Arsenic uptake and specification in forage plants of contaminated sites on the example of the mining-affected floodplains of Ogosta river, Bulgaria
Final Report Abstract
Arsen (As) ist ein biotoxisches Element, dass durch natürliche Vorkommen aber auch anthropogene Nutzung weitverbreitet in der Umwelt vorliegt. Da es natürlicherweise oft mit Sulfiderzen, die reich an abbaubaren Metallen sind, assoziiert vorliegt, war und ist die Gewinnung von Erzen eine potentielle Quelle für die Freisetzung von Arsen. So wurden in der Vergangenheit weitreichende Gebiete kontaminiert und Arsen hat sich wie beispielsweise entlang des Ogosta Rivers in Bulgarien vor allem in den Flussauenböden abgelagert und weit über die Hintergrundgehalte angereichert. Da diese Flächen von der Bevölkerung als Weide- oder Ackerland genutzt werden, besteht durch diese starke Kontamination lokal ein potentielles Gesundheitsrisiko für Mensch, Tier und Umwelt. Hintergrund des Projektes war zum einen den Kontaminationsgrad der Pflanzen entlang des Ogosta Rivers zu ermitteln. Zum anderen sollte untersucht werden, inwieweit Bodenarsen- und Bodenphosphatgehalte und deren Konzentrationsgefälle einen Einfluss auf die Arsenaufnahme und dessen Akkumulation in der Pflanze haben. In diesem Zusammenhang wurden Boden- und Pflanzenproben entlang eines Transekts untersucht sowie die pflanzeneigene Arsen-Phytochelatin-Komplexierung mittels IC-ICP-MS/ESI-MS analysiert. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass im Bereich der Flussaue Bodenarsengrenzwerte für Acker-/ Grünlandnutzung (25 bzw. 30 µg/g) neben anderen Elementen wie Blei und Zink um ein vielfaches überschritten sind. Auch in den untersuchten Futterpflanzen (Dactylus glomerata, Holcus lanatus und Trifolium repens) reicherte sich Arsen über die zulässigen Futtermittelgrenzwerte von 2 µg/g an. Die Gehalte variierten jedoch nach Pflanzenart und Lokalität. Tendenziell nahm die Belastung der Böden sowie der Arsengehalt in den Pflanzen von den hochkontaminierten Standorten nahe der Chiprovtsi Mine mit bis zu 20950 µg/g Boden-As bis hin zum Zufluss des Ogosta Rivers in das Ogosta Reservoir (90 µg/g Boden-As) und weiter hin zur Donau ab. Für die untersuchten Pflanzen zeigten die Gräser (0.5-13.8 µg/g As) gegenüber dem Klee (0.9-27.3 µg/g) eine geringere Arsenakkumulation im Pflanzengrün und in den Wurzeln, in denen aber der Hauptanteil von Arsen festgelegt ist und dort ca. 10-fache Gehalte im Vergleich zur oberirdischen Biomasse erreicht. In einem Transekt oberhalb des Ogosta Reservoirs wurden detaillierte Studien an Holcus lanatus und Trifolium repens vorgenommen. Im Transekt liegt ein Gefälle von Arsen vom Fluss aus (970 µg/g) in Richtung der Upper floodplain mit Hintergrundgehalten (26 µg/g) vor. Während Holcus lanatus keine signifikante Korrelation mit dem Verlauf des Bodenarsengehaltes im Transekt zeigt, spiegelt sich in Trifolium repens gut der Zusammenhang Boden- und Pflanzenarsen wieder. Im Bereich der Upper Floodplain werden sowohl für Boden als auch für die untersuchten Pflanzen die entsprechenden Grenzwerte unterschritten. Die Verhältnisse von As/P (Olsenextrakte) nehmen von As/PO43- 3.4 in Flussnähe auf etwa 0.1-0.8 ab. Die Arsenaufnahme zeigte aber keine signifikante Korrelation mit verfügbarem Phosphat, obwohl Bodenarsen als auch in den Extrakten Arsen als Arsenat vorlag und somit durchaus eine Konkurrenz der beiden Spezies bestehen könnte. Trotz der Akkumulation von Arsen in Wurzeln und der grünen Biomasse zeigten die Pflanzen visuell keinerlei Toxizitätserscheinungen, obwohl die in der Literatur angegebenen Toleranzwerte für Pflanzengewebe überschritten waren. Neben Hyperakkumulation oder Arsenaufnahme-gesteuerten Toleranzmechanismen wie bei Holcus lanatus ist die Bildung von (Homo-)Phytochelatin-Arsen Komplexen ein pflanzeneigener Schutzmechanismus gegen die toxische Wirkung von Arsen. Beide untersuchte Pflanzen (Holcus lanatus und Trifolium repens) haben Phytochelatin-Arsen-Komplexe gebildet. Jedoch zeigte sich auch, dass wie bei Laborversuchen aus Literaturangaben ein grosser Teil des Arsens als Arsenit, d.h. in der mobileren Form, vorliegt. Trotz dessen wurde Arsen hauptsächlich in der Wurzel festgelegt und wie auch für die Totalgehalte folgen die Arsenkonzentrationen der Reihenfolge Wurzel>Spross>Blatt. Wesentlicher Unterschied zwischen beiden Pflanzen neben der höheren Arsenakkumulation in Trifolium repens war die Ausbildung von As-PC3 und GS-As-PC2-Komplexen mit Glycin- und Glutaminsäureendgruppen bei Holcus lanatus und As-PC3, As-(PC2)2 und GS-As-PC2 mit Alanin- und Glycinendgruppen bei Trifolium repens. Die Studie macht deutlich, dass Pflanzen unter natürlichen Bedingungen durch pflanzeneigene Schutz- und Anpassungsmechanismen auch auf stark kontaminierten Flächen wachsen können. Für das Gebiet des Ogosta Rivers sollte jedoch die Überschreitung der Grenzwerte für Futtermittel in Flussnähe und damit die mögliche Aufnahme durch die Weidetiere nicht unterschätzt werden und Anlass zu intensiverem Monitoring geben.
