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 smelter Tyler, 1975 Toxiciteit van Cu/Zn op het terrein

Ecotoxicologische normen (HC 5 ) voor metalen, afgeleid uit standaard toxiciteitstesten met metaalzouten (oplosbaar!), liggen binnen het bereik van achtergrondswaarden geol. HC 5 achtergrond Zn26 mg/kg (toegevoegd)5-150 mg/kg Cu~30 mg/kg 2-50 mg/kg Ni10 mg/kg1-100 mg/kg Pb84 mg/kg5-100 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

M 2+ M-organisme M-bodem M-BL membraan BodemOplossingOrganisme=biotisch ligand het ‘Vrij Ion Model’ (FIAM) toegepast op bodems chemiebiologie toxicologie H +,Ca 2+

Zn contaminatie onder pylonen als een model voor verouderd Zn 3 sites, max. Zn mg/kg ‘controle’

Plantengroei

Nitrificatie

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) Response (% of control) Soil solution Zn (mg/L) Response (% of control) Total Zn (mg/kg) Soil solution Zn (mg/L) Total Zn (mg/kg) Soil solution Zn (mg/L) RhydtalogDeMeernZeveren Total Zn (mg/kg) Response (% of control) Soil solution Zn (mg/L) Response (% of control) Total Zn (mg/kg) Soil solution Zn (mg/L) Total Zn (mg/kg) Soil solution Zn (mg/L) RhydtalogDeMeernZeveren

field spiked Zn in oplossing (mg/l) field spiked ‘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’ ZnCl 2. Zn in bodem (mg/kg)

M 2+ M-organisme M-bod M-BL membraan BodemOplossingOrganisme=biotisch ligand chemiebiologie toxicologie H +,Ca 2+ M-bod fix tijd het ‘Vrij Ion Model’ (FIAM) toegepast op bodems

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

…wordt niet verklaard door verschillen in bodemoplossing Cu

M 2+ M-organisme M-bod M-BL membraan BodemOplossingOrganisme=biotisch ligand chemiebiologie toxicologie H +,Ca 2+ M-bod fix tijd het ‘Vrij Ion Model’ (FIAM) toegepast op bodems H +,Ca 2+

log M 2+ EC50 log K d, EC50 = log (M total /M 2+ )  pH effect op de toxische drempel van het Cu 2+ ion in oplossing is het tegengestelde van het pH effect op sorptie ervan (EC50 respiratietest)

M 2+ M-organisme M-bod. M-BL membraan BodemOplossingOrganisme=biotisch ligand chemiebiologie toxicologie H +,Ca 2+ M-bod. fix tijd het ‘Biotisch Ligand Model’ (BLM) toegepast op bodems H +,Ca 2+

De CEC (afhankelijk van % organische stof, klei en pH) verklaart Cu toxiciteit (vb. effect op groei tomaat) y = 0.96x R 2 = ,5 2 2,5 3 3,5 00,511,52 log CEC (cmol c /kg) log EC50 (mg/kg) CEC EC50 (cmol c /kg) (mg/kg)(cmol c /kg) (% van CEC)

Voorbeeld van implementatie Norm ( PNEC) zonder correcties voor biobeschikbaarheid = 26 mg/kg (toegevoegd Zn) of ongeveer 66 mg Zn/kg (totaal Zn) BodempHCECPNEC (cmol c /kg)(mg/kg) 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