slide 1 · ppt file · web view2017-09-16 · 11, 6 jordkvalitet - filterfunktionen organiske...
Post on 09-Jun-2018
214 Views
Preview:
TRANSCRIPT
11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen
Organiske forureningsstoffer:Hvad kan jorden ordne?
Hans Christian Bruun Hansen (haha@kvl.dk)Jordbunds- og Miljøkemi
Institut for GrundvidenskabKVL
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?
Tyve minutter om.....
11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen
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
11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen
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
11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen
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
11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen
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
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)
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)
11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen
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)
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”
“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:
11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen
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
11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen
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
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?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
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
11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen
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
11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen
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
11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen
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)
11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen
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
11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen
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
11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen
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
11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen
Og så var der scoringsfunktionernerne..
scor
ings
værd
iIndikator-værdi
[nedbrydergen] [polær metabolit]
1.0 1.0
[hydrolyse-pH]
1.0
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
Konklusion
11, 6 Jordkvalitet - filterfunktionen
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...)
top related