VDI 3957 Blatt 19-2009 Biological measurement procedures to determine and assess the effects of ambient air pollutants (bioindication) - Detection of regional nitrogen depositions zium.pdf

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1、ICS 13.040.20 VDI-RICHTLINIEN Dezember 2009December 2009VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE Biologische Messverfahren zur Ermittlung und Beurteilung der Wirkung von Luftverunreinigungen (Bioindikation) Nachweis von regionalen Stickstoffdepositionen mit den Laubmoosen Scleropodium purum und Pleurozium schreb

2、eri Biological measuring procedures to determine and assess the effects of ambient air pollutants (bioindication) Detection of regional nitrogen depositions with the mosses Scleropodium purum and Pleurozium schreberi VDI 3957 Blatt 19 / Part 19 Ausg. deutsch/englisch Issue German/English Der Entwurf

3、 dieser Richtlinie wurde mit Ankndigung im Bundesanzeiger einem ffentlichen Einspruchverfahren unterworfen. Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The draft of this guideline has been subject to public scrutinity after announcement in the Bundesanzeiger (Federal Gazette).The German

4、version of this guideline shall be taken as authori-tative. No guarantee can be given with respect to the English translation. Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN Normenausschuss KRdL Fachbereich Umweltqualitt VDI/DIN-Handbuch Reinhaltung der Luft, Band 1a: Maximale Immissions-Werte VDI-H

5、andbuch Biotechnologie, Band 2: Umwelt-Biotechnologie Vervielfltigung auch fr innerbetriebliche Zwecke nicht gestattet / Reproduction even for internal use not permittedFrhere Ausgabe: 11.07Entwurf, deutsch Former edition: 11/07 Draft, inGerman only Zu beziehen durch / Available atBeuthVerlagGmbH, 1

6、0772 BerlinAlleRechtevorbehalten/ All rights reserved VereinDeutscherIngenieuree.V., Dsseldorf 2009 Inhalt Seite Contents Page Vorbemerkung . 2 Einleitung. 2 1 Anwendungsbereich. 3 2 Grundlage des Verfahrens . 3 3 Materialbeschaffung. 5 4 Exposition . 6 5 Stickstoffanalyse 8 6 Bewertung der Ergebnis

7、se 9 Schrifttum 11 Preliminary note. 2 Introduction 2 1 Scope. 3 2 Basics of the Method 3 3 Acquisition of moss material. 5 4 Exposure . 6 5 Analysis of nitrogen . 8 6 Evaluation of the results 9 Bibliography 11 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04 2 VDI 3957 Blatt 19

8、 / Part 19 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2009 Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unterBeachtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richtlinie VDI 1000. Alle Rechte, insbesondere das des Nachdrucks, derFotokopie, der elektronischen Verwendung

9、 und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstn-dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wah-rung des Urheberrechts und unter Beachtung derLizenzbedingungen (www.vdi-richtlinien.de), diein den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich. Allen, die ehrenamtlich an der Erar

10、beitung dieserVDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt. Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieser Richtlinienreihe ist im Internet abrufbar unter www.vdi.de/3957. Preliminary note The content of this guideline has been developed instrict accordance with the requirements and rec-ommendation

11、s of the guideline VDI 1000. All rights are reserved, including those of reprint-ing, reproduction (photocopying, micro copying),storage in data processing systems and translation,either of the full text or of extracts. The use of this guideline without infringement ofcopyright is permitted subject

12、to the licensing con-ditions specified in the VDI Notices (www.vdi-richtlinien.de). We wish to express our gratitude to all honorarycontributors to this guideline. A catalogue of all available parts of this guideline can be accessed on the internet atwww.vdi.de/ 3957. Einleitung In den letzten Jahre

13、n sind die Schwefeldioxid-Emissionen aufgrund von Manahmen wie Abgas-reinigung und Einfhrung schwefelarmer Kraft-stoffe reduziert worden. Gleichzeitig hat aber deratmosphrische Stickstoffeintrag zu einer erhebli-chen Eutrophierung der Umwelt gefhrt und sichzunehmend als Problem erwiesen. Das betriff

14、t nicht nur sensible kosysteme wie Trockenrasen,Heiden oder Moore. Auf 90 % der Flche der Bun-desrepublik Deutschland ist die kritische Belas-tungsgrenze fr Stickstoffimmissionen berschrit-ten 1. Die negativen Wirkungen der Eutrophie-rung sind sehr vielfltig und wurden u. a. von 23 4F 5F6 beschriebe

15、n. Messungen atmosphrischer Stickstoffeintrge sind aufwendig, weil Stickstoffeintrge in ver-schiedener Form (als Gas, trockene oder nasseDeposition) und in verschiedenen Verbindungenerfolgen. Die Deposition von Stickstoff wird in derBundesrepublik Deutschland an 80 Level-II-Stand-orten gemessen 6F7,

16、 kleinrumige Depositionsun-terschiede knnen damit aber nicht erfasst werden. Die Ermittlung von Stickstoffeintrgen mittels desBioindikators Moos erlaubt eine rumlich differen-zierte und wirkungsbezogene Aussage zur Anrei-cherung von Stickstoff in der Vegetation. Die Me-thode dient als Instrument zur

17、 Kontrolle der Um-weltqualitt. In der Umweltberwachung mit Bioindikatoren werden grundstzlich zwei Verfahren des Monito-rings unterschieden: passives Monitoring: Untersuchung von imUntersuchungsgebiet vorhandenen (wild leben-den) Organismen Introduction During the last decades sulphur dioxide emissi

18、ons have been successfully reduced by e. g. flue gas treatment or the reduction of sulphur content in fuels. However, during the same period the atmos-pheric nitrogen input has caused considerable eu-trophication of our environment and has become more of a problem. This does not only affect sensi-ti

19、ve ecosystems such as dry grasslands, heathland and bogs. In Germany the critical load for nitrogen pollution is exceeded on 90 % of the area 1. The negative consequences of eutrophication are mani-fold and are described e. g. in 2 to 6. Measuring atmospheric nitrogen inputs is labori-ous, because t

20、he nitrogen inputs happen in differentways (as gas, wet or dry deposition) and in differ-ent chemical compounds. In Germany the deposi-tion of nitrogen is being monitored in 80 Level IIsites 7. However, this does not allow for the as-sessment of nitrogen deposition on a regional orlocal scale. The u

21、se of mosses as bioindicatorsallows a spatially differentiated assessment of theeffects of nitrogen accumulation on vegetation andthus serves as an instrument of environmental qual-ity control. There are two basic strategies of monitoring inbiosurveillance: passive monitoring: examination of organis

22、mswhich occur naturally in the investigation areaB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2009 VDI 3957 Blatt 19 / Part 19 3 aktives Monitoring: Untersuchung von Orga-nismen, die nach einem standardisierten Ve

23、r-fahren in das Untersuchungsgebiet eingebrachtwerden. Im Rahmen der internationalen Aktivitten zum UNECE-bereinkommen ber den weitrumigen, grenzberschreitenden Transport von Luftverun-reinigungen wird das passive Moosmonitoringeuropaweit zur Kontrolle der Schwermetallbelas-tung eingesetzt 7F8; 8F9.

24、 Im Zuge der zunehmendenEutrophierung von kosystemen findet auch daspassive Monitoring von Stickstoffeintrgen An-wendung 9F10; 10F11. Das hier vorgestellte Verfahren ist ein Verfahren des aktiven Monitorings: Moosmaterial wird sub-stratfrei ber einen bestimmten Messzeitraum ex-poniert. Der Expositio

25、nsort kann weitgehend freigewhlt werden, sodass keine Abhngigkeit vomnatrlichen Vorkommen einer Art in einem zuuntersuchenden Gebiet besteht. Das von Solga et al. 11F12 entwickelte Verfahren zur Ermittlung eutrophierender Stickstoffeintrge mit den epigischen Laubmoosen Pleuroziumschreberi (Brid.) Mi

26、tt. und Scleropodium purum(Hedw.) Limpr. dient als Grundlage dieser Richtli-nie. Bei der Auswahl der Arten war entscheidend,dass sie Stickstoff tatschlich anreichern (akkumu-lieren) und nicht in verstrktes Wachstum umset-zen 12F13. active monitoring: bringing bioindicators intoan investigation area

27、and exposing them there tothe ambient air In connection with activities under the UNECEConvention on Long-range Transboundary AirPollution mosses are applied in a passive monitor-ing project for the surveillance of heavy metal loadthroughout Europe 8; 9. There are also studiesusing passive methods f

28、or monitoring nitrogeninputs with regard to eutrophication of ecosystems10; 11 The method described in this guideline is a methodof active biomonitoring. It consists of collectingmoss material at its growing site and exposingsamples of it to ambient air at selected measuringsites in an investigation

29、 area for a certain period oftime. The exposure sites can be chosen regardlessof the natural occurrence of the moss species. The method Solga et al. 12 developed for assess-ing eutrophicating nitrogen input with the epigaeic mosses Pleurozium schreberi (Brid.) Mitt. and Scleropodium purum (Hedw.) Li

30、mpr. serves as background for this guideline. For the selection of the moss species to be used for the purpose of this guideline, the most important criterion is that they actually accumulate nitrogen instead of turning it into boosted growth 13. 1 Anwendungsbereich Der Anwendungsbereich des Verfahr

31、ens liegt imNachweis von atmosphrischen Stickstoffeintrgen in der Umgebung einzelner Emittenten oder beiregionalen Untersuchungen. Die Untersuchungen beinhalten stets einen Vergleich mit der Hinter-grundbelastung. 1 Scope The method is suited for the detection of effects ofatmospheric nitrogen input

32、 in the vicinity of emis-sion sources as well as in regional studies. It al-ways involves a comparison of the results withbackground levels of nitrogen pollution. 2 Grundlage des Verfahrens Als Bioindikatoren wurden die Laubmoose Sclero-podium purum (Brid.) Mitt. und Pleurozium schre-beri (Hedw.) Li

33、mpr. gewhlt. Diese Arten sind inEuropa weit verbreitet und kommen meist hufigvor. Sie werden daher auch schon fr das europi-sche Moosmonitoring-Programm fr Schwermetall-eintrge benutzt 8; 13F14; 14F15. Beide Arten besitzen eine dicht anliegende Bebltterung aus gewlbten, ovalen Blttern, mit deren Hil

34、fe sie grere Mengen Wassers kapillar aufnehmen und speichern knnen. Fr eine Untersuchung nach dieser Richtlinie isteine der beiden Arten auszuwhlen. Die generelle Eignung von Moosen als Akkumula-tionsindikatoren ist gut untersucht 15F16. In der2 Basics of the method The species Pleurozium schreberi

35、(Brid.) Mitt. and Scleropodium purum (Hedw.) Limpr. were se-lected to be used for the purpose of this guideline. These species are widespread and common in Europe and are being used for these reasons in the European moss monitoring for heavy metal input 8; 14; 15. Both species have tightly clinging

36、im-bricate leaves which help them take up and store water. For a study according to this guideline one of thetwo species has to be chosen. The general suitability of mosses as bioindicators is well established 16. In the past mosses were B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2

37、012-04 4 VDI 3957 Blatt 19 / Part 19 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2009 Vergangenheit wurden Moose insbesondere zurBeobachtung von Schwermetalleintrgen verwen-det 16F17. Auch zur Stickstoffakkumulation liegenmittlerweile zahlreiche Arbeiten vor 13; 17F18; 18F19;

38、 19F20; 20F21; 21F22. Durch den Vergleich alten Herbarma-terials mit aktuellen Aufsammlungen gelang essogar, die Vernderung der Stickstoffbelastung innerhalb der letzten 150 Jahre in Westdeutschlandnachzuweisen 22F23. Die besondere Eignung derLaubmoose Pleurozium schreberi und Scleropodi-um purum al

39、s Akkumulationsindikatoren stellten Solga et al. 23F24; 24F25 fest. Fr diese beiden Artenwurde auch eine negative Korrelation zwischen dem Stickstoffeintrag und dem jhrlichen Biomas-sezuwachs festgestellt. In der Vergangenheit wurden bereits mehrere Transplantationsexperimente zur Betrachtung desZus

40、ammenhangs zwischen Deposition und Stick-stoffgehalten in Moosen durchgefhrt, allerdingswurden die Moose meist mit ihrem Substrat ver-wendet. Lediglich Press et al. 25F26 brachten dasTorfmoos Sphagnum cuspidatum in einem urbanstark beeinflussten Gebiet standardisiert in Be-cherglsern substratfrei au

41、s. Dabei wurde nachetwa drei Monaten eine deutliche Zunahme derStickstoffkonzentration im Gewebe nachgewiesen. Bei Transplantation von Racomitrium lanuginosumaus einem gering belasteten Gebiet in die Nheeines urbanen Raums wurde nach 15 Monaten einedeutliche Erhhung des Stickstoffgehalts bei derArt

42、festgestellt 13. Fr die Akkumulation von Schwermetallen undpolyzyklischen Verbindungen ist es von unterge-ordneter Bedeutung, ob die beispielsweise nachRichtlinie VDI 3957 Blatt 17 als moss bag“ aus-gebrachten Moospflanzen vital sind oder abgestor-ben 16. Entscheidend ist hier der effektive Parti-ke

43、lfang sowie die auch beim toten Material nochber einige Zeit gewhrleistete hohe Kationen-austauschkapazitt 26F27. Fr ein Stickstoff-Akkumulationsmonitoring hingegen ist die Vitali-tt eine wichtige Voraussetzung, weil mehrere Untersuchungen gezeigt haben, dass die Stickstoff-anreicherung bei Moosen z

44、umindest teilweise aufeinem Anstieg der Aminosuren-Konzentrationberuht 27F2828F29F 30F31. Fr die Bildung der Aminosurenist eine funktionierende Stickstoffassimilation un-abdingbar. Bei Untersuchungen regionaler Unter-schiede in der immissionsbedingten Anreicherung von Stickstoff in Moosen wurden bis

45、lang hufigGebiete mit fr Mitteleuropa eher untypisch gro-en Unterschieden in den Depositionssummengegenbergestellt. So verglich Bakken 28 die Stickstoffgehalte von Dicranum majus aus zweiRegionen Norwegens, die sich hinsichtlich ihrermostly used as bioindicators for monitoring heavy metal inputs 17.

46、 In the meantime there are also numerous studies on mosses as nitrogen accumula-tors 13; 18 to 22. By comparing specimens from herbariums with recently collected samples it was even possible to demonstrate the change of the nitrogen level over the last 150 years in Western Germany 23. Solga et al. 2

47、4; 25 found that Pleurozium schreberi and Scleropodium purum are especially well suited as accumulation indicators. They show a negative correlation between the availability of nitrogen and their yearly growth. Various transplantation experiments for the study of the relation between deposition of n

48、itrogen and contents of nitrogen in mosses have been carried out in the past, but in most of them the mosses were not separated from their substratum. Only Press et al. 26 in a study of an area with strong urban influence used the peat moss Sphagnum cuspidatum transplanted in a standardised manner w

49、ithout substratum in glass beakers. After three months a marked increase in nitrogen concentra-tion was found in the moss tissue. In a study of transplanting Racomitrium lanuginosum from an area with low nitrogen pollution into an urban area the contents of nitrogen was markedly increased after 15 months 13. For the capacity of moss material to accumulate heavy metals and organic compounds (e.