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URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-20303
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2005/2030/


Landwirtschaftliche Nutzung organischer Siedlungsabfälle vor dem Hintergrund eines nachhaltigen Boden- und Verbraucherschutzes

Sustainable utilisation of organic municipal wastes in agriculture with special regard to protection of soils and consumers

Düring, Rolf-Alexander


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Freie Schlagwörter (Deutsch): Bodenkunde , Umweltchemie , Abfallwirtschaft , Ressourcenmanagement
Freie Schlagwörter (Englisch): Soil Sciences , Environmental Chemistry , Waste Management , Resources Management
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institut für Landschaftsökologie und Ressourcenmanagement
Fachgebiet: Agrarwissenschaften, Ökotrophologie und Umweltmanagement fachübergreifend
DDC-Sachgruppe: Landwirtschaft
Dokumentart: Habilitation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 02.07.2003
Erstellungsjahr: 2003
Publikationsdatum: 24.02.2005
Kurzfassung auf Deutsch: Mit der vorliegenden kumulativen Habilitationsschrift wird – nach einer Charakterisierung der Böden und der eingesetzten Abfälle – das Verhalten möglicher Kontaminanten dieses Systems auf verschiedenen Skalenniveaus beschrieben.

Zunächst wird der Boden in seiner Sensibilität als Puffer- und Abbaumedium anhand des Einflusses des Bearbeitungsregimes dargestellt. Eine langjährige Verringerung der Intensität der Bodenbearbeitung oder die Unterlassung derselben erhöhen beispielsweise den Humusgehalt an der Bodenoberfläche, der wiederum in hohem Maß für die Bindung von Schadstoffen im Boden verantwortlich ist.
Mit einem Übersichtsartikel wird die Relevanz der Verwertung organischer Abfälle auf der Fläche herausgestellt, die sich aus hohem Aufkommen bei begrenztem Deponieraum, weltweit limitierten Nährstoffreserven und politischen Vorgaben ergibt. Aus dieser Übersicht geht hervor, dass vor allem die Anreicherung einer unbekannten Zahl organischer Schadstoffe in diesen Abfällen deren flächenhafte Verwertung in Frage stellt. Weiterhin wird deutlich, dass hinsichtlich der Bestimmungsmöglichkeiten und der Vorhersagbarkeit der ökotoxikologischen Wirkung dieser Stoffe erheblicher Forschungsbedarf besteht.

Dem analytischen Nachweis von Organika in Böden und Abfällen widmen sich zwei Originalarbeiten, die hierzu neue Anwendungsmöglichkeiten der Mikrowellen unterstützten Extraktion präsentieren. Mit diesen Verfahren ist es möglich, selektiv und effizient z. B. polychlorierte Biphenyle (PCB) oder substituierte Phenole aus unterschiedlichen Feststoffen zu extrahieren. Derartige Methoden, die gegenüber herkömmlichen Verfahren eine deutliche Einsparung von Zeit und Lösungsmitteln bei vergleichbarer Nachweisempfindlichkeit bieten, sollten ein breiteres und vertieftes Monitoring organischer Schadstoffe in den unterschiedlichen Umweltkompartimenten ermöglichen.

Der grundlegende Prozess der Sorption, der wiederum das Verlagerungs- und Anreicherungsverhalten von Schwermetallen und organischen Schadstoffen bestimmt, wird von der Labor- bis zur Regionalskala in fünf Originalarbeiten behandelt.
Die Sorption von Nonylphenol, einer sich in anaerob behandeltem Klärschlamm anreichernden toxischen und hormonell wirksamen Verbindung, wurde erstmalig charakterisiert. Nach der Untersuchung anhand von 51 verschiedenen Böden konnte Nonylphenol ein verhältnismäßig lipophiles Verhalten mit einem logKOC von 3,97 zugesprochen werden. Die Analysen zeigten aber auch, dass das Sorptionsverhalten der zahlreichen Isomere des Nonylphenols unterschiedlich sein kann. Einer vermuteten unterschiedlichen östrogenen Wirksamkeit wurde in einer Studie auf der Basis des E-Screen-Assays nachgegangen. Da eine Trennung der Einzelisomere derzeit nicht möglich ist, und isolierte Standardsubstanzen dieser Isomere nicht verfügbar sind, wurden mittels präparativer GC sechs unterschiedliche Fraktionen des Nonylphenols gewonnen. Zwischen diesen Fraktionen konnten nur geringe Unterschiede ermittelt werden.

Mit zwei weiteren Publikationen wird das Anreicherungsverhalten und die Bioverfügbarkeit der über Kompost und Klärschlamm eingetragenen Schadstoffe im Rahmen von Feldversuchen vorgestellt. Hierbei zeigte sich, dass für den Verbleib sowohl der Schwermetalle als auch der untersuchten PCB der Humusgehalt des Bodens die entscheidende Rolle spielt.

Die Abhängigkeit der Schadstoffsorption von bestimmten Schlüsseleigenschaften der Böden gilt es zu quantifizieren, wenn – etwa im Zuge einer Risikoabschätzung – das Verhalten dieser Stoffe im Boden vorhergesagt werden soll. Zu diesem Zweck wurden mit einer Studie 159 Bodenproben hinsichtlich ihrer Sorptionskapazität für Cadmium und Arsen untersucht. Mittels multipler linearer Regression konnte für Cadmium der Beitrag wesentlicher Bodeneigenschaften an der Sorption quantifiziert und - über die Erstellung von Pedotransferfunktionen – eine Übertragung des Sorptionsverhaltens in andere Landschaften ermöglicht werden. Auf der Basis erweiterter Freundlich-Isothermen wird mit der letzten Publikation ein Entscheidungsmodell zur nachhaltigen Nutzung organischer Abfälle in der Landwirtschaft präsentiert. Mit diesem, auf der Quantifizierung der Sorptionskapazitäten für Cadmium, Blei und Zink basierenden Entscheidungsmodell kann dem Ziel einer nachhaltigen Nutzung organischer Abfälle auf unterschiedlichen landwirtschaftlichen Böden vor dem Hintergrund der Schwermetallbelastung näherungsweise entsprochen werden.
Für eine nachhaltige Nutzung organischer Abfälle in der Landwirtschaft bedarf es geeigneter Managementmethoden, für die zunächst verlässliche Kennzahlen (z. B. Qualitätsparameter zu Abfällen und Böden, Parameter zu den Stoffeigenschaften) sowie Kontroll- und Prüfinstrumente (analytische Nachweismethoden) bereit gestellt werden müssen. Unter diesen Voraussetzungen ist es wünschenswert, hochwertige Sekundärrohstoffdünger aus dem ländlichen Raum regional in der Landwirtschaft zu verwerten.
Kurzfassung auf Englisch: The first study in this work depicts the sensibility of soils to buffer the input of pollutants by results of long-term field experiments investigating different intensity of soil tillage. Both reduced soil tillage and no-tillage result in an enrichment of humus at the soil surface and stronger fixation of pollutants.

A review article emphasises the importance of the agricultural utilisation of organic wastes which is due to huge amounts of the wastes at a limited number of controlled landfills, globally limited nutrient resources, and political conditions. This review makes clear that the accumulation of an unknown number of organic pollutants is a questionable approach. The need to further improve analytical techniques and knowledge of the ecotoxicologal impact of those substances is also emphasised in this original paper.
New options to determine organic pollutants in soils and wastes are presented with two articles. The application of microwaves to solid samples provides selective and efficient extraction of i. e. polychlorinated biphenyls (PCB), and substituted phenols, respectively. Those methods, which significantly save time and solvent consumption, should allow for deeper and extensive monitoring of the different environmental media for organic pollutants.

Once introduced into the soil, the fertiliser-derived pollutants interact with the different soil constituents. Sorption as the fundamental process which determines translocation and accumulation of heavy-metals and organic pollutants, is discussed in five articles considering the different scales from a laboratory experiment up to the level of landscapes.

For heavy-metals a transition from the lab scale into regions can be performed, whereas the partition behaviour of many organic pollutants must be studied at first in small scale laboratory experiments. Hence, sorption of nonylphenol, a toxic and endocrine disrupting substance which accumulates in anaerobically digested sewage sludge, was characterised for the first time. Laboratory experiments with 51 different soil samples resulted in a logKOC of 3.97, indicating a comparatively lipophilic behaviour of nonylphenol. However, it was also shown that sorption behaviour of the various isomers of nonylphenol is likely to be different. Since complete separation into single isomers is presently impossible and isolated standards are not available, six fractions of the technical nonylphenol mixture were obtained by means of preparative GC. Those fractions were examined for their estrogenic activity with the E-Screen-Assay. As a result, only slight differences between fractions could be determined.

Two additional field studies report on accumulation and bioavailability of the fertiliser-derived pollutants. Here, it was shown that the content of organic matter in soil is the key factor determining the fate of heavy-metals and organic pollutants. The input of pollutants via waste application rates which conform to statutory limits was of minor importance. The same was true for untilled soils which received a topical application of the organic waste and therefore showed relatively higher concentrations of pollutants in the top 3 cm of soil analysed.

There is a need to quantify the dependence of sorption on certain key characteristics of the soil if – in terms of a risk assessment – the fate of such elements or compounds in soil should be predicted. To this end, 159 soil samples were studied for their sorption capacity for cadmium and arsenic. By means of multiple linear regression, the contribution of essential soil properties to sorption of cadmium to soil was quantified. This facilitated a transfer of the knowledge on sorption behaviour into other regions of different origin, land use, and climate. With the last publication, a decision support system for a sustainable utilisation of organic wastes in agriculture is presented. This decision support system, which is based on general purpose Freundlich isotherms, quantifies sorption capacities of cadmium, lead, and zinc, respectively, and provides the opportunity for a sustainable use of organic wastes in agriculture. Adapted to soil properties, nutrients derived from the wastes can be beneficially used without exceeding any limit values for the solid or the liquid phase of the soil in the long run.

The sustainable use of organic wastes in agriculture needs management methods with operating figures (i. e., quality indices for wastes and soils, parameters for substance properties) and control measures (high performance analytical procedures). Under these circumstances and specifications, high quality fertilisers derived from organic wastes may be regionally used in agriculture.