Organiske forureningsstoffer: Hvad kan jorden ordne? 11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen Organiske forureningsstoffer: Hvad kan jorden ordne? Hans Christian Bruun Hansen (haha@kvl.dk) Jordbunds- og Miljøkemi Institut for Grundvidenskab KVL Hvad kan jorden ordne? Det afhænger af: Hvad vil vi bruge jorden til? Hvilke krav stiller vi til anvendelsen Med andre ord – det afhænger af jordens kvalitet? (Vi kunne også have spurgt: Hvededyrkning – hvor meget kan vi høste?)

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?

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)

11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen Jordreaktoren F2

Filter-materialet 11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen Nedbrydning 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

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

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)

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

“Klassisk SQI approach” 11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen “Klassisk SQI approach” 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:

Anvendelse af SQI - eksempel 11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen Anvendelse af SQI - eksempel 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.

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

Organiske forureningsstoffer og SQI - spørgsmål vi kunne stille - 11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen Organiske forureningsstoffer og SQI - spørgsmål vi kunne stille - 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? I første omgang vil management goals vil være de samme uansat hvilket stof vi ser på. Men koncentrationerne vi skal holde os under kan være stofafhængigt. Indikatorer vil afhænge af stoffet vi undersøger Det der er vigtigt er: Vægtningen af indiaktorerne og scoringsfunktionerne. Nogle indikatorer (f.eks. pH) påvirker mange processer

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

Indikatorer - eksempler 11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen Indikatorer - eksempler 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

Eksempel 1: Dichlobenil 11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen Eksempel 1: Dichlobenil 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 Enzym1 = Nitrilhydratase Enzym2 = Amidase Enzym3 = Nitrilase Holtze, 2004

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

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)

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

Eksempel 4: Steroid østrogener 11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen Eksempel 4: Steroid østrogener 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 SOM M Ler M Transportegenskaber M

Eksempel 5: Zearalenon 11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen - MDS- 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

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

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

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

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!