Kupferverfügbarkeiten in Sonderkulturen – Bewertung verschiedener Extraktionsverfahren zur Prognose des Kupferanreicherungsverhaltens in Regenwurmzönosen bei Weinbaustandortböden

Copper availability in specialty crops – Assessment of different extraction processes to predict the accumulation behaviour of earthworm conenoses at vineyard soils

In allen europäischen Staaten, in denen die Sonderkultur Wein angebaut wird, hat die langjährige Anwendung kupferhaltiger Fungizide zu Kupferbelastungen in Böden geführt, was auf den hohen Aufwandmengen an Cu-haltigen Pflanzenschutzmitteln in der Vergangenheit beruht (Delusia et al., 1996; Komárek et al., 2008; Fernández-Calviño et al., 2008; Strumpf et al., 2011; Berger et al., 2012; Romić et al., 2014). Wegen damit verbundener möglicher Auswirkungen auf Bodenorganismen und die Bodenfruchtbarkeit hat die EU-Kommission Kupfer nur unter Vorbehalt und Auflagen befristet in die Verordnung (EG) Nr. 1107/2009 aufgenommen.

Die Kommission wird auf der Grundlage der von den Mitgliedsländern bereitgestellten aktuellen Daten abschließend über die Aufnahme von Kupfer in diese Verordnung entscheiden, wovon die Verfügbarkeit von Kupfer als chemisches Pflanzenschutzmittel in der Landwirtschaft nach dem Jahr 2018 abhängen wird.

In der Verordnung (EG) 1107/2009 wird das chemikalienrechtliche Element einer vergleichenden Bewertung als neuer Ansatz für Wirkstoffe mit dem Ziel angewendet, risikobehaftete Stoffe zu substituieren. Die Europäische Kommission ist angehalten, eine Liste von zu substituierenden Wirkstoffen (candidates for substitution – CFS) nach Artikel 80 (7) der Verordnung vorzulegen:

„Bis zum 14. Dezember 2014 legt die Kommission eine Liste der in Anhang I der RL 91/414/EWG des Rates gelisteten Wirkstoffe vor, die die Bedingungen des Artikels 4 des Anhangs II dieser Verordnung erfüllen und die unter die Bestimmungen von Artikel 50 dieser Verordnung fallen. …

Ein Wirkstoff, der die Bedingungen des Artikels 4 erfüllt, wird für eine Dauer von höchstens sieben Jahren genehmigt und substituiert, wenn er eines oder mehrere der in Ziffer 4 des Anhangs II festgelegten zusätzlichen Kriterien nicht erfüllt“.

Bezug nehmend auf Artikel 24 werden die vereinbarten sieben – in Anhang II unter Nummer 4 der Verordnung (EG) No1107/2009 aufgeführten – Bedingungen genannt. Diese basieren auf den intrinsischen gefähr­lichen Eigenschaften des Wirkstoffs in Kombination mit seiner Verwendung. Ein Wirkstoff wird als „Substitu­tions­kandidat“ angesehen, wenn eine der Bedingungen erfüllt ist.

Bei Pflanzenschutzmitteln (PSM) mit diesen Wirkstoffen beurteilen die Mitgliedstaaten, ob sie durch andere geeignete Lösungen (chemische und nicht-chemische) ersetzt (substituiert) werden können.

Vor Listung der Substitutionskandidaten durch die Kommission wurden in einer Studie die intrinsischen Eigenschaften aller in der Verordnung (EG) 1107/2009 zugelassenen und im Anhang der Verordnung (EU) 540/2011 aufgeführten Wirkstoffe mit dem Ziel analysiert, ob sie aufgrund der in der Verordnung festgelegten Bedingungen als Substitutionskandidat einzustufen wären (Traon et al., 2013).

Der Entwurf der gelisteten 77 Wirkstoffe vom Januar 2015 enthält auch Kupferverbindungen (Kupferhydroxid, Kupferoxychlorid, Kupferoxid, Bordeaux-Mischung und dreibasisches Kupfersulfat) (Anonymus, 2015b), obwohl Kupfer als ´terrestrisches` Element die Kriterien, die für die Beurteilung eines (organischen) Pflanzenschutzmittels verwendet werden (Persistenz, Bioakkumulation und Aquatoxizität), nicht erfüllen kann:

Bei der Untersuchung von 30 Weinbauflächen in den Anbaugebieten Deutschlands konnte unabhängig vom Gesamtkupfergehalt gezeigt werden, dass die Diversität und Abundanz von Regenwurmgesellschaften sowie Mikro­organismengesellschaften von sehr vielen – vom Menschen beeinflussbaren und nicht beeinflussbaren – Faktoren abhängen (Strumpf et al., 2015a). Neben den Bodengesamtgehalten führt die Summe aller Einzelfaktoren (Bodenparameter, Bewirtschaftungsdauer und -management, Klima) zu standortbezogenen Expositionen, weil sich diese Faktoren von Fläche zu Fläche unterscheiden. Der in Bodenextrakten als Maß für eine mögliche Exposition bestimmte mobile Kupferanteil ist deshalb immer standortspezifisch. Dies drückt sich auch in flächenabhängigen Gehaltsunterschieden bei der Modellierung der verfügbaren Anteile mit Hilfe eines Boden­extrakts aus.

In bisherigen Freilanduntersuchungen wurde sich auf das nach Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung (BBodSchV) (Anonymus, 1999) pflanzenverfügbare Kupfer im NH₄NO₃-Extrakt und das nach DIN CEN, 2007 im CaCl₂-Extrakt für die Bodenfauna verfügbare Kupfer beschränkt. Die Ergebnisse zeigen, dass die bisher verwendeten Extrakte nur tendenziell mit den Gesamtkupfergehalten korrelieren R2 ≤ 0,6 (Strumpf et al., 2015b). Die hier vorgestellten Ergebnisse stellen eine Erweiterung des bisher verwendeten Methodenspektrums dar. Präsentiert werden die Ergebnisse zweier weiterer in der Praxis häufig anzutreffender VDLUFA Extraktionsverfahren (EDTA, CAT) zur Bestimmung von Spurennährstoffen in landwirtschaftlich genutzten Böden.

Mit Hilfe des Vergleichs der Ergebnisse von nun insgesamt fünf Extraktionsverfahren (Königswasser-, CaCl₂-, NH₄NO₃-, EDTA-, CAT-Extraktion) erfolgt eine Eignungs­prüfung zur Prognose des Kupferanreicherungsverhaltens in Regenwurmzönosen mit dem Ziel, realitätsnahe Expositionen und die damit verbundenen Auswirkungen gegenüber wichtigen Indikatoren der Bodengüte einen Modellansatz für eine vollzugsrelevante ökotoxikologische Bewertung für Böden auf Basis der bioverfügbaren Fraktion für die Risikoabschätzung der Auswirkungen auf Bodenorganismen entwickeln zu können. Weiterhin wurde der Frage nachgegangen, ob durch alternative Extraktionsverfahren (EDTA und CAT) der durch die Königswasserextraktion erfasste Kupfergesamtgehalt auf den potentiell insgesamt im Boden verfügbaren mobilisierbaren Kupfergehalt begrenzt werden kann. Im Königs­wasserextrakt wird ein bedeutender Kupfergehalt miterfasst, der für eine Mobilisierung aufgrund von chemischen und biologischen Bodeneigenschaften nicht zur Verfügung steht. Damit erklärt sich auch zum Teil, warum der Zusammenhang von Kupfergesamtgehalt (Königswasserextrakt) und biologischer Konzentration im Regen­wurm gering ist.

Im Journal für Kulturpflanzen Band 65 (12) 2013 wurden von Strumpf et al., die Kupfergesamtgehalte im Königswasser-Extrakt (VDLUFA, 1991), mobile Kupferanteile in den Modellextrakten NH₄NO₃ (DIN ISO, 1997), CaCl₂ (DIN CEN, 2007), Kupfergehalte im Regenwurm und berechneten Biokonzentrationsfaktoren (BCF‘s) zunächst von insgesamt 49 Bodenproben dargestellt. In den Jahren 2013 bis 2015 erfolgten weitere Probenahmen von Bodenproben und Regenwürmern im Rahmen des bereits genannten F-/E-Projektes (2812NA010). Die bis dahin gesammelten Ergebnisse mit einer verbreiterten Datenbasis von 229 Bodenproben (78 Flächen, 24 Weinbaubetriebe) wurden im Band 67 (1) 2015 veröffentlicht (Strumpf et. al., 2015b).

Um eine Vergleichbarkeit aller bisher angewendeten Extraktionsverfahren zu erreichen, wurden die alten und neu gewonnenen Ergebnisse auf Basis von 52 Flächen bzw. 208 Teilflächen ausgewertet.

Alle Elementgehalte in den verschiedenen Extrakten und Aufschlusslösungen wurden mittels Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry) mit einem IRIS Intrepid^® (UBA Texte, 1995) bestimmt.

Zur Beschreibung der Auswirkungen kupferhaltiger PSM auf Bodenorganismen wurde das Quadrat des multiplen Korrelationskoeffizienten (Bestimmtheitsmaß R²) verwendet. Dies erfolgte unter der Annahme, dass zwischen der Kupferkonzentration (Bodengesamt- bzw. Bodenextrakt-Gehalt) und der Auswirkung (Kupferak­kumulation in Regenwurmzönosen) eine modellierbare Abhängigkeit besteht.

In der zahlreichen Literatur werden für die Modellierung der Kupferverfügbarkeiten verschiedene Einzel-Extraktionsverfahren verwendet (z.B. Hornburg und Bruemmer, 1993; Peters, 1999; Tandy et al., 2004; Sabienë et al., 2004). Die Anwendung der verschiedenen Methoden hat das Ziel, einen Mangel bzw. einen Überschuss von Elementen (Kupfer) in Anhängigkeit verschiedener Bodeneigenschaften (pH, C_org., C_anorg, KAK …) festzustellen, ohne einen Test auf Organismen durchführen zu müssen.

In einem Modellansatz wurden die Bodengesamt­gehalte zu den Bodenextrakt-Gehalten (KW, NH₄NO₃, CaCl₂, EDTA, und CAT) in Beziehung zueinander gestellt und anschließend mit den zuvor ermittelten Regenwurmgewebegehalten (Strumpf et al., 2015b) an den Freilandstandorten verknüpft.

Es war zu klären, ob mit zur Bestimmung von verfügbaren Kupferanteilen in der landwirtschaftlichen Praxis verwendeten Modellextrakten (EDTA und CAT) das Kupferanreicherungsverhalten in Regenwürmern noch valider abgebildet werden kann, als mit dem nach der BBod­SchV (Anonymus, 1999) die pflanzenverfügbaren Anteile beschreibenden NH₄NO₃-Extrakt. Im Folgenden werden Kupfergesamtgehalte im Boden und Regenwurm mit den Kupfergehalten im jeweiligen Extrakt verglichen.

Abb. 1. Lineare Abhängigkeiten der Cu-Gehalte in den Bo­denextrakten Cu _NH4NO3, Cu _CaCl2,
Cu _EDTA und Cu _CAT mit dem Cu-Gesamtge­halt (Cu_ges) aller be­probten Teilflächen (n = 208) für den Bo­denhorizont bis 20 cm und den linearen Korre­lationskoeffizienten (R²) der verschiedenen Extraktgehalte unterein­ander.

Der Kupfergehalt im EDTA- und CAT- Extrakt korreliert sehr gut mit den Kupfergesamtgehalten (R² ≥ 0,89) aber etwas weniger gut untereinander (R² = 0,87). Die Gehalte im EDTA-Extrakt erreichen im Mittel 45% und im CAT-Extrakt 30% derjenigen der Königswasserextrak­tionen. Der enge Zusammenhang zwischen verfügbarem Kupfer und dem Cuges bei Verwendung der beiden Chelat­bildner EDTA und CAT ist dadurch zu erklären, da diese die lösliche plus die insgesamt nachlieferbare Fraktion beschreiben. Mit diesen beiden Extrakten werden nur potentiell verfügbare und nicht aktuell bioverfügbare Metalle berücksichtigt (Michaud et al., 2007; Chrastny et al., 2008). Sie wurden auf der Grundlage zahlreicher Einzelbefunde mit ackerbaulich genutzten Freiland­böden ausgewählt, um eine Grundlage für Handlungsoptionen zum Zwecke einer bedarfsgerechten Pflanzen­ernährung zu schaffen. Sie geben demzufolge keine Infor­mationen über die aktuelle Bioverfügbarkeit von Kupfer (Brun et al., 1998) und erlauben nur indirekte Aussagen zu den Auswirkungen auf Bodenorganismen, insbesondere das Ausmaß, da Faktoren unberücksichtigt bleiben, welche direkt oder indirekt die Bioverfügbarkeit von Kupfer beeinflussen. Ihre Bedeutung liegt vielmehr darin, dass diese beiden Extraktionsverfahren viel besser als die Königswasserextraktion jenen Kupfer„gesamt„gehalt im Boden abbilden, aus dem – unter bestimmten Boden- und Umwelteigenschaften – der biologisch verfügbare Kupfergehalt resultiert.

Im Vergleich dazu werden im CaCl₂- und NH₄NO₃-Extrakt die tatsächlich mobilisierten Kupferanteile ermittelt, in welche alle standortspezifischen und auf die Bioverfügbarkeit Einfluss nehmenden Faktoren (Alterung, Bewirtschaftung, Bodeneigenschaften…) einfließen. Der Kupfergehalt im CaCl₂-Extrakt zeigt nur einen tendenziellen linearen Zusammenhang zu den Gesamtgehalten und den Gehalten der anderen Extrakte. Die Ursache liegt in der starken pH-Abhängigkeit des verwendeten Extraktionsmittels. Je höher der pH-Wert des Bodens, desto höher ist der Kupfergehalt im CaCl₂-Extrakt (Brun et al., 1998). Da der pH-Wert der untersuchten Weinbergsflächen im neutralen bis leicht sauren pH-Bereich liegt, ist der Kupfergehalt im CaCl₂-Extrakt gering und nicht korrelierbar mit Kupfergesamtgehalten im Königswasser, womit vorangegangene Arbeiten (Strumpf et al., 2015b; Komárek et al., 2008; Brun et al., 1998) bestätigt werden.

Im Vergleich zu den von Strumpf et al. (2015b) veröffentlichten Daten konnte für den NH₄NO₃-Extrakt die Korrelation mit den Kupfergesamtgehalten weiter verbessert werden (R² = 0,8) Sie ist darüber hinaus vergleichbar mit den Korrelationen zu den potentiell mobilisierbaren Gehalten im EDTA- und CAT-Extrakt. Ein Grund für die hohe Korrelation ist, dass in dieser Arbeit ausschließlich Flächenmittelwerte von 0,25 m² Teilflächen analysiert und ausgewertet wurden. Dass Kupfer im Gesamtgehalt und mobilen Anteil auf einer Fläche sehr heterogen verteilt ist, konnte schon von Strumpf et al. (2011) gezeigt werden. Dieses spiegelt sich auch in den unterschiedlichen Korrelationskoeffizienten von Kupfergesamtgehalt Cu_ges und mobilem Kupfer im NH₄NO₃-Extrakt unter Berücksichtigung verschiedener Stichprobenarten (Einzelbohrung bzw. 0,25 m² Teilflächen) und Stichprobenumfängen (Anzahl untersuchter Flächen) sowie Auswertungsmöglichkeiten (Einzelwerte, Mittelwerte pro Teilfläche, Mittelwerte der Gesamtfläche) wider.

Abb. 2. links: potentieller Zusammenhang zwischen den Kupfergehalten in den Bodenextrakten (Cu _KW, Cu _NH4NO3, Cu _CaCl2, Cu _EDTA, Cu _CAT) und den Gehalten im Regenwurm aller beprobten Teilflächen (n = 208) auf Basis der gemittelten Kupfergewebegehalte der Regenwurmzönose; rechts: Doppelt loga­rithmischer Zusammenhang zwischen den Kupfergehalten in den Bodenextrakten (Cu _KW, Cu _NH4­NO3, Cu _CaCl2, Cu _EDTA, Cu _CAT) und den berechneten Biokonzentrationsfaktoren der Regenwurmzönose aller beprobten Teilflächen (n = 208) auf Basis der Flächenmittelwerte für den Bo­denhorizont bis 20 cm.

In Abb. 2 ist links der (potentielle) Zusammenhang zwischen den im Extrakt bestimmten Bodenkupfergehalten (Cu _Extrakt) und dem in der Regenwurmzönose bestimmten Kupfergehalt mit Trendlinie auf Teilflächenbasis dargestellt. Als Ergebnis der Auswertung der Datenpaare ist festzuhalten, dass es keine enge Korrelation zwischen Kupfergehalt im Extrakt und Kupfergehalt im Regenwurm (R² = 0,5 – 0,6) gibt. Eine sichere Prognose des Kupferanreicherungsverhaltens in Regenwurmzönosen ist demzufolge mit keinem der verwendeten Extraktionsverfahren möglich.

Erst durch Verknüpfung bioverfügbarer Kupferanteile (Cu _Extrakt) von Standortböden mit berechneten Anreicherungsfaktoren (Biokonzentrationsfaktoren – BCF’s) der Regenwurmzönose wird es möglich, schutzzielbezogene Kupferverfügbarkeiten standortspezifisch zu modellieren. Abb. 2 (rechts) zeigt den doppelt logarithmischen Zusammenhang der Kupfergehalte in den jeweiligen Extrakten zu den berechneten BCF’s. Das Bestimmtheitsmaßes R² – als Maß einer modellhaften bifunktionalen Beziehung zwischen Gehalt und Auswirkung – bleibt im Vergleich zu den Korrelationen mit den Regenwurmgehalten unter Verwendung des KW-Extraktes eher unverändert während es unter Berücksichtigung des EDTA-, CAT- und CaCl₂-Extraktes tendenziell zunimmt. Auffällig ist, dass im verwendeten NH₄NO₃-Extrakt eine signifikante Erhöhung von R² = 0,57 auf R² = 0,83 auftritt. Hier scheint der Zusammenhang zwischen Extrakt – Gehalt und Kupferanreicherung in den Lumbriciden in spezieller Weise eine Berücksichtigung zu finden.

Die Bestimmtheitsmaße (R²) bei Annahme eines doppelt logarithmischen Zusammenhangs zwischen BCF und Kupfergehalt im NH₄NO₃-, EDTA- und CAT-Extrakt sind signifikant größer als beim CaCl₂- und KW-Extrakt (R²: Cu _NH4NO3 > Cu _EDTA ≥ Cu _CAT>>Cu _CaCl2 ≥ Cu _KW). Die Unterschiede zu den bereits von Strumpf et al. (2015b) veröffentlichten Korrelationskoeffizienten (R² (Cu _NH4NO3) = 0,835, R² (Cu _CaCl2) = 0,680) sind sehr gering und ergeben sich wie bereits erwähnt, aufgrund des veränderten Stichprobenumfangs.

Wie aus Abb. 2 entnommen werden kann, gibt es keine ausreichende Korrelation der Kupfergehalte im Königswasseraufschluss zum Kupferanreicherungsfaktor (BCF). Der Gesamtkupfergehalt ist demzufolge am wenigsten geeignet, um die Auswirkungen von Kupfer auf die Regenwurmzönose zu beschreiben (R² = 0,66). Zusammenhänge zu den Auswirkungen verfügbarer Kupfergehalte auf die Bodenorganismen können dann hergestellt werden, wenn die fest gebundenen Kupferanteile aus der Betrachtung herausgenommen und nur die potentiell mobilisierbaren oder mobilisierten Kupferanteile (im EDTA-, CAT- und NH₄NO₃-Extrakt) berücksichtigt werden. Dies zeigen die guten Korrelationen von R² > 0,8 zum Anreicherungsfaktor BCF. Der Unterschied in der Bewertung ist, dass im EDTA- und CAT-Extrakt potentiell verfügbare und im NH₄NO₃-Extrakt aktuell mobile Elementgehalte ermittelt werden. Aus diesem Grund kann die tatsächliche Exposition mit Hilfe des Elementgehaltes im NH₄NO₃-Extrakt realistischer bewertet werden als bei Verwendung des EDTA- oder CAT-Extraktes.

Zur Bewertung der Eignung verschiedener Extraktions­verfahren zur Prognose des Kupferanreicherungsverhaltens in Regenwurmzönosen auf Teilflächenbasis lassen sich folgenden Aussagen zusammenfassen:

Abschließend muss aber noch die Frage des Aufwandes und der Praktikabilität für den Vollzug in die Vorschlagsfindung einbezogen werden. Durch die Bewirtschafter und auf den Dauerbeobachtungsflächen der Länder werden regelmäßig Bodenuntersuchungen im Rahmen der Düngebedarfsermittlung durchgeführt. Bei Verwendung des NH₄NO₃-Extrakts könnten mit einer Bodenprobe gleichzeitig Managementmaßnahmen im Hinblick auf Minimierung von Wachstumsbeeinträchtigungen bei Kulturpflanzen und eintretenden Wirkungen von Kupferbelastungen auf die Bodenzönose abgeleitet werden.

Es wurden die Ergebnisse erfolgter Freilandstudien bestätigt. Das hohe Bestimmtheitsmaß R² ~ 0,83 der Korrelation des Extrakt-Gehaltes mit den berechneten Biokonzentrationsfaktoren der Regenwurmzönose, präferieren den NH₄NO₃-Extrakt, die Risiken für Bodenorganismen zu beschreiben. Mit Hilfe eines geeigneten Versuchsdesigns muss die Höhe eines konkreten Vorsorgewertes, bis zu welchem – auch bei `worst case` Szenarien – keine unerwünschten Auswirkungen auf die Bodenzönose auftreten, aber noch wissenschaftlich begründet werden.

Weil alle die Bioverfügbarkeit ausprägenden Faktoren in konkreten Kupfergehalten im Modellextrakt subsummiert vorliegen, könnte mit einem einfachen Modellierungsansatz die enorme Standortvielfalt berücksichtigt und zugleich eine standortbezogene Risikobewertung vorgenommen werden. Vorrausetzung dafür wäre die Etablierung eines noch wissenschaftlich zu begründenden Vorsorgewertes für den Pfad Boden/Bodenorganismen im Rahmen bodenschutzrechtlicher Vorgaben.

Für die Darstellung eingetretener Wirkungen von Kupferbelastungen auf die Bodenzönose wäre die Bioverfügbarkeit bei der Risikobewertung der möglichen Auswirkungen von Kupfer auf Bodenorganismen im Rahmen des Prüfungs- und Zulassungsverfahrens von Pflanzenschutzmitteln angemessen zu berücksichtigen.