensierte PAK mit niedrigen KF-Werten sind demnach besser verfügbar und unterliegen einem stärkeren Abbau. Demgegenüber werden die Gehalte der höherkondensierten 5- und 6-Ring-PAK eher durch Festlegungs- und Remobilisierungsvorgänge verändert; dabei ist weniger die Quantität als die Qualität der Bodenaustauscher entscheidend.
Der PAK-Abbau wird durch die Bodenbehandlungen erhöht; die Effekte sind jedoch nur teilweise statistisch signifikant. Dabei steigert die Zugabe leicht abbaubarer organischer Substanz (C/N < 20) in höherer Zugabemenge (3%w/w) mit erhöhter Nitratgabe und Tensidzusatz die PAK-Abnahme am effektivsten. Der abbaufördernde Effekt durch Anhebung des pH einer sehr stark sauren Bodenprobe erreichte bei einem pH-Wert um 6 ein Optimum.
Durch die Gefäßversuche lagen valide Daten zum mikrobieIlen PAK-Abbau vor; in Lysimeterversuchen des LUA NRW (DELSCHEN et al. 1996) wurde die PAK-Aufnahme aus Böden durch Kulturpflanzen untersucht. Damit konnte auf geeignete Bodenproben zur Entwicklung von Labormethoden für die Bestimmung der abbaubaren sowie der für Pflanzen verfügbaren PAK-Anteile zurückgegriffen werden. In Voruntersuchungen wurden verschiedene Extraktionsmittel getestet: H2O (bidest.) und Salzlösungen, 0,02 bis 5%ige Lösungen nichtionischer Tenside, organische Lösungsmittel und -gemische. Wichtigstes Auswahlkriterium war die Korrelation der Extraktionsergebnisse mit den Zielgrößen. Zusätzlich wurden verschiedene Variationen der Extraktionsmethode getestet.
Eingehendere Versuche zur Bestimmung der abbaubaren PAK-Gehalte wurden an je drei Varianten der zehn Gefäßversuchsproben durchgeführt. Nach den Ergebnissen der Vorversuche wurden Toluol/Aceton (3:2) sowie ein- und auch zweimalige Extraktionen mit 0,5%igen Tensidlösungen (Genapol UDD 88 bzw. Synperonic LFtRA 30) gewählt. Die Ergebnisse dieser Extraktionen beschreiben die abbaubaren Gehalte der PAK gut mit r = 0,615 - 0,878. Dabei wurden die PAK nach ihrem Kondensationsgrad in Gruppen geteilt und eine Regressionsgleichung je Gruppe berechnet. Engere Korrelationen zu Bodenparametern oder physikochemischen Kennwerten der PAK bestehen jedoch nicht. Zur Charakterisierung des für Kulturpflanzen verfügbaren Anteils von PAK in Böden wurden neun Bodenproben der Lysimeterversuche verwendet. Die PAK-Aufnahme in Pflanzen wurde an den Gehalten eines mit den Böden beprobten Spinataufwuchses bemessen. Die mittels Ethanol/Wasser (1:4v/v) und 1M NH4NO3 extrahierbaren PAK-Gehalte korrelieren mit den Spinat-Gehalten der einzelnen PAK-Gruppen eng mit r = 0,697 - 0,930. Die getesteten Methoden können zur Anwendung empfohlen werden.
Summary Band 22
Thiele, S. (1997): PAHs in polluted soils: Investigations on the characterization, optimization and prognosis of the microbial degradation of PAHs as well as the estimation of the PAH-fraction available to plants. Bonner Bodenkundl. Abh. 22 (1997), 318 pp.
To investigate the microbial PAH decomposition pot experiments were conducted under field conditions completed by laboratory studies. Easily degradable organic substances, mineral nutrients, in part lime and synthetic surfactants were added in varied combinations to ten different soil samples from polluted industrial sites. In preliminary experiments 20 surfactants were tested. Four nonionic products were selected according to their good PAH solubilization properties and low toxicity for microorganisms. Soil samples sterilized by HgCl2 were set up to quantify abiotic processes of the PAH decrease. 15 out of 16 PAHs listed on the US EPA list (1979; without Acenaphthiylene) were determined.
Depending on the kind and quantity of the amendments the biological activity of the soil sampIes could considerably be increased. Thus an essential decrease of the contaminants' toxicity for soil microorganisms and cultivated plants was achieved. By increasing the (co-)metabolic decomposition activity of the microorganisms and depending on the different treatments, a decrease of the PAH contents between 4.6 and 90.9% was achieved within 74 weeks. Still after 121 weeks, an in parts remarkable further decrease of the PAH contents could be observed.
Above all, the decrease of the PAHs is based on the microbial decomposition and bonding and for the most part can be fitted by two coupled exponental functions. Effects like the removal by plants or leaching by percolating water are not relevant. Abiotic processes make up less than about 30% of the PAH decrease. On the other hand mobilizations of PAHs could also be observed. Apart from solubilizing agents of pedo-, and biogenic as well as technical origin, this is caused by the fluctuating water content of the soils.
Higher PAH contents lead to higher PAH decreases. However, they end at higher remainder contents. The persistence of PAHs is mainly determined by their availability, which in turn can approxirnately be described by their KF values as a determinant of their adsorption. Therefore lower condensed PAHs with low KF values are more availabIe and are decomposed more strongly. In contrast the contents of the higher condensed 5- and 6-ring PAHs are primarily influenced by fixation and remobilization processes with the quantity of the soil exchange sites being less important than their quality.
The PAH degradation is increased by the soil treatments. However, the effects are only in parts statistically significant. The addition of easily degradable organic matter (C/N < 20) in a higher quantity (3%w/w) combined with the addition of nitrate and a surfactant most effectively increases the degradation of the PAHs. Raising the pH of a very strong acid soil sampIe revealed an optimum PAH decomposition at pH 6.
Valid data on the microbial PAH degradation were availabIe from the pot experiments. The PAH uptake from soil by food plants was investigated by lysimeter trials of the LUA NRW (DELSCHEN et al. 1996). It therefore was possibIe to use the appropriate soil sampIes for the development of laboratory methods for the determination of the degradable as well as the plant availabIe PAH portions. Screening tests were carried out with different extractants: H2O (bidest.), and salt solutions, 0.02 - 5% concentrated solutions of nonionic surfactants, organic solvents and solvent mixtures. The most important selection criterion was the correlation between the results of the extractions and the target parameters. In addition different variations of the extraction procedure were tested.
More detailed experiments on the determination of the degradable PAH contents were conducted with three variants of each of the ten pot trial sampIes. On the basis of the screening tests toluene/acetone (3:2) and the single as well as the twice repeated extraction with 0.5% concentrated surfactant solutions (Genapol UDD 88 or Synperonic LF/RA 30, resp.) were chosen. The results of these extractions describe the contents of the degradabIe PAHs weIl with r = 0.615 - 0.878. For that purpose the PAHs were classified in groups depending on the degree of condensation and an equation of regression was calculated for each group. However, cIoser correlations to the soil characteristics or physicochernical parameters of the PAHs are not existant. Nine soil sampIes from the lysimeter experiments were used to characterize the PAH portion in soils available to plants. The uptake of PAHs by plants was measured on the basis of their contents in spinach surveyed with the soils. The PAH contents extractable with ethanol/water (1:4v/v) and IM NH4NO3 correlate cIosely with the contents of the different PAH groups in the spinach with r = 0.697 - 0.930. The tested extraction procedures can be recommended for application.