Evaluation of the ecotoxicological threat of ammunition derived compounds to the habitat function of soil

Abstract

This thesis is a contribution to the environmental risk assessment of explosives for the soil fauna. As typical representatives the collembola F. candida and the enchytraeid E. crypticus were chosen. For both test organisms standardised tests have been established. With the mortality, the reproduction and the choice test the following issues have been investigated:

-Toxicity in the standard soil Lufa 2.2 of the explosives TNT, Hexyl, Hexogen (RDX) and Octogen (HMX) as well as of Triaminotoluene (TAT), the end product of reductive microbial degradation of TNT -Influence of the soil type on the toxicity of TNT in four uncontaminated soil materials with different contents of clay and organic carbon -Influence of ageing on TNT with the collembola-biotest in the standard soil Lufa 2.2 -Toxicity of contaminated soils on both test organisms -Success of different remediation processes.

The toxicity of the pure substances decreases from TNT to Hexyl for both test organisms. TAT is toxic for E. crypticus, but has no effect on F. candida. Hexogen and Octogen are not toxic. The reproduction test is generally more sensitive than the mortality test. In the choice test only the enchytraeid reacts at even lower concentrations than in the reproduction test.

The reference soils differ in their content of clay and organic carbon from the standard soil Lufa 2.2. The toxicity of TNT in the soil materials is correlated with their contents of clay and organic matter. Both species show soil specific reproduction rates in the uncontaminated reference soils.

The investigation of the ageing process reveals a time dependent decrease of the toxicity of TNT. The decrease is greater at higher temperatures than at lower. This is probably the result of the temperature dependence of the microbial activity.

The toxicity of TNT in contaminated soil materials was investigated for six soils from four different sites. It varies with the content of clay and organic matter of the soil materials.

With the biotests it could be shown that remediation processes can improve the habitat function of soil materials. Processes which use autochthon microorganisms, improve it. However, it was observed that the the habitat function became worse with white rot fungi, even though TNT was completely transformed.

Diese Arbeit untersucht die ökotoxikologischen Auswirkungen von sprengstofftypischen Verbindungen auf die Lebensraumfunktion des Bodens. Als typische Vertreter für die Bodenfauna wurden die Collembole F. candida und die Enchytraee E. crypticus ausgewählt, für die standardisierte Testverfahren entwickelt sind. Mit Hilfe von Mortalitäts-, Reproduktions- und Verhaltenstests wurden die folgenden Fragestellungen untersucht:

-Toxizität der Sprengstoffe TNT, Hexyl, Hexogen (RDX) und Octogen (HMX), sowie von Triaminotoluol (TAT), dem Endprodukt des reduktiven mikrobiellen Abbaus von TNT, im Standardboden Lufa 2.2 -Einfluß der Bodenart auf die Toxizität von TNT mit vier unbelasteten Referenzböden unterschiedlichen Ton- und organischen Kohlenstoffgehalts -Einfluß der Alterung von TNT im Standardboden Lufa 2.2 im Collembolen-Test -Toxizität von nutzungsbedingt belasteten Böden auf beide Testorganismen -Erfolg verschiedener Sanierungsverfahren.

Von den Reinsubstanzen nimmt die Toxizität für beide Testorganismen in der Reihenfolge TNT zu Hexyl ab. TAT ist für E. crypticus noch toxisch, wirkt dagegen auf F. candida nicht. Hexogen und Octogen sind untoxisch. Der Reproduktionstest ist generell sensitiver als der Mortalitätstest. Im Verhaltenstest reagiert nur die Enchytraee und zwar schon bei niederen Konzentrationen als im Reproduktionstest. Die Referenzböden unterscheiden sich in ihren Gehalten an Ton und organischen Kohlenstoff von dem Standardboden Lufa 2.2. Die Toxizität für TNT in den Bodenmaterialen korreliert mit ihrem Gehalt an Ton und organischer Materie. Beide Arten zeigen in den unbelasteten Referenzböden bodenspezifische Reproduktionsraten. In den Versuchen zur Alterung wurde eine zeitabhängige Abnahme der Toxizität von TNT nachgewiesen. Die Toxizitätsabnahme ist bei höheren Temperaturen größer als bei niedrigen. Dies ist vermutlich auf die Temperaturabhängigkeit der mikrobiellen Aktivität zurückzuführen. Die Toxizität von TNT in nutzungsbedingt belasteten Böden wurde für sechs Böden von vier verschiedenen Standorten untersucht. Sie variiert mit dem Gehalt der Böden an Ton und organischer Materie. Mit diesen Biotests konnte gezeigt werden, daß Sanierungsverfahren die Habitatqualität des Bodenmaterials verbessern. Verfahren, die auf autochthone Mikroorganismen zurückgreifen, verbessern sie nachhaltig. Bei einem Verfahren mit Weißfäulnispilzen, daß zu einer vollständigen Transformierung von TNT führte, wurde sie jedoch verschlechtert. Dagegen reduzierte eine Bodenwäsche sowohl die Toxizität der Sand- als auch der Feinkornfraktion.