Hennig, H.

Mahrwald, R.

Pihan, W.

Schnabel, R.

Tauchnitz, J.

German

Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg: Elektronische Zeitschriften

.. Hercynia N. F., Leipzig 19 (1982) 4, S. 448-453 Aus der Sektion Chemie der Karl-Marx-Universität Leipzig Zur Ablagerung der industriellen Abprodukte 13. Mitteilung: Ermittlung der Kultivierbarkeitswerte von abzulagernden Schadstoffen aus dem Experiment Von J. Tauchnitz, R. Schnabel, W. Pihan, R. Mahrwald und H. Hennig Mit 2 Tabellen (Eingegangen am 15. Januar 1980) 1. Ein 1 e i tun g Die Gestaltung der Abschluljschicht gemischter Schadstoffdeponien (Tauchnitz u. a. 1978, 1979 a) bildet die Grundlage für deren Kultivierung. Deshalb ist es notwendig, möglichst exakte Angaben über die Grenzwerte von Schadstoffen für diese Schicht vor-zugeben. Diese Grenzwerte werden im Rahmen dieser Arbeit als Kultivierbarkeits-werte (Kb) der Schadstoffe bezeichnet (Tauchnitz, Schnabel U. a. 1981 a). Die D1o-, Dso-, K9o, Kso-Werte stellen die Mischungsverhältnisse beim relativen Wachstum von s = 0,9 bzw. 0,5 und bei der relativen Keimung g = 0,9 bzw. 0,5 dar. Da diese Mischungsverhältnisse nicht von vornherein bekannt sind und demzu-folge nur in den seltensten Fällen im Gefäljversuch auftreten, ist es notwendig, diese zu errechnen. Voraussetzung dafür ist die Kenntnis einer Funktion zur Beschreibung der Zusammenhänge: s = F, (M0 ) g = F2 (M0 ) . 2. A 11 g e m e i n e G r u n d 1 a g e n Die Ertragsbildung (Wachstum, Keimung) hängt von einer Vielzahl von Umwelt· faktoren ab. Biologische Systeme sind durch die entwicklungsgeschichtlich herausge-bildeten Mechanismen in der Lage, sich durch Regulation ihres Stoffwechsels den natürlichen, konkreten Wachstumsbedingungen anzupassen. Öas kybernetisch-regula· torisehe Prinzip ist die Maximierung der Neubildung der Pflanzenmasse als eine wesentliche Voraussetzung zur Sicherung der Fortpflanzung und damit der Arterhal· tung. Aufgrund der Vielfalt der möglichen Einfluljgrölj,en beobachtet man in der Regel für die Ertragsbildung an Biomasse keinen scharf abge,grenzten Extremwert. Vielmehr vermögen die Pflanzen innerhalb eines relativ groljen Parameterraumes annähernd den gleichen Ertrag zu realisieren. Erst beim Überschreiten der Grenze bei einem oder mehreren Parametern, das heiljt, wenn die regulatorische Kapazität des biochemischen Systems .. Pflanze" in mindestens einer Regelgrölje erschöpft ist. tritt die Abhängigkeit des ~achstums von den ausgewählten Parame~ern deutlich zu Tage. Betrachtet man nun den Boden als eine Mischung verschiedener chemischer Sub-stanzen, so ist die Konzentration eines ausgewählten Schadstoffes ein Parameter unter vielen. In seiner physiologischen Wirkung zeichnet er sich aUenfalls dadurch aus, dalj die Anpassungsfähigkeit der Pflanzen hinsichtlich Variation dieses Parameters auf-fallend gering ist. J. Tauchnitz u. a.: zur Ablagerung der industriellen Abprodukte. 13. Mitteilung 449 Die anderen Parameter (Einflüsse) waren durch die Versuchsführung bedingt für alle Versuchsglieder gleich, so daf} die wachstumshemmende Wirkung im wesentlichen Ausdruck der Konzentration des Schadstoffes ist. Da die physiologischen und biochemischen Wirkungen der Schadstoffe auf die Testpflanzen nicht bekannt sind, soll als erster Schritt dahin die Abhängigkeit des Wachstums von der Konzentration des Schadstoffes im Boden ermittelt werden. Attf · der Suche nach dem wahren Zusammenhang müssen eine Vielzahl von verschiedenen mathematischen Funktionstypen hinsichtlich ihrer Anpassung an das Versuchsmaterial überprüft werden. Zur Eingrenzung der Möglichkeiten soll zunächst der mögliche Kurvenverlauf theoretisch abgeleitet werden. Gartenkompost ist ein Boden; dessen Parameter in Hinsicht auf das Pflanzen-wachstum optimal sind. Der Versuch mit Kompost dient deshalb als Referenzversuch. Auf dem reinen Schadstoff ist dagegen kein oder nur ein geringes Wachsturn möglich. Es gilt also: • 5 Kompost gKompost 5 Schadstoff gSchadstoff }. 1 } =Minimum. Geht man hingegen von einem Substrat aus, dessen wachstumsbeeinflussende Parameter nicht optimal sind, kann durch die Zumischung eines Schadstoffes eine Parameterkombination entstehen, die zu einem Suboptimum der Ertragsbildung führt. ~ Bodensubstrat s(g) > Mischung s(g) > Schadstoff s(g) Die geringe Anzahl von Versuchspunkten innerhalb einer Mef}reihe läf}t es jedoch nicht zu, allzu komplizierte Funktionale zu betrachten. · 3. A u s w e r t u n g d e r e x p e r i m e n t e 11 e n E r g e b n i s s e Die bisher erhaltenen Versuchsdaten wurden zunächst nach den Funktionstypen verifiziert. s = a M 0 +b. s = a M 0 3 + b M 0 2 + C M 0 + d, s = a e-b Mo2• s = h + a . e -b (I Mo-cI) d (1) (2) (3) (4) Als Gütemaf} für. die .Anpassung wurde die Summe der Abweichungsquadrate in jeder Versuchsreihe für jeden Funktionstyp berechnet. (Gebräuchlicher ist zwar das Bestimmtheitsmaf}, aber im vorliegenden Fall ist die Anwendung der (.ds)2 gerecht-fertigt. Ein Vergleich der Minima der (.ds) 2 für die einzelnen Gleichungen zeigt, daf} in den meisten Fällen die Gleichung (4) die experimentell ermittelten Werte am besten widerspiegelt. Für die Berechnung der Kb-Werte wird daher die allgemeine Gleichung ~. g = h + a. e -b (I Mo-cl) d verwendet. Die bisher errechneten Konstanten für. verschiedene Schadstoffe und die daraus abgeleiteten charakteristischen Werte zeigen di·e Tab. 1 und 2. 57 Hercynia 19/4 • lrmitfelle Xonslanlen der ollgemeinen Näherun(jS,qleichung s _ h +a. e -b { 1 tt0 -c !/ d Tab. 1 fUr verschiedene Schadsloffe.Bodensubslraleuntffflanzen Versuchs Schadstoff Substrat fflanze Konstanten /{b Nr. 0 b c d h Oto Ow 001 Papaverdubium f 530 0 ~~ 0 f!!P . S$~~ 002 Auelehm Helianthus ,0 1360 0 0 • 26 003 Syslol A- annuus 1.0 15@.3 0 t7 0 Oj]flf 00~1 SWI(63!0 Beta vu%aris 00'1 firas -ICee- 1,0 10. ,5 0 1.7 0 0,017 0.051 . !1ischung _jj I 0/]5 ., {Tauchnilz f!I!Jiaverdubium tO 'W ~ 1.6 0 §010 Pß31 006 u.a 1979b Asche M Vionthus 1,0 1,0 0 ,023 ' 67 annuus 007 1961a) Beta vu~aris w 121 0 ~0 0 %?~ ~057 . 00() firas-KI e- 0~1 0 .tf 0 ,070 7to !1ischung Wasser Daucus sativus 1,0 3239 0 1,5 0 ~001 0.00* Off Trifolium repens 1,0 175 • 0 1.2 0 ,002 OJJ10 012 Secale cereo/e 1,0 3.tf 0 0,3 0 ~ 0.001 0.003 0!3 Triticum aestivum 1.0 2.7 0 0,2 0 ~o.oo t 0,001 01'f Lepidium sativum 1,0 13 0 0,6 0 -; 0,001 0,00{} 015 Sinnpis alba 1,0 1},0 0 0,4 0 ~o.oo1 o.oo2 · • 1------022 Nährlösung Lepidium salivum 1,0 32,'17 0 0,7 0 ~ 0.001 O,OO't 023 Buuschult 1,0 !9~5 0 1,'1 0 0,005 0,01{} 02'1 !fompost 1.0 12,1 0 1,0 0 0,009 0,057 - -~:.chs Schadstoff Substrat Pflanze lfonstanten !{b a b c d h Dto Dso 016 OAZ Wasser Triticum aestivum 1.0 t.3215·torJ 0 3/f D 0,002 D,OOif 017 (Taudlnitz Secale cereale 1.0 115.2 0 0,9 0 <0,001 0,003 025 u.a.1979cl Lepidium sotivum 1,0 267 0 0,9 0 <0.001 0,001 ~39 Asche A vena salivo ~$1 0.004 'j" 1,3 0 - -0'10 J(ompost 0103 ~/} 0 1.03 1B,Oif O't9 [jJ 1 Ton 0,5 0,730{} 0 ,3 0 ,010 050 Brikett - 0,95 0.33 1,9 0/ttJ 0 f.(f!J/ 5,!10 abrieb !.92 051 (Tauchmlz lfoksstaub 0,7 0,22 0 0,(}5 0 - 1,65 052 ua.1!J!J1b) Bau schul! 0,75 0,2J!J 0,9 O,'f 0 - ~69 053 Löß ()7 0055 0 1,2 0 - w 05'1' Auelehm 0/)5 0.0632 0 2,5 0 0,94- 2,53 060 BraunkoNe /0==11:, ==5/ ~9 ~9't 5 t2 0 3SB 'i2 ! 5== ol ,9 ,21 5 0,77 0 .01 06'1 Torfmull 0,2(} 0,535 0 0,15 0 - -066 6J2 siehefiS1 l<ornpost Avena safiva 1,0 0,6lf!J 0 . 0.9 0 0.13 1,0/J 035 ASS - t,(Tauch- Lepidium sativum 1,0 12 0 0,{} 0 0.003 0,02!} M nitz 1!](f0 I J(omposl 6alinsoga 1,0 17,5 0 0,6 0 <0,001 0,005 parvifloro Versuchs Schadstoff Substrat Pflanze Xonslanlen f(b Nr: 0 b c d h Oto 050 036 ASS-2.Touch- l<ompost Leptdium sativum 1,0 32 0 1,1 0 0,006 0.031 0'16 nitz u.a.191JO fialinsfoa 1,0 29 0 0,{). ,{) 0,00 1 0,009 parvif,ora OM Stellaria media 1,0 6,5 0 O, ft 0 <0,001 0,00'1-056 ASS-3/Tauch- Kompost Leptdium sativum 1,25 - 21, /J O.Oif 1,3 0 O,OtJO 0,127 057 nit z u. a.19IJO I Stellaria media 1,0 2,35 0 0,{} 0 0,021 0.217 05{} fialinsoga parviflora 1,0 1,76 0 O.J 0 <0,001 0,045 072 ERs-f Xompost Lepidium sativum 1,0 3,J5 0 0,{)5 0 0,017 0,157 073 ERS-A 0.22 0,73 0 O,'f 0,7!} 0,620 -(Tauchnifz u.a. 19{}0 I s . . . relative Wuchshöhe (l<ompost= 1) h ... relative Wuchshöhe aufreinem Schadstoff a . . . Differenz zwischen maximaler relativer Wuchshöhe und h c . .. !10 , bei demsein /1aximum i.sl b,d . .. lfonstanten, abhänf!'f von Schadstoff, Substrat. Pflanzenorl u.a. • J. Tauchnitz u. a;•: Zur Ablagerung der industriellen Abprodukte. 13. Mitteilung 451 Ermittelte Konstantenderaii!Jemeinen Näherun!JS!Jieid!un!J q=h•o·e -b(/11-c!)d ' Tab.2 f(jr verschiedene Jchadstoffe,ßodensubstrate und fflanzm ~rsudls Sctwdstoffe Substraf Pflanze Konstanten charalfteristische Werte Nr: a b c d h. Kgo /{50 001 Auelehm fapaverdubium 1,0 155 0 1,2 0 0,002 0,011 002 SystoiA- Helianthus 1,0 2490 0 2,6 0 0,021 0,04-3 JW/{5310 annuus 003 Beta vulgaris 1,0 3.09·10 5 0 4-,3 0 0,031 0,049 004- firas-Kiee-/'/ischung 1,0 76000 0 3,7 0 0,026 0,0~3 005 Asche Papaverdubium 1,0 97100 0 3,5 0 0,020 0,034 006 Helianthus 1,0 7037 0 3,1 0 0,02(} 0,051 annuus . 007 Beta vulgaris 1,0 't60 0 1,9 0 0,012 0,033 OOr'J firos-Kiee -/'/ischun!J 1,0 5076 0 3,0 0 0,027 0,051 010 Wasser Ooucus sativus 1,0 32,4 0 0,7 0 <0,001 O,OO't 011 Trifolium repens 1,0 459 0 1,7 0 0,007 0,022 012 Secale cereale 1,0 179 0 2,0 0 0,02't 0,062 013 Triticum aestivum 1,0 20 0 1,0 0 0,005 0,035 01'1 Lepidium sativuni 1,0 6,1 0 1,5 0 0,067 (0,235) 015 Sinapis alba 1,0 136 0 2,0 0 0,02(} 0071 023 Bauschutt Leptdium sativum 1,0 26!!,4- 0 1,(} 0 0,013 0,036 OZ't Kompost 1.0 !l,rJ2 0 1,3 0 0,031 0,1JO 016 Wasser Trtficum aestivum 1,0 3.0N0° 0 2,7 0 0,002 0,003 017 OAZ Secale cereale 1,0 'tf,d 0 0,7 0 <0,001 O,OOJ 025 Leptdium sativum 1,0 5.0(}1•10° 0 2.9 0 0,002 0,00'1-Versuchs Schadstoff Substrat Pflanze Konstanten chara!fteristische Werte Nr. a IJ c d h Kgo 1150 039 Asche O,ß'l- 0.00776 tl,1 1,3 0 33.45 O'tO Kompost Avena sativa 1,30 0.145 Ee 5,7 0 5,5(} 16,50 O't9 Ii 51 Ton 1,10 021 0 0951 F5 050 Brikett- 0,05 01655 0 PA 0 - i-6 abrieb 051 Koksstaub 1,0 0.3262 0 0,55 0 0.13 3,09 052 Bauschutt 11 0.327 0 ~j 0 0.295 [}03 053 Lbß 0,32 0.1[} 0 0 - -054- Auelehm J~ s.656 0 ~5 0 0.77 3.1't 060 Braunhohle osf1o ="5 .22 5 ,5 0 - 2,66 5"'f1o 0,7 0.301;- 5 0,12 0 - 7,33 064- Torfmull Osf1osrJ 0,6 0.001;-3 (} 1,3 0 - -rJ=sf1o 0,0 0.009 rJ 1,3 0 - 29.0 066 652 11ompost Avena safiva 1,0 02635 0 1,1 0 0,4-3 2,'-11 roJ5 ASS-1 Kompost Lepidium salivum 1.0 7,2 0 1,0 0 0015 0,0[}6 036 ASJ-2 Kompost Lepidium salivum 1,0 1,rJ6 0 06 0 000(} 0,1[}3 ~ ASS-3 flompost Lepidium salivum 1,0 302,3 0 3,6 0 0,110 0,1(}5 r--rm- ERS-f Kompost Lepidium sa/ivum 125 5,9 0,15 1,0 0 0,206 0,305 073 . ErMörung: siehe Tab.1 Bei einem Vergleich der Kb-Werte, insbesondere der D10- und Dso-Werte, werden H\r die Ablagerung der Abprodukte auf einer Deponie und für die Abschätzung der phytotoxischen Wirkung folgende Aussagen erhal'ten: - Sind alle Versuche unter ähnlichen Bedingungen und mit gleichem Pflanzenmaterial durchgeführt worden, dann sind die Kb-Werte vergleichbar, und es läljt sich eine R:eihenfolge (Abstufung) der Schadwirkung für die Abprodukte erkennen. • " • 452 J. Tauchnitz u . a.: Zur Ablagerung der industriellen Abprodukte. 13. Mitteilung ASS-1 ""'ASS-2 > . Systol A ~ ASS-3 > ERS-F > ERS-A. Für die Gie_ljereialtsande müssen aufgrund der Verwendung von anderem Pflanzen-ma,terial gesonderte Betrachtungen angestellt werden. Es gilt GS-2 > GS-1. Lä_ljt man das Pflanzenmaterial unberücksichtigt, könnten die Gie_ljereialtsande zwi-schen den Gliedern ERS-F und ERS-A o. g. Reihe eingeordnet werden: · ASS-1 ""'ASS-2 > Systol-A ~ ASS-3 > ERS-F > GS-2 > GS-1 > ERS-A. - Von Bedeutung für die Kipptechnologie einer gemischten Schadstoffdeponie ist die Frage, mit welchen Komponenten (Abprodukte, Böden oder Lockergesteinen) das betreffende Abprodukt (Schadstoff) abgelagert werden mu_lj, ohne da_lj das Prinzip der gemischten Schadstoffdeponie gestört wird. Für den Schadstoff GS- f wurde bei An-wendung der verschiedenen Materialien folgende Reihe ermittelt: Kompost ""' Auelehm ~ Brikettabrieb < Bauschutt ""' Lö_lj < Koksstaub ~ Ton ~ Asche ""' Torfmull. Kompost und Auelehm puffern die Schadwirkung des Schadstoffes GS-1 am besten. Da dieser Schadstoff .mehrere Faktoren der Schadwirkung erkennen lä_ljt (niedriger pR-Wert, hoher S04---Gehalt, organische Inhaltsstoffe, kleine MWK, kleiner T-Wert u. a.), widerspiegelt di,ese Reihe auch dessen unterschiedliche Auswirkungen im Substrat. Es überlagern sich darin die Abnahme der Phytotoxizität mit der Erhöhung des pH-Wertes, der Sorptionskapazität, des Nährstoffgehaltes und der maximalen Wasserkapa-zität (MWK). Analoge Ergebnisse für verwendete Komponenten lassen sich bei den Versuchen mit Systol A- SWK 6310 erkennen: Kompost < Bauschutt ~ Wasser. Die Phytotoxizität vom Systol A nimmt mit zunehmender Sorptionskapazität der ver-wendeten Substrate ab. Zusammenfassung In vorliegender Arbeit wird die Ermittlung der Kultivierbarkeitswerte (Kt) für kont-aminierte Böden beschrieben. Bei einem Vergleich von mehreren Funktionstypen wurde als optimalster die Funktion s, g = h + a e -b (Mo- c) d ermittelt. Mit dieser Funktion wer-den die Kb·Werte D10, D50, K90 und K50 berechnet. Durch die erhaltenen Kb·Werte können die in den Boden oder auf die Deponie gelangenden Abprodukte bezüglich der Möglichkeit der Kultivierung der verunreinigten Flächen miteinander verglichen werden. Schrifttum Tauchnitz, ]., R. Schnabel, W. Mahrla, K. Riedel und H. Scholz : Zur Ablagerung der indu-striellen Abprodukte. 1. Mitt.: Untersuchung über die Kultivierungsmöglichkeit von De-ponien industrieller Abprodukte. Hercynia N. F., Leipzig 15 (1978) 1, 58-65. Tauchnitz, J., H. Böhm, W. Mahrla, K. Riedel, W. Schiller, R. Schnabel, H. Scholz und H. Hennig: Zur Ablagerung der industriellen Abprodukte. 2. Mitt. : Abgrenzung reiner Schadstoffdeponien von gemischten Schadstoffdeponien. Hercynia N. F., Leipzig 16 (1979 a) 1, 81-93. Tauchnitz, ]., R. Schnabel, A. Glöckner und H. Hennig : .4. Mitt.: Möglichkeit der Kultivie-rung systolverunreinigter Böden. Hercynia N. F., Leipzig 16 (1979 b) 2, 169-183. Tauchnitz, J.,-Schnabel, M. Semper und H. Hennig: Zur Ablagerung der industriellen Ab-produkte. 5. Mitt.: Deponie fluorw'lsserstoffverseuchter Böden. Hercynia N. F., Leipzig 16 (1979 c) 4, 440-448. Tauchnitz, ]., R. Schnabel, W. Pihan, A. Glöckner, R. Mahrwald und H. Hennig: Zur Ablage-rung der industriellen Abprodukte. 11. Mitt.: Ermittlung von Kultivierbarkeitswerten industrieller Abprodukte. Hercynia N. F., Leipzig 19 (1982) (im Druck). J . Tauchnitz u. a.: Zur Ablagerung der industriellen Abprodukte. 13. Mitteilung 453 Tauchnitz, J., R. Schnabel, ]. Rittig, R. Mahrwald und H. Hennig: Zur Ablagerung der indu-striellen Abprodukte. 10. Mi"tt.: Charakteristik verschiedener Gie.flereialtsande durch Pflanzversuche. Hercynia N. F., Leipzig 18 (1981) 304-331. Tauchnitz, ] ., R. Schnabel, D. Bense, V. Kunze und H. Hennig: Zur Ablagerung der indu-striellen Abprodukte. 8. Mitt . : Beitrag zur Ablagerung von Abprodukten aus dem Be-reich der Farbenindustrie. Hercynia N. F., Leipzig 17 (1980) 303-316. Dr. rer. nat. ]. Tauchnitz Dipl.-Chem. R. Schnabel Dipl.-Chem. W. Pihan Prof. Dr. R. Mahrwald Prof. Dr. sc. H. Hennig Karl-Marx-Universität Leipzig Sektion Chemie DDR- 7010 Lei p z i g Liebigstra.fle 18 

Zur Ablagerung der industriellen Abprodukte: 13. Mitteilung: Ermittlung der Kultivierbarkeitswerte von abzulagernden Schadstoffen aus dem Experiment

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