Modellierung zu erwartender Kupfergehalte in Regenwurmzönosen mit Modellextrakten von Böden auf langjährig bewirtschafteten Weinbaustandorten; eine Bewertung von NH₄NO₃- und CaCl₂-Extrakten

A simple model of possible copper contents in earthworms using model soil extracts from old vineyards; a comparative assessment of NH₄NO₃ and CaCl₂ extracts

Dabei stellte sich heraus, dass die nach normierten Verfahren im NH₄NO₃- und CaCl₂-Extrakt bestimmten Kupferverfügbarkeiten bei Dauerkulturflächen geringer als bei Ackerbauflächen sind und in Einzelfällen bei langjähriger Bewirtschaftung im Bereich geogener Belastungen liegen.

Da die Verfügbarkeit in direktem Zusammenhang mit den Auswirkungen auf die Bodenzönose steht und damit ein ‚Schlüsselelement’ bei den anstehenden Risiko-Nutzen-Abschätzungen durch die Zulassungsbehörden ist, müssen die standortspezifischen Verfügbarkeiten durch weiterführende Untersuchungen zu den im Boden vorliegenden Bindungsverhältnissen noch charakterisiert werden, um ‚worst case’ Szenarien sachgerecht abbilden zu können.

Als Maß für eine mögliche Exposition über die Pfade Boden/Pflanze und Boden/Bodenlebewesen wurden die pflanzenverfügbaren Kupfergehalte im NH₄NO₃-Extrakt (Steindl et al., 2011) und die regenwurmverfügbaren Kupfergehalte im CaCl₂-Extrakt (Strumpf und Strassemeyer, 2012) von den gewonnenen Bodenproben nach normierten Verfahren bestimmt.

Im Rahmen von Untersuchungen des Ökosystems Boden (biologisches Monitoring) sollen methodische Vorgaben für längerfristige Beobachtungen der Auswirkungen von kupferhaltigen Pflanzenschutzmitteln (PSM) auf Indikatororganismen abgeleitet werden. Dabei werden auch die im NH₄NO₃-Extrakt und im CaCl₂-Extrakt ermittelten mobilen Kupferanteile der auf der Grundlage der Bewertungsmatrix ausgewählten Beprobungsflächen mit den gemessenen Kupfergehalten der analysierten Regenwürmer in Verbindung gebracht.

Aussagen zu Anpassungseffekten von Indikatorarten an Kupfergehalte im Boden und zum Einfluss von standortbezogenen Faktoren, Bewirtschaftungsweise, Bodenbearbeitung und Pflanzenschutzmanagement auf die Bioverfügbarkeiten sollen einen Beitrag zur Bewertung der Nachhaltigkeit landwirtschaftlicher Produktion als Grundlage für die Beratung von Behörden und der Betriebe des konventionellen wie ökologischen Anbaus liefern.

Da diese Faktoren oft durch Flurbereinigungen und -neuordnungen überlagert sind und langjährig bewirtschaftete Dauerkulturflächen oft heterogene Belastungsverteilungen aufweisen, erfordert die Darstellung ein­getretener Wirkungen von Kupferbelastungen auf die Bodenzönose noch eine standortbezogene Methodenvalidierung. Dies erfolgt unter Nutzung von Regenwürmern als Indikatoren über Gesamtabundanzen und Abundanzverteilungen auf Lebensformtypen um die Feldbedingungen realistisch abbilden zu können.

Die in der Tab. 1 aufgeführten Mittelwerte und Standardabweichungen pflanzenverfügbarer und regenwurmverfügbarer Gehalte unterschiedlicher Schwermetalle auf Prüf-, Referenz- und Kontrollflächen liegen im Mikrogramm-Bereich. Sie resultieren aus einer Vielzahl von ermittelten Einzelwerten und können als valide Datengrundlage in die weiteren Untersuchungen einfließen.

Im NH₄NO₃-Extrakt liegen die Werte von Arsen und Chrom im Bereich der Nachweisgrenze. Sofern die Elementgesamtgehalte in den Böden für Arsen und Vana­dium niedrig sind, wurden im CaCl₂-Extrakt Gehalte im Bereich der Bestimmungsgrenze gemessen. Bei Blei ist dies teilweise bei beiden Extraktionen der Fall.

Beim Vergleich zwischen den im NH₄NO₃-Extrakt und den im CaCl₂-Extrakt mit gleichen Bodenproben bestimmten mobilen Schwermetallanteilen (As, Cr, Cu, Pb, Zn, V) auf Beprobungsflächen des Wein-, Hopfen- und Baum­obstbaus (Tab. 1) werden elementabhängige Unterschiede sichtbar, die auf unterschiedlichen Mechanismen bei der Bildung wasserlöslicher Metallkomplexe während der Extraktion beruhen.

Die analysierten mobilen Elementgehalte in Sonderkulturböden variieren in Anhängigkeit des verwendeten
Extraktionsverfahrens, des Flächentyps und der angebauten Kultur, was auf multifaktorielle Einflüsse auf die Verfügbarkeit von Schwermetallen – wie Kupfer – zurück zuführen ist. Die im Mittel berechneten bioverfügbarer Gehalte im CaCl₂-Extrakt und NH₄NO₃-Extrakt lassen nicht erkennen, welches der beiden gewählten Extrak­tionsverfahren die real vorliegenden Verfügbarkeitsverhältnisse besser widerspiegelt.

Deshalb können die Auswirkungen der ermittelten Expositionen auf die Bodenfruchtbarkeit unter Nutzung von Regenwürmern als Indikatoren im Sinne einer nachhaltigen Nutzung und Erhaltung der biologischen Vielfalt erst nach Freilanderhebungen der Regenwurmzönose abschließend abgeschätzt werden.

Unabhängig davon zeigen die mit zwei unabhängigen Extraktionsmethoden zur Simulierung von Verfügbarkeiten erhaltenen Daten, dass Chrom und Blei auf den Prüf- und Referenzflächen nur in sehr geringen Mengen in bioverfügbarer Form vorliegen.

Im Rahmen der Entwicklung eines Modells zur Risikoabschätzung von Schadelementen (Schwermetallen) im System Boden/Pflanze unter Einbindung von Biokonzentrationsfaktoren (Strumpf und Reichmuth, 2009) wurde im Ergebnis von Untersuchungen zum Transfer von Chrom und Blei über den Pfad Boden/Pflanze festgestellt, dass beide ein starkes Anreicherungsverhalten im Wurzel- und unteren Pflanzenbereich in Modellpflanzen zeigen, sodass auch bei deutlicher Überschreitung der Vorsorgewerte für Böden durch Abwaschen der Bodenpartikel und Entfernen der unteren Blätter in der Regel unbedenkliches Erntegut erzeugt werden kann.

Ziel noch anstehender Untersuchungen ist es, aktuelle Daten zu den Auswirkungen der Schwermetallgehalte in Böden im ökologischen Landbau auf das Bodenleben zu erarbeiten. Der Bewirtschaftungshistorie geschuldet sind neben Kupfer weitere Schadelemente (Pb, As, Cr, Zn, V) auf Zielflächen vorhanden. Es müsste untersucht werden, welche und in welchem Ausmaß Schwermetalle im Boden bioverfügbar vorliegen und ob diese auf Regenwurmgemeinschaften additive, synergistische oder antagonistisch Effekte ausüben. Die Auswirkungen von Metallsystemen in Sonderkulturflächen werden bisher noch nicht im Bewertungsverfahren berücksichtigt. Aufgrund unterschiedlicher Bewirtschaftungshistorien differieren die Schwermetallbodengehalte von Fläche zu Fläche, so dass ökotoxikologische Untersuchungen in Modellsystemen durchgeführt werden müssten.

Aus Kapazitäts- und Zeitgründen sollten weiterführende Untersuchungen zu den Auswirkungen von Metallsystemen auf die Regenwurmzönose neu konzipiert werden. Die Schwermetalle Chrom und Blei sind in so geringen bioverfügbaren Konzentrationen auf den Beprobungsflächen vorhanden, dass eine Analyse von anthropogenen Einträgen beider Metalle zukünftig nicht mehr erfolgen sollte.

Das Zusammenspiel einer Vielzahl von agrikulturhistorischen, pedologischen, ökologischen und bewirtschaftungstechnischen Parametern beeinflusst die Kupferverfügbarkeiten, was sich in standortspezifischen Auswirkungen auf Abundanz und Abundanzverteilung innerhalb der Indikator-Lebensgemeinschaft Regenwurm ausdrückt (Riepert et al., 2012).

Es dürfte unstrittig sein, dass die Verfügbarkeit in direktem Zusammenhang mit den Auswirkungen auf die Bodenzönose steht und damit elementar für anstehende Risiko-Nutzen-Abschätzungen durch die Zulassungsbehörden ist.

Um bei der Komplexität der Zusammenhänge anstehende Bewertungen im vorgegebenen Zeitrahmen praktikabel gestalten zu können, war es ausschließliches Ziel der durchgeführten Auswertung in einem vereinfachten Ansatz zu prüfen, ob eine Risikoabschätzung über verfügbare Kupfergehalte in Modellextrakten in Verbindung mit gemessenen Kupfergehalten für den Pfad Boden/Bodenorganismen möglich ist.

Die hier vorgestellten Ergebnisse beziehen sich auf bisher durchgeführte Untersuchungen zur Erhebung der Regenwurmzönose bei 15 ausgewählten Weinbaubetrieben mit mindestens einer Prüf-, Referenz- und Kontrollfläche. Aufgrund des noch zu geringen Stichprobenumfangs sind noch keine abschließenden Wertungen möglich, aber es werden bereits Tendenzen erkennbar.

Die in den Voruntersuchungen ermittelte Belastungsverteilung der Kupfergesamtgehalte auf repräsentativ beprobten Flächen deutscher Qualitätsweinanbaugebiete ergab, dass Flächen mit langer Bewirtschaftungsdauer durch die in der Vergangenheit erfolgten hohen Kupfer­einträge oft hohe Bodengesamtgehalte aufweisen (Strumpf et al., 2011a). Insofern ist es von Interesse zu prüfen, in wie weit eine Bodenanreicherung (Kupfergesamtgehalte) mit einer Anreicherung in Lumbriciden einhergeht.

Auf der Grundlage des für jede Fläche berechneten Mittelwertes aus den Teilflächen und den dort ausgelesenen Lumbriciden konnte ein Zusammenhang von R² ~ 0,71 zwischen den Gesamtgehalten im Boden und im Regenwurm (Abb. 1 links) nachgewiesen werden. Die starke Streuung der Einzelwerte lässt darauf schließen, dass die Kupferaufnahme (Bioverfügbarkeit) von einer Vielzahl pedologischer, ökologischer und bewirtschaftungstechnischer Einflüsse geprägt wird.

Abb. 1. Potentieller Zusammen­hang zwischen Kupfergesamt­gehalten im Boden und in der Regenwurmzönose (links) im Vergleich zum Zusammenhang zwischen den Kupferge­samtgehalten und den auf der Basis von Ge­samtgehalten berechne­ten Biokonzentrationsfak­toren (rechts) bezogen auf Mittelwerte der Un­tersuchungsflächen (n = 49).

Abb. 1 zeigt aber auch, dass mit ansteigenden Kupferkonzentrationen die Kupferanreicherung in den Lumbriciden geringer wird. Dies deutet auf eine Anpassung an die Standortbedingungen hin. Da Kupfer ein essentieller Bestandteil des Naturhaushaltes ist (z.B. Strumpf et al., 2002), könnten Mitglieder der Bodenzönose Mechanismen zur ‚bedarfsorientierten’ Aufnahme, Ausschleusung oder Detoxifikation (z.B. Entgiftung über unter Stress gebildete Peptide – Metallothionine) über evolutionäre Anpassungen entwickelt haben.

Die Verwendung von Biokonzentrationsfaktoren (BCF) zur Risikoabschätzung von Schadelementen (Schwermetallen) im System Boden/Pflanze und ihrer Anreicherung im Erntegut hat sich als praktikabel und einfach handhabbar erwiesen (Strumpf und Reichmuth, 2009) und wurde deshalb auf die Regenwurmzönose angewandt.

Der BCF ist ein Maß für den Transfer der Elemente vom Boden in Bodenorganismen (Pfad Boden/Bodenorganismus) und ihrer Anreicherung in Bodenorganismen. Er ergibt sich aus dem Quotienten des Elementgehaltes in dem Regenwurm und dem Gesamtgehalt bzw. dem Gehalt im Modellextrakt des Bodens am Standort der Erhebung.

Hier zeigt sich ein schwächerer Zusammenhang von R² ~ 0,57 zwischen den Gesamtgehalten im Boden und den berechneten Biokonzentrationsfaktoren (Abb. 1 rechts). Als Ursache für die Nichteignung von BCFs auf der Basis von Gesamtgehalten zur Risikoabschätzung von Schadelementen (Schwermetallen) im System Boden/Bodenorganismus wäre anzuführen, dass die Verfügbarkeiten multifaktoriell beeinflusst werden. Aus der Literatur ist auch bekannt, dass sich die Toxizität von Kupfer gegenüber Bodenorganismen bei frisch dotierten Laborböden und bei langjährig kontaminierten Freilandböden deutlich unterscheidet (SCHER, 2009; Ruyters et al., 2013). Dies wird auf Alterungs- und Salzeffekte im Freiland zurückgeführt (Van Sprang et al., 2008). Auch bei Freilandböden erfolgt durch die jährliche Anwendung kupferhaltiger PSM – wenn auch in jetzt deutlich verringerten Mengen – eine ständige Zufuhr nicht gealterten Kupfers.

Zwischen den pflanzenverfügbaren Gehalten im NH₄NO₃-Extrakt und den Kupfergehalten in den Lumbriciden (Abb. 2 links) sind ebenso wie zwischen den regenwurmverfügbaren Gehalten im CaCl₂-Extrakt und den Kupfergehalten in den Regenwürmern (Abb. 2 rechts) nur mittlere bis schwache Zusammenhänge (R² ~ 0,55 bzw. R² ~ 0,40) nachweisbar. Dies liegt ursächlich daran, dass die Regenwurmverfügbarkeit des Kupfers multifaktoriell beeinflusst wird und die in die Auswertung ein­bezogenen Standorte in ihren Belastungen, bodenkundlichen Eigenschaften, Bewirtschaftungshistorien und -weisen stark differieren.

Abb. 2. Potentielle Zusammen­hänge zwischen Kupfer­gehalten im NH₄NO₃-Extrakt (links) und im CaCl₂-Extrakt (rechts) der Bodenproben mit den bestimmten Kupfer­gesamtgehalten in der Regenwurmzönose auf der Basis von Mittel­werten der Untersu­chungsflächen im Vergleich (n = 49).

Die Verwendung eines bestimmten Extraktionverfahrens allein kann somit keine Aufklärung über die zu erwartende Exposition für die Nachhaltigkeit der Produktion wichtiger Organismengruppen leisten. Dies bedeutet, dass die verwendeten Extraktionsverfahren zur Schnellprognose der Auswirkungen auf die Regenwurmzönose ungeeignet sind, auch wenn der NH₄NO₃-Extrakt hier tendenziell besser abschneidet. Das Phänomen einer abnehmenden Kupferanreicherung mit zunehmender Kupferkonzentration im Boden ist auch hier erkennbar.

Werden die Bodenextraktgehalte der auf den Frei­landflächen gesammelten Proben mit den dazugehörigen berechneten Biokonzentrationsfaktoren der erhobenen Regenwurmzönose korreliert, ergibt sich ein anderes Bild.

Bei den Datenpaaren Kupfergehalte im NH₄NO₃-Extrakt und berechnete Biokonzentrationsfaktoren der Regenwurmzönose konnte ein enger potentieller Zusammenhang von R² ~ 0,79 nachgewiesen werden (Abb. 3 links). Bei Verwendung der auf der Basis im CaCl₂-Extrakt bestimmten ‚regenwurmverfügbaren’ Kupferanteile und den analog für jede Teilfläche ermittelten BCF der Regenwurmzönose (Abb. 3 rechts) zeigt sich überraschenderweise nur ein mittlerer Zusammenhang von R² ~ 0,52.

Abb. 3. Potentieller Zusammen­hang zwischen den Kupfergehalten im Bo­denextrakt und den auf der Basis von Extrakt­gehalten berechneten Biokonzentrationsfak­toren der Regenwurm­zönose bezogen auf Mittelwerte der Unter­suchungsflächen im Vergleich – NH₄NO₃-Extrakt (links) und im CaCl₂-Extrakt (rechts) – (n = 49).

Im internationalen Normungsgeschehen (ISO TC 190 Soil Quality) wird der CaCl₂-Extrakt für die umwelt­bezogene Verfügbarkeit insbesondere im Hinblick auf die Bodenfauna als geeignetes Modell für die Verfügbarkeit gegenüber Bodenorganismen herangezogen. Die Methodik beruht auf Untersuchungen mit Singlespezies der Bodenzönose (z.B. Peijnenburg et al., 1999a; 1999b) und Lebensgemeinschaften unterschiedlicher trophischer Stufen (z.B. Van Straalen et al., 2001; Hobbelen et al., 2006) in kontaminierten Böden.

Die Höhe eines Biokonzentrationsfaktors beschreibt per se nicht das bestehende Risikopotential. Liegen die bestimmten mobilen Anteile im Bereich der Nachweisgrenze (geogene Hintergrundgehalte), so werden trotz niedriger Gehalte in der Regenwurmzönose hohe BCF berechnet.

Hinzu kommt, dass die Untersuchungsflächen sehr heterogen sind, d.h. die Fläche ist bezüglich ihrer pedologischen Eigenschaften und den Kupfer-Gehalten (Verfügbarkeiten) kleinstrukturiert. Deshalb ist die Datenauswertung des nach DIN ISO 23611-1, 2007 durchgeführten Regenwurmmonitorings nur auf Grundlage der Flächenwerte von umfassend charakterisierten Beprobungsflächen sinnvoll.

Die Einzeldaten einer beprobten Kontrollfläche sind in (Tab. 2) dargestellt (Markierung in Abb. 3).

Die bisherigen Untersuchungsbefunde präferieren die Verwendung des NH₄NO₃-Extrakts als geeignetes Modell zur Beschreibung der Kupferanreicherung in Regenwurmzönosen.

Da die Verwendung von BCFs auf der Basis von Ge­halten im NH₄NO₃-Extrakt des Standortbodens zur Erstabschätzung des Risikopotentials von Kupfer im System Boden/Bodenzönose und ihrer Anreicherung in der Regenwurmzönose einfach handhabbar ist, sollte dieses Modell einen praktikablen Ansatz im Vorfeld anstehender Risikobewertungen darstellen. Im Ergebnis des gegenwärtig vorliegenden Erkenntnisfortschritts wird kein Handlungsbedarf zur Änderung bodenschutzrechtlicher Vorgaben für den Pfad Boden/Bodenorganismus in Deutschland gesehen.

Die Modellierung zu erwartender Kupfergehalte in Indikatoren der Bodengüte und deren standortspezifischen Auswirkungen erfordert noch weitere Erhebungen der Regenwurmzönose, um sicher festlegen zu können, mit welchem Extraktionsverfahren Gehalte in relevanten Organismen, die für eine Risikobetrachtung geeignet sind, bestimmt werden können.

Ein auf der Grundlage von biologischen Statuserhebungen an 15 charakteristischen Weinbaustandorten mit den bei den Belastungserhebungen gesammelten Bodenproben durchgeführter Vergleich pflanzenverfügbarer Kupferanteile im NH₄NO₃-Extrakt und für Bodenlebewesen (Regenwürmer) verfügbarer Anteile von Kupfer im CaCl₂-Extrakt führt zu folgenden Schlussfolgerungen:

Im Vorfeld anstehender Risikobewertungen kann der auf Freilanderhebungsdaten beruhende Regressionsansatz zur Erstabschätzung des Risikopotentials von Kupfer im System Boden/Bodenzönose und ihrer Anreicherung in der Regenwurmzönose verwendet werden.

Die Modellierung zu erwartender Kupfergehalte in Indikatoren der Bodengüte erfordert noch weitere Erhebungen der Regenwurmzönose, um sicher festlegen zu können, mit welchem Extraktionsverfahren Gehalte in relevanten Organismen, die für eine Risikobetrachtung geeignet sind, bestimmt werden können.