Organiske forureningsstoffer: Hvad kan jorden ordne?

1. Organiske forureningsstoffer:Hvad kan jorden ordne? 11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen Hans Christian Bruun Hansen (haha@kvl.dk) Jordbunds- og Miljøkemi Institut for Grundvidenskab KVL

2. Tyve minutter om..... 11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen • Jordreaktoren og filterfunktionen  Vandmiljøet • Organiske forureningsstoffer i det åbne land • “Klassisk” estimering af jordkvalitet – How? • Jordens “bonitet” som filter: Hvad er det vi skal måle på? • Flaskehalse: Kritiske processer for filterfunktionen • Eksempler: i) Pesticid, ii) Naturligt toksin, iii) Hormoner • Fremtiden?

3. Jordens funktioner 11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen Økosystem funktioner F1: Produktion af biomasse (foder/fødevarer, non-food, energi) F2: Filter (filtrering, nedbrydning, neutralisation) F3: Habitat for dyr og planter (artsdiversitet, genetisk reserve) Antropogene funktioner F4: Fysisk medium for anlæg (huse, veje, lossepladser) F5: Kilde til råmaterialer (sand, ler, humus) F6: Beskyttelse af kulturværdier (fortidsminder, kulturlandskaber)

4. Jordreaktoren 11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen F3 F1 F2

5. Filter-materialet 11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen Nedbrydning • Filtermaterialet: • lagdelt (horisonter) • den biologisk aktive del primært i A-horisonten • den abiotisk-aktive del ofte i underjorden • at lagene har vidt forskellig sammen-sætning og egenskaber • heterogent på alle målestoksforhold • makroporer med deres eget miljø Ap Sorption Eg Btg Transport Cg • i opløsning • på partikler

6. Organiske forureningsstoffer i det åbne land- eksempler - 11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen Glyphosat MCPA LAS “AOX” Ptaquilosid Zearalenon Estradiol-konj. Tetracyklin Benzanthracen

7. Hvad er jordkvalitet? 11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen Soil quality is the capacity of soil to function, within ecosystem and land-use boundaries, to sustain biological productivity, maintain environmental quality, and promote plant, animal, and human health (Doran & Parkin, 1994) • Jordkvalitet bestemmes typisk i forhold til én funktion • Funktionen oftest knyttet til en bestemt arealanvendelse • NB! Funktionerne kan være i konflikt med hinanden (f.eks. høj biomasseproduktion >< effektivt filter)

8. Jordkvalitetsindeks 11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen SQI = f(q1, q2,......qn) hvor f er en funktion og qi er jordkvalitetsindikatorer For flere jordfunktioner, da sammenvejet SQ: SQ = g(SQI1, SQI2, ...... SQIm) Jordbundsindikatorer: Jordbundsegenskaber relateret til den aktuelle funktion. F.eks: Fysiske: tekstur, vandkapacitet, vol. vægt, infiltration, aggregat-stabilitet Biologiske: regnorme, mikrobiel biomasse, respiration Kemiske: total C and N, pH, ekstraherbart N, P and K, CEC, Feox + Alox

9. “Klassisk SQI approach” 11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen • Hvilke “behandlinger” skal sammenlignes? • Hvilke “management goals” er der for funktionen? • Vælg indikatorer, der er relateret til jordfunktionen • Find det sæt af indikatorer (MDS), der bedst forklarer variationen mellem jordbehandlinger og giv dem vægte (Wi).Tjek overfor “management goals” • Etablér scoringsfunktioner (Si) for indikatorerne (f.eks. 0 – 1), d.v.s. indikatorernes indflydelse på funktionen • Udregn SQI:

10. Anvendelse af SQI - eksempel 11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen Andrews et al. (2002): SQI anvendt på grønsagsproduktion til at demonstrere forskelle mellem gødningsstrategier (org./uorg.) på gårdniveau • Behandlingsformer: Husdyrgødning, kompost, ‘organic’, mellemstadie, konventionel • MDS (PCA analyse): SOM, EC, pH, WSA, Zn og BD (målt i pløjelaget). • Vægte (Wi): 0.61, 0.61, 0.16, 0.16, 0.14 og 0.09 • 3. Scoringsfunktioner; baseret på litteratur og koncensus.

11. Anvendelse (fortsat) 11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen 4. Bestemmelse af SQI for de forskellige behandlinger Kun én indikator fik betydning: SOM • Kritik: • Scoringsfunktionerne – er de for subjektive? • Management goals • Kun Ap horisonten • Tidskrævende Andrews et al. (2002) Agron. J. 94: 12 - 23

12. Organiske forureningsstoffer og SQI- spørgsmål vi kunne stille - 11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen • Hvad er de kritiske egenskaber/processer m.h.t. jordens filterfunktion? • Hvilke jordkvalitetsindikatorer skal vi da overveje? • Hvilke “management goals” vil vi bruge? • (konc. > grænseværdi?, toksicitet, vandets totale kvalitet/brugsmuligheder/”salgspris”, udvasket mængde, “nedslidning” af filtermaterialet • Hvordan formulerer vi scoringsfunktionerne? Nogle indikatorer (f.eks. pH) påvirker mange processer

13. Kritiske processer (flaskehalse) 11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen • Sorptionskapacitet og bindingsstyrke • Sorptions-/ desorptions-kinetik • Nedbrydnings-reaktioner • Nedbrydningskinetik • Metabolitdannelse • Toksicitet • Transport SOUND

14. Indikatorer - eksempler 11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen Generelle: pH, redoxtilstand, temperatur, vandindhold, jordvæskens ledningsevne, SOM, mikrobiel respiration, tekstur, hydraulisk ledningsevne, volumen-vægt, makroporer, horisonttykkelse Specifikke:  nedbryderart (eller -gen), enzym-aktivitet, enzym-kinetik, overfladearealet af specifikke mineraler, sorbentens overfladeegenskaber, desorptionskinetik, jordvæskens speciering, egenskaber af DOM

15. Eksempel 1: Dichlobenil 11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen • BAM bindes meget svagere (Kd < 1) end Dichlobenil • Enkelte jorde kan nedbryde BAM - MDS - Indikator Vægt Specifik enzymakt.H (eller nedbrydergener) Indhold af dichlobenil H SOM og SOM-type M Redox-tilstand M Måske lertype L Transportegenskaber H Holtze, 2004

16. Eksempel 2: MCPA-I 11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen • Nedbrydning og mineralisering af MCPA i jord under samtidig detektion af frekvensen af tfdA genet (DNA) der koder for dioxygenasen i første nedbrydningstrin. • Lignende forsøg viser induktion af tfdA-mRNA, men detektionen er vanskelig. • mineralisering • nedbrydning • tfdA

17. Eksempel 2: MCPA-II 11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen - MDS - Indikator Vægt Nedbrydergener H Indhold af MCPA M SOM H Redox-tilstand M Transportegenskaber H Nedbrydning af MCPA i jord hvor MCPA bindes med forskellig styrke Nedbrydningshastighed afhænger af hvor stærkt MCPA er bundet i jord Jensen et al. (2004)

18. Eksempel 3: Ptaquilosid 11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen Carcinogent stof i Ørnebregne • Bindes stærkt • Ikke toksisk • Bindes ikke • Carcinogent Rasmussen (2003) - MDS- Indikator Vægt Pta i jord/tilførsel H pH H Enzymaktivitet M SOM M Lertype L Transportegenskaber M Hydrolyse-hastighed vs pH

19. Eksempel 4:Steroid østrogener 11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen • Tilføres landbrugsjord primært med gylle. • Bioaktivitet i meget lave koncentrationer (ng L-1) • Konjugerede former bindes svagt; omvendt for ukonjugerede former • Hurtig “nedbrydning” af de aktive hormoner i jord (timer – dage); langsom mineralisering • Evt. dannelse af polære metabolitter, der har hormon-effekt - MDS- Indikator Vægt Dekonjugeringshast. H Bioaktive metabolitter H Hormon-aktivitet (assay) H Total-mængde i jord M SOMM Ler M Transportegenskaber M

20. Eksempel 5: Zearalenon 11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen Sorption t1/2 7 – 20 dage (25 oC) Kd 50 – 150 L kg-1 - MDS- Indikator Vægt Nedbrydningshast. H Bioaktive metabolitter H Total-mængde i jord M SOM? Ler ? Transportegenskaber M • ZON produceres af Fusarium spp. • Bindes stærkt • Nedbrydes relativt hurtigt • Metabolitter kan være bioaktive og bindes formentlig svagere

21. Og så var der scoringsfunktionernerne.. 11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen scoringsværdi Indikator-værdi 1.0 1.0 1.0 [polær metabolit] [hydrolyse-pH] [nedbrydergen]

22. Konklusion 11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen • De specifikke (molekylære) indikatorer får høj vægt (f.eks. enzymaktivitet, gen-koncentration, specifik sorbent) • Indikatorerne til dels afhængige af stoffet • Forureningsstof-koncentration og jordens transportegenskaber vil altid være del af MDS • Oftest én eller nogle få indikatorer der er afgørende for det enkelte stofs udvaskning (flaskehalse) • Kritiske indikatorer ofte dynamiske – ændres over tid, afhængig af arealanvendelsen, forhistorien..... • SQI skal udvikles så det omfatter både over- og underjord • SQI paradigmaet sætter fokus på kritiske processer

23. Fremtiden 11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen • Fremtidens SQ system baseres på en transportmodel, kritiske indikator-data og estimering af udvaskning • Det centrale er at identificere “flaskehalsene” (hastigheds- eller kapacitetsbegrænsende faktorer) • Udvikling af sensorer (indikatorer) der responderer på enzymer, gener, specifikke forureningsstoffer, eller som måler for biologisk effekt (toksicitet, hormonaktivitet...) SQI Field Kit

24. 11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen Inderlig jeg længes efter vår, men vinteren strænges; atter vinden om til nord! Kom, sydvest, som frosten tvinger, kom med dine tågevinger, kom og løs den bundne jord!