VDI 3957 Blatt 17-2009 Biological measurement procedures to determine and assess effects of air pollutants on plants (bioindication) - Active monitoring of the heavy metal load wit.pdf

1、ICS 13.040.20 VDI-RICHTLINIEN Juli 2009July 2009VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE Biologische Messverfahren zur Ermittlung und Beurteilung der Wirkung von Luftverunreinigungen (Bioindikation) Aktives Monitoring der Schwermetallbelastung mit Torfmoosen (Sphagnum-bag-technique) Biological measuring procedur

2、es to determine and assess effects of air pollutants on plants (bioindication) Active monitoring of the heavy metal load with peat mosses (Sphagnum-bag-technique) VDI 3957 Blatt 17 / Part 17 Ausg. deutsch/englisch Issue German/English Der Entwurf dieser Richtlinie wurde mit Ankndigung im Bundesanzei

3、ger einem ffentlichen Einspruchverfahren unterworfen. Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The draft of this guideline has been subject to public scrutinity after announcement in the Bundesanzeiger (Federal Gazette).The German version of this guideline shall be taken as authori-ta

4、tive. No guarantee can be given with respect to the English translation. Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN Normenausschuss KRdL Fachbereich Umweltqualitt VDI/DIN-Handbuch Reinhaltung der Luft, Band 1a: Maximale Immissions-Werte VDI-Handbuch Biotechnologie, Band 2: Umwelt-Biotechnologie

5、Vervielfltigung auch fr innerbetriebliche Zwecke nicht gestattet / Reproduction even for internal use not permittedFrhere Ausgabe: 04.08Entwurf, deutsch Former edition: 04/08 Draft, inGerman only Zu beziehen durch / Available atBeuthVerlagGmbH, 10772 BerlinAlleRechtevorbehalten/ All rights reserved

6、VereinDeutscherIngenieuree.V., Dsseldorf 2009 Inhalt Seite Contents Page Vorbemerkung . 2 Einleitung. 2 1 Grundlage des Verfahrens . 3 2 Methode . 5 2.1 Auswahl, Beschaffung und Vorbereitung von Moosmaterial fr die Exposition 5 2.2 Exposition 5 2.3 Chemische Analyse 7 3 Bewertung der Ergebnisse 8 Sc

7、hrifttum 11 Preliminary note .2 Introduction 2 1 Basics of the method3 2 Method .5 2.1 Selection, acquisition and preparation of moss samples for the exposition .5 2.2 Exposition 5 2.3 Chemical analysis.7 3 Evaluation of the results.8 Bibliography.11 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9Nor

8、mCD - Stand 2012-04 2 VDI 3957 Blatt 17 / Part 17 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2009 Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unterBeachtung der Vorgaben und Empfehlungen derRichtlinie VDI 1000. Alle Rechte, insbesondere das des Nachdrucks, derFo

9、tokopie, der elektronischen Verwendung und derbersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstn-dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wah-rung des Urheberrechts und unter Beachtung derLizenzbedingungen (www.vdi-richtlinien.de), diein den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich

10、 Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieserVDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt. Preliminary note The content of this guideline has been developed instrict accordance with the requirements and rec-ommendations of the guideline VDI 1000. All rights are reserved, including those of rep

11、rint-ing, reproduction (photocopying, micro copying),storage in data processing systems and translation,either of the full text or of extracts. The use of this guideline without infringement ofcopyright is permitted subject to the licensing con-ditions specified in the VDI Notices (www.vdi-richtlini

12、en.de). We wish to express our gratitude to all honorarycontributors to this guideline. Einleitung Zunehmende anthropogene Verschmutzung nahezualler kosysteme und die damit einhergehendennegativen Auswirkungen auf Pflanzen, Tiere undMenschen fhrten zum Aufbau umfangreicherMonitoringprogramme zur kon

13、tinuierlichen ber-wachung der Umweltsituation. Eine wichtige Auf-gabe der Umweltberwachung ist die Indikationvon Schwermetalleintrgen. Whrend einigeSchwermetalle zu den essentiellen, das heit inbestimmten Konzentrationsbereichen lebensnot-wendigen Pflanzennhrstoffen zhlen (z. B. Kup-fer, Mangan und

14、Zink), wirken andere, z. B. Blei, Cadmium, Chrom und Quecksilber, bereits in sehrgeringen Konzentrationen toxisch 1. Neben her-kmmlichen Immissionsmessungen, die berwie-gend auf physikalisch-chemischen Messmethodenberuhen, kommen alternative Methoden unter Ein-beziehung lebender Organismen zur Beoba

15、chtungder Umweltsituation, sogenannte Bioindikatoren,immer hufiger zum Einsatz. Aufgrund ihrer anatomischen und physiologischenVoraussetzungen eignen sich Moose als Bioindika-toren fr Schwermetallbelastungen besser als diemeisten Bltenpflanzen 2; 3; 4: Die meisten Moose sind immergrn und mehr-jhrig

16、und knnen somit ganzjhrig als Bioin-dikatoren fungieren. Das Fehlen einer echten Kutikula und einerdifferenzierten Epidermis ermglicht die direkte Aufnahme der Schwermetalle durch die Moos-oberflche. Moose besitzen keine zur Stoffaufnahme ausdem Boden ausgebildeten Organe; sie absorbie-ren Mineralie

17、n, Nhrstoffe und Wasser direktaus der Luft. Die Moosoberflche besitzt negativ geladeneGruppen, die als effektive KationenaustauscherIntroduction Increasing anthropogenic pollution of almost allecosystems and the accompanying negative effectson plants, animals and humans led to extensivemonitoring pr

18、ogrammes for the continuous surveil-lance of the environment. An important aspect ofthe surveillance of the environment is the observa-tion of heavy metal burdening. While some heavymetals, e.g. copper, manganese and zinc withincertain bounds of concentrations are essentialnutrients for plants, othe

19、rs e.g. lead, cadmium,chromium and mercury are toxic even in verysmall quantities 1. Besides conventional methodsof ambient air monitoring based on physico-chemical measurements, alternative methods usingorganisms as bioindicators for the surveillance ofthe environment are used more and more often.

20、Because of their anatomical and physiologicalproperties, bryophytes are better suited as bioindi-cators for heavy metal burdening than most phan-erogams 2; 3; 4: Most bryophytes are evergreen and perennialand can therefore be used as bioindicators year-round. Since bryophytes neither have a true cut

21、icle nora differentiated epiderm, they can incorporateheavy metals directly via their surface. Bryophytes do not have organs for taking upnutrients from the soil, they take up minerals,nutrients and water directly via their surface. The surface of bryophytes has negativelycharged groups, which make

22、for an effectiveB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2009 VDI 3957 Blatt 17 / Part 17 3 agieren. Sie nehmen Schwermetalle aus dernassen und trockenen Deposition auf. Moose knnen Schwermetalle in einer Konz

23、en-tration speichern, die fr andere Pflanzen to-xisch ist, ohne dass dies einen Einfluss auf denZellstoffwechsel hat. Zahlreiche Moosarten sind sehr widerstandsf-hig und knnen regenarme Perioden, Frost undweitere, fr andere Pflanzen oft lebensbedrohli-che Situationen berleben. Die groen Areale von M

24、oosarten ermglichendie Verwendung von Arten, die auch in gro-rumigen Untersuchungen durchgngig vor-kommen. Viele Moosarten sind schwermetallresistent undwachsen auch in belasteten Gebieten. Die angefhrten Vorteile des Biomonitorings unterEinsatz von Moosen wurden von zahlreichen Auto-ren besttigt. Z

25、usammenstellungen von Arbeitenber Moose als Bioindikatoren fr Schwermetall-belastung wurden u. a. publiziert von 4; 5; 6; 7; 8.In der Umweltberwachung werden grundstzlichzwei Verfahren des Monitorings unterschieden: Passives Monitoring: Untersuchung von im Untersuchungsgebietvorhandenen (wild lebend

26、en) Organismen Aktives Monitoring: Untersuchung von Organismen, die nach einemstandardisierten Verfahren in das Untersu-chungsgebiet eingebracht werden. Im Rahmen des passiven Monitorings werdenMoose unter der Schirmherrschaft des NordicCouncil of Ministers flchendeckend zur Kontrolleder Schwermetal

27、lbelastung in ganz Europa einge-setzt 9; 10. Im Rahmen dieses passiven Monito-rings werden wildwachsende Moospolster derLaubmoose Pleurozium schreberi, Scleropodiumpurum, Hypnum cupressiforme oder Hylocomiumsplendens in einem Proberaster entnommen unddas erhaltene Probenmaterial auf ihre Schwerme-ta

28、llgehalte analysiert. Bei dem im Folgenden vorgestellten Verfahren,der Sphagnum-bag-technique handelt es sich umein Verfahren des aktiven Monitorings. cation exchange, they take up heavy metalsfrom wet and dry deposition. Bryophytes can accumulate heavy metals toconcentrations toxic for most higher

29、plantswithout having their metabolism impaired. Many bryophytes are very resistant and cansurvive dry conditions, frost or other situationswhich could be dangerous for other plants. The wide distribution of many brypophyte spe-cies makes it possible to use one and the samespecies as bioindicator thr

30、oughout even largeinvestigation areas. Many bryophyte species are resistant to heavymetals and occur even in heavily burdened areas.These advantages of using bryophytes for biomoni-toring listed above are supported by many authors.Overviews of literature on bryophytes as bioindica-tors for heavy met

31、al burdening are found in 4; 5;6; 7; 8. There are two fundamental strategies of monitoringin biosurveillance: Passive monitoring: Examination of organisms which occur natu-rally in the investigation area. Active monitoring Examination of organisms that were placed intothe investigation area accordin

32、g to standardizedprocedures. In connection with activities under the UNECEConvention on Long-range Transboundary AirPollution mosses are applied in a passive“ moni-toring programme for the surveillance of heavymetal burdening in all of Europe 9; 10. For thispurpose the mosses Pleurozium schreberi, S

33、clero-podium purum, Hypnum cupressiforme or Hyloco-mium splendens are sampled along a sampling gridand the material is analysed for heavy metals.The Sphagnum-bag-technique described in thisguideline is a method of active“ biomonitoring.1 Grundlage des Verfahrens Die Moss-bag-technique wurde 1971 ent

34、wickelt11 und in den folgenden Jahren modifiziert undweiterentwickelt 12. Bei dieser Methode werdendie in Reinluftgebieten gesammelten Moose in frischer oder getrockneter Form in Nylonnetze gefllt, dann in den zu berwachenden Gebieten1 Basics of the method The moss-bag-technique was developed in 197

35、111 and in years to follow modified and furtherdeveloped 12. According to this method mossesare collected in areas with as little pollution aspossible and packed into bags made from nylonmesh. The moss bags are then brought into the areaB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 20

36、12-04 4 VDI 3957 Blatt 17 / Part 17 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2009 ber einen definierten Zeitraum exponiert undanschlieend auf ihre Schwermetallgehalte analy-siert. Bei den bisher fr die Moss-bag-technique genutz-ten Moosen handelt es sich um weit verbreitet

37、eLaubmoose wie Hypnum cupressiforme agg., Hy-locomium splendens, Pleurozium schreberi und Rhytidiadelphus squarrosus sowie Arten der Gat-tung Sphagnum, den sogenannten Torfmoosen.Aufgrund ihres spezifischen Aufbaues eignen sichTorfmoose besonders fr den Einsatz als Bioindi-katoren fr Schwermetallbel

38、astungen 6; 13; 14: Torfmoose sind in der Lage ein Vielfaches ihres Eigengewichtes an Wasser zu speichern. Die Verbindung der hohen Wasserspeicherka-pazitt mit einer besonders hohen Kationenaus-tauschkapazitt fhrt zu einer hohen Schwer-metallabsorptionsrate. Die physikalisch-chemischen Eigenschaften

39、 der Torfmoose fhren sowohl bei trockener als auch nasser Deposition zu hohen Retentionsraten. Der Kationenaustausch funktioniert genauso effektiv in abgestorbenen wie in lebenden Torfmoosen. Vor allem in Finnland und Grobritannien, aberauch in zahlreichen anderen europischen Lndern,wurde die Sphagn

40、um-bag-technique erfolgreich zur berwachung der atmosphrischen Schwerme-tallbelastung eingesetzt (bersicht in 15). Die Sphagnum-bag-technique eignet sich dazuIntensitt und Ausma des Einflusses vonSchwermetallemittenten (VDI 3957 Blatt 10) auf ihre Umgebung zu beschreiben. Fr diese Frage-stellung bie

41、tet das aktive Monitoring mit derSphagnum-bag-technique im Vergleich zum passi-ven Monitoring folgende Vorteile: Aufgrund der festgelegten Expositionszeit knnen die Depositionsraten verschiedener Messpunkte besser verglichen werden. Die Schwermetallgehalte in Exponaten spie-geln den Einfluss der Luf

42、tverschmutzung st-rungsfreier wider als die Schwermetallgehalte von in situ gewachsenen Moosen, da nicht aus-geschlossen werden kann, dass letztere durch die Bodenverhltnisse und durch das Moosalter mit bestimmt werden. of investigation and exposed to ambient air for apredefined period of time. Afte

43、r this exposure themoss samples are analysed for their contents ofheavy metals. So far the widespread mosses Hypnum cupressi-forme agg., Hylocomium splendens, Pleuroziumschreberi and Rhytidiadelphus squarrosus, as wellas species of Sphagnum (peat moss) were em-ployed for this technique. Because of t

44、heir specifichabitus peat mosses are best suited as bioindicatorsfor heavy metal pollution 6; 13; 14: Peat mosses can hold many times their own weight in water. The combination of their ca-pacity to hold water and their especially high cation exchange capacity causes a high rate of heavy metal absor

45、ption. The physico-chemical properties of peat mosses make for high retention rates of wet or dry deposition. The cation exchange is effective whether the mosses are alive or dead. The Sphagnum-bag-technique has been used suc-cessfully for the surveillance of heavy metal bur-dening especially in Fin

46、land and the United King-dom, but in other European countries as well(overview in 15). The Sphagnum-bag-technique is suited to assessthe intensity and extent of the influence of sourcesof heavy metal pollution (VDI 3957 Part 10) ontheir vicinity. For this purpose active biomonitor-ing with Sphagnum-

47、bags has the following advan-tages over passive methods: Because of the predefined exposition time of the moss samples the impact of the deposition at the various measuring sites can be compared directly. The heavy metal contents of mosses exposed in moss bags are more reliable indicators for the po

48、llution level than the contents of mosses growing in situ, because it cannot be ruled out that the latter are influenced by soil condition and the age of the moss material. B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dssel

49、dorf 2009 VDI 3957 Blatt 17 / Part 17 5 2 Methode 2.1 Auswahl, Beschaffung und Vorbereitung von Moosmaterial fr die Exposition Nach Bundesartenschutzverordnung (BArtSchV,Anlage 1) zhlen die Torfmoose (Sphagnum spp.) zu den in Deutschland besonders geschtzten Arten. Daher bentigt man bei der Beschaffung des Aus-gangsmaterials in Deutschland eine Genehmigung von der zustndig