Methodische Weiterentwicklung der Probenahmerichtlinie für Böden im Rahmen der Umweltprobenbank des Bundes
Weinfurtner, Karlheinz; Dreher, Peter; Hund-Rinke, Kerstin; Scheid, Susanne; Simon, Markus
Schmallenberg: Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie, 2002. - 107; FKZ: 301 02 006
Abstract
Problemstellung
Im Rahmen der Umweltprobenbank soll das Umweltmedium Boden im Herbst 2002 erstmalig beprobt werden. Die dazu notwendige Richtlinie zur Beprobung von Böden wurde bereits 1993 vom Lehrstuhl für Biogeographie der Universität Saarbrücken erstmalig erstellt und in den Folgejahren mehrfach überarbeitet. Während der Ausarbeitungen zur Bodenprobenahme (Probenahmerichtlinie, Gebietsauswahl und –charakterisierung, Flächenauswahl) wurden jedoch in den letzten Jahren fachliche (z. B. Verabschiedung relevanter Normen) und rechtliche Rahmenbedingungen (Verabschiedung von BBodSchG, BBodSchV) weiterentwickelt, die einen abschließenden Abstimmungsprozess hinsichtlich methodischer Fragestellungen vor Beginn der routinemäßigen Probenahme und Einlagerung der Proben nötig machte. In einem Fachgespräch zwischen Vertretern des Umweltbundesamtes, des Auftragnehmers sowie externer Experten wurden mögliche Vorgehensweisen bei der Bodenprobenahme eingehend diskutiert und kritische Punkte, die einer weiteren Abklärung bedürfen, herausgestellt. Die in der folgenden Studie untersuchten Punkte waren insbesondere:
- Eignung unterschiedlicher Gerätematerialien für die Probenahme und Probenaufbereitung im Gelände unter dem Aspekt möglicher Kontaminationen der Bodenproben.
- Entwicklung von Möglichkeiten einer weitgehend die Struktur (Teilchen und primäre Gefüge) erhaltenden Probenaufbereitung unter Verzicht auf den Einsatz der Cryomühle als Grundlage für die Untersuchung biologischer sowie strukturabhängiger, chemischer (z.B. mobile Schwermetallgehalte) Parameter. Dabei müssen die Anforderungen an die Homogenität der einzulagernden Proben eingehalten werden.
- Ermittlung der Repräsentativität der Siebfraktion < 2mm bei nicht quantitativer Siebung.
- Überprüfung der Homogenität der einzulagernden Teilproben unter Berücksichtigung methodischer Änderungen gemäß Punkt 2
- Erfassung von (unerwünschten) chemischen und biologischen Veränderungen der Proben als Folge des Aufbereitungsprozesses im Vergleich zu frischen Proben
- Effekte des Tiefgefrierens insbesondere auf organische und biologische Strukturen
- sonstige Effekte auf physikalisch-chemische Parameter (z.B. extrahierbare Anteile)
- Möglichkeiten und Notwendigkeit der Beprobung, Untersuchung und Lagerung von Unterböden (z.B. B-Horizonte) und Untergrund (C-Horizonte)
Lösungsansatz
Die aufgeführten Fragestellungen wurden in Form einzelner Arbeitspakete abgearbeitet. Die für die Untersuchung benötigten Böden wurden aufgrund der Anforderungen der einzelnen Arbeitspakete ausgewählt und in der Regel in direkter Nachbarschaft von geplanten Probenahmeflächen entnommen. Als Untersuchungsparameter wurden neben bodenkundlichen Basisdaten wie Körnung, pH und Gehalt an organischen Kohlenstoff Parameter die im Sinne des Bodenschutzes relevant sind (Schwermetalle, ausgewählte CKW und PAK) untersucht.
Ergebnisse
Eine Kontamination der Proben durch die Probenahme- und Aufbereitungsgeräte konnte nicht nachgewiesen werden. In einem Boden wurden zwar signifikant erhöhte Kupfer- und Bleikonzentrationen im Ammoniumnitrat-Aufschluss nach Verwendung eines Metallsiebes gegenüber einem Nylonsieb festgestellt, diese lassen sich jedoch nicht mit den Materialeigenschaften des Siebes begründen sondern ist eher auf die Siebgeometrie zurückzuführen. Bei den 2 mm Rundlochsieben können Teilchen passieren, die eine maximale Querschnittsfläche von 3,14 mm2 haben, während bei Nylonsieben die maximale Querschnittsfläche 4 mm2 beträgt. Daher kann – zumindest tendenziell – bei Nylonsieben das Korngrößenspektrum leicht zu größeren Korngrößen hin verschoben sein. Mit NH4NO3 werden nur leicht gebundene Kationen ausgetauscht und in Lösung gebracht. Die Menge der austauschbaren Kationen ist u. a. von der Korngröße abhängig und nimmt mit steigender Korngröße ab. Es ist daher möglich, dass die geringeren Mittelwerte bei den Nylonsieben durch einen höheren Anteil an grobkörnigem Material im Vergleich zu den Rundlochsieben verursacht werden.
Zur Erhaltung der Struktur wurde ein einfaches Verfahren entwickelt, das die Siebung im Gelände und ein schnelles Einfrieren nach der Siebung ermöglicht. Dabei fällt das Material nach dem Sieben auf einen Auffangboden, der von unten durch Flüssig-Stickstoff gekühlt wird. Zur Kälteisolierung ist der Sieb-/Gefriersatz von einer Styroporisolierung umgeben, um den Verbrauch an Flüssig-Stickstoff zu verringern.
Die Analysenergebnisse einer Teilsiebung unterschieden sich nicht von denen einer Gesamtsiebung, so dass davon ausgegangen werden kann, dass die nichtquantitative Siebung repräsentativ für die Gesamtsiebfraktion < 2 mm ist.
Beim Vergleich von Einzelarchivproben treten nur geringe Variationskoeffizienten auf, die zeigen, dass bei der verwendeten Methodik von Probenahme und – aufbereitung die Homogenität und Repräsentativität der Proben gegeben ist.
Für biologische Strukturen können Veränderungen durch eine Lagerung nicht ausgeschlossen werden. Die Art des Einfrierens, der Lagerung und des Auftauens wirkt sich dabei unterschiedlich stark auf einzelne biotische Parameter aus.
Generell wurden keine gravierenden Unterschiede hinsichtlich der Einfrier- und Lagerungstemperatur festgestellt, auch wenn tendenziell die Effekte bei einer Einfrier- und Lagerungs-Temperatur von –18 °C etwas geringer als bei flüssigem Stickstoff waren. Die Auftaugeschwindigkeit hatte dagegen einen deutlichen Einfluss auf die Bodenbiologie. Bei den erfassten Parametern der mikrobiellen Aktivität führte schnelles Auftauen von Bodenproben im Gegensatz zu langsamem Auftauen – bis auf wenige Ausnahmen – zu Ergebnissen, die mit denen der Kontrolle aus frischem Boden nahezu vergleichbar waren (Abweichungen < 25 %).
Bei den erfassten Parametern der mikrobiellen Biozönose ist der Einfluss der Bodenbehandlung auf die Ergebnisse stark von der Bodenart abhängig. Es können keine eindeutigen Unterschiede bezüglich der Auftaumethodik festgestellt werden.
Die Gesamtabundanz und Zusammensetzung der Nematoden Biozönose wurde durch die Lagerung teilweise deutlich beeinflusst. Dabei war der Effekt wieder primär von der Bodenart sowie der Art des Auftauens abhängig. Die besten Ergebnisse wurden mit raschem Auftauen erzielt.
Wie zu erwarten zeigte die Lagerung unter tiefkalten Bedingungen keine gravierenden Auswirkungen auf die Analysenergebnisse von abiotischen Parametern. Dagegen beeinflussten unterschiedliche Wassergehalte vor allem bei den Kationen die Analysenergebnisse. Dort wurden bei feuchteren Bedingungen jeweils niedrigere Gehalte gemessen.
Die Durchführung einer Unterbodenprobung erwies sich mit dem vorhandenen Material und der vorhandenen Probenahmetechnik als möglich. Allerdings macht die Beprobung des Unterbodens eine horizontgenaue Probenahme nötig.