Aspekte der Phytoremediation organischer Schadstoffe

Beitragsserien: Phytoremediation il

I. Aspekte der Phytoremediation organischer Schadstoffe S. TRAPP, Kopenhagen [UWSF 12 (5) (2000)]

II. Erprobung und Erfolgskontrolle eines Phytoremediationsverfahrens zur Sanierung Sprengstoff-kontaminierter B6den 1. Beschreibung des Projektes

J. WARRELMANN, Bremen [UWSF 12 (6) 2000]

III. Aufnahme von Cyaniden in Pflanzen - Risiko oder Chance for die Phytoremediation?

S. TRAPP, I. KOCH und H. CHRISTIANSEN, Kopenhagen [UWSF 13 (1) 2001]

IV. Aufnahme von Cyaniden in Pflanzen- Ergebnisse neuer Experimente S. TRAPP und H. CHRISTIANSEN, Kopenhagen [UWSF 13 (2) 2001]

V. Bepflanzung einer verlassenen Tankstelle mit Weiden

K. ZAMBRANO, E.G. LARSEN, Roskilde und S. TRAPP, Kopenhagen [UWSF 13 (3) 2001]

VI. Erprobung und Erfolgskontrolle eines Phytoremediationsverfahrens zur Sanierung Sprengstoff-kontaminierter B6den 2. Ergebnisse des Pilotvorhabens aus mehreren Vegetationsperioden

J. WARRELMANN, Bremen [UWSF 13 (4) 2001]

VII. Methyl.-tert.butylether: Phytotoxizit&t, Transport und Abbau in einem Mikro6kosystem mit Pflanzen U. DORFLER und I. SCHEUNERT, Neuherberg [UWSF 13 (5) 2001]

VIII. PhytOvolatilisation organischer Chemikalien

O. BAEDER-BEDERSKI, UFZ Leipzig-Halle [UWSF 12 (6) 2001]

Aspekte der Phytoremediation organischer Schadstoffe

Stefan T r a p p

Korrespondenzadresse: Stefan Trapp, Institut for Miljoteknologi, Technische Universitbit yon Diinemark, DK-2800 Kongens Lyngby; e-mail: stt@imt.dtu.dk

DOI: http://dx.doi.orcj/10.1065/uwsf2000.09.030

Zusammenfassung. Die Phytoremediation, also die Sanierung i!

i!

schadstoffbelasteter Standorte mit Hilfe yon Pflanzen, ist eine re- 5~

lativ neue Technik. Die Verfahren der Phytoremediafion sind ko- ~ stengiinstig, werden vonder Offentlichkeit akzeptiert und bieten ~i 6kologische Vorteile gegeniiber herk6mmlichen technologischen t Verfahren. Bislang gibt es erst wenige Beispiele fiir gelungene Sa- ~ nierungen. Dies liegt unter anderem daran, dass die startfindenden i Prozesse vielf~iltig sind und die Sanierung im allgemeinen mehrere ~ Jahre ben6tigt. Pflanzen beeinflussen die Wasserbilanz des Stand- ~ ortes, die Redox- und pH-Bedingungen und die mikrobielle Akti- : vitfit des Bodens. Bereits durch diese indirekten Einfliisse kann der ~ Abbau im Wurzelraum verst~irkt oder die Auswaschung yon Schad- ~ stoffen in das Grundwasser verringert werden. Aufgenommene Schadstoffe k6nnen in der Pflanze abgebaut werden, dort verbleb i ben oder ausgasen. Daraus leiten sich die verschiedenen Phvtoreme diationsverfahren ab: Phytoextraktion, Rhizofiltration, Phvtostabi- !~

lisierung, Rhizo- und Phytodegradation, Pump and Tree, Land !i farming, Phytoausgasung, hydraulische Kontrolle und andere. Be- reits eingesetzt werden Pflanzen (vorwiegend Bfiume aus der Gat- :?

tung der Weidengew~ichse und Gr~iser) unter anderem zum Abbau ~ yon Petroleumprodukten, aromatischen Kohlenwasserstoffen (BTEX), chlorierten L6sungsmitteln, Sprengstoffriickstanden und Cyaniden. Phytotoxizit~it und Schadstoffbilanz im Freilandversuch :i wurden nur bei wenigen Sanierungsf~illen dokumentiert. Eine Er- ~ folgskontrolle steht bei vielen Projekten noch aus, und man ist der- ;~

zeit auf Abschfitzungen fiber die Anwendbarkeit und die Wirk- 'i samkeit der Methode angewiesen. Der Mangel an Erfahrungen fiber M6glichkeiten und Grenzen der Phytoremediafionsverfahren ~ erweist sich als Hindernis bei ihrer Einftihrung.

Schlagw6rter: Benzol; B6den, Schadstoffbelastungen; Meta- ~l bolismus; Petroleum; Pflanzen, Phytoremediation; Phvtoreme- ~ diation; Salicaceae; Schadstoffe, B6den; Trichlorethen' t

Abstract. Aspects of the Phytoremedation of Organic Pollutants (Series)

Phytoremediation is the quite novel technique of cleaning pol- luted sites through the use of plants. Phytoremediation methods are comparatively cheap, are accepted by the public and are ecologically advantageous, compared to common technological approaches. Until today, there have been only a few examples for successful applications. One reason is that the processes oc- curring are complex, and a full clean up may require many years.

Plants have an influence on the water balance of a site, they change redox potential and pH, and stimulate microbial activ- ity of the soil. These indirect influences may accelerate degrada- tion in the root zone or reduce the leaching of compounds into the groundwater. Compounds taken up into plants may be metabolised, accumulate, or volatilise into air. Based on these processes, several phytoremediation methods have been devel- oped: Phytoextraction, rhizofiltration, phytostabilisation, rhizo- und phytodegradation, pump and tree, land farming, phyto- volatilisation, hydraulic control and even more. Already in use are plants (and here mainly willows, poplars and grasses) for the degradation of petroleum products, aromatic hydrocarbons (BTEX), chlorinated solvents, explosives and cyanides. Phyto- toxicity, and pollutants mass balance have rarely been docu- mented carefully. Often, the success of the projects was not con- trolled, and only estimates can be made about the applicability and the potential of phytoremediation. This lack of experience about possibilities and limitations seems to be a hindrance for a broader use of these techniques.

Keywords: Benzene; metabolism; petroleum; phytoremediation;

plants, phytoremediation; pollution, soils; Salicaceae; soils, pol- lution; trichloroethene

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9 ecomed vedagsgeseilschaft AG & Co, KG, D-86899 Landsberg und Ft. Worth/TX, USA o Tokyo, Japan o Murnbai, Indien | Seoul, Korea

Einleitung

'Phytoremediation' steht fiir Techniken, verunreinigte B6- den mit Hilfe von Pflanzen zu behandeln. Verunreinigungen k6nnen sowohl anorganische wie auch organische Stoffe sein (SCHNOOR, 1995). In Deutschland werden bislang vor aUem schwermetallkontaminierte Standorte saniert (UBA, 1999).

In den USA wird die Phytoremediation zunehmend auch an Standorten eingesetzt, die mit organischen Schadstoffen be- lastet sind (ROCK, 1999; NEWMAN et al., 1998), zum Beispiel mit Mineral61en (COATS, 1999). B~iume, Gr/iser und krauti- ge Pflanzen sowie deren assoziierte Mikroflora werden ein- gesetzt, um Schadstoffe zu entfernen, abzubauen oder um sie zu absorbieren, um den Boden zu stabilisieren und um Wasser abzupumpen (FLATHMAN und LANZA, 1998).

Nach einer Dekade der Forschung steht die Technik vor dem kommerziellen Durchbruch. Prognosen zum Marktanteil der Phytoremediation in den USA erwarten eine Steigerung yon zwischen 16,5 bis 29,5 Mio. US$1998 auf 214 bis 370 Mio.

US$ im Jahr 2005 (WATANABE, 1997; BLACK, 1999). Das Marktpotential in Europa k6nnte aufgrund der h6heren Zahl von Mtlasten durchaus noch h6her liegen (LOMB1 und WEN- ZEL, 1999). In Deutschland wird die Forschung zur Phyto- remediation vom BMBD gef6rdert. In Diinemark wird die Erprobung der Technik von einem Technologieentwick|ungs- programm der Umweltbeh6rde 2 untersttitzt.

Die Phytoremediation ist herk6mmlichen Verfahren an Image und Preisgtinstigkeit tiberlegen - aber nicht generell. Bislang sind wenig klare Beweise ftir die Wirksamkeit der Techni- ken geliefert worden, weshalb Grund zur Skepsis besteht.

Dies liegt aber auch daran, dass eine Phytoremediation l~in- gere Zeit, oftmals Jahrzehnte, in Anspruch nehmen kann.

Es ist daher wichtig, Methoden zur m6glichst frtihzeitigen Bestimmung der Wirksamkeit der verschiedenen Verfahren zu entwickeln.

1 Relevante Prozesse bei der Phytoremediation

Pflanzen tragen auf vielf/iltige Weise zur Reinigung oder zur Stabilisierung von Bodenverunreinigungen bei. Zun~ichst denkt man nattirlich an die Aufnahme der Stoffe mit nach- folgendem Ahbau. H/iufig sind Pflanzen jedoch nur indirekt am Abbau yon Schadstoffen beteiligt, indem sie das Milieu im Boden so verfindern, dass Bakterien oder Pilze die Sub- stanzen abbauen k6nnen (KaRLSON, 2000; SICIHANO und GERMIDA, 1998). Phytoremediation wird also von einem 'Team' aus Bakterien, Pilzen und h6heren Pflanzen durch- geftihrt und beruht auf einer Vielzahl biologischer, physika- lischer und chemischer Prozesse (Abb. 1).

BMBF-Forschungsverbund 'Biologische Verfahren zur Bodensanierung' wird vom Projekttr&ger Abfallwirtschaft und Altlastensanierung (PT AWAS) des Bundesministeriums fiJr Bildung und Forschung (BMBF) im Umweltbundes- amt betreut und setzt sich aus sieben Verbundvorhaben mit 0ber 40 Projekten zusammen (Mai 2000 unter httD://dechema.de/biotech/brosch/einleit.htm).

2 Teknologiprogram for jord og grundvandsforurening (Technologieprogramm Bo- den- und Grundwasserverunreinigung), Mai 2000 unter httu://mstex03.mst.dk/

fagomr/13040700.htm (in D&nisch).

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~ , ~ . . ~: Ausgasung

Evaporation

~ ' ~ Transpiration

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= .a.r, verhindert Erosion Abbau IYI der j / ~ ~ , ~ " ~ , _ 2 u r z e l z ~ ~ ... .~ " ' ; 7 " ~

/,4 f ~, ,&nderung des Aufnahme Grundwasserstands

Abb. 1 : Relevante Prozesse bei der Phytoremediation. Adaptiert yon BLACK (1999)

1.1 Ver~inderung derWasserbilanz

Die Wasserbilanz eines Standortes ist beschreibbar nach (DYCK und PESCHKE, 1983)

P = ET + R + AW (mm a -1 = liter a -1 m-2),

wobei P die Summe der Niederschl~ige, ET die Evapotrans- piration (Verdunstung yon Boden und Pflanzendecke), R der unterirdische oder oberfl~ichige Abfluss und AW die A_nderung des Wasservorrats im Boden (und in der Vegetation) sind.

Die Evapotranspiration ist der wichtigste Verlustprozess for Niederschlagswasser. Ein Laubwald in Mitteleuropa transpi- riert etwa 2/3 des Niederschlages. Werte ftir Nadelwald, Wie- se und Agrarflfichen sind etwas niedriger (60 bis 62%, LARCHER, 1995). WeidenbestLinde in Stidschweden verdunsteten bei ei- ner Vegetationsperiode yon 184 Tagen zwischen 365 and 495 mm Wasser pro Jahr (1985-87), dies waren zwischen 60%

und 85 % des j/ihrtichen Niederschlags (PtRRSON, 1995). Dutch die Evapotranspiration von Pflanzenbest/inden wird die Ver- sickerung von Wasser reduziert (wenngleich sie kaum g~inz- lich verhindert werden kann), die Grundwasserneubildung vermindert und der Grundwasserstand gesenkt. Dadurch wird auch das Auswaschen yon Schadstoffen aus oberen Boden- schichten gemindert und der Boden wird entw~issert und bekif- tet. In einer Lysimeterstudie in St. Arnold (Westfalen) wurde der Einfluss unterschiedlicher Bepflanzung auf die Versickerung untersucht. Bei einem durchschnittlichen Niederschlag yon 834 mm/a (1990-1998) betrug die Infiltration unter Gras 404 mm/

a, unter 8 bis 11 m hohen Eichen 208 mm/a und unter 12 bis 15 m hohen Kiefern 134 mm/a (KLEIN, 2000). Wird bewLissert, kann die Transpiration auch tiber der Summe der Niederschl~ge liegen. Wasser kann mit Pflanzen 'solargetrieben' und damit umweltfreundlich 'weggepumpt' werden. Der Pflanzenbe- wuchs eines Bodens verhindert zudem auch trockene und nas- se Erosion und tr~igt zur Stabilisierung des Bodens bei.

1.2 Ver~nderung des Bodenmilieus durch Wurzeln

Die Anzahl von Bodenorganismen ist am h6chsten im Wur- zelraum. In einem Abstand v o n < 1 mm zur Wurzel ist die

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gesch~itzte Anzahl von Mikroben etwa 1,2 x 1011 Zellen pro cm 3, in 2 cm Entfernung nur etwa 1,3 x 101~ (PAUL und CLARK, 1989). Etwa 5 - 10% der Wurzeloberfl~iche sind yon Bakte- rien besetzt. Die Wurzeln werden dariiber hinaus yon mykorrhizabildenden Pilzen besiedelt, wobei die Pilzhyphen wiederum mit einem bakteriellen Biofilm besetzt sind (ROMANTSCHUK et al., 2000). Baumwurzeln k6nnen auch als Transportmedium innokulierter Bakterien dienen: durch das Wachstum der Wurzeln werden die zugesetzten Mikroorga- nismen im Boden verteilt (KARLSON et al., 1995). Auch im Innern yon Pflanzen siedeln endophytische Pilze und Bakte- rien (Dr FIORE und DEL GALLO, 1995).

Pflanzen produzieren selbst toxische Stoffe, z.B. Cyano- Glukoside, Phenole, Alkaloide und polyzyklische Aromaten mit Wirkung gegen Bakterien, Pilze und Fral~feinde (LARCHER, 1995). Die Lebensgemeinschaft im Wurzelraum hat die Fii- higkeit, toxische Substanzen zu entgiften. Vermutlich spielt dies im chemischen Konkurrenzkampf der Arten (Allelopathie) eine wichtige Rolle (SIcILIANO und GERMIDA, 1998).

Alle Bodenorganismen ver~indern den pH des Bodens. Durch die in den Membranen lokalisierte Protonenpumpe wird H30+ ausgeschieden. Auf~erdem geben Pflanzen organische S~iuren ab. Wichtig ist auch die Bildung von Kohlens~ure aufgrund der pflanzlichen Respiration (LARCHER, 1984). In einer gepufferten ISO 8692-Standard16sung k6nnen Weiden- stecklinge innerhalb weniger Stunden den pH um mebr als eine Einheit senken (eigene Beobachtung). Schnoor berich- tet v o n d e r Anhebung des pHs von 3 auf 7 durch Horn- kraut (SCHNOOR et al., 1995). Durch die pH-Anderung der Bodenl6sung kann sich die L6slichkeit und die Mobilit/it von Ionen ~indern.

Bis auf wenige Ausnahmen (zu denen iibrigens die Korbweide Salix viminalis geh6rt) sind keine Eukaryonten bekannt, die anoxisch lfingere Zeit iiberleben k6nnen (JACKSON und ATTWOOD, 1996). Pflanzen, die sich in gefluteten oder stau- nassen und deswegen sauerstoffarmen, reduzierten B6den be- haupten k6nnen, haben oft Ventilationssysteme entwickelt, dutch die Sauerstoff in die Wurzelzone transportiert wird. Dies fiihrt zur Beltiftung und damit zu einer Anhebung des Redoxpotentials. Dieses Beliiftungsprinzip wird auch typischer- weise bei Pflanzenkl~iranlagen genutzt (BRIX, 1997). Spezies, bei denen diese F~ihigkeit nachgewiesen wurde, sind Wasser- lilien (Nympha~a sp.), j apanische Moorgr~iser (Ischaernum sp.), Weiden (Salix sp.) (GRosSE et al., 1996), Sumpfzypresse (Tax6dium dfstichum), Moor-Birke (B~tula pub~scens), Zit- ter-Pappel (Espe, Pdpulus tr~mula) (GRossE et al., 1992) und Schilf (Phragmites australis, BRIX et al. 1996). Fi~r Phragmites wurden O2-Fltisse yon bis zu 5,7 Liter Gas (8 g) je m 2 Boden und Tag bestimmt. Fiir Korbweiden Salix viminalis sind die Fliisse deutlich geringer (GRosSE et al., 1996), nach eigener Absch~itzung etwa 0,5 g m -2 d -~. Das heisst, der Sauerstoff- transport dutch Weidenpflanzen spielt nur in weitgehend wasserges~itrigten B6den eine Rolle.

Abgesehen davon, dass die Umgebung von Pflanzen einen Siedlungsraum fi]r Mikroorganismen bietet, werden auch Nfihrstoffe ausgeschieden, z.B. Zucker im Austausch fiir Phosphat (Pilze) oder Stickstoff (N_,-Fixierer). Dari~ber hin- aus k6nnen Wurzeln organische Stoffe abgeben, die boden-

biirtige Stoffe mobilisieren k6nnen, darunter S~iuren, Phe- nole, Saponine, Proteine und Enzyme. Die amerikanische Maulbeerart Morus rubra L., die an PCB-belasteten Stand- often iiberleben und wachsen kann, scheidet hohe Mengen phenolischer Substanzen aus. Diese unterstiitzen vermutlich das Wachstum PCB-abbauender Bakterien (FLETCHER and HEDGE, 1995). Spektakul~ir war die Entdeckung, dass Wur- zel- und Xylemexsudate yon Ktirbisgewfichse (Cucurbita- ceae) die Eigenschaft haben, 2,3,7,8-Tetrachlor-p-diben- zodioxin ('Sevesodioxin') in eine 16sliche Form zu iiber- ftihren (HOLSTER et al., 1994). Verantwortlich ist vermutlich ein pflanzeneigenes Protein, das speziell in Zucchini vor- kommt (HOLSTER und MARSCHNER, 1995; NEUMANN et al., 1996). Zucchini verm6gen auch andere lipophile Stoffe auf- zunehmen und zu transloziieren, z.B. PAK (DELSCHEN~ pers.

Mitteilung). In Holzpflanzen wurden Glukosid- und Gluku- ronkonjugate von 1-Hydroxypyren identifiziert (NAKAJIMA et al., 1996). Derartige Konjugate kommen h~iufig als Meta- bolisierungsprodukt in Pflanzen vor (KoMOSSA et al., 1995) und sind zumeist wasserl6slich und daher mobil. Durch die Mobilisierung nehmen Aufnahme und Transport in der Pflan- ze zu, ebenso auch die Bioverfiigbarkeit und die Abbau- barkeit im Boden, vielleicht abet auch die Auswaschung in das Grundwasser. Leider ist bislang wenig bekannt fiber die Rolle yon Wurzeln und ihren Ausscheidungen bei deE Bio- verfiigbarkeit organischer Schadstoffe. Die durchschnittli- che Lebensdauer eines Wurzelhaares betrfigt wenige Stun- den (SITrE et al., 1991). Abgestorbene Pflanzenteile bilden die Grundlage fi~r die organische Substanz im Boden. Auch wenn dee Einfluss auf den Schadstoffabbau im Boden schwer zu quantifizieren ist, l~isst sich feststellen, dass das Boden- leben, die Bodenrespiration und mithin auch die metaboli- sche Aktivitiit des Bodens generell dutch Pflanzen stark ge- steigert werden.

1.3 Abbau imWurzelraum

Die genannten Faktoren erkl~iren die hohe metabolische Aktivit/it des Wurzelraums. Es gibt einige Beispiele dafiir, dass die Symbiose mit Bakterien Pflanzen ein Uberleben in hoch belasteten B6den dutch den beschleunigten Abbau von Schadstoffen im Wurzelraum erm6glicht. Schneller vollst~in- diger Abbau und Mineralisation der Stoffe bereits im Wurzel- raum sind das optimale Ergebnis einer Phytoremediation.

Vier Jahre nach dem Golf-Krieg in Kuweit wuchsen Wild- pflanzen (votnviegend Korbbli~tler, z.B. Sen~cio glaucus) in Sand, deE mit bis zu 10% (100000 ppm) Roh61 verunreinigt war. Die Wurzeln dieser Pflanzen sind assoziiert mit Hun&r- ten von Millionen 61abbauender Mikroorganismen der Gat- tung Artbrobacter, die verschiedene Alkane und aromatische Kohlenwasserstoffe rasch aufnehmen und entgiften, wobei Fetts~uren gebildet werden. Die Wurzeln der Pflanzen bleiben dadurch praktisch frei von 01 (RADwAN et al., 1995).

Innokuliert man Pfl/inzchen deE orientalischen Geissraute Gcilega orientalis, einer stickstofffixierenden Leguminose, gleichzeitig mit dem mikrobiellen Symbionten Rhizobium galegae und Bakterien dee Gattung Pseudomonas, die Tolu- ol und Derivate abbauen k6nnen, so werden bis zu zehn- fach h6here Dosen von Toluat (bis zu 1000 ppm) vertragen (SuoMINEN et al., 2000).

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Die Anzahl nitratreduzierender Mikroben und BTEX-abbau- ender M i k r o o r g a n i s m e n war signifikant h6her in der Rhizosphfire yon Hybridpappeln (Pdpulus deltoides X nlgra DN-34) als in angrenzenden landwirtschaftlichen B6den.

Atrazin-abbauende Arten fanden sich ausschliesslich in der Pappel-Rhizosph~ire. Es wurde gefolgert, dass Pappeln mi- krobielle Gemeinschaften stimulieren, die am Bioabbau von Schadstoffen beteiligt sind (JORDAHL et al., 1997).

Trichlorethen TCE kann von Bakterien durch anaerobe reduktive Dehalogenierung oder durch co-metabolische Oxidation abgebaut werden. Trotzdem ist es in der Umwelt oft Jahrzehnte hindurch persistent. Zudem ist das karzinoge- ne Vinylchlorid ein stabiler Metabolit des anaeroben Abbaus (DOT'C et al., 2000). TCE kann yon mehreren Pflanzenarten, darunter Pappeln, abgebaut werden (NEwMaN et al., 1997).

Bei Laborversuchen mit 35 cm grossen Hybridpappeln wurde der Stoff schnell aufgenommen und in die Bl~itter transloziiert.

Ein Grossteil der Substanz gaste von dort aus (BuRKEN und SCmqOOR, 1998). Bei Feldversuchen mit dreij/ihrigen B~iumen dieser Art von etwa 6 Metern H6he und mehreren Metern Wurzell/inge wurde TCE gr6sstenteils bereits im Wurzelraum mineralisiert. Bis zu 99% des zugegebenen TCE wurden w~ih- rend der Vegetationsperiode aus kiinstlich kontaminiertem Grundwasser entfernt, und weniger als 9% gasten in die At- mosph/ire aus (NEWMAN et al., 1999).

Gemeinhin ist die durchwurzelte Schicht auf den oberen Boden beschr~inkt. Etwa 90 % aller Baumwurzeln finden sich in weniger als 60 cm Tiefe (DoBsoN und MOr 1995). Nach unten hin nimmt die Verwurzelung nahezu exponentiell ab.

Unterhalb yon 3 m Tiefe findet sich nur selten starke Ver- wurzelung. Und selbst die Wurzeln iiberflutungsresistenter Biiume, zum Beispiel von Weiden, wachsen nur wenige cm tief in das Grundwasser hinein (LARcHER, 1995). Deshalb betrifft der Abbau im Wurzelraum nur oberfl~ichennahe Verunreinigungen.

1.4 Aufnahme in Pflanzen

Die Aufnahme organischer Stoffe aus dem Boden in Pflan- zen h~ngt yon vielen Faktoren ab. Prinzipiell kann die Auf- nahme durch Diffusion in wasser- und gasgefiillten Boden- poren oder zusammen mit dem aufgenommenen Transpi- rationswasser erfolgen (TRAce, 1995). Zu unterscheiden ist zwischen der Aufnahme in Wurzeln und der Translokation in Stamm, Bl~itter und Friichte.

Die diffusive Aufnahme erfolgt bis zum (elektro-)chemischen Gleichgewicht. Wurzeln haben eine sehr grosse Oberfl/iche.

Deshalb ist die Aufnahme i.A. rasch, in Laborversuchen stellt sich das Gleichgewicht innerhalb weniger Stunden oder Tage ein (BRIGGS et al., 1982, 1987). Die organische Substanz im Boden (Humus) entsteht im wesentlichen aus pflanzlichem Material. Es ist deshalb nicht verwunderlich, dass die Sorptionseigenschaften yon Boden und Wurzeln for lipophile organische Stoffe/ihnlich sind. Im chemischen Gleichgewicht sind daher auch die Konzentrationen ~ihnlich (Te, APP et al., 1994). Dies gilt jedoch nur fiir neutrale Substanzen.

Fiir sehr polare Stoffe wird die Aufnahme durch den Wider- stand der Zellmembran gehemmt (Ttoa% 2000). Sehr lipophile

Stoffe sind dagegen oft kaum 'bioverfiigbar', da sie stark sorbiert sind. In die Bl~itter werden daher am besten Stoffe mit mittlerer Lipophilie transportiert (log Kow 0,5 bis 3), Brigg$

et al. (1982). Erfolgt die Aufnahme organischer Stoffe in die Pflanze mit dem Bodenwasser und ist die Aufnahme des Stof- fes langsamer als die des Wassers, dann wird zwar die Schadstoffmenge reduziert, doch die Schadstoffkonzentration im Boden- oder Grundwasser kann ansteigen.

Sehr vide Schadstoffe sind dissoziierend, unter anderem Phenole, Amine, Benzoate, Alkaloide, Detergentien und die meisten Herbizide. Auch Metaboliten urspriinglich neutra- ler Stoffe sind sehr hiiufig dissoziierend (Hydroxy-Gruppen, S~iuren, Amine). Die Aufnahme dissoziierender organischer Stoffe h~ingt zus~itzlich vom pH in der Bodenl6sung, im Cytoplasma der Zelle (pH 7 bis 7,5), in Vakuole und Xylem (jeweils pH 5,5) sowie vom elektrischen Potential der Zell- membran ab (-80 bis -120 mV) (BRIGGS et al., 1987; TRAPP, 2000). Am besten aufgenommen werden schwache Sfiuren aus saurem Boden und schwache Basen aus alkalischem Boden. Die Akkumulation beruht dabei auf dem Mechanis- mus der Ionenfalle (BRIGGS et al., 1987; BROMILOW und CHaM- BERLAeV, 1995): Stoffe diffundieren in neutraler Form durch die Zellmembran und dissoziieren im Zellinneren. Die Riick- diffusion des Ions ist mehr als 10000fach langsamer (KLEIER, 1988). Da Anionen kaum an die Bodenmatrix sorbieren, k6nnen sich in Wurzeln deutlich h6here Konzentrationen als im Boden finden. Gleichzeitig sind schwache Sfiuren her- vorragend phloemmobil (und meist auch xylemmobil), wo- durch sie schnell in der ganzen Pflanze verteilt werden (Hsu und KLEmR, 1996; BRIGGS et al., 1987). Darauf basiert ver- mutlich die Eignung mancher schwachen S~iuren als Herbi- zide. Auch schwache Basen k6nnen gut aufgenommen und transloziiert werden (INouE et al., 1998), wie z.B. die Mor- pholin-Fungizide (CHAMBERLAIN et al., 1998). Da schwache Basen als Kationen an Ton elektrochemisch sorbieren, sind die gel6sten Mengen in der Bodenl6sung abet geringer als bei den Anionen schwacher S~iuren.

Die Menge eines Schadstoffes, die aus dem Boden in Pflanzen aufgenommen wird, h~ingt von zahlreichen Parametern ab.

Fiir die Aufnahme yon drei nicht-dissoziierenden Pestiziden durch Gerste auf sandigem sowie Weizen auf lehmigem Bo- den wurden Modellrechnungen durchgefiihrt (MATrHmS und BEHRENDT, 1995). Carbofuran, ein systemisches Insektizid mit einem Verteilungskoeffizient log Kow yon 1,82, wird diesen zufolge aus dem Boden innerhalb einer Wachstumsperiode zu fast 20% in Gerste aufgenommen. Auch aus lehmigem Boden und Weizen war die Aufnahme noch > 10%. Terbuthylazin, ein Herbizid mit einem log Kow von 3,06, wurde aus beiden B6den nur zu et~va 3 % aufgenommen. In den meisten F~illen ist die Aufnahme in Pflanzen ein langsamer Prozess. Eine voll- st~ndige Aufnahme aus dem Boden braucht im Falle des zwei- ten Beispiel Jahrzehnte.

1.5 Metabolismus in Pflanzen

Eine Transformation von Schadstoffen kann sowohl aut~er- halb der Pflanze (durch Wurzelexudate), als auch innerhalb der Pflanze (Metabolismus) und sorbiert an Bliitter (Photo- lyse) stattfinden. Ober die Rolle yon Wurzelausscheidungen

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beim Abbau organischer Schadstoffe ist praktisch nichts bekannt, und die Unterscheidung zum bakteriellen Abbau in der Rhizosph~ire ist schwierig. Der Metabolismus inner- halb der Pflanze erfolgt in drei Phasen (KoMoSSA et al., 1995):

Phase I ist eine Transformationsreaktion, oft eine Oxidati- onsreaktion mit Bildung von Hydroxylen.

Phase II ist eine Konjugationsreaktion, zum Beispiel mit Glukosiden. Die Konjugate sind entweder gebunden oder mobil.

Phase III ist eine Kompartimentierung in die Vakuole oder in die Zellwand. Diese Phase ist typisch ftir Pflanzen, da diese kein Exkretionsorgan besitzen.

Viele Schadstoffe werden von Pflanzenzellen offenbar effizi- ent abgebaut (KoMOSSA et al., 1995). Doch die Wurzelmasse des Bodens ist in der Gr6ssenordnung 1 kg je m 2 Boden, d.h.

etwa lg Wurzel je kg Boden, und beschr~inkt auf die oberen 60 bis 90 cm. Falls der Abbau yon Schadstoffen innerhalb der Pflanzenwurzeln nicht erheblich schneller als im Boden von- statten geht, ist er deshalb meist yon geringer Relevanz.

Photoabbau in Bkittern ist ein naheliegendes Ph~inomen, da die Bl~itter dem Licht zugewandt sind. Nachgewiesen wurde der Effekt zum Beispiel fiir Pestizide (SCHwACK et al., 1994) und fiir das 'Seveso-Dioxin' 2,3,7,8-TCDD (McCRADV und MAGGARD, 1993).

1.6 Toxizit~t

Mit der Aufnahme in Pflanzen k6nnen toxizische Wirkun- gen der Schadstoffe auf die Pflanzen verbunden sein. Oft tolerieren Pflanzen h6here Schadstoffgehahe als Bakterien, sind also noch zur Remediation geeignet, wenn Bakterien nicht mehr zu iiberleben verm6gen (ScHNOOR et al., 1995;

EPA, 2000). Toxizit~itsdaten liegen allerdings vor allem fiir Algen vor. Diese Daten sind oft nicht repr~isentativ fiir Gef~isspflanzen, da diese erstens in Boden und nicht in Was- set wachsen und zweitens fiber einen welt komplexeren Organismus verfi~gen (FLETCHER, 1990). In einer Studie zeig- te sich, dass die Toxizit~it von Schadstoffen, die aus dem Boden aufgenommen werden, um mehrere Gr6ssenordnun- gen geringer ist als bei Aufnahme aus N~ihrl6sung (HULzEBOS et al., 1993). Der ECs0 im Salat(Lactuca)-Wachstumstest lag fiir Tetrachlorethen, Trichlorethan, o-Xylol, Toluol, Heptane, Oktan und Dekan tiber 1000 mg/kg Boden. Dies liegt ver- mutlich an der geringen Bioverf%barkeit, aber vielleicht auch am Abbau im Wurzelraum. Wesentlich giftiger waren Phe- nole, Aniline und Chlor- oder Nitrobenzole.

In eigenen Studien fanden wir, dass Weiden (Salix sp.) im La- borversuch bis zu 5 g Diesel61, knapp 1 g Superbenzin oder 1A g Gesamtcyanid je kg Boden mehrere Wochen mit Wachstums- einbufgen aushalten k6nnen. In w~issriger L6sung werden bis zu 1 g Methyl-tert.-butylether (MTBE), 2,5 g Berliner Blau und 2 mg Kaliumcyanid toleriert. Polyzyklische Aromaten mit Konzentrationen von bis zu 45 mg/kg Boden regten das Wachs- tum von Weiden an (Ver6ffentlichung in Vorbereitung).

2 Verfahren der Phytoremediation

Die Techniken, die eingesetzt werden, basieren auf den be- schriebenen Prozessen und sind vielf~iltig (ScHNOOR, 1997;

FLATHMAN und L?uNZA, 1998; LOMBI und WENZEL, 1999; EPA, 2000): Phytoextraktion, Rhizofiltration, Phytostabilisierung, Rhizodegradation, Phytodegradation, Phytoausgasung, hydrau- lische Kontrolle, pflanzliche Abdecksysteme und Pufferstreifen.

2.1 Phytoextraktion

Als Phytoextraktion bezeichnet man die Aufnahme und Translokation von Schadstoffen in Pflanzen. Ernteprodukte, in denen die Schadstoffe konzentriert sind, k6nnen verwer- tet oder deponiert werden. Die Technik wird vor allem fiir Schwermetalle eingesetzt. Bei mehreren Prozent Metallgehalt in der pflanzlichen Asche wird sogar die Verwertung als Erz- zusatz interessant (Blei, NEWMAN 2000). Bei den organischen Stoffen kommen Stoffe mittlerer Lipophilie oder organische S~iuren in Frage.

2.2 Rhizofiltration

Als Rhizofihration bezeichnet man die Sorption von Konta- minanten an Wurzeln oder deren Ausf~illung im Wurzelraum.

Die Technik wird zum Beispiel eingesetzt, um Schadstoffe (vor- wiegend Schwermetalle) aus w~issrigem Medium zu extrahie- ren. In Frage kommen auch lipophile Organika.

2.3 Phytostabilisierung

Als Phytostabilisierung bezeichnet man entweder die Immo- bilisierung von Schadstoffen im Boden oder die Stabilisie- rung des Bodens selbst. Im ersten Fall werden Schadstoffe durch eine .Anderung des Milieus im Wurzelbereich von ei- ner 16slichen Form in eine unl6sliche Form iiberfiihrt. Im zweiten Fall verhindert das Wurzelwerk die Erosion von Bodenpartikeln. Phytostabilisierung ist eine Remediations- strategie fiir hydrophobe Stoffe und Metalle, wenn eine Ent- fernung der Schadstoffe nicht praktikabel ist. B6den mit hoher Metallkontamination sind aufgrund der toxischen Effekte oft schwer durch eine Bepflanzung zu stabilisieren, aber das Verfahren ist kostengiinstig im Vergleich zur Aus- kofferung und Deponierung des Bodens. Bodenverbesse- rungsmassnahmen wie Di]ngung, Zugabe von Lehm und organischer Substanz (Kl~irschlamm, Kompost etc.) m6gen erforderlich sein (SCHNOOR, 1997).

2.4 Rhizo- und Phytodegradation

Bei der Phytodegradation werden Schadstoffe von Pflanzen abgebaut. Rhizodegradation ist der Abbau von Kontaminan- ten in der Wurzelzone, entweder durch gesteigerte mikrobi- elle Aktivit~it, oder durch die Wurzeln selbst. Die Wirksam- keit der Rhizodegradation ftir Trichlorethenverunreinigungen wurde zuerst am Oak Ridge National Laboratory empirisch best~itigt (SCHNOOR, 1997). Phyto- und Rhizodegradation werden inzwischen h~iufig bei organischen Verunreinigun- gen angewandt, darunter Petroleum, PAK, BTEX, TNT, chlo- rierte L6sungsmittel und Pestizide (EPA, 2000).

2.5 'Pump and Tree'

Eine der am h~ufigsten angewandten Sanierungsmethoden bei Grundwasserverunreinigungen ist 'pump and treat', also

250 u w s F - z . Umweltchem. Okotox. 12 (5) 2000

Abpumpen des Wassers mit anschliessender technischer Be- handlung (Ausstrippen, Adsorption an Aktivkohle oder Bioreaktor). Die Kosten des Verfahrens sind erheblich. Des- wegen gibt es derzeit in den USA (NEWMAN, 2000) und auch in unserem Institut l[lberlegungen, das abgepumpte Wasser zu- mindest zu Zeiten negativer Wasserbilanz (also im Sommer) in Waldb6den einzuleiten. Ein Hektar Salix-Bestand kann bis zu 3000 m 3 Wasser im Monat Juli verdunsten (LARcHER, 1995).

Waldb6den besitzen eine hohe biologische Aktivit~it, deshalb k6nnte bei vielen Schadstoffen schnelle Rhizodegradation er- folgen. Zumindest ein Teil des abgepumpten Wassers k6nnte mit diesem 'pump and tree'-Verfahren behandelt werden. In Frage kommende Verunreinigungen sind Trichlorethen, MTBE, Petroleumprodukte, Pestizide und Nitrat, vermutlich auch einige weitere. Vor der Anwendung dieser Technik soil- ten allerdings noch einige Fragen zum Verbleib von Riickstiin- den und zur Okotoxikologie gekl~irt werden. Auch muss die eingeleitete Dosis sorgf~iltig bestimmt werden - ein Absterben der W~ilder ist unbedingt zu vermeiden.

Bei einem Feldversuch in Florida ergab sich bei einer Trichlorethen-Fahne das Problem der Akkumulation yon Trichloressigs~iure und anderen Metaboliten in BEittern yon Eichen und anderen Pflanzen (DouCETTE et al., 1998). Bei einem Feldversuch mit abgepumptem Grundwasser, das mit Tetrachlorkohlenstoff belastetet war, driickten heftige Re- genfiille das belastete Wasser unter die Wurzelzone (STRAND S.E., pers. Mitteilung 2000).

2.6 Land farming

Ein weiteres g/ingiges Verfahren, das auf Abbau im Wurzel- raum beruht, ist 'land farming'. Land farming wird in D/i- nemark unter anderem mit 61verschmutzten Schl~immen betrieben: Die belasteten Schl~imme werden in den Ober- boden eingepfliigt, das Feld wird gedfingt und eventuell mit Luzerne oder Gr~issern (vorzugsweise Roggen) bepflanzt.

Luzerne lebt in Symbiose mit Stickstofffixierern, Roggen besitzt ein sehr ausgedehntes Wurzelsystem (Jacob et al., 1987). Im gut durchwurzehen, gediingten und belfifteten Oberboden wird Ol offenbar rasch abgebaut.

2.7 Phytoausgasung

AIs Phytoausgasung bezeichnet man die Aufnahme von Stof- fen in Pflanzen mit darauffolgender Translokation in Bl-/itter und Ausgasung. Nachgewiesen wurde der Prozess unter an- derem ffir Chlorbenzole (BAEDER-BEDERSKi et al., 1999), Trichlorethen (O~cHARX) et al., 2000) und andere L6sungsmit- tel (BuRKEN und SCHNOOR, 1998), aber auch fiir organisch ge- bundenes Quecksilber. Dieses wird in den Pflanzen in metalli- sches Quecksilber umgewandelt und gast aus (EPA, 2000).

Ausgasung spielt insbesondere dann eine RoUe, wenn der Stoff gut transloziiert wird (log Kow < 3,5), der Dampfdruck und damit der Verteilungskoeffizient Luft zu Wasser hoch ist (KAw

>> 10 s) und der Stoff in der Pflanze nicht oder nur wenig metabolisiert wird (T~wP, 1995). Da Ausgasung yon Schad- stoffen das Problem nur aus einem Medium (Boden) in ein anderes (Luft) verlagert, gilt der Prozess als unerwfinscht. Zu bedenken ist jedoch, dass sich selten Konzentrationen erge- ben, die fiber der Hintergrundbelastung urbaner Gebiete lie-

gen. Zudem werden die Stoffe vorwiegend bei starker Sonnenstrahlung (und damit starker Transpiration) ausga- sen und k6nnen daher einem Photoabbau unterliegen.

2.8 Hydraulische Kontrolle

'Hydraulische Kontrolle' wird das Verfahren bezeichnet, B~iu- me oder andere Pflanzen zum Abpumpen oder transpirieren von Boden- oder Grundwasser zu verwenden. Dadurch k6n- nen technische Abpumpverfahren unter Umst~inden ganz oder zumindest zeitweise vermieden und Kosten eingespart wer- den. Hydraulische Kontrolle kann im Prinzip bei allen Schad- stoffen eingesetzt werden, wenn die Pflanzen selbst nicht mit den Stoffen in Kontakt kommen, und die Ernte kann kom- merziell genutzt werden. Das Verfahren eignet sich gut zur Kombination mit konventionellen Techniken, insbesondere mit konventionellen 'pump and treat'-Techniken, etwa wenn oberfl/ichennahes kontaminiertes Grundwasser abgepumpt werden muss, um einen tieferliegenden Aquifer zu schiitzen.

2.9 Pflanzliche Abdeckung

Neben der fisthetischen Wirkung hat eine Deponiebepflan- zung auch positive 6kologische Auswirkungen: Die zur Ver- sickerung verf%bare Wassermenge wird reduziert und die Erosion der Abdeckung wird verhindert. Entweichende klei- here Mengen Deponiegas k6nnen von Pflanzen absorbiert werden. Deponiegase in gr6sseren Mengen sind allerdings toxisch ffir Pflanzen (EPA, 2000). Die Bepflanzung mit B~iu- men wird derzeit nur in seltenen F/illen zugelassen, obwohl diese Niederschlagswasser effektiver als Gras transpirieren k6nnten und W~ilder nach allgemeiner Auffassung sch6ner als Grasfl~ichen sind. Dahinter stehen die Bedenken, Wur- zeln k6nnten die Abdeckschicht durchdringen und so Was- ser ein- und Gase ausdringen lassen. Durch Windbruch k6nn- te zudem die Schicht zerst6rt werden. Den Angaben yon

Dobson

Moffat

2.10 Pufferstreifen

Die Bepflanzung von Fluss- und Bachufern mit B/iumen (in Deutschland h/iufig Pappeln) ist sicherlich keine neue Tech- nik. Bekannt ist auch, dass diese 'Pufferstreifen' den Trans- port yon N/ihrstoffen yon landwirtschaftlichen Fl/ichen in Oberfl/ichengew/isser reduzieren. Ktirzlich wurde nachge- wiesen, dass Pappeln auch Pestizide (Atrazin) aufnehmen und den Abbau anregen k6nnen und damit die Abwaschung in Gew~isser stark reduzieren (BuRKEN und SCHNOOR, 1996).

2.11 Einsatz genetisch modifizierter Organismen

Das Ziel genetischer Modifikationen im Bereich der Phyto- remediation ist ein verbesserter Abbau von Schadstoffen. An der Universitiit yon Washington wurde das humane Gen zur Kodierung von Cytochrom P450 IIE1 in Tabak eingefiihrt.

Cytochrom P 450 oxidiert verschiedene halogenierte orga- nische Substanzen, darunter TCE, Ethylenbromid, Tetra- chlorkohlenstoff, Chloroform und Vinylchlorid. Transgen- er Tabak baut TCE etwa 640mal schneller ab als die nicht-

UWSF - Z. Umweltchem. Okotox. 12 (5) 2 0 0 0 251

modifizierten Pflanzen (DorY et al., 2000). Am nationalen d/inischen Forschungszentrum DMU (Danmarks Miljoun- dersogelser) in Roskilde werden Bakterien, die auf Pflanzen- wurzeln siedeln, genetisch modifiziert (KARLSON, 1995).

Unter anderem werden Eigenschaften von PCB-abbauen- den Bakterien iibertragen. Dieses Verfahren hat den Vor- teil, dass es technisch leichter durchzufiihren ist als die ge- netische Modifikation von Pflanzen. Nachteilig ist, dass freigesetzte Bakterien schwieriger zu kontrollieren sind als freigesetzte Pflanzen. Der Nachweis der Wirksamkeit der Bakterieninnokulation steht noch aus (KARLSON, pers. Mit- teilung 2000).

Vielleicht erweisen sich genetische Modifikationen als un- n6tig: Nur ein ~iufgerst kleiner Teil aller Pflanzenarten (ins- gesamt sind etwa 400000 Gef/iRpflanzen bekannt) wurde auf seine Abbauleistung hinsichtlich organischer Schadstof- fe bislang untersucht. Der sekund~ire Metabolismus ist yon Familie zu Familie, oft von Art zu Art verschieden (FRoHNE und JENSEN, 1985). Es ist zu erwarten, dass sich im Laufe der Zeit viele weitere fiir die Phytoremediation geeignete Pflanzen finden lassen.

3 Projekte in den USA

In den letzten Jahren wurden insbesondere in den Vereinig- ten Staaten von Amerika zahlreiche Sanierungsprojekte mit Hilfe von Pflanzen durchgefiihrt, hier der Versuch eines Oberblicks. AUein vonder EPA (2000) werden 160 Fallbei- spiele aufgefiihrt. H~iufig handelt es sich dabei um Pilot- projekte oder Demonstrationsstudien. Von den 160 Stand- often sind 102 mit organischen Chemikalien belastet, darunter allein 43 mit Petroleum oder BTEX und 27 mit chlorierten L6sungsmitteln, oft auch Mischungen (Abb. 2).

-.~14

01, BTEX, Petroleum

Schw ermetalle

chlorierte L6sungsrnittel Andere organische (PAK, I=CB,

Explosivstof f e) N&hrstoffe

Abw asser, Abfall

Pestizide

Sonstige

Radionukleide

um[l~

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i i i i t

0 10 20 30 40 50

Abb. 2: Phytoremediationsprojekte; Mehrfachnennungen m6glich (EPA,

2OOO)

Abgesehen von Schwermetallen, wird in den USA die Phytoremediation vorwiegend bei Petroleumprodukten und chlorierten L6sungsmitteln eingesetzt. Bei beiden Typen von Verunreinigungen konnte die Wirksamkeit der Technik in Pilotstudien oder Sanierungsprojekten bereits nachgewiesen werden. Sowohl Petroleum als auch chlorierte L6sungsmit- tel sind zudem sehr h~iufige Boden- und Grundwasser- verunreinigungen. Bei Explosivstoffen, PAK und Pestiziden gab es bereits Feldversuche. Bei PCB und PCP ist die For- schung noch im theoretischen Stadium (EPA, 2000).

4 Wann ist eine Phytoremediaton erfolgreich?

Angesichts der vielf~iltigen M6glichkeiten, der weitgehend positiven Labor- und Projektergebnisse und der 6konomi- schen, 6kologischen und ~isthetischen Vorteile stellt sich die Frage, warum Phytoremediation (nicht nur in Europa) prak- tisch kaum zum Einsatz kommt. Lou Licht vonder Phytorem- Sanierungsfirma Ecolotree in Iowa sieht einen grossen un- beriihrten Markt 'because many people are ignorant about what phytoremediation can do' (BLACK, 1999).

Ein Grund dafiir diirfte die Tatsache sein, dass die Technik neu ist. Die Sanierungsdauer bel~iuft sich auf etliche Jahre oder Jahrzehnte. Es kann also kaum Beispiele f/ir erfolgrei- che Anwendungen geben. Ebenso sind die Kosten noch nicht endgiiltig abschfitzbar, wenngleich fi~r einige Techniken be- reits Daten (im Vergleich zu konventionellen Techniken) vorliegen (EPA, 1998). Fiir Metalle sind die Kosten etwa 1/3 konventioneller Technologien, bei Biei < 1/20, fiir Petroleumverunreinigungen < 1/10 (EPA, 1998). Mehr als die H~ilfte der Phytoremediationskosten werden durch nach- sorgendes Schadstoffmonitoring verursacht.

Um Hindernisse auf administrativer Ebene abzubauen, be- darf es eines Leitfadens zur Entscheidungsfindung. Dazu dient der 'Phytoremediation Decision Tree' (ITRC, 1999, Abb. 3). Der Entscheidungsbaum beri~cksichtigt die verschie- denen Anwendungsformen. Mit seiner Hilfe kann gepriift werden, ob Phytoremediation eine erfolgversprechende Op- tion bei gegebener Verunreinigung ist, und welche Fragen vor dem Einsatz zu beantworten sind.

In den meisten F~illen mfissen Phytotoxizit~it, Stoffaufnahme, Metabolismus, Stoffausgasung und verbleibende Riickst~in- de gepriift werden. Dies erfordert Labor- oder Treibhaus- versuche. Um zu schnellen und gesicherten Antworten zu gelangen, entwickelte ein Team am Institut for Milj~te- knologi (Umwelttechnik) an der Technischen Universit~it von D~inemark ein Vier-Stufen-Testsystem. Es besteht aus einem speziell entwickehen Aufnahme- und Toxizit~itstest fiir B~iu- me (Weiden oder Pappeln) auf giftigen B6den (TRAPP et al., 2000), einem 14C-Metabolismus-Test, einigen (tells in Ent- wicklung befindlichen) Okotoxizit~itstests und einem Mo- dell zur Langzeitprognose des Schadstoffverhaltens (TRAPP et al., 1994, modifiziert).

Jerald Schnoor und seine Mitarbeiter evaluierten die An- wendbarkeit der Phytoremediation (ScHNOOR et al., 1995;

SCHNOOR, 1997). Diesen Arbeiten zufolge ist Phytoreme- diation am effektivsten, wenn nur der Oberboden schadstoff- belastet ist, und zwar mit N~ihr- oder Schadstoffen, die in

252

II

Iia I

Sind die Schadstoffe fiJr die I~anzen erreichber (43 m ~efe) ?

I oe'nl

t

r

t Werden die Pltonzen NUR zur 9 nein i . ,, hydraulischen Kontrolle genutzt

I Jo (Verminderung der Infiltration) ?

Dies sollte mit einem Test entschieden werden, nicht ja I anhand der gemessenen Schadstoffgehalte

._._...~Wird das Wasser mechanlsch abgepumpt und

I,

I ja idenPflantenzugef ijhrt?

erden die Stcife oder die Metaboliten in

1,

utrale organische Stoffe log Kow 1 bis 3.5).

. 4 .

~ 1 st das Verf~hren genehmigt ?

~ Werden die Schadstoffe im Wurzelraum durch Bakterien, PHze oder pfl~nzliche I.o,. I

Enzyme abgebaul (tes en) ? Sind die Metaboliten akzeptabel ?

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J ,~ Idie Me,~bo,~ten

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Akkumulieren die I::llanzen Schadstoffe ?

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. ~ Kann tier Tronster der Schadstoffe zu Menschen nein oder Tieren kontrelliert und verhindert werden? l I ~ l " I we~en e~as den F:~lanzen

t nero Schadstoffe ausgasen ?

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~ . ~ Sind ausgasende Menge und sich lne.n I ergebende Konzentrationen akzeptabel?

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Konnen Schadstoffe oder ihre Metaboliten immobilisiert werden ?

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fRiickst&nde, Toxizitat)?

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1

'--1,o 1' oo o0" ! oo'o I ^),

,~ ~ o r e m e d i a ~ o n kann angewandt~'~

werden ~

~ Phytoremediation ist keine gute Losung tiJr 1 diesen Standort Anderes Verfahren w~hlen.

Abb. 3: Entscheidungsbaum zur Phytoremediation (ITRC, 1999, 0bersetzt mit Genehmigung der Autoren Steve Rock und Bob Mueller)

der Rhizosph~ire abgebaut oder die von Wurzeln effektiv aufgenommen werden. Da bei zu hohen Schadstoffkonzen- trationen toxische Effekte auftreten, bietet sich die Phyto- remediation fiir niedrige bis mittlere Belastungen an. M6g-

lich ist die Kombination mit herk6mmlichen Verfahren (z.B.

Auskoffern), wobei diese fiir die Behandlung der h6heren Belastungen eingesetzt werden.

UWSF - Z. Umweltchem. Okotox. 12 (5) 2000 253

5 Schlussfolgerungen:Vor- und Nachteile der Phytoremediation

Wie bei jeder neuen Technik gibt es zun/ichst einen M a n g e l an Erfahrungen tiber A n w e n d b a r k e i t , M6glichkeiten und Grenzen. Die Phytoremediation ist da keine Ausnahme. Ta- belle I gibt zusammengefasst einige bekannte Vor- und Nach- teile der M e t h o d e an. Eines der wesentlichen Hindernisse bei der Ermittlung der Leistungsf'/ihigkeit ist die lange Zeitdauer, die eine Phytoremediation beansprucht (ausgenommen land farming). Vordringlich ist daher derzeit die Durchfiihrung von wissenschaftlich begleiteten Pilotprojekten. In D~inemark wer- den deswegen Pilotstudien, u.a. in Axelved (Remediation ei- ner verlassenen Tankstelle), staatlich gef6rdert.

Tabelle 1: Vor- und Nachteile der PI" rtoremediation (EPA, 1998, 2000)

Vorteile Nachteile

gutes Ansehen und hohe wenig praktische Erfahrungen 6ffeatliche Akzeptanz

kostengOnstig langsam

in situ Gel&nde kann nicht anderweitig genutzt werden erh&lt den Boden und regt das Phyto- und Okotoxizit&t

Bodenleben an

vielf~iltig und kombinierbar nicht ffir alle Stoffe anwendbar schneller als "Natural MOglichkeiten kaurn bekannt

Attenuation"

solarbetrieben Abbauprodukte eventuell problematisch Kaum Abfall und Emissionen Transfer von Schadstoffen in die

Nahrungskette

Danksagung. Ich danke meinen Mitarbeiterinnen Helle Christian- k.

sen, Kim Cecilia Zambrano, Siri Jaiplord, Ines und Almut aus Berlin sowie Lars C. Larsen (Hedeselskabet, Roskilde) und Ulrich Karlscn (Danmarks Mijounders~gelser, Roskilde) for die gute Zusamrnen- und Zuarbeit.

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