Dokument: Phytoremediation schwermetallbelasteter Böden durch einjährige Pflanzen in Einzel- und Mischkultur

Titel:Phytoremediation schwermetallbelasteter Böden durch einjährige Pflanzen in Einzel- und Mischkultur
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URN (NBN):urn:nbn:de:hbz:061-20030605-000527-6
Kollektion:Dissertationen
Sprache:Deutsch
Dokumententyp:Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:Text
Autor: Haensler, Judith [Autor]
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Dateien vom 09.02.2007 / geändert 09.02.2007
Beitragende:Prof. Dr. Lösch, Rainer [Gutachter]
Prof. Dr. Alfermann, August-Wilhelm [Gutachter]
Stichwörter:Mais, Phytoremediation, chelatgestützt, EDTA, Cadmium, Schwermetallbelastung, Boden, Klärschlamm
Dewey Dezimal-Klassifikation:500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibung:Die Umweltbelastung mit toxischen, nicht abbaubaren Schwermetallen hat in den letzten Jahrzehnten aufgrund der Lebensgewohnheiten des Menschen stark zugenommen und ist nunmehr ein flächendeckendes Phänomen. Pflanzen nehmen Schwermetalle aus dem Boden auf und es kommt zur Anreicherung in der Nahrungskette. Daraus resultieren enorme Gefahren für Mensch und Tier. Die Reinigung schwermetallbelasteter Böden ist daher von sehr großer Bedeutung. Bisherige Methoden sind ökologisch bedenkliche und mit bis zu 1000 $/t Erdreich extrem teuer. Daher wird zunehmend die Reinigungsleistung von Pflanzen (sog. Phytoremediation) als kostengünstige, ökologisch sinnvolle Alternative diskutiert. Durch Ernten der Biomasse sollen die toxischen Ionen innerhalb eines überschaubaren Zeitraum von bis zu 20 Jahren entzogen werden, so daß der Boden wieder gefahrlos genutzt werden kann. Nach der Ernte wäre eine Verbrennung der Biomasse zur Energiegewinnung oder eine Ausfällung der Schwermetalle aus der Asche mit dem Ziel eines Recyclings denkbar.
Es war das Ziel der Arbeit, kurzlebige Pflanzenarten, die bereits in anderen Studien die Fähigkeit zur Schwermetallakkumulation gezeigt hatten, oder eine Mischung solcher Spezies auszuwählen, die eventuell mehrmals jährlich geerntet zur routinemäßigen Phytoremediation von Böden eingesetzt werden können. Es sollten nicht, wie bisher, hyperakkumulierende Pflanzen geringer Biomasseproduktion, sondern schnell wachsende Annuelle ausgewählt werden, die eine beträchtliche, Schwermetallaufnahme bei großer Biomasse aufweisen. Antirrhinum majus (Großes Löwenmaul), Centaurea cyanus (Kornblume), Chenopodium album (Weißer Gänsefuß), Papaver rhoeas (Klatsch-Mohn), Thlaspi arvense (Acker-Hellerkraut), Viola arvensis (Acker-Stiefmütterchen) und Zea mays (Mais) wurden auf ihr Potential zur Reinigung pb-, cd- und zn-belasteter Böden in Mono- und Mischkultur untersucht. Außerdem lieferten Untersuchungen des Mineralstoffhaushalts ein Bild der pflanzlichen Umsätze unter Schwermetalleinfluß. Freilandexperimente sind im Hinblick auf die Anwendbarkeit solcher Reinigungsverfahren von zentraler Bedeutung, existieren jedoch bisher kaum. Daher wurden neben Topfexperimenten in Sand und Erde Untersuchungen auf einer schwermetallbelasteten Ackerfläche durchgeführt. Dabei wurde auch die Möglichkeit der chelatgestützten Phytoremediation untersucht, welche zur Überbrückung der Mobilitätsproblematik von Schwermetallen synthetische Chelatoren einsetzt. Ein Untersuchungsschwerpunkt war die chelatinduzierte Verlagerungen der Schwermetalle im Bodenprofil, die bisher in keiner Studie berücksichtigt wurde.
V. arvensis und T. arvense liefen nicht auf oder erreichten eine geringe Biomasse und waren nicht konkurrenzkräftig. Sie scheiden daher für Phytoextraktionsvorhaben aus. A. majus erreichte wie der streßtolerante C. album bei geringer Biomasse ähnliche Schwermetallkonzentrationen wie andere Pflanzen schwermetallreicher Standorte. P. rhoeas erreichte wie C. cyanus, die sogar als schwacher Blei-Hyperakkumulator identifiziert wurde, sehr hohe Schwermetallkonzentrationen. Z. mays zeigte eine vergleichsweise große Biomasseproduktion und bei weniger hohen Schwermetallgehalten eine gute Sproß-Translokation. Eine Analyse der Nährstoffionen erbrachte wie auch in den anderen Teilversuchen eine durch die Schwermetalle in der Pflanze behinderte Aufnahme und Weiterleitung von K, Ca, Mg und Phosphat. Bezogen auf die pflanzenverfügbaren Pb- und Cd-Mengen nahmen alle Pflanzen aus den Sandkulturen weniger als 1 % pro Kulturgefäß auf. In Monokultur nahmen C. cyanus und P. rhoeas hingegen aus dem Erdsubstrat durchschnittlich 5,3 % und 3,3 % Zn, C. cyanus sogar knapp 1% der pflanzenverfügbaren Pb- und Cd-Menge auf. Da die potentiell möglichen Biomassen viel größer sind, konnte im Freiland eine größere Aufnahme erwartet werden. Eine Aussaat in Mischkultur war sinnvoll, um die schwermetallentziehenden Eigenschaften der Pflanzen zu kombinieren. Topfkulturen von A. majus, C. cyanus, C. album, P. rhoeas und Z. mays wurden außerdem in Mischkultur mit Chelatoren (Citrat, CDTA, DTPA, EDTA und EGTA) behandelt. Die Pflanzen zeigten eine Präferenz für die Aufnahme bestimmter Chelatkomplexe. Die Schwermetallgehalte wurden art- und behandlungsspezifisch gesteigert. Z. mays nahm infolge der großen Biomasse die größten Cd- und Zn-Mengen auf. Aufgrund der zu hoch konzentrierten Chelatbehandlungen wurden mehr Schwermetalle mobilisiert, als die Pflanzen aufnehmen konnten. Das er-möglichte die Entwicklung eine Formel zur Abschätzung einer sinnvollen Chelatkonzentration. EDTA war gegenüber den anderen Chelatoren der Vorzug zu geben, da es für die Bodenreinigung das beste Preis-Leistungs-Verhältnis bei gleichzeitig signifikanter Biomassesteigerung zeigte.
Auf der stark cd-belastete Fläche dominierte während einer Ackerbrache Symphytum officinale. Es nahm bei hohen Außenkonzentrationen nur wenig Cd in den Sproß auf und kann zu den Schwermetallexcludern gezählt werden. Eine Behandlung mit EDTA war für die Schwermetallaufnahme nicht vorteilhaft. In einem weiteren Freilandversuch wurde eine Mischkultur von A. majus, C. album, C. cyanus, P. rhoeas und Z. mays ausgesät. Die EDTA-Behandlung überlebte nur Z. mays. Bereits die niedrigste Konzentration (1 mmol EDTA/kg Erde) führte zu einer starken vertikalen Verlagerung der Schwermetalle. Die Pflanzen nahmen nur einen Teil der mobilisierten Schwermetalle auf. Im Folgejahr wurde daher eine Mais-Monokultur mit geringeren EDTA-Konzentrationen behandelt. Die mit 1- und 0,1 mmol EDTA/kg Substrat behandelten Maispflanzen entwickelten die größte Biomasse. Die Schwermetallkonzentrationen der Wurzeln wiesen mehr als ein Maximum auf. Daher kommen für die Aufnahme von Schwermetall-Chelatkomplexen beim Mais mindestens zwei Mechanismen in Frage. Die gemessenen Pb- und Cd-Konzentrationen der Maispflanzen waren im Vergleich mit anderen Untersuchungen gering, jedoch wurde aufgrund der großen Biomasse eine mit Hyperakkumulatoren vergleichbare Cd-Aufnahme gemessen.
Die Schwermetallaufnahme zeigte eine standortbezogene Basiskomponente, welche von der Schwermetallkonzentration des Bodens abhängt. Die nach Chelatzugabe zusätzlich aufgenommene Menge hängt hauptsächlich von der zugefügten Chelatmenge ab. Eine zweimal jährliche Ernte müßte aufgrund der Nährstoffanreicherung in klärschlammgedüngten Ackerböden bei eventuellen Phosphat-Düngemaßnahmen möglich sein. Die im Experiment zur Auswaschung aus dem Bodenprofil gemessenen EDTA- und Schwermetallmengen waren bei der anzustrebenden 0,1 mmolarer EDTA-Behandlung kaum meßbar und können als unbedenklich bewertet werden. Die Methode der chelatgestützten Phytoextraktion mit Mais stellt im Vergleich mit gängigen thermischen und chemischen Methoden zur Schwermetalldekontamination eine ökologisch sinnvolle, kostengünstige Alternative dar, die für die Reinigung cadmiumbelasteter Böden bis 25 ppm Gesamtgehalt im Oberboden während eines überschaubaren Zeitrahmens von bis zu 20 Jahren bei geringen Materialkosten von 20 ? je Tonne Erdreich realisierbar ist.
Fachbereich / Einrichtung:Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie
Dokument erstellt am:05.06.2003
Dateien geändert am:12.02.2007
Promotionsantrag am:03.06.2003
Datum der Promotion:03.06.2003
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