Slide 1 · PPT file · Web view2017-09-16 · 11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen Organiske forureningsstoffer: Hvad kan jorden ordne? Hans Christian Bruun Hansen ([email protected])

11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen

Organiske forureningsstoffer:Hvad kan jorden ordne?

Hans Christian Bruun Hansen ([email protected])Jordbunds- og Miljøkemi

Institut for GrundvidenskabKVL


• 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?

Tyve minutter om.....


Økosystem funktionerF1: Produktion af biomasse (foder/fødevarer, non-food,

energi)F2: Filter (filtrering, nedbrydning, neutralisation)F3: Habitat for dyr og planter (artsdiversitet, genetisk

reserve)

Antropogene funktionerF4: Fysisk medium for anlæg (huse, veje, lossepladser)F5: Kilde til råmaterialer (sand, ler, humus)F6: Beskyttelse af kulturværdier (fortidsminder,

kulturlandskaber)

Jordens funktioner


Jordens fastebestanddele

Jord-vand

GrundvandDrænvand

Gas

Levendeorganism er

Biom asse

Tilførsler Agrokem ikalier, gødning, slam , nedbør, atm osfæ risk deposition

T ra nsp or t

Jord

reak

tore

n

F1

F2

F3


Cg

Ap

Eg

Btg

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

CN

Cl Cl

COOH

Cl Cl CO2 + H2O + Cl-

Fe OP

O

ONH2

+ COOHFe

Mineral

Sorp

tion

Transport

• i opløsning

• på partikler

C l

C l C l

O P

S

O C H2C H

3

O C H 2C H 3

Filter-materialet


Organiske forureningsstoffer i det åbne land- eksempler -

Cl O CH2 COOH

CH3

MCPA Glyphosat

SOO

CH (CH2)yH(CH2)x

O

9 < x + y < 13

-

LAS

OH

HO

O

O

O

Zearalenon

OHO CH3

H3C

CH3

Glucose

Ptaquilosid

OH

Cl

Cl

“AOX”

Estradiol-konj. Tetracyklin

OHCH3

O

O

HOOC

HO

HO OHOOH OH O O

NH2

OH

NH

OHH

CH3HO

OH

CH3H3C

Benzanthracen

CH2 P

O

OH

OH

HN

CH2

HOOC


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)

Hvad er jordkvalitet?

• 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)


Jordbundsindikatorer: Jordbundsegenskaber relateret til den aktuelle funktion. F.eks:Fysiske: tekstur, vandkapacitet, vol. vægt, infiltration, aggregat-stabilitetBiologiske: regnorme, mikrobiel biomasse, respirationKemiske: total C and N, pH, ekstraherbart N, P and K, CEC, Feox + Alox

Jordkvalitetsindeks

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)


• 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”

“Klassisk SQI approach”

n

i ii 1

SQI W S

• Etablér scoringsfunktioner (Si) for indikatorerne (f.eks. 0 – 1), d.v.s. indikatorernes indflydelse på funktionen

• Udregn SQI:


Anvendelse af SQI - eksempelAndrews et al. (2002): SQI anvendt på grønsagsproduktion til at demonstrere forskelle mellem gødningsstrategier (org./uorg.) på gårdniveau

1. Behandlingsformer: Husdyrgødning, kompost, ‘organic’, mellemstadie, konventionel

2. 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.SOM

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 10000 20000 30000 40000

kg SOM ha-1

Scor

e

pH

00.20.40.60.8

1

0 3 6 9 12

pH

Scor

e


Anvendelse (fortsat)4. Bestemmelse af SQI for de forskellige behandlinger

Andrews et al. (2002) Agron. J. 94: 12 - 23

Kritik:

• Scoringsfunktionerne – er de for subjektive?

• Management goals

• Kun Ap horisonten

• Tidskrævende

Kun én indikator fik betydning: SOM


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?Nogle indikatorer (f.eks. pH) påvirker mange processer

11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionenK

ritis

ke p

roce

sser

(fla

skeh

alse

)

•Sorptionskapacitet og bindingsstyrke

•Sorptions-/ desorptions-kinetik

•Nedbrydnings-reaktioner

•Nedbrydningskinetik

•Metabolitdannelse

•Toksicitet

•TransportSOUND


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

Holtze, 2004

- MDS - Indikator VægtSpecifik enzymakt. H(eller nedbrydergener)Indhold af dichlobenil HSOM og SOM-type MRedox-tilstand MMåske lertype LTransportegenskaber H

CN

ClCl

C

ClCl

HO O

C

ClCl

H2N O

Dichlobenil

2,6-dichlorbenzoesyre

Enzym 1

Enzym

2

Enz

ym 3

BAM

• BAM bindes meget svagere (Kd < 1) end Dichlobenil

• Enkelte jorde kan nedbryde BAM


Eksempel 2: MCPA-I

O CH2 COOH

Cl

H3C

OH

Cl

H3C

tfdA

• 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

Nedbrydning af MCPA i jord hvor MCPA bindes med forskellig styrke

Nedbrydningshastighed afhænger af hvor stærkt MCPA er bundet i jord

- MDS - Indikator VægtNedbrydergener HIndhold af MCPA MSOM HRedox-tilstand MTransportegenskaber H

Jensen et al. (2004)


Eksempel 3: Ptaquilosid

Rasmussen (2003)

Carcinogent stof i Ørnebregne

•Bindes ikke•Carcinogent

•Bindes stærkt•Ikke toksisk

-6

-5

-4

-3

-20 5 10

pHlo

g K o

bs

Hydrolyse-hastighed vs pH

- MDS- Indikator VægtPta i jord/tilførsel HpH HEnzymaktivitet MSOM MLertype LTransportegenskaber M

OHO CH3

H3C

CH3

Glucose

O

H3C

CH3

HO

CH3

Hydrolyse

Ptaquilosid Pterosin B


Eksempel 4: Steroid østrogenerOCH3

O

O

HOOC

HO

HO OH

OCH3

O

HOOC

HO

HO OH

HO

OH

Glucuronidase

Konjugeret Estron

Estron

Glucuronsyre

• 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 VægtDekonjugeringshast. HBioaktive metabolitter HHormon-aktivitet (assay) HTotal-mængde i jord MSOM MLer MTransportegenskaber M

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03

Koncentration i opløsning (mg L-1)

Ads

orbe

ret (

mg

kg-1

) JyndevadAskovLammefjord

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100 120 140

Tid (dage)

Indh

old

(ug

kg-1

)

LammefjordJyndevadAskov

Zearalenon nedbrydning i jord


Eksempel 5: ZearalenonOH

HO

O

O

O

• ZON produceres af Fusarium spp.

• Bindes stærkt

• Nedbrydes relativt hurtigt

• Metabolitter kan være bioaktive og bindes formentlig svagere

Kd 50 – 150 L kg-1

t1/2 7 – 20 dage (25 oC)

- MDS- Indikator VægtNedbrydningshast. HBioaktive metabolitter HTotal-mængde i jord MSOM ?Ler ?Transportegenskaber M

Sorption


Og så var der scoringsfunktionernerne..

scor

ings

værd

iIndikator-værdi

[nedbrydergen] [polær metabolit]

1.0 1.0

[hydrolyse-pH]

1.0


• 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

Konklusion


Fremtiden

SQI Field Kit

• 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...)


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!

Documents

Slide 1 · PPT file · Web view2017-09-16 · 11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen Organiske forureningsstoffer: Hvad kan jorden ordne? Hans Christian Bruun Hansen ([email protected])