Luftgüte-Rindenmonitoring
Entwicklung und Erprobung eines neuen Probenahmegerätes und Verfahrens für ein Screening von Immissionsdepositionsbelastungen


Posterpräsentation BMELF-Tagung „Dauerbeobachtungsflächen zur forstlichen Umweltkontrolle (Level II) - Eine Zwischenbilanz“, Bonn 1.12.1999

F. Hofmann, Ökologiebüro, Bremen
U. Schlechtriemen, Sachverständigenbüro, Nörten-Hardenberg
W. Wosniok, Institut f. Statistik, Universität Bremen
U. Siemers, P. Stolz, Bremer Umweltinstitut GmbH, Bremen
A. Giesemann, Institut f.Agrarökologie, Braunschweig
M. Duve, Indikator GmbH, Wuppertal
G. Bracke, Centre de Geochimie de la Surface, Strasbourg


Ziele und Aufgaben
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Abb. 2 & 3: Probenstandorte in Deutschland und im Raum Bremen


Im Rahmen eines FuE-Vorhabens des Landes Bremen wurde ein neues Probenahmegerät und Messverfahren zur Bestimmung von Immissionsdepositionsbelastungen auf der Basis des Passivsammlers Baumrinde entwickelt, das auch die Möglichkeit eines Fingerprintings von Schadstoffverursachern zuläßt. Hintergrund ist der Einsatz bei der Emittentenüberwachung. Für ausreichend sichere Aussagen mit den derzeitig verfügbaren technischen Verfahren (Sammlern, kontinuierliche Messungen) sind auf Grund der üblicherweise hohen Variabilität der Luftbelastung langfristige, eigentlich mehrjährige Erfassungen notwendig, was z.B. in der Genehmigungspraxis für Industrieanlagen oder Schadensbeurteilungen kaum eingehalten werden kann. Die Rinde von Bäumen ist den Luftschadstoffen hingegen über mehrere Jahre ausgesetzt und akkumuliert diese in den äussersten Rindenschichten. Zudem handelt es sich bei der Borke um totes Gewebe, das keine störenden Wachstumszyklen oder metabolische Prozesse aufweist, wie dies bei anderen pflanzlichen Bioakkumulatoren der Fall sein kann.
Baumrinde wurde bereits seit längerem in der Literatur als hervorragend geeigneter Bioakkumulator beschrieben (Walkenhorst et al. 1993, Schulz et al. 1997), jedoch bestanden noch offene Fragen im Hinblick auf eine vergleichbare Probenahme. Das neu entwickelte Probenahmegerät erlaubt nunmehr eine Standardisierung des Rindenmonitoring. Mit dem Gerät kann die Entnahme von Baumrinde in definierter Schichtdicke unter pro-Analysis-Bedingungen erfolgen, so daß mit einer einzigen Beprobung die Bestimmung der mittleren Immissionsdepositionsbelastung für zahlreiche akkumulierbare und persistente Umweltschadstoffe auf vergleichbare Weise möglich wurde.



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Abb. 4: Typischer Probenahmestandort für Standarderhebung


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Abb. 5: Entnahme der äußeren Borkenschicht mit dem neuen Rindenprobenehmer


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Abb. 6: Die fein gemahlene Rindenprobe kann direkt im PP-Probenahmebeutel tiefgefroren und ans Labor geschickt werden


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Abb. 7 & 8: Immissionsgradienten


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Abb. 9: S-Depositionsbelastungen


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Abb. 10: Standortimmissionsprofil


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Abb. 11: Standortimmissionsprofil

Validierung des Luftgüte-Rindenmonitoring
Für die Validierung des Verfahrens wurden 54 Standorte in der Umgebung von Emittenten und Messstationen des Bundes und der Länder mit bekannter Luftbelastung z.T. mehrfach beprobt, so daß über vorhandene Gradienten eine präzise Prüfung des Verfahrens ermöglicht wurde. Die Standard-Erhebungen wurden an Eiche unter standardisierten Bedingungen durchgeführt, vergleichbar mit denen von Immissionsmessstationen (freie Anströmbarkeit; exponierte Bäume, Alter über 60 Jahre). Zudem wurden weitere Baumarten und immissionsökologisch abweichende Standortverhältnisse berücksichtigt, wie z.B. Waldbestände (Level II - Standorte, Ökosystemforschungsflächen, exponierte und geschützte Lagen).


Analytik und Repräsentativität

Die Analytik der Rindenproben umfasste folgende Stoffe:



Zur Prüfung der Repräsentativität wurden 25 Standorte doppelt beprobt, verschiedene Erhebungszeiten berücksichtigt und ein interner Rindenstandard bei jeder Serie parallel mitgemessen.
Die statistische Auswertung ergab stoffspezifische Variationskoeffizienten von im Mittel 9% für die Analytik und von 14% für das Verfahren insgesamt bei Doppelbeprobung und deutlich unter 10% bei Mehrfachproben. Die Güte des Luftgüte-Rindenmonitoring kann daher mit bisherigen standardisierten technischen Erfassungsmethoden zur Luftbelastung zumindest als vergleichbar gewertet werden. Ein wesentlicher Grund für die gute Reproduzierbarkeit kann darin gesehen werden, daß der Biomonitor Baumrinde die Schadstoffe über mehrere Jahre akkumuliert und somit die Luftbelastung integrierend über die starken tages- und jahreszeitlichen Schwankungen hinweg erfasst.



Ergebnisse aus der Gradientenprüfung

Mit dem Rindenmonitoring ließen sich die bekannten Gradienten in der Umgebung der Emittenten für die entsprechend relevanten Stoffe signifikant erfassen. In der Umgebung der Stahlwerke in Bremen finden sich maßgebliche Immissionsgradienten für Metalle wieder, u.a. für Fe, Co, Cr, Mn, Nb, Ni und V, die allesamt typisch für den Stahlerzeuger sind (V in Abb. 7). Dasselbe gilt für die Blei- und Zinkhütte in Nordenham für dort typische Stoffe wie u.a. Pb, Sb, In, Cd und Zn (Sb in Abb. 8). Ebenfalls aus Abb. 7 ist die Antimon-Belastung an den verkehrsbelasteten Standorten ersichtlich. Diese weisen zudem ein typisches Stoffspektrum bei den PAK und Pb-Isotopen auf.

Ergebnisse aus den Level II - Erhebungen

Die Level II - Standorte lassen sich in ihrer Immissionsbelastung über einen standardisierten Luftgüte-Rindenmonitoring-Index stoff- und standortübergreifend bewerten. Grundlage bildet die Verteilung der Messwerte über alle Standorte, aus der sich die stoffspezifischen log-normal-Schätzkurven für die BRD berechnen und die jeweilige Grundbelastung als 10% - Quantil ableiten lassen. Für jeden Standort und Stoff kann dann die jeweilige Belastung anschaulich als Vielfaches der Grundbelastung ausgedrückt werden. In Abb. 9 finden sich die Ergebnisse zur Depositionsbelastung von Schwefel für 15 Waldbestände (grüne Balken). Deutlich ist die hohe S-Belastung der beiden Standorte aus Sachsen und S.-Anhalt zu erkennen, während auf der anderen Seite einige in Brandenburg, Meckl.-VP., Nieders. und Bayern Referenzniveau aufweisen. Interessant sind auch Vergleiche mit Ergebnissen von benachbarten Standorten der Luftmessnetze (blau).



Immissionsprofile, Screening, Fingerprinting

Die Abb. 10 + 11 enthalten sogenannte Standort-Immissionsprofile. Aus ihnen läßt sich übersichtlich für jeden Stoff erkennen, inwieweit am Standort eine geringe, mittlere oder hohe Belastung vorliegt, gemessen am Industriestandort Deutschland. Abb. 10 zeigt das Immissionsprofil für Colditz in Sachsen als Beispiel für eine allgemein hohe Belastung mit S (7. Balken) und anderen industriellen Schadstoffen. Im Vergleich dazu in Abb. 11 das Profil für den Standort Forellenbach im Nationalpark Bayerischer Wald. Dort sind die Belastungen für S sowie auch insgesamt als gering einzustufen. Für ein Screening sind kritische Belastungen unmittelbar erkennbar: Auffällig sind insbesondere Cs und Rb. Rb findet als Färbemittel in der Glasindustrie Anwendung, die dort verbreitet ist. Die Muster erlauben ein Fingerprinting von Immissionseinflüssen.


Fazit

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Aktualisiert am 31.08.00, Frank Müller