DE19906872C2 - Verfahren zur Ermittlung der Nitrifikations- und/oder Denitrifikationsrate von Böden und Vorrichtung hierzu - Google Patents

Verfahren zur Ermittlung der Nitrifikations- und/oder Denitrifikationsrate von Böden und Vorrichtung hierzu

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein barometrisches Verfahren zur Ermittlung der Nitrifikations- und/oder Denitrifikationsrate von Böden (Barometrische Prozeßseparation, BaPS) und eine entsprechende Vorrichtung, bei dem über eine bestimmte Inkubationszeit der Druck, die CO¶2¶- und O¶2¶-Konzentration ermittelt und daraus die Nitrifikations- und Denitrifikationsrate bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein barometrisches Verfahren zur Ermittlung der Nitrifikations- und/oder Denitri­ fikationsrate von Böden (Barometrische Prozeßsepara­ tion, BaPS) und eine entsprechende Vorrichtung, bei dem über eine bestimmte Inkubationszeit der Druck, die CO2- und O2-Konzentration ermittelt und daraus die Nitrifikations- und Denitrifikationsrate bestimmt wird.
Die Nitrifikation und Denitrifikation sind zentrale, mikrobiologische N-Umsetzungsprozesse in Böden. Bei der Nitrifikation werden Ammoniumionen, die im Boden enthalten sind, unter Verbrauch molekularen Sauer­ stoffs zu Nitrationen umgewandelt, wobei auch die primär und sekundär klimarelevanten Spurengase N2O und NO entstehen können. Dieses Nitrat ist im Gegen­ satz zu Ammonium aus dem Boden leichter auswaschbar und ist umweltrechtlich problematisch, da es:
  • 1. unter Umsetzung von Nitrat zur Bildung von pri­ mär und sekundär klimarelevanten Spurengasen (N2O und NO) im Zuge der Denitrifikation kommen kann und
  • 2. in das Grundwasser ausgewaschen werden kann. Es ist deshalb wichtig, daß bestimmt werden kann, wieviel Ammonium im Boden zu Nitrat umgewandelt werden kann (Nitrifikation) und wieviel Nitrat in welcher Zeitspanne zu gasförmigen Stickstoff­ oxiden und molekularem Distickstoff umgewandelt wird (Denitrifikation).
Im Stand der Technik war es bisher erforderlich, die­ se Nitrifikations- bzw. Denitrifikationsraten dadurch zu bestimmen, daß 15N-markierte Stickstoffverbindun­ gen dem Boden zugesetzt werden mußten [(15N-pool di­ lution Technik). Mosier A. R., Schimel D. S. (1993), "Nitrification and Denitrification". In: R. Knowles, T. H. Blackburn (eds.), "Nitrogen Isotope Techniques", pp. 181-208, Academic Press. San Diego Davidson E. A., Hart S. C., Shanks C. A., Firestone M. K. (1991), "Measuring gross nitrogen mineralization, immobilization, and nitrification by 15N isotopic pool dilution in intact soil cores. Journal of Soil Science", 42, 335-349]. Nachteilig bei diesem Verfah­ ren ist es dabei, daß das 15N-Material in den Boden eingebracht werden muß und daß auch die Bestimmung und die Verfahrensdurchführung der Nitrifikations- und Denitrifikationsrate sehr umständlich ist.
Es besteht daher ein großes Bedürfnis, ein verein­ fachtes und billiges Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem sich problemlos die Nitrifikations- und/oder Denitrifikationsrate bestimmen läßt.
Die DE 196 40 333 A1 offenbart ein Verfahren zur Mes­ sung der Nitrifikationsleistung von Belebtschlamm in einem Reaktionsgefäß, bei dem der Sauerstoffgehalt über einer wäßrigen Lösung von Belebtschlamm gemessen wird. Aus dem Vergleich der Meßergebnisse zwischen einer Belebtschlammlösung mit bzw. ohne Nitrifikati­ onsinhibitor wird die Nitrifikationsleistung be­ stimmt.
Die DE 41 37 140 A1 offenbart ein Verfahren zur Be­ stimmung der Gasproduktion bei der Denitrifikation. Diese Gasproduktion wird unter anaeroben Bedingungen bestimmt und entspricht damit der potentiellen Deni­ trifikation nicht der In-Situ-Denitrifikation.
Aus den "Chemical Abstracts", 116 (1992), 213523y zu Por­ ter, L. K., "Ethylene inhibition of ammonium oxidation in soil", Soil Sci. Soc. Am. J. 56 (1992), 102-105 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Hemmung der Ammoni­ ak-Monooxigenase (AMO), d. h. des ersten Enzymschrit­ tes der Nitrifikation mittels Ethylen, bekannt.
Diese Aufgabe wird in Bezug auf das Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 und in Bezug auf die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 7 ge­ löst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiter­ bildungen auf.
Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, die Nitri­ fikations- und/oder Denitrifikationsrate dadurch zu bestimmen, daß in einem gasdicht verschlossenen Sy­ stem, in dem sich der zu untersuchende, toxische Boden befindet, der Druck, die CO2- und O2-Konzentration je­ weils am Anfang und am Ende der Inkubationszeit unter isothermen Bedingungen bestimmt wird und dann daraus die entsprechenden Nitrifikations- und/oder Denitrifi­ kationsraten ermittelt werden.
Grundlage hierfür ist, daß die Oxidation von Ammonium zu Nitrat ein sauerstoffverbrauchender Prozeß ist, wie in Gleichung 1 dargestellt, bei dem es zu einer Druckabnahme in dem geschlossenen System kommt:
NH4 + 2O2 → NO3 + H2O + 2H+ [1]
und daß die Denitrifikation in der Summe ein Prozeß ist, bei dem der Gasdruck steigt, wie aus Gleichung 2 zu entnehmen ist:
5CH2O + 4NO3 + 4H- + → 5CO2 + 7H2O + 2NxOy [2]
(Hier NxOy: Summe von NO, N2O, und N2).
Beim Boden-Luftaustausch bei derartigen Prozessen ist deshalb immer eine Nettogasproduktion oder ein Netto­ gasverbrauch festzustellen, wobei die Beträge des Sauerstoffverbrauchs und der CO2-Bildung bei der Atmung (Respiration) bei einem Respirationskoeffizien­ ten von 1 im Boden identisch sind (Gleichung 3), d. h. daß die Bodenatmung druckneutral ist:
CH2O + O2 → CO2 + H2O [3].
Der Boden-Luftaustausch als Folge der Respiration (Index R) kann deshalb durch die nachfolgende Glei­ chung 4:
wiedergegeben werden. Die Gesamtgasbilanz (Δn/Δt) ei­ nes solchen Systems kann demnach im wesentlichen aus der CO2-Bilanz (ΔCO2/Δt), der O2-Bilanz (ΔO2/Δt) so­ wie der Bildung von gasförmigen N-Verbindungen im Zuge der Denitrifikation (ΔNxOy/Δt) berechnet werden:
Werden meßtechnisch die Veränderungen der Gesamtbi­ lanz, der CO2-Bilanz sowie der O2-Bilanz erfaßt, so läßt sich die Bildung von NxOy im Zuge der Denitrifi­ kation berechnen. Ausgehend von der Kenntnis dieser Größe können die Denitrifikation und die Nitrifika­ tion über inverse Bilanzierung berechnet werden. Wenn demnach eine Druckminderung vorliegt, d. h. wenn ein Nettogasverbrauch festzustellen ist, ist der dominie­ rende, biologische Prozeß, der für dies verantwortlich ist, die Nitrifikation (Gleichung 1). Im umgekehrten Fall ist, wenn eine Drucksteigerung vorliegt, d. h. eine Nettogasproduktion, der dominierende Prozeß die Denitrifikation (Gleichung 2).
Zu beachten ist jedoch, daß CO2 nicht ausschließlich an die Umgebungsatmosphäre abgegeben wird, sondern daß auch ein gewisser Teil im Boden, d. h. in der wäß­ rigen Phase, gelöst wird und der Druck deshalb durch diesen pysikochemischen Prozeß fällt. Der im Boden gelöste Anteil des CO2 (Index aq) kann aber nach Gleichung 5 bestimmt werden:
Die in Gleichung 5 definierte Konstante KH: Henry- Konstante für die Wasserlöslichkeit von CO2; VH2O: Volumen des Bodenwassers; p: Partialdruck von CO2 im Headspace zum Zeitpunkt x und zum Zeitpunkt 0 ist experimentell bestimmt worden und ist temperaturab­ hängig, wie durch Gleichung 6 ausgedrückt wird:
KH(T) = 3.03553 - 0.01931T + (3.09905 × 10-5)T2 [6].
In summa ist es deshalb möglich, daß dann, wenn die Änderung der Gesamtgasmenge im System sowie die Pro­ duktion von CO2 und der Verbrauch von O2 bestimmt werden kann, es auch möglich ist, die Nitrifikation bzw. Denitrifikationsrate zu berechnen, da dies die wesentlichen Druckrelevanten Prozesse in gut durch­ lüfteten Böden sind.
Die Erfassung der oben genannten Parameter Druck, CO2 und O2 am Anfang und am Ende der Inkubationszeit er­ laubt die Berechnung der Gasproduktion (ΔNxOy/Δt) im Zuge der Denitrifikation. Die Denitrifikationsrate (kDen) kann daher über folgende Gleichung berechnet werden:
ASC: Area soil column;
MNo3-N: Molekulargewicht Nitrat-N.
Die CO2-Produktion im Zuge der Denitrifikation (Index Den) ergibt sich aus der folgenden Gleichung:
χ = Proportionalitätsfaktor, der zwischen 2 und 2.5 variieren kann.
Für die Produktion von CO2 über Respiration beim Bo­ den-Luftaustausch gilt dabei die nachfolgende Glei­ chung 7:
DCO2/Δt = Gesamt-CO2-Änderung im System;
(ΔCO2/Δt)aq = CO2, das im Bodenwasser zusätzlich gelöst wurde;
(ΔCO2/Δt)Den = CO2-Produktion über Denitrifikation;
Index R = Respiration.
Daraus läßt sich nun die Bodenrespirationsrate KR er­ mitteln (Gleichung 8):
ASC: Area soil column;
MCO2: Molekulargewicht Kohlen­ dioxid-Kohlenstoff.
Gleiches gilt für den Sauerstoffverbrauch wie in Gleichung 9 ersichtlich:
(ΔO2/Δt)Nit: O2-Verbrauch während der Nitrifikation;
(ΔO2/Δt): Veränderung der Gesamt-O2-Bilanz;
(ΔO2/Δt)R: O2-Verbrauch über Respiration und dementsprechend für die Ermittlung der Nitrifikationsrate (kNit), wie in Gleichung 10 gezeigt:
ASC: Area soil column;
MNH4-N: Molekulargewicht Ammonium N.
Damit ist es nun möglich, daß in zeitlicher Abhängig­ keit durch Messung der Druckänderung der CO2- und Sauerstoffkonzentrationsänderung eine Bestimmung der Nitrifikations- und/oder Denitrifikationsrate auf sehr einfache Weise möglich ist.
Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, daß bei einer Inkubationszeit von 0,5 bis 24 Stunden bevorzugt wäh­ rend einer Zeitspanne von 1 bis 12 Stunden, zumindest am Anfang und am Ende der Inkubationszeit sowohl der Druck, die CO2- und die Sauerstoffkonzentration ge­ messen wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es nun vorgesehen, daß mit den ermittelten Werten der Druckänderung und der Sauerstoff- und CO2-Konzentra­ tionsänderung anhand der vorstehenden Gleichungen die entsprechenden Nitrifikations- und Denitrifikations­ raten berechnet werden.
Damit steht erstmalig eine sehr einfache Methode zur Bestimmung der Nitrifikations- und Denitrifikations­ rate zur Verfügung.
Erfindungsgemäß ist es dabei vorgesehen, daß das Verfahren unter isothermen Bedingungen durch­ geführt wird, damit auch der Einfluß der Temperatur möglichst ausgeschaltet wird. Vorteilhafterweise wird das Verfahren deshalb bei 0-30°C durchgeführt.
In Bezug auf die durchzuführenden Messungen ist es an und für sich ausreichend, wenn sowohl am Beginn, als auch am Ende der Inkubationszeit die entsprechenden Werte, d. h. der Druck, die Sauerstoff- und die CO2- Konzentration gemessen wird. Selbstverständlich ist es beim erfindungsgemäßen Verfahren aber auch mög­ lich, daß die Druckmessung kontinuierlich oder in Zeitabständen von z. B. 1 Minute durchgeführt wird, um einen vollständigen Ablauf über das Druckverhalten zu erhalten. Auch die Bestimmung der CO2- und der Sauer­ stoffkonzentration kann während der Inkubationszeit mehrere Male durchgeführt werden.
In bezug auf die durchzuführenden Bestimmungsmethoden für die Druckmessung sowie die Sauerstoff- und CO2- Messung sind dabei alle an und für sich aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren durchführbar. Bevor­ zugt erfolgt die Druckmessung mit einem Drucksensor. In bezug auf die CO2- und Sauerstoffkonzentration ist es möglich, daß mittels sehr einfacher Verfahren, z. B. mittels einer Spritze aus dem Gasraum entspre­ chende Proben entnommen werden und diese dann mit einer geeigneten Analysenapparatur, z. B. mit einem Gaschromatographen bestimmt werden. Erfindungsgemäß ist es aber auch möglich, daß mittels einer direkten Bestimmung im Gasraum, z. B. mittels Sauerstoffsenso­ ren und CO2-Sensoren die entsprechenden Werte ermit­ telt werden. Wesentlich für das erfindungsgemäße Ver­ fahren ist lediglich, daß eine exakte Ermittlung der entsprechenden Parameter, d. h. des Drucks der Sauer­ stoff- und der CO2-Konzentration mindestens am Beginn und am Ende der Inkubationszeit sichergestellt ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens.
Die Vorrichtung ist dabei sehr einfach aufgebaut und besteht im wesentlichen lediglich aus einem Probenge­ fäß, das über entsprechende Zugänge, bzw. Zuführungen für Sensoren verfügt. Im einfachsten Fall kann die erfindungsgemäße Vorrichtung deshalb aus einem Probengefäß, z. B. von zylindrischer Gestalt bestehen, in das dann die zu untersuchende Bodenprobe eingebracht ist. Die Dimensionierung des Probengefäßes bzw. die Menge der eingebrachten Bodenprobe wird dabei so gewählt, daß ein freier Gasraum über dem Boden entsteht. We­ sentlich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dabei lediglich, daß das Probengefäß gas- und druck­ dicht gegenüber der Umgebungsatmosphäre abgeschlossen werden kann, so daß die im Probengefäß eingeschlosse­ ne Atmosphäre lediglich im Austausch mit dem Boden treten kann. Durch verschließbare Zugänge, die ja im Probengefäß vorgesehen sind, können dann die entspre­ chenden Bestimmungen für den Druck, die CO2-Konzen­ tration und die Sauerstoffkonzentration vorgenommen werden.
Es ist dabei vorgesehen, daß das Probenge­ fäß von z. B. zylindrischer Gestalt in einem thermo­ statisierbaren Behälter angeordnet ist. Der thermo­ statisierbare Behälter ist bevorzugt ein mit Wasser durchströmter Behälter. Selbstverständlich ist es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, mehr als ein Probengefäß vorzusehen, so daß dann auch Ver­ gleichsmessungen durchgeführt werden können. Bevor­ zugt sind zwei bis vier Probengefäße in einem thermo­ statisierbaren Behälter untergebracht. In Bezug auf die Ausgestaltung des Probengefäßes sind alle an und für sich dem Fachmann bekannten Vorrichtungen ein­ setzbar. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Proben­ gefäß zylindrisch ist und die Zugänge im Deckel des zylindrischen Systems untergebracht sind, da dies eine sehr leichte Bedienung ermöglicht.
In Abhängigkeit von der gewählten Auswertemöglich­ keit, d. h. ob die CO2- und Sauerstoffkonzentration über den Gaschromatographen bestimmt wird oder ob über separate Sensoren die entsprechenden Konzentra­ tionen ermittelt werden, sind die Zugänge im Proben­ gefäß ausgestaltet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Beispiels und einer Figur näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit drei Probengefäßen.
Bei der Vorrichtung nach der Ausführungsform nach Fig. 1 sind drei Probengefäße 1, in einem thermosta­ tisierbaren Behälter 2 angeordnet. Die Probengefäße 1 in der Ausführungsform nach Fig. 1 sind dabei zylin­ drisch ausgestaltet und weisen im Deckel 3 drei Zu­ gänge auf. Ein Zugang 4 ist dabei mit einem Drucksen­ sor 5 versehen. Der zweite Zugang 6 ist mit einem Septum versehen und dient zur Entnahme der Gasproben im Probengefäß. Das zylindrische Probengefäß 1 ist mit einer Bodenprobe 7 gefüllt. Zur Thermostatisie­ rung ist im Probengefäß 2 Wasser, das über das Lei­ tungssystem 8 durch das Probengefäß gepumpt wird. Der Drucksensor 5 sowie der Temperatursensor (Überprüfung der Isothermie des Probengefäßes) sind mit einer Aus­ werteeinheit (Pfeil) verbunden.
Ausführungsbeispiel 1
In eine Vorrichtung, wie in Fig. 1 beschrieben, wurde in das Probengefäß eine Bodenprobe eingebracht und dieses anschließend gasdicht verschlossen. Zum Zeit­ punkt 0 wurden folgende Werte gemessen:
Gesamtdruck im System: 917.1 mbar
CO2-Konzentration im Headspace: 1.09%
O2-Konzentration im Headspace: 19.46%
Nach 12 Stunden wurde die Veränderung dieser Werte erfaßt:
Gesamtdruck im System: 909.5 mbar
CO2-Konzentration im Headspace: 3.0%
O2-Konzentration im Headspace: 16.62%
Die Ermittlung des Gasvolumens für das Meß-System ergab, daß dieses zum Zeitpunkt t = 0 80.54 mmol und nach 12 Stunden 79.87 mmol betrug. Der Boden enthielt insgesamt 123.0 ml an Bodenwasser. Die Bestimmung der Einzelbilanzen, aufbauend auf den CO2-, O2- und Druck­ messungen, ergab folgende Änderungen über den Inkuba­ tionszeitraum:
Gesamtgasmenge: (Δn/Δt) -55.3 µmol h-1
Gesamt-O2-Bilanz (ΔO2/Δt) -188.0 µmol h-1
Gesamt-CO2-Bilanz (ΔCO2/Δt) 132.1 µmol h-1
CO2-gelöst im Bodenwasser (ΔCO2/Δt)aq 6.2 µmolh-1
Die Bildung von NxOy während der Denitrifikation er­ gibt sich aus der folgenden Formel:
d. h.
(ΔNxOy/Δt) = -55.3 µmol h-1 + 188.0 µmolh-1 - 132.1 mol h-1 = 0.6 µmol h-1
bzw. bezogen auf eine Bodensäulenoberfläche von 118.2 cm2:
Die CO2-Bildung über Denitrifikation ergibt sich bei einem Proportionalitätsfaktor von χ = 2.25 zu:
Die Kenntnis dieses Wertes erlaubt die Berechnung der Bodenrespirationsrate:
Die Nitrifikationsrate kann jetzt wie folgt berechnet werden:
D. h., die Nitrifikation führte zu einem Verbrauch von 30.2 mg NH4-N bzw. zu einer Produktion von 30.2 mg NO3-N.
Wie gezeigt, ergibt sich, aubauend auf einfach durch­ zuführende Messungen, aus dem letzten Rechenschritt die Brutto-Nitrifikationsrate, die bisher für Böden nur mit großem Aufwand bestimmt werden konnte.

Claims (11)

1. Verfahren zur Ermittlung der Nitrifikations- und/oder Denitrifikationsrate von Böden, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Bodenprobe in ein gas- und druckdicht verschließbares Probengefäß so eingebracht wird, daß über dem eingefüllten Boden ein Gasraum ent­ steht,
daß das Gefäß gasdicht verschlossen wird,
daß während der Inkubationszeit von 0,5-24 Stunden, mindestens zu Beginn und am Ende der Inkubationszeit, der Druck, die O2- und CO2-Kon­ zentration bestimmt und daraus die Nitrifika­ tions- und/oder Denitrifikationsrate ermittelt wird,
wobei die Messung unter isothermen Bedin­ gungen durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Messung bei 0-30°C durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmessung kontinuier­ lich erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Inkubationszeit zwischen 1 und 12 Stunden liegt.
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung des Drucks und/oder der O2- und/oder der CO2-Kon­ zentration im Probengefäß erfolgt.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die CO2- und/oder O2-Konzentration mittels Gaschromato­ graphie ermittelt wird.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, beste­ hend aus mindestens einem gasdicht verschließba­ ren, in einem thermostatisierbaren Behälter an­ geordneten Probengefäß, das mindestens eine Zu­ führung für einen Drucksensor und mindestens ei­ nen verschließbaren Zugang aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei bis vier Probengefäße in ei­ nem thermostatisierbaren Gefäß angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 und/oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Probengefäß zylindrisch ist und der Drucksensor sowie der/die Zu­ gang/Zugänge im Deckel des Zylinders angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck­ sensor mit einer Auswerteeinheit verbunden ist.
11. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ther­ mostatisiervorrichtung ein mit Wasser gefüllter Behälter ist.
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