Nach der Inkubation wurde der Überstand vom Boden durch Filtration abgetrennt und verschiedene Parameter in den beiden Bestandteilen untersucht.
18.2.1 Wassergehalt und Enzymaktivität im Boden
Aus Tab. 31 können die Wassergehalte und Enzymaktivitäten der eingesetzten Böden vor und nach der Inkubation entnommen werden.
Enzymaktivitäten im Boden [Units]
Nach der Inkubation Vor der Inkubation
Wasser + Boden
denat. Enzymlsg.
+ Boden
Enzymlsg.
+ Boden
Invertase 59,8 88,4 105,0 2195,2
Xylanase 1,5 5,1 42,5 86,1
Cellulase 0,3 1,2 8,9 9,0
Wassergehalt im Boden
[%] 9,5 30,3 40,2 37,1
Tab. 31: Enzymaktivitäten und Wassergehalt in den Böden (ohne Lösungen) vor und nach der Inkubation. [1 Unit = 1 µmolGlukose/(gBoden*24 h)]
Es ergibt sich daraus, dass nach der Inkubation der Enzym-inkubierte Boden noch die 37-fache Invertase-, die 30-37-fache Cellulase- und die 57-37-fache Xylanase-Aktivität enthielt, die vor der Inkubation des Bodens mit der Enzymlösung ermittelt wurde. Da auch in den beiden Kontrollböden nach der Inkubation höhere Enzymaktivitäten gemessen wurden, liegt die Vermutung nah, dass durch die Inkubationsbedingungen vorhandene Enzyme im Boden zusätzlich aktiviert wurden und die Denaturierung der Enzyme, vor allem die der Cellulase nicht vollständig war.
18.2.2 Freigesetzte Mengen des gesamten organischen Materials im Überstand – DOC
Die Messung des gesamten organischen Materials als DOC im Überstand wird stark beeinflusst durch den zusätzlich eingeführten Kohlenstoff der Enzymlösung bzw. der Lösung mit denaturiertem Enzym. Im Überstand des mit Wasser inkubierten Bodens wurden 66 mg/L DOC gemessen. Zieht man diesen Wert vom Ergebnis für den DOC im Überstand der denaturierten Enzymlösung (5455 mg/L DOC) ab, ergibt sich in etwa der Betrag, der nur vom Enzymkohlenstoff stammt (5388 mg/L DOC). Da im Überstand des Enzym-inkubierten Bodens 5880 mg/L DOC gemessen wurden, erhält man somit durch die Inkubation des Bodens mit Enzym eine erhöhte Freisetzung des DOC um 426 mg/L.
Dieser Wert entspricht der 6,4-fachen Menge an DOC, die durch Inkubation des Bodens mit Wasser im Überstand erreicht wird.
Da die Inkubation einem Batch-Versuch unter thermodynamischer Kontrolle gleicht, deutet dieses Ergebnis auf einen starken Einfluss der Enzyme auf die Freisetzung des gesamten organischen Materials bei Gleichgewichtseinstellung hin. Allerdings kann nicht ausgeschlossen werden, dass dieser Wert durch die Versuchsbedingungen, wie z.B.
Filtration, beeinflusst ist oder durch Fehler in der DOC-Bestimmung, die sich bei großer Verdünnung in einem hohen absoluten Fehler äußern können.
18.2.3 Freigesetzte Mengen der verschiedenen Schadstoffgruppen im Überstand ermittelt als Freisetzungsraten
Wie bereits für die Freisetzung des gesamten organischen Materials (DOC) erwähnt, gleicht die Inkubationsphase des Bodens mit den jeweiligen Lösungen einem Batch-Versuch unter thermodynamischer Kontrolle. Somit kann bereits während der Inkubation auch eine Desorption der organischen Schadstoffe im Boden erfolgen. Die während der 24-stündigen Inkubationszeit beobachteten freigesetzten Mengen an organischen Schadstoffen sollten daher Aussagen darüber zulassen, inwiefern Enzyme im Boden die Desorption der untersuchten Schadstoffgruppen unter Gleichgewichtsbedingungen beeinflussen (Daten im Anhang D Tab. 59).
In Abb. 40 ist zu erkennen, dass für alle Schadstoffgruppen die Freisetzung durch Inkubation des Bodens mit der Enzymlösung meist stark erhöht ist. Allerdings bewirkt auch die Kontrollinkubation des Bodens mit denaturiertem Enzym für alle Gruppen erhöhte Freisetzungsraten. Diese sind zwar in jedem Fall niedriger als die Werte für den Enzym-inkubierten Boden, deuten aber darauf hin, dass bei Zusatz der Enzym- und denaturierten Enzym-Lösung ein Lösungsvermittelnder Effekt durch die große Menge an zusätzlich eingeführten Kohlenstoff besteht (Kapitel 18.2.2). Des Weiteren kann die nicht vollständige Denaturierung der Enzyme Xylanase und Cellulase die erhöhten Freisetzungsraten durch Inkubation mit der denaturierten Enzymlösung bewirkt haben oder aber auch die Schadstoff-mobilisierende Wirkung von Kolloiden in den nicht ganz klaren Lösungen. Daher kann im Überstand für die einzelnen Schadstoffgruppen kein eindeutiger Effekt der Enzymlösung auf deren Freisetzung ermittelt werden. Innerhalb der Gruppe der PCB und OH-PCB ist ab einem log KOW-Wert von 5,7 (TriCl-BP) außerdem der Trend zu erkennen, dass geringere Mengen freigesetzt werden je niedriger die Polarität der Schadstoffe ist, was auf eine Einstellung des Löslichkeits-Gleichgewichts hindeutet.
0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
PAK 1
PAK 2
DiCl-BP
TriCl-OHBP
TriCl-BP
TetraCl-OHBP
TetraCl-BP
PentaCl-BP Enzymlösung
Wasser
denat. Enzymlösung
Freisetzungsrate pro Einzelsubstanz [ng / (g * 24 h * 450 mL)]Boden
Abb. 40: Freisetzungsraten der einzelnen Schadstoffgruppen im Überstand der drei Ansätze. Die Schadstoffgruppen sind nach ansteigenden log KOW-Werten geordnet (siehe Tab. 29).
Die Auswertung der Daten mittels 1-faktorieller ANOVA beweist, dass die erhöhte Freisetzung aller Stoffe durch die Enzyminkubation des Bodens im Vergleich zur Wasserinkubation im Post hoc-Test von Tuckey signifikant ist (p = 0,0348). Zwischen den beiden Kontrollinkubationen (p = 0,0989) und den Inkubationen mit Enzym und denaturiertem Enzym (p = 0,8629) besteht kein signifikanter Unterschied.
Die höchsten Freisetzungsraten werden für die Tri- und TetraCl-BP und TetraCl-OHBP und die niedrigsten für die DiCl-BP gefunden. Signifikante Unterschiede konnten nur zwischen diesen drei Schadstoffgruppen mit den höchsten Freisetzungsraten und den DiCl-BP ermittelt werden (Post hoc-Test im Anhang D Tab. 63).
Zur Auswertung der Daten wurden die Werte Log10-transformiert, wodurch die Normalverteilung (W = 0,9513, p = 0,2957) und Varianzengleichheit (Chi2 = 0,60/5,66, p = 0,7398/0,5801) des Datensatzes erreicht wurde.
18.2.4 Freigesetzte Mengen der verschiedenen Schadstoffgruppen im Überstand ermittelt als Freisetzung vom Inventar
Die höchsten Freisetzungsraten bezogen auf das Inventar erhält man im Überstand des Enzym-inkubierten und mit denaturiertem Enzym-inkubierten Bodens für die DiCl-BP und TriCl-BP (Abb. 41; Daten im Anhang D Tab. 60). Die geringsten Freisetzungen ergeben sich für die PAK 1 und PAK 2. Obwohl diese beiden Schadstoffgruppen die niedrigsten log KOW-Werte haben (Kapitel 17.2.5, Tab. 29), somit polarer als die anderen betrachteten Schadstoffgruppen sind und während der Inkubation Gleichgewichtseinstellungen möglich sind, scheint dies keinen Effekt auf die Freisetzungsrate zu haben. Innerhalb der Gruppe der PCB gibt es jedoch für den Enzym-inkubierten und mit denaturiertem Enzym inkubierten Boden wieder einen Trend zu verringerter Desorption bezogen auf das Inventar mit sinkender Polarität.
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
PAK 1
PAK 2
DiCl-BP
TriCl-OHBP
TriCl-BP
TetraCl-OHBP
TetraCl-BP
PentaCl-BP Enzymlösung Wasser
denat. Enzymlösung
Freisetzung vom Inventar [% / d]
Abb. 41: Freisetzungsraten im Überstand der drei Ansätze bezogen auf das Inventar der einzelnen Schadstoffgruppen. Die Schadstoffgruppen sind nach ansteigenden log KOW-Werten geordnet (siehe Tab. 29).
Betrachtet man allerdings nur die Freisetzungsraten, die durch die Inkubation des Bodens mit Wasser gemessen werden, ist der Einfluss der Polarität nicht erkennbar. Die geringsten Werte ergeben sich für die PAK 2 und PentaCl-BP, während die höchsten Freisetzungsraten für die Tri- und TetraCl-OHBP ermittelt werden. Im Post hoc-Test der 1-faktoriellen ANOVA unterscheidet sich allerdings keine der Schadstoffgruppen signifikant von den anderen (Anhang D Tab. 64).
Beim Vergleich der Inkubationsarten mittels 1-faktorieller ANOVA führt die Enzyminkubation des Bodens auch in Bezug auf die Gesamtgehalte der Schadstoffe im Boden zu erhöhten Freisetzungsraten, wobei die Unterschiede nur zur Kontrollinkubation mit deionisiertem Wasser signifikant sind. Beim Vergleich der beiden Kontrollinkubationen ergeben sich außerdem durch Inkubation mit denaturiertem Enzym signifikant erhöhte Werte (Anhang D Tab. 65). Für alle Schadstoffgruppen gilt aber wiederum, dass die geringsten Freisetzungen durch die Inkubation mit Wasser und die höchsten durch die Enzyminkubation erreicht werden. Und dass durch Inkubation des Bodens mit denaturiertem Enzym ebenfalls deutlich erhöhte Werte im Vergleich zur Wasserinkubation ermittelt werden, die sich nicht signifikant von den Werten der Inkubation mit aktivem Enzym unterscheiden.
Zur Auswertung der Daten wurden die Werte ebenfalls Log10-transformiert, um die Normalverteilung (W = 0,9356, p < 0,1335) und Varianzenhomogenität (Chi2 = 0,22/5,66, p = 0,8956/0,5801) des Datensatzes zu erreichen.