Ecotoxiciteit van metalen in bodem, hoe breng je bodemchemie en toxiciteit bij elkaar?

Erik Smolders, Koen Oorts, Fien Degryse, Jurgen Buekers & Nadia Waegeneers

Katholieke Universiteit Leuven

Minerale-N in 0-4 cm strooisellaag in naaldbos in Zweden rond een Cu+Zn smelterTyler, 1975

Toxiciteit van Cu/Zn op het terrein

Ecotoxicologische normen (HC5) voor metalen, afgeleid uit standaard toxiciteitstesten met metaalzouten (oplosbaar!), liggen binnen het bereik van achtergrondswaarden

geol. HC5 achtergrond

Zn 26 mg/kg (toegevoegd) 5-150 mg/kgCu ~30 mg/kg 2-50 mg/kgNi 10 mg/kg 1-100 mg/kgPb 84 mg/kg 5-100 mg/kg

Vragen

(a) Hoe en waarom verschillen de toxische concentraties tussen bodem, artificieel verontreinigd met metaalzouten in het lab, en bodems verontreinigd met metalen ‘op het veld’?

(b) Hoe en waarom verschillen de toxische concentraties in functie van bodemeigenschappen?

Vertrekhypothese: toxiciteit van een metaal hangt af van de oplosbaarheid; oplosbaarheid is vooral afhankelijk van de pH; …dus toxiciteit is voornamelijk pH afhankelijk

M2+ M-organismeM-bodem M-BL

membraan

Bodem Oplossing Organisme=biotisch ligand

het ‘Vrij Ion Model’ (FIAM) toegepast op bodems

chemie biologie

toxicologie

H+,Ca2+

Zn contaminatie onder pylonen als een model voor verouderd Zn

3 sites, max. Zn 2000-3700 mg/kg

‘controle’

Plantengroei

Nitrificatie

Rhydtalog-Eisenia

0102030405060708090

0 500 1000 1500 2000 2500

Zn total (mg/kg)

nu

mb

er o

f co

coo

ns spiked

field

Reproductie wormen

Lock et al., 2003, UGent

‘Verouderd’ Cu

‘Vers’ Cu

Wortellengte gerst

Rooney et al., 2005

Lagere Zn concentratie in bodemoplossing verklaart gebrek aan toxiciteit in het veld

Total Zn (mg/kg)

0 1000 2000 3000

Res

pons

e (%

of

cont

rol)

1

10

100

Soil solution Zn (mg/L)

0 200 400 600 800

Res

pons

e (%

of

cont

rol)

1

10

100

Total Zn (mg/kg)

0 1000 2000 30001

10

100

Soil solution Zn (mg/L)

0 100 200 3001

10

100

Total Zn (mg/kg)

0 1000 2000 3000 40001

10

100

Soil solution Zn (mg/L)

0 500 1000 15001

10

100

Rhydtalog De Meern Zeveren

Total Zn (mg/kg)

0 1000 2000 3000

Res

pons

e (%

of

cont

rol)

1

10

100

Soil solution Zn (mg/L)

0 200 400 600 800

Res

pons

e (%

of

cont

rol)

1

10

100

Total Zn (mg/kg)

0 1000 2000 30001

10

100

Soil solution Zn (mg/L)

0 100 200 3001

10

100

Total Zn (mg/kg)

0 1000 2000 3000 40001

10

100

Soil solution Zn (mg/L)

0 500 1000 15001

10

100

Rhydtalog De Meern Zeveren

900354760

50

100

150

200

250

300

fieldspiked

900354760

50

100

150

200

250

300

2000

Zn inoplossing (mg/l)

fieldspiked

‘field/spike’ beschikbaarheidsfactor = 824/278=3,0

Stijging in bodemoplossing Zn bij +824 mg Zn/kg in veld is equivalent aan die bij +278 mg Zn/kg als ‘vers’ ZnCl2.

Zn inbodem (mg/kg)

M2+ M-organismeM-bod M-BL

membraan

Bodem Oplossing Organisme=biotisch ligand

chemie biologie

toxicologie

H+,Ca2+

M-bodfix

tijd

het ‘Vrij Ion Model’ (FIAM) toegepast op bodems

0.01

0.1

1

10

100

1000

10000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19Soil number

EC

50

(m

g C

u k

g-1

or

mg

Cu

l-1)

EC50 Total soil Cu

De toxische drempel van Cu voor bodemrespiratie in 19 bodems: de 20-voudige variatie in toxische drempels…

0.01

0.1

1

10

100

1000

10000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19Soil number

EC

50

(m

g C

u k

g-1

or

mg

Cu

l-1)

EC50 Total soil CuEC50 Soil solution Cu

…wordt niet verklaard door verschillen in bodemoplossing Cu

M2+ M-organismeM-bod M-BL

membraan

Bodem Oplossing Organisme=biotisch ligand

chemie biologie

toxicologie

H+,Ca2+

M-bodfix

tijd

het ‘Vrij Ion Model’ (FIAM) toegepast op bodems

H+,Ca2+

y = 0.91*pH - 1.68; R2 = 0.84

0

1

2

3

4

5

6

7

2 3 4 5 6 7 8pH soil solution

log

Kd

Cu

2+

(l k

g-1

)

log M2+ EC50

log Kd, EC50 = log (Mtotal/M2+)

pH effect op de toxische drempel van het Cu2+ ion in oplossing is het tegengestelde van het pH effect op sorptie ervan

y = -0.99*pH + 0.23; R2 = 0.91

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

2 3 4 5 6 7 8pH soil solution

log

Cu

2+ (

mo

l l-1

)

(EC50 respiratietest)

M2+ M-organismeM-bod. M-BL

membraan

Bodem Oplossing Organisme=biotisch ligand

chemie biologie

toxicologie

H+,Ca2+

M-bod.fix

tijd

het ‘Biotisch Ligand Model’ (BLM) toegepast op bodems

H+,Ca2+

De CEC (afhankelijk van % organische stof, klei en pH) verklaart Cu toxiciteit (vb. effect op groei tomaat)

y = 0.96x + 1.47R2 = 0.75

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 0,5 1 1,5 2log CEC (cmolc/kg)

log

EC

50 (

mg/

kg)

CEC EC50(cmolc/kg) (mg/kg) (cmolc/kg) (% van CEC)

5 140 0.4 910 270 0.9 920 400 1.3 8

Voorbeeld van implementatie

Norm ( PNEC) zonder correcties voor biobeschikbaarheid = 26 mg/kg (toegevoegd Zn) of ongeveer 66 mg Zn/kg (totaal Zn)

Bodem pH CEC PNEC(cmolc/kg) (mg/kg)

1 3.7 5 422 6.0 16 1063 6.6 29 440

DISCUSSION

Samenvattend

1. Toxiciteitstesten op bodems gecontamineerd met metaalzouten overschatten toxiciteit in veldgecontamineerde bodems; verschil in mobiliteit (conc. in bodemoplossing) is een deel van de verklaring

2. Toxiciteitsdrempels gebaseerd op ‘oplosbaar’ metaal ion zijn meer variabel dan drempels uitgedrukt als ‘totaal’ metaal voor Cu, Zn en Ni; t-BLM concept verklaart dit resultaat

3. Empirische modellen tussen toxische drempels en bodemeigenschappen (CEC, pH) kunnen gebruikt worden om normen af te leiden