Beiträge zur Abschätzung des Verhaltens des endokrinen Disruptors Nonylphenol in terrestrische Ökosystemen hinsichtlich seines potenziellen Eintrags in Pflanzen

Abstract

Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war es, den Verbleib des endokrinen Schadstoffes Nonylphenol in terrestrischen Ökosystemen zu charakterisieren. In Laborexperimenten wurde die Affinität der Testsubstanz zu den verschiedenen Umweltmedien Boden, Wasser, Luft und Pflanze in einfachen wie komplexen Testsystemen untersucht. Unter dem Aspekt der landwirtschaftlichen Verwertung von Sekundärrohstoffen und der damit verbundenen Gefahr des Eintrags von Nonylphenol in den Boden und in die Nahrungskette kommt dem Verbleib von Nonylphenol in einem 2-Phasensystem Boden-Wasser fundamentale Bedeutung zu. Die Untersuchung der Sorption von Nonylphenol wurde mittels Batchversuchen vorgenommen. Diffenzierte Aussagen konnten durch experimentelle Varianten zum Studium der Sorption und der Desorption unter Gleichgewichtsbedingungen, der Sorptions- und Desorptionskinetiken und der Anwendung von Sorptionstests ohne intensive Durchmischung der Testmedien getroffen werden. Durch die Verwendung von 193 Bodenproben konnte eine Spanne von Sorptionsdaten erreicht werden. Die Sorptionskinetik war durch einen schnelle Stoffaufnahme von NP aus der Wasser- in die Bodenfestphase gekennzeichnet. Demgegenüber wurde der sorbierte Stoff nur langsam in die Flüssigphase desorbiert. Unter Gleichgewichtsbedingungen war die Affinität von NP zum Testbodenmaterial im Mittel um den Faktor 100 höher als zur flüssigen Phase. Die absoluten Niveaus der sorbierten Stoffmengen in Versuchen mit intensiver und unterlassener Durchmischung der beiden Phasen des Batchversuchs waren ähnlich hoch. Bei den Sorptionstests ohne intensive Phasendurchmischung stellte sich deutlich langsamer ein Gleichgewicht ein. Infolge einer Gleichgewichtseinstellung zwischen den NP-Fraktionen in der Bodenfest- sowie der Wasserflüssigphase wurde der Stoff in allen Versuchen nur schwer von der Bodenphase wieder freigesetzt. Die verwendeten Bodenproben beeinflussten die Sorptionsdaten maßgeblich. Die Bodenparameter der verwendeten Testböden wurden hinsichtlich ihres Einflusses auf die Sorption von NP mittels einer multiplen Regressionsanalyse untersucht. Die Modellansätze wurden in ihrer Komplexizität variiert und zeigten, dass Sorption und Gehalt an organischem Kohlenstoff eng zusammenspielen. Die Bodenreaktion besaß eine geringere Bedeutung; der Ton- und der DOM-Gehalt waren relativ unbedeutend. Ein komplexerer Versuchsansatz vereinte die Medien Boden, Wasser, Luft und Pflanze in einem Testsystem, das zur Untersuchung der Pflanzenaufnahme von Nonylphenol etabliert wurde. In den Experimenten konnte die Affinität von NP zur Bodenmatrix bestätigt werden. Radioaktive Spuren konnten in verschiedenen Pflanzenproben sowie in der Atmosphäre - als Summe von NP und möglichen Metaboliten und als radioaktives 14CO2 - gemessen werden. Die Pflanzenwurzeln zeigten dabei die höchsten Belastungen. Durch eine experimentelle Variante konnte die Bedeutung des atmosphärischen Aufnahmepfads gezeigt werden. Abschließend stellt sich der Boden als bedeutendste Senke für NP dar. In einem System aus Boden, Wasser, Luft und Pflanzen muss die Verlagerung von NP auf Grund dessen Affinität zur organischen Bodenmatrix als gering bewertet werden. Der metabolische Abbau der Testsubstanz wirkt gleichzeitig einer Pflanzenaufnahme entgegen, so dass prinzipiell die Gefahr eines NP-Eintrags in die Nahrungskette über den Pfad der landwirtschaftlichen Ausbringung von Sekundärrohstoffen als gering einzuschätzen ist. Im Bereich vom Kläranlagenabläufen ist jedoch mit erhöhten NP-Konzentrationen in der Luft zu rechnen, wodurch die unmittelbare Umgebung dieser Gewässer möglicherweise exponiert ist. Aim of the study was the characterisation of the fate of nonylphenol (NP) in terrestrial ecosystems. The affinity of nonylphenol towards the environmental media soil, water, air, and plants was investigated by means of laboratory experiments. To estimate the hazadous potential of the application of sewage sludge and composts contaminated with nonylphenol, the fate of the substance in soil and water becomes fundamental. The investigation of NP´s sorption was performed by batch equilibrium experiments. Focus of this work was to achieve information about sorption and desorption under equilibrium condition, sorption and desorption kinetics, and sorption experiments without equilibrating treatment of the samples. Due to using a large sample pool (n=193), a wide range of data was obtained. Sorption kinetics showed a fast uptake of NP from water into soil. The desorption kinetic was slow. Under equilibrium condition, the affinity of NP was about 100 times higher towards soil material than towards water. The sorption process proved to be slow when shaking of the test vessels was omitted, nevertheless the sorption rate was on a similar level as under fast equilibrating conditions. After sorption, NP re-release into water was low. Soil parameter data were used to assess their impact on NP sorption with means of multilinear regression analysis. Variation of model approaches showed that the content of soil organic carbon correlate with the sorption of NP. Soil acidity also influenced the sorption, whereas soil´s clay content and the content of dissolved organic carbon were of low significance.Another testsystem was established to evaluate the fate of NP in the media soil, water, air, and plants using barley plants (Hordeum vulgare). The affinity of NP towards soil material was the most important factor in these experiments. 14C were found in plant material as well as in the air only on trace levels. Metabolism also influenced the system due to the occurrence of radioactive 14CO2. In the test plants, the plant root was the most contaminated part of the plants. By varying the test conditions, NP proved to be volatile and migrated to the plant leaves via the air of the test system. To draw a conclusion, the soil showed the highest significance for the fate of NP. In terrestrial ecosystems which are influenced by the amendment of sewage sludge and composts, the water, air, and plant phases are hardly influenced by NP due to its affinity to the soil matrix. Metabolism also affects NP at the same time. In general, the potential of NP to reach the food chain via sewage sludge and composts tends to be very low. Nevertheless, one has to keep in mind that NP can reach the air phase. Sewage plants effluents can act as a source for volatile NP which potentially reaches the environment.