Keller, T. (1974). Verkehrsbedingte Luftverunreinigungen und Vegetation. Berichte, Eidgenössische Anstalt für das forstliche Versuchswesen: Vol. 132. Birmensdorf: Eidgenössische Anstalt für das forstliche Versuchswesen.

Eidg. Anstalt für das forstliche Versuchswesen, CH-8903 Birmensdorf

Verkehrsbedingte Luftverunreinigungen und Vegetation

Nr.132,1974

Sonderdruck aus » Garten und Landschaft« Heft 10/1974 . Verlag Georg D. W. Callwey München

1: Blick von den San Bernardino-Mountains auf das „smog"-Nebelmeer von Los Angeles. Der im Laufe des Tages aufsteigende Nebel schädigt die Wälder der Hänge. 2: Smoggeschädigte, absterbende Ponderosakiefer im Erholungsgebiet der San Bernardino Mountains, rund 100 km vom Stadtzentrum von Los Angeles entfernt. Glücklicherweise sind nicht alle Baumarten so empfindlich wie die Ponderosakiefer, so daß die Wälder nicht auf einen Schlag zerstört werden.

Verkehrsbedingte Luftverunreinigungen und Vegetation

Seit über 100 Jahren bildet der Einfluß von Luftverunreinigungen auf die Pflan- zenwelt Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen. Die Auswirkungen der durch den Motorfahrzeugverkehr verur- sachten Luftverunreinigungen haben al- lerdings erst in neuerer Zeit Beachtung gefunden, da ja dieser Verkehr auch erst seit relativ kurzer Zeit zu einer bedrohli- chen Quelle der Luftverunreinigung ge- worden ist. Auf weltweiter Basis betrach- tet dürften inzwischen die durch diese Abgase und Stäube verursachten Schäden kostenmäßig das berüchtigte Schwefel- dioxid vom ersten Platz als pflanzenschä- digende Luftverunreinigung verdrängt ha- ben. Die Verwendung von SO2 als Indika- tor wird bei der Überwachung der luft- hygienischen Situation von Ballungsge- bieten daher für das Sommerhalbjahr immer problematischer. Besonders be-

Theodor Keller

kannt geworden ist der „smog" von Los Angeles, der selbst in 100 km Entfernung vom Stadtzentrum die Wälder der Erho- lungsgebiete langsam zerstört (vgl. Abb.

1 bis 3).

Weltweiter Smog?

Einige Komponenten der Autoabgase können unter dem Einfluß intensiver Son- neneinstrahlung sog. ,,photochemische"

Reaktionen eingehen, wodurch zusätzli- che giftige Luftverunreinigungen entste- hen. Nach Kalifornien wurden auch in den Oststaaten der USA und in der Um- gebung verkehrsreicher Agglomerationen verschiedener Kontinente (z. B. Tokio) ,,Smogschäden" an der Vegetation be- kannt. Vorerst hoffte man, Mitteleuropa werde dank seines Klimas von dieser Seuche verschont bleiben, doch sind in

den letzten Jahren auch „Smogschäden"

an empfindlichen Pflanzen in Holland und im Ruhrgebiet (Knabe et al. 1973) aufgetreten. Noch 1968 verlief ein Ver- such mit smogempfindlichen Tabakpflan- zen in der Stadt Zürich zwar negativ, d. h. es bildeten sich keine Symptome einer Schädigung aus. An sonnigen Ta- gen kann aber vom Flugzeug aus über weiten Gebieten Europas ein bräunlicher Dunst beobachtet werden, der als Vorbo- te lufthygienisch unerwünschter Zustände betrachtet werden kann.

Stoffwechselstörung durch Verkehrsabgase Die starke Verkehrszunahme seit 1968 ließ es zweckmäßig erscheinen, den Zür- cher Versuch mit einer Ozon-anfälligen Eschenart im Sommer 1972 zu wiederho- len. Zudem hoffte man, mit dem neuen

3: Smogbeeinflußte Bäume verlieren aber langsam ihre Vitalität und können anfälliger werden für Frost, Dürre oder Insektenbefall. Damit steigt auch die Waldbrandgefahr mit verheerenden Folgen für die Landschaft, da die Schutzwirkung des Waldes gegen erodierende Regen entfällt.

4: Vertopfte Eschen und Fichten zum Nach- weis einer physiologischen Reaktion unter städtischen Immissionsverhältnissen.

Peroxidase-Test (Keller und Schwager, 1971) eine pflanzliche Reaktion in Form einer Stoffwechselstörung schon in dem Bereich nachweisen zu können, in dem noch keine Schädigungssymptome auf- treten. Das Enzym Peroxidase ist als Ent- giftungsenzym bekannt, das bei den ver-

5: Entwicklung der Peroxidase-Aktivität von April bis August in Blättern von Eschen, wel- che im Wald, in Wohngebieten bzw. in der City von Zürich exponiert worden waren (die Pfeile geben die Meßdaten an). V

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6: Relative Peroxidase-Aktivität von Eschen- blättern und Fichtennadeln in Abhängigkeit der Entfernung vom Straßenrand (1000/o=Ak- tivität am Versuchsbeginn; Meßdaten für Fra- xinus americana : 15. 8. u. 14. 9. 73; für Picea abies: 14. 9., 5. 12. 73 u. 20. 3. 74. Gestrichel- te Kurven

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schiedensten negativen Einflüssen (Ver- letzung, Pilzbefall, gasförmige Luftverun- reinigungen), aber auch im Zuge der nor- malen Gewebealterung, aktiviert wird.

Dieses Enzym hat sich als sehr feiner In- dikator erwiesen, der schon anspricht lan- ge bevor oder ohne daß an den Pflanzen sichtbare Symptome einer Schädigung auftreten.

So wurden vertopfte Pflanzen (Abb. 4) an verschiedenen Standorten quer durch Zü- rich exponiert und in periodischen Ab-

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ständen auf ihre Peroxidase-Aktivität un- tersucht (Martin und Keller, 1974). Tn Abb. 5 wird die Entwicklung der Peroxi- dase-Aktivität in Eschenblättern an drei Standortskategorien im Verlauf der Ve- getationsperiode (April-August) darge- stellt. Daraus geht eindrücklich hervor, wie im Bereich der „City" diese Enzym- Aktivität drastisch erhöht war, obwohl die Pflanzen äußerlich einen ungeschä- digten Einfluß machten. Dies deutet auf eine starke Belastung des pflanzlichen

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7: Fichtenzweig vom Rand einer stark befah- renen Straße mit Straßenbelagsabrieb, Ruß, Pneu- abrieb und Bleiverbindungen.

Stoffwechsels hin, welche auf die Ver- kehrsabgase zurückgeführt werden muß, weil die Untersuchung in der heizungs- freien Periode stattfand, und weil auch industrielle Immissionen ausgeschlossen werden können. Außerdem ist bekannt, daß Aethylen und Ozon die Peroxidase- Aktivität beeinflussen, wobei der Auto- mobilverkehr in den Städten die Haupt- quelle des in der Luft vorhandenen Aethylens darstellt.

Daß wirklich die verkehrsbedingten Luft- verunreinigungen die Peroxidase-Aktivität steigern, ergab sich auch in einem Ver- such, in dem Pflanzen in verschiedener Entfernung von einer verkehrsreichen Straße plaziert und periodisch untersucht wurden (Abb. 6). Dabei zeigte es sich, daß die amerikanische Esche viel rascher und stärker reagierte als die einheimische Fichte. Beide Arten zeigen aber selbst in 100 m Entfernung von der Straße eine deutliche Steigerung der Enzymaktivität.

Pflanzen als Staubfilter

Die Pflanzen vermögen die Luft in Bo- dennähe bis zu einem gewissen Grade von Luftverunreinigungen zu befreien (z. B.

durch Filtration), zu regenerieren (Entzug von C02, Abgabe von Sauerstoff) oder zu verbessern, indem sie die Windströ- mungen beeinflussen und bewirken, daß die verschmutzte Luft mit sauberer Luft aus größerer Höhe vermischt wird, wo-

8 und 9: Probestelle und Exposition von Moosproben im Bereich einer Hagenbuchenhecke an einer verkehrsreichen Straße (1 g Sphagnum-Moos bzw. 0,5 g Glaswolle zwischen feinem Ma- schendraht an einem Pfahl, durch Blechhut (30 cm (/)) vor Regen geschützt.)

durch die Verunreinigung verdünnt wird.

Die luftreinigende Wirkung der Vegeta- tion, insbesondere ausdauernder Holz- gewächse, hat denn auch seit langem ih- ren Niederschlag in einer umfangreichen Literatur gefunden. Ältere Werke geben enorme Zahlen bezüglich der Staubfilter- wirkung an, aber auch neuere Untersu- chungen haben ergeben, daß der Staub, welcher der Luft durch die Vegetation entzogen wird, innert weniger Wochen mehrere Zentner pro Hektare Wald aus- machen kann.

Je weiter die industrielle Entstaubungs- technik fortschreitet und Staubimmissio- nen der Industrie reduziert, desto mehr wird der Verkehr zu einer wichtigen Quelle staubförmiger Luftverunreinigun- gen. Gerade an Straßenrändern kann da- her die Vegetation eine Schmutzkruste (Straßen- und Pneuabrieb, Ruß) aufwei- sen (Abb. 7), in welcher auch bleihaltige Verbindungen enthalten sind.

Die Zumischung von Bleialkylen zum Benzin zur Erhöhung der Klopffestigkeit hat nämlich dazu geführt, daß die Bio- sphäre mit beachtlichen Bleistaubmengen belastet wird. So wurden im Jahre 1970 allein in der Schweiz schätzungsweise 1 000 t Blei durch die Autos „verstreut".

Da dieses Blei überwiegend als äußerst feine Partikelchen ausgestoßen wird, ver- teilt es sich ähnlich wie Gase. Ein großer Teil dieser Stäubchen wird jedoch von der Vegetation wieder aus der Luft aus-

filtriert, wobei die Pflanzen in einem Streifen beidseits verkehrsreicher Straßen mehr oder weniger stark mit Blei verun- reinigt werden.

Benzinverbleiung - Pflanzenverbleiung Da Blei für Mensch und Tier giftig ist, sind die Folgen der Benzinverbleiung für Lebewesen seit Jahren Gegenstand einer intensiven internationalen Diskussion. Die ausgepufften Bleiverbindungen lagern sich auf die Pflanzenoberflächen an. Da die Pflanzen von Natur aus bleiarm sind, kann diese Bleianreicherung als Indikator für die Filterwirkung der Vegetation ver- wendet werden (Keller und Preis, 1967).

Auf diese Weise läßt sich auch überprü- fen, ob durch die Anpflanzung von Hek- ken längs stark befahrenen Straßen die landwirtschaftlichen Kulturen bis zu einem gewissen Grade vor der giftigen Bleiverunreinigung geschützt werden könnten (Abb. 8 und 10).

Weil je nach Oberflächenbeschaffenheit der Assimilationsorgane (Behaarung, Wachsschicht etc.) das Staubfangvermö- gen von Art zu Art variiert, wurden standardisierte Proben (Sphagnum-Moos oder Glaswolle) mit großer spezifischer Oberfläche in verschiedener Entfernung von stark befahrenen Straßen exponiert (Abb. 8). Um eine Auswaschung des Staubes von diesen „Filtern" zu vermei- den, wurden sie mit einem Blechhut

vor Niederschlägen geschützt (vgl. Abb. 9).

Aus Abb. 10 geht deutlich hervor, welch starke Filterwirkung für Feinstäube Hek- ken oder gar Waldränder besitzen. Die oberste Kurve (Freiland) zeigt, wie im offenen Feld der Bleigehalt der Proben mit zunehmender seitlicher Distanz vom Straßenrand abnimmt. Diese Abnahme ist nicht nur auf die Filterwirkung zu- rückzuführen, sondern auch auf die Ver- dünnung der Abgase durch Zumischung sauberer Frischluft und auf das Ausfal- len (Sedimentation) der schweren Staub- teilchen. Dem Verlauf der mittleren Kur- ve ist zu entnehmen, daß nur schon eine niedrige Hagebuchenhecke am Straßen- rand (vgl. Abb. 8) den Bleigehalt der Proben stark zu senken vermag, ganz besonders in Straßennähe. Die unterste Kurve gibt den drastischen Abfall des Bleigehaltes im Bereich eines Waldran- des wieder. Ein 6 m breiter Strauchgürtel läßt den Bleigehalt in 10 m Entfernung vom Straßenrand auf 1/10 des am Stra- ßenrand bzw. auf 1/6 des an gleicher Stelle im offenen Freiland gemessenen Wertes abfallen. Der geschlossene Wald- saum sorgt dafür, daß der Bleigehalt der Proben auf einem sehr tiefen Niveau bleibt. Untersuchungen im Bereich einer dichten Thujahecke haben im straßen- nahen Bereich fast gleiche Resultate er- geben. Abb. 11 illustriert die Verhältnis- se im Gebiete eines schmalen Feldgehöl- zes. Auf beiden Seiten eines Baches, der einer Autobahn (A) folgt, war je eine Pappelreihe mit Gebüschstreifen ange- pflanzt worden, die in der Zwischenzeit zu einem über 10 m hohen Feldgehölz angewachsen sind. Auch in diesem Falle zeigte sich eine deutliche positive Wir-

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10: Abnahme des rel. Bleigehalts von Moos- proben mit Entfernung vom Straßenrand (1000/o=Bleigehalt am Straßenrand). Oben:

normale Bleigehaltsabnahme. Mitte: Bleige- haltsabnahme im Einflußbereich einer niedri- gen Hecke. Unten: Abnahme des Bleigehaltes wegen Filterwirkung dichten Waldmantels.

11: Einfluß eines Feldgehölzes an Autobahn auf Bleigehalt von Moos- und Glaswolle-Pro- ben. A: Autobahn (Pfeile= Meßorte). [>

kung des Feldgehölzes gegenüber dem ungeschützten Freiland. Dennoch war bis in über 200 m Distanz eine Bleianrei- cherung festzustellen!

Blei vermindert Pflanzenqualität

Da mit Blei stark verunreinigtes Futter für höhere Lebenwesen zu Vergiftungen führen kann, liegt die Frage auf der Hand, ob das Blei nicht auch die Pflan- zen negativ beeinflußt. In exakten La- borversuchen wurden daher Pflanzen mit Wasser bzw. mit bleihaltigen Lösungen besprüht und auf gewisse Stoffwechsel- reaktionen hin untersucht (Flückiger, 1973). Dabei ergaben sich u. a. die in Tabelle 1 zusammengestellten Resultate.

Tab. 1: Relative Werte zweier Enzym- aktivitäten (Peroxidase und Katalase) so- wie des Gehaltes an Vitamin C und ß-Ca- rotin (Provitamin A) von Ricinusblättem, welche 14 Tage lang mit Wasser bzw.

mit verdünnten Bleinitratlösungen be- sprüht worden waren (die Werte bezie- hen sich auf den Bleieinfluß nach Ab- zug der Nitratwirkung).

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* Die Konzentrat,ion dieser Sprühlösung (1 ppm Blei als Bleinitrat) führte zu Bleigehalten der

Blattproben, wie sie in Fichtennadeln am Ran- de stark befahrener Schweizer Straßen zu fin- den sind:

Vom Entgiftungsenzym Peroxidase war schon weiter vorne im Zusammenhang mit den Verkehrsabgasen die Rede. Das mit der Peroxidase nahe verwandte En- zym Katalase besitzt ebenfalls wichtige Funktionen bei Oxidations-Reduktions- prozessen in den Zellen, wie bei der At- mung. Im Gegensatz zur Peroxidase wird die Katalase durch Blei gehemmt. Inter- essant ist auch die Feststellung, daß der Gehalt an Vitamin C und Provitamin A (Carotin) durch den Bleieinfluß ebenfalls vermindert wird. Damit ist der eindeutige Nachweis gelungen, daß in Straßennähe gezogene Pflanzenprodukte eine Quali- tätseinbuße erleiden können. Dies unter- streicht die Wünschbarkeit der Bleielimi- nation aus dem Benzin.

Literatur

Flückiger, W. 1973. Der Einfluß aufgesprühter Bleilösungen auf physiologische Prozesse bei Ricinus communis L. Unveröff. Diss. Univ.

Basel; im Druck als „Bericht" der Eidg. An- stalt forstl. Versuchswesen, Birmensdorf.

Keller, Th. und Preis, H. 1967. Der Bleigehalt von Fichtennadeln als Indikator einer ver- kehrsbedingten Luftverunreinigung. Schweiz. Z.

Forstwes. 118 (3): 143-162.

Keller, Th. und Schwager, H. 1971. Der Nach- weis unsichtbarer (,,physiologischer") Fluor- Immissionsschädigungen an Waldbäumen durch eine einfache kolorimetrische Bestimmung der Peroxidase-Aktivität. Europ. J. Forest Pathol.

1 (1): 6-18.

Knabe, W.; Brandt, C. St.; van Haut, H. und Brandt, C. J. 1973. Nachweis photochemischer Luftverunreinigungen durch biologische Indi- katoren in der Bundesrepublik Deutschland.

Proc. 3rd Internat. Clean Air Congr. Düssel- dorf, VDI-Verlag Düsseldorf, p. A 110-A 114.

Martin, W. und Keller, Th. 1974. (im Druck in „Umwelthygiene").

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Zusammenfassende ScblußfoJgerungen

Die verkehrsbedingten Luftverunreinigun- gen werden weltweit mehr und mehr zum Immissionsproblem Nr. 1 für die Vege- tation. Die Pflanzen, insbesondere die ausdauernden Holzgewächse, üben jedoch eine wichtige Funktion als Luftfilter aus und vermögen große Staubmengen der Luft zu entziehen und zu binden. Dies läßt sich beispielsweise mit Bleistaub, der vorwiegend aus den Abgasen der Motor- fahrzeuge stammt, sehr schön nachwei- sen.

Vor allem die gasförmigen Luftverunrei- nigungen belasten den pflanzlichen Orga- nismus und verändern den Stoffwechsel der Zellen. So wird die Aktivität des Entgiftungsenzyms Peroxidase erheblich gesteigert, ohne. daß es zur Ausbildung von äußerlich sichtbaren Schädigungs- symptomen zu kommen braucht. Es wird gezeigt, daß die Stadtluft im Sommer (keine Heizungsabgase) bereilts heute leicht toxisch für empfindliche Arten wirkt. Die Vegetation vermag somit als Indikator einer gewissen Lebensfeindlich- keit der Stadtatmosphäre zu wirken und eine Frühwarnfunktion auszuüben. Ge- nauso wie gewisse Algen das „Umkip- pen" verschmutzter Seen (Eutrophierung) anzeigen, können Stoffwechselreaktionen empfindlicher Pflanzenarten gefährliche Entwick]ungen der lufthygienischen Situa- tion in Agglomerationen, z. B. durch Ver- kehrsabgase, indizieren. ·Der Erhaltung der Vegetation, vor allem von Wald und Baum, in Ballungsgebieten muß daher volle Beachtung geschenkt werden.