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Titel / Referat: Schadstoffe in der Luft - Auswirkungen auf Pflanzen

Schlagwörter: Auswirkungen von Luftschadstoffen auf keimende Pflanzen, Stickstoffoxid, Schwefeldioxid, Kohlenstoffdioxid, Ozon, Kohlenstoffmonooxid Hausaufgabe, Referat

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Auswirkungen von Luftschadstoffen auf keimende Pflanzen


Gliederung
1 Einführung
2 Beschreibung diverser Luftschadstoffen
2.1 Ursachen von Stickstoffoxiden
2.1.1 Ablagerung von Stickstoffoxiden
2.1.2 Auswirkungen von Stickstoffoxiden auf Pflanzen
2.2 Ursachen von Schwefeldioxid
2.2.1 Ablagerung von Schwefeldioxid
2.2.2 Auswirkungen von Schwefeldioxid auf Pflanzen
2.3 Ursachen von Kohlenstoffmonooxid und Kohlenstoffdioxid
2.3.1 Ablagerung von Kohlenstoffdioxid
2.3.2 Auswirkungen von Kohlenstoffdioxid auf Pflanzen
2.4 Ursachen von Ozon
2.4.1 Ablagerung von Ozon
2.4.2 Auswirkungen von Ozon auf Pflanzen
3 Versuchsbeschreibung
3.1 Versuchsauswertung
3.2 Deutung
3.3 Bezug zur Ökologie

A Anhang 
A4 Literaturhinweise

Einführung
„Saubere“ Luft besteht zu 78,08% aus Stickstoff (N), zu 20,95% aus Sauerstoff (O2) und zu ca. 1% aus Argon, Kohlenstoffdioxid (CO2), Neon, Helium, Krypton, Xenon und Ozon (O3). Der Mensch verschmutzt die Luft aber vor allem mit den anorganischen Gasen wie Stickstoffoxiden (NO/NO2), Schwefeldioxid (SO2), Kohlenstoffmonooxid (CO) und Kohlenstoffdioxid (CO2) und anderen Aerosolen wie z.B. diversen Stäuben (Abbildung 1/2). Schon früh wurde die zunehmende Luftverschmutzung als ernstes Problem erkannt, so wurde schon 1348 in Zwickau der Gebrauch von Steinkohle als Feuerungsmittel für Schmieden im Stadtgebiet untersagt um die Rauchgas Belästigung zu senken. Die Schadstoffe gehen natürlich auch in Wasser und Boden über, wo sie Schäden anrichten, die hier nur kurz behandelt werden sollen: Als Indirekte Wirkung bezeichnet man zum Beispiel, dass der Boden durch den sauren Regen saurer wird und so die Wasser- und Mineralsalzaufnahme der Pflanzen gestört wird. Außerdem können die Pilze an den Wurzeln und die Feinwurzeln selbst absterben. Auch die Wurzeln im Unterboden können absterben, so dass die Bäume nicht mehr an die im Unterboden gelösten Mineralien gelangen oder sogar umkippen. So ist auch zu erklären, dass oftmals Bäume in ungünstigen Gebieten (zum Beispiel Hanglage) am stärksten geschädigt sind, auch wenn die Schadstoffquellen (Städte) oft weit entfernt sind, denn die Schadstoffe können sehr leicht in der Luft mit Hilfe des Windes transportiert werden.
Um den Wald zu schützen, der immerhin 33% des Festlandes bedeckt, gibt es in Deutschland seit 1983 eine Waldschadenserhebung in der die Bäume in verschiedene Schadstufen eingeteilt werden: Die Schadstufe 0 zeigt keine Schäden, Schadstufe 1 bedeutet schwach geschädigt und wird heute als Warnstufe angesehen, die Schadstufen 2-4 bedeuten mittlere bis starke Schäden an den Bäumen (Abbildung 6). Diese Schadstufen orientieren sich hauptsächlich am Nadel- oder Blattverlust eines Baumes. Um die Luftverschmutzung zu untersuchen benutzt man heute auch sogenannte Bioindikatoren, das sind Organismen, die entweder besonders empfindlich oder besonders typisch auf bestimmte Schadstoffe reagieren. Für Schwefeldioxide, Stickstoffdioxide, Ozon und Stäube benutzt man z.B. Flechten, die unter bestimmten Bedingungen ausgesetzt werden und nach einer bestimmten Zeit wieder eingesammelt und untersucht werden.
(vergleiche Literatur 1) und 4))


2 Beschreibung diverser Luftschadstoffe

2.1 Ursachen von Stickstoffdioxiden
Stickstoffoxide entstehen bei Verbrennungsvorgängen in industriellen Anlagen aber vorrangig in Automotoren, also hauptsächlich aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe. Es gibt aber auch natürliche Stickstoffoxidquellen: So z.B. Vulkane, Blitze und Bakterielle Zersetzungsprozesse. 1991 entstanden noch jährlich ca. 25 Millionen Tonnen Stickstoffoxide in ganz Europa. Es ist derzeit noch nicht möglich die Stickstoffoxidkonzentration zu senken, ohne dabei die CO2 -Konzentration der Abgase zu erhöhen. Über 50% der Stickstoffoxide stammen in Deutschland von Kraftfahrzeugen, wobei davon nur circa 5% als das relativ giftige und gefährliche Stickstoffdioxid direkt am Auspuff auftreten. Die restlichen 95% treten als Stickstoffmonooxide aus, die dann aber relativ schnell, innerhalb von Minuten oder weniger Stunden, mit der Hilfe der Sonnenstrahlen und dem Luftsauerstoff in einer sogenannten fotochemischen Oxidation zu Stickstoffdioxid oxidiert werden. So läßt sich die unterschiedliche Konzentration von NO und NO2 in Straßennähe erklären: Direkt auf der Straße läßt sich eine hohe NO Konzentration feststellen, weil es dort entsteht. Aber schon einige Meter daneben oder darüber sinkt die Stickstoffmonooxidkonzentration und die Stickstoffdioxidkonzentration nimmt rapide zu, so wurde in einer Innenstadt schon in ca. 19 m Höhe eine 20 % höhere NO2 Konzentration festgestellt als in Bodennähe, wo allerdings die NO Konzentration ca. 3 mal so hoch war, wie in 19 m Höhe. Allgemein lassen sich in den Innenstädten relativ hohe Stickstoffoxidkonzentrationen messen, weil es in den Innenstädten kaum Möglichkeiten zur Verdünnung gibt, das heißt die Straßen sind kanalähnlich angelegt: der Untergrund ist zementiert und die Seiten sind durch meist hohe und geschlossene Häuserfronten versiegelt, so dass kaum Luftaustausch stattfinden kann.

Weil im Winter die fotochemischen Reaktionen auf Grund von mangelnder Sonneneinstrahlung nicht im selben Maße stattfinden könen wie im Sommer ist die NO Konzentration im Winter circa doppelt so hoch wie im Sommer. Seit etwa 1990 steigt die Zahl der Stickstoffoxidmeßstellen an, weil 1990 neue, europaweite Richtlinien geschaffen wurden. Es gibt eine Reihe von Standortfaktoren für diese Meßstellen, so sollen sie zum Beispiel mehr als 20 m von der nächsten Kreuzung, aber nur 1 m von der nächsten Fahrspur entfernt sein. Außerdem ist eine geschlossene beidseitige Bebauung und ein hohes Fahrzeugaufkommen erforderlich. Die Meßhöhe soll ca. 1,5 m über dem Straßenniveau betragen. (Abbildung 3/4)

2.1.1 Ablagerung von Stickstoffoxiden
Die Luftschadstoffe werden allgemein durch zwei Prozesse auf dem Boden und damit auf den Pflanzen abgelagert: a) die nasse Deposition und b) die trockene Deposition. Die nasse Deposition, umgangssprachlicher „saurer Regen“, ist leicht zu messen, da der verunreinigte Regen, Schnee oder Nebel relativ leicht aufgefangen und untersucht werden kann. Die Wassertropfen nehmen die Luftschadstoffe auf drei unterschiedlichen Wegen auf: Kleine Partikel (kleiner als 0,1(m) gelangen durch Diffusion in das Innere der in der Luft befindlichen Wassertropfen und werden dort absorbiert. Größere Partikel (größer als 0,1(m) sind an der Nukleation beteiligt, das heißt die Aerosole (in der Luft schwebende Partikel) werden in den Kondensationsprozess der Wolkenbildung einbezogen. Schließlich werden die Partikel auch durch Kollision mit Wassertropfen aus der Luft gefiltert. Die nasse Deposition ist bei den Stickoxiden aber nicht relevant, weil sie nur schwer wasserlöslich sind. (Werden sie trotzdem in Wasser gelöst entsteht Salpetersäure, mit der später noch Versuche zur Untersuchung des sauren Regens gemacht wurden). Die trockene Deposition, und damit die Ablagerung der Stickoxide ist abhängig von der Untergrundbeschaffenheit, sowohl die Makrostruktur, das heißt die Bewuchshöhe und -dichte, als auch die Mikrostruktur, das heißt die Nadel- oder Blattgröße aber auch eventuelle Blattbehaarung, sind hierbei ausschlaggebend. Außerdem nehmen die Pflanzen die Stickstoffoxide auch direkt aus der Luft auf.

2.1.2 Auswirkungen von Stickstoffoxiden auf Pflanzen
Von den Laubbäumen reagiert die Weißbirke besonders empfindlich, während Stieleichen und Buchen zu den weniger empfindlicheren Arten zählen. Bei den Nadelhölzern haben sich die Lärchenarten (Kiefergewächse) als sehr anfällig erwiesen. Dagegen Eibe, Schwarzkiefer und Kriechkiefer als recht resistent. Aus der Gruppe der landwirtschaftlichen Pflanzenarten sind die Leguminosen (Hülsenfrüchtler) als besonders empfindlich zu nennen. Zu den relativ widerstandsfähigen Arten zählen die Kohlgewächse. Stickstoffoxide werden durch die Spaltöffnungen an den Blattunterseiten aufgenommen. Die Stickstoffdioxide reagieren dann im Blattinneren mit dem Zellwandwasser zu Nitrat und Nitrit. Das Stickstoffmonooxid ist noch schlechter wasserlöslich als das Stickstoffdioxid und geht daher nur selten Verbindungen mit dem Zellwandwasser ein. So läßt sich die erheblich höhere toxische Wirkung von NO2 gegenüber dem NO erklären, denn das NO wird später einfach wieder ausgeschieden ohne eine Reaktion einzugehen. Mit Hilfe von Enzymen, der im Zytoplasma vorhandenen Nitratreduktase und der in den Chloroplasten vorhandenen Nitritreduktase, werden die gelösten Stickstoffoxide dann zu Ammoniak reduziert, und in den Stickstoffkreislauf der Pflanze eingeschleust, um einerseits die Pflanze zu entgiften (mit der Entsorgung der Nitrate und Nitrite) und andererseits die Versorgung mit Stickstoff zu erhöhen. Unter Kombinationsstreß, das heißt wenn noch andere Schadstoffe die Pflanze schädigen, ist die Entsorgung des Nitrats und Nitrits beeinträchtigt, so dass die Schadstoffe dann noch stärker wirken.

Die Entgiftung der Pflanze, das heißt die Reaktion mit den Nitraten und Nitriten und den Enzymen kann Nachts und im Winter nicht im selben Maße stattfinden, weil die Stoffwechselaktivität dann herabgesetzt wird. Das heißt, dass die Pflanzen speziell im Winterhalbjahr besonders anfällig für Schadstoffe sind. Deshalb wird ein Halbjahresmittelwert von ca. 190µg/m³ für das Sommerhalbjahr für vertretbar gehalten, denn die Pflanze kann aufgrund hoher Stoffwechselaktivität das aufgenommene NO2 sehr schnell entsorgen. Im Winterhalbjahr wird ein Halbjahresmittelwert von 75µg/m³ für nötig gehalten, weil schon bei einer Konzentration von 115µg/m³ über 6 Monate erhebliche Wuchsminderungen auftraten. Diese Richtwerte wurden für Landwirtschaftliche Nutzpflanzen aufgestellt, das heißt für Pflanzen, die nach spätestens einem Jahr wieder geerntet werden sollen. Für länger lebende Pflanzen, wie zum Beispiel Bäume, sind diese Werte wahrscheinlich noch zu hoch. Eine gesicherte Aussage darüber, ob diese Werte auch für zum Beispiel die Wälder vertretbar sind ist zur Zeit noch nicht möglich, weil die dazu erforderlichen Langzeitstudien noch nicht vorliegen. Unter Berücksichtigung der Wirkungsmechanismen ist es jedoch unwahrscheinlich, dass diese Werte für einen ausreichenden Schutz sorgen. Denn nicht nur die Dosis ist wirkungsbestimmend, sondern auch die Einwirkzeit: Bei einer verhältnismäßig kurzen Einwirkzeit sind kaum Schäden zu erkennen, da die Pflanze nur eine bestimmte Menge an Stickstoffoxiden in der begrenzten Zeit aufnehmen kann, und geringe Mengen nicht negativ wirken müssen und sogar positiv für die Wuchshöhe sein können. Außerdem ist eine gesunde Pflanze in der Lage auch höhere Konzentrationen zu verkraften so lange die dafür benötigten Enzyme noch nicht blockiert werden, was nach längerer Einwirkzeit allerdings geschehen kann.

Wird die Einwirkzeit allerdings erhöht kann auch schon eine niedrigere Dosis enorme Schäden hervorrufen, denn es kann sich Stickstoffdioxid in den Blättern ansammeln und die Enzyme schädigen, und so können die Nitrate und Nitrite schließlich eine Konzentration erreichen die toxisch wirkt und die Pflanze so schädigen, weil die Enzyme nicht mehr wirken können. Bei einer längeren Einwirkzeit ist, im Gegensatz zur kurzen Einwirkzeit; natürlich auch die Konzentration relevant, denn bei einer höheren Konzentration können natürlich auch mehr Stickstoffoxide aufgenommen werden, die sich dann schneller summieren. Bei den Wirkungsmechanismen des Stickstoffdioxids herrscht noch Unklarheit. Es wird vermutet, dass das Nitrat und Nitrit mit den Zellmembranen reagiert oder, dass es sich in den Zellen anreichert. Hat die Pflanze eine bestimmte Menge von Stickoxiden aufgenommen tritt die anfängliche wuchsfördernde Wirkung des Stickstoffs zurück und er beginnt toxisch zu wirken: Als erstes Anzeichen wird eine Störung der Zellfunktion und des Zellaufbaus sichtbar. Anschließend versucht die Zelle sich wieder zu regenerieren und es treten erste sichtbare Symptome auf: wasserdurchtränkte Blattflecken, die durch Wasseraustritt aus den Mesophyllzellen (die Zellen zwischen der oberen und unteren Epidermis, also vor allem Schwammgewebe und Palisadenzellen) in die Interzellularen verursacht werden. Diese treten aber zurück solange das Gewebe nicht irreversibel geschädigt wurde, andernfalls treten Blattnekrosen (abgestorbene Blatteile) auf, die nicht wieder geheilt werden können.

Bei einer niedrigen aber dafür chronischen Belastung treten dagegen Chlorosen auf, darunter versteht man eine fehlende oder gehemmte Ausbildung des Blattgrüns, die auch bei Staunässe, Lichtmangel oder Eisenmangel auftreten kann. Eine mögliche Theorie ist, dass die Nitrate und Nitrite die Eisenteilchen wie beim sauren Regen aus den Blättern auswaschen. NO und NO2 können außerdem neben der Fotosynthese auch die Transpiration stören, und so das Wachstum mindern und die Resistenz der Pflanze gegenüber anderen Stressfaktoren senken. Unter anderen Stressfaktoren sind hier andere Schadstoffe, auf diese Kombinationswirkungen wird später noch genauer eingegangen, oder Krankheitserreger und Schädlinge, vor allem Borkenkäfer, gemeint, die die Pflanze dann leichter angreifen und schädigen können.
(vergleiche Literatur 1), 2) und 5))

2.2 Ursachen von Schwefeldioxid
Schwefeldioxid (SO2) entsteht vor allem während Verbrennungsvorgängen bei der Oxidation des in Kohle, Erdöl und Erdgas gespeicherten Schwefels zu Schwefeldioxid. Aber auch in der Metallindustrie entsteht viel Schwefeldioxid. Seit den 70ern sinken die SO2 Ausstöße in Deutschland weil vor allem die Energiegewinnung auf andere, schwefelärmere Brennstoffe verlagert wurde, so zum Beispiel auf die Atomenergie. Die ehemalige DDR dagegen bezog bis zuletzt 72% ihrer Energie aus Braunkohle, und entsprechend viel Schwefeldioxid kam so über die Grenze (Abbildung 5). Aus Abbildung 4 kann man erkennen, dass die erhebliche Umweltbelastung durch Schwefeldioxide auch in der DDR schon vor 1989 bekannt gewesen sein muß, denn 47 von 62 Meßstellen des Meteorologischen Dienstes konnten Schwefeldioxidkonzentrationen messen obwohl
nur 8 Ozon- und 16 Stickstoffdioxidkonzentrationen messen konnten. Seit den 80ern wird in Deutschland die Abgasentschwefelung der Kraftwerke vorangetrieben und es ist immer noch ein erheblicher Rückgang der Schwefelausstöße auf Grund von neuen Gesetzen zu erwarten. 1991 wurden noch jährlich 50 Millionen Tonnen Schwefeldioxid in Europa freigesetzt.
(vergleiche Literatur 4) und 5))

2.2.1 Ablagerung von Schwefeldioxid
Das Schwefeldioxid kann in der Luft leicht mit dem in ihr befindlichen Wasser zur stark ätzenden Schwefelsäure (H2SO4) reagieren und als saurer Regen niederschlagen (auch hierzu wurde später noch ein Versuch zur Auswirkung von saurem Regen auf Pflanzen durchgeführt werden). Schwefeldioxid wird aber nicht nur durch die nasse, sondern auch, wenn auch nicht in dem Maße, durch trockene Deposition abgelagert.
(vegleiche Literatur 1)

2.2.2 Auswirkungen von Schwefeldioxid auf Pflanzen
Werden Pflanzen nur Schwefeldioxid ausgesetzt beginnt das SO2 ab einer bestimmten Konzentration die Schließbewegungen der Spaltöffnungen an der Unterseite der Blätter zu hemmen oder gar ganz zu verhindern. So werden vom Schwefeldioxid hauptsächlich Pflanzen bedroht, denen nur wenig Wasser zur Verfügung steht, also wieder Pflanzen mit ungünstigen Standorten, denn wenn sich die Spaltöffnungen nicht mehr schließen können wird es für die Pflanze unmögliche ihre Transpiration und damit ihren Wasserverlust zu regulieren, so dass die Pflanze eigentlich nicht am Schwefeldioxid sonder am Wassermangel stirbt.
Außerdem ist Schwefeldioxid und Schwefelsäure neben Kohlenstoffmonooxid und Staub eine der Hauptursachen von Wintersmog: Es sammeln sich verschiedene Schadstoffe in Bodennähe an, wenn dort nur wenig Wind weht und die Lufttemperatur mit zunehmender Höhe ansteigt, so dass die verunreinigte Luft nicht oder nur unzureichend gegen saubere ausgetauscht werden kann. 1962 starben über 150 Menschen an den Folgen von Smog allein im Ruhrgebiet. Für Pflanzen ist Smog ebenso gefährlich, weil sie dann nicht nur einem Schadstoff in hoher Konzentration ausgesetzt sind sondern gleich mehreren. Ist das der Fall kann es zu sogenannten Kombinationswirkungen kommen, die allgemein schon bei einer niedrigeren Konzentration erhebliche Schäden anrichten können. Obwohl es zur Zeit dazu noch zu wenig Untersuchungen gibt läßt sich sagen, dass eine Kombination aus Stickstoffdioxid und Ozon die Vegetation gravierender schädigt als eine Kombination aus Stickstoffdioxid und Schwefeldioxid. Einzelne Untersuchungen sprechen sogar dafür, dass eine Kombination von allen drei Gasen den Effekt noch erhöht. Das Schwefeldioxid und das Ozon greifen das Enzym Nitritreduktase an, das für den Abbau des Nitrits, das sich aus dem Stickstoffdioxid und dem Zellwasser gebildet hat, verantwortlich ist, so dass das Nitrit nicht zu Ammoniak reduziert werden kann und schließlich toxisch wirkt.
(vergleiche Literatur 1))

2.3 Ursachen von Kohlenstoffmonooxid und Kohlenstoffdioxid
Kohlenstoffmonooxid (CO) entsteht vor allem bei unvollständigen Verbrennungen in Motoren und kleinen Feuerungsanlagen. Der Kohlenstoffmonooxidausstoß ist seit etwa 1970 stark rückläufig weil man anfing Brennstoffe mit günstigerem Emissionsverhalten (Schadstoffausstoßverhalten) zu benutzen. Außerdem wurde eine Emissionsbegrenzung bei Pkws erlassen (Abgasuntersuchung) und es wurde zusätzlich noch angefangen den Kraftstoffverbrauch zu verringern. Kohlenstoffdioxid (CO2) entsteht vor allem bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Kohle, Öl oder Gas und somit auch in Otto- oder Dieselmotoren. Da es zur Zeit noch nicht möglich ist den Kohlenstoffausstoß zu vermindern, ohne dabei den Stickstoffoxidausstoß zu erhöhen, ist in diesem speziellen Gebiet mit keiner Minderung der Ausstöße zu rechnen. Auch bei der Verbrennung von Pflanzenmaterial, vor allem von Holz entsteht viel CO2. So wird z.B. bei der Brandrohdung viel mehr gespeichertes CO2 freigesetzt, als durch neu gepflanzte Pflanzen wieder gespeichert werden könnte. Da auf den frei gewordenen Flächen meist landwirtschaftliche Pflanzen mit sehr viel weniger CO2- Speicherkapazität gepflanzt werden bleibt das vorher freigesetzte CO2 folglich in der Atmosphäre. So hat der Mensch in den letzten Jahrhunderten extrem viel Kohlenstoffdioxid freigesetzt, das in mehreren Jahrtausenden gespeichert wurde. Auch aus vielen Farben und Lacken treten Kohlenstoffoxide aus. Als natürliche Quellen sind die Tiere (bei der Atmung und der Verdauung entsteht CO2) und diverse Duftstoffe im Wald zu nennen.

Braunkohle hat in etwa den 1,4 fachen CO2 Gehalt wie Steinkohle, Diesel und Benzin haben etwa den 0,8 fachen und Erdgas etwa den 0,6 fachen CO2 Gehalt im Vergleich zu Steinkohle. Es entstehen nahezu 800 Millionen Tonnen CO2 pro Jahr weltweit, in Europa immerhin 11,7 Tonnen pro Kopf und Jahr. Beim Kohlenstoffdioxidausstoß ist in den nächsten Jahren mit keiner Abnahme zu rechnen.

2.3.1 Ablagerung von Kohlenstoffoxid
Kohlenstoffmonooxid reagiert mit dem Luftsauerstoff relativ schnell zu Kohlenstoffdioxid, so dass die Ablagerungen und Wirkungen auf Pflanzen von Kohlenstoffmonooxid vernachlässigt werden können. Kohlenstoffdioxid wird nicht im eigentlichen Sinn durch nasse oder trockene Deposition abgelagert, vielmehr ist es ein natürlicher Bestandteil der Luft und kann außerdem auf verschiedene Wege gespeichert werden: a) In der Atmosphäre (755 gespeicherte Gt), b) in Tieren und Pflanzen (1000 gespeicherte Gt), c) in abgestorbener Biomasse (1720 gespeicherte Gt), d) in den Meeren (ca. 39000 gespeicherte Gt), e) in Sedimenten und Gesteinen (6600 gespeicherte Gt) und in fossilen Brennstoffen (5000 gespeicherte Gt). Der prozentuale Kohlenstoffdioxid Gehalt der Luft ist in den letzten 250 Jahren von ca. 0,028 %(1750) auf etwa 0,035 % gestiegen (Abbildung 7). Einen ähnlichen Anstieg gab es aber schon einmal, ungefähr an dem Zeitpunkt an dem der Mensch entstand war der CO2 Gehalt der Luft in etwa so hoch wie heute (belegt durch Eiskernbohrungen in der Antarktis).

2.3.2 Auswirkungen von Kohlenstoffdioxid auf Pflanzen
Kohlenstoffdioxid hat als natürlicher Bestandteil der Luft keinen direkten negativen Einfluß auf Pflanzen (in diesen Konzentrationen auch nicht auf Tiere). Vielmehr benötigen die Pflanzen das Kohlenstoffdioxid zur Stärkebildung und könnten ohne es nicht existieren. Als indirekte negative Folge sowohl für die Pflanzen als auch für den Menschen könnte man den Treibhauseffekt bezeichnen für den das Kohlenstoffdioxid maßgeblich verantwortlich ist. Denn Kohlenstoffdioxid, Wasserdampf, Ozon und Stickstoffoxide speichern die Wärme in der Luft und sorgen damit für die allgemeine Erwärmung des Erdklimas, und könnten damit in einiger Zeit für einen Anstieg des Meeresspiegels sorgen, so dass die Versorgung der Menschheit mit Nahrung und Wasser gefährdet werden würde. Aber auch für die Pflanzen und Tierwelt hätte eine globale Klimaerwärmung gravierende Folgen, denn der Natur würde keine Zeit bleiben neue, ausgewogene Ökosysteme aufzubauen. Die Temperaturen und Niederschläge werden sich rascher verändern als bei bisherigen Klimakatastrophen, wie zum Beispiel den Eiszeiten, so dass eine Vielzahl der Tier- und Pflanzenarten aussterben würden. Es gibt aber neben Kohlenstoffdioxid noch andere Stoffe, die den Treibhauseffekt vorantreiben.

2.4 Ursachen von Ozon
Bis in die 60er Jahre galt Ozon (O3) als Zeichen für gute Luftqualität, so warben Kurorte zum Beispiel mit einem hohen Ozongehalt der Luft. Denn das Ozon wird in Bodennähe leicht von Luftschadstoffen zersetzt, so dass ein hoher Ozongehalt ein Zeichen für wenige Luftschadstoffe war. Ozon entsteht vor allem in der Atmosphäre (25-50 km Höhe) durch eine fotochemische (es wird vor allem ultraviolettes Licht benötigt) Reaktion von O2 und NO2 zu O3 und NO. Es kann aber vor allem im Sommer in Bodennähe auf die gleiche Weise entstehen oder auch durch Luftströmungen in Bodennähe transportiert werden, wo es aber im Regelfall sehr schnell von Luftverunreinigungen, vor allem von Chlor- und Bromverbindungen (oder besonders von Chlorfluorkohlenwasserstoff CFKW), angegriffen und zersetzt wird. Durch das ultraviolette Licht werden die Chlor- und Bromverbindungen gespalten und das freigesetzte Chlor und Brom greift das Ozon an um dann wieder frei zu werden und erneut Ozon zu zersetzen. Der Ozongehalt der Luft wird von diversen Gasen beeinflußt, so baut zum Beispiel Kohlenstoffdioxid, Stickstoffoxide, Kohlenwasserstoffe und Methan Ozon auf während Chlorverbindungen, Bromverbindungen, Distickstoffmonooxid und vor allem CFKW Ozon abbauen. Für die Ozonkonzentration in der Luft ist kurzfristig keine Abnahme zu erwarten, weil zur Zeit noch genug Stickstoffoxide und Kohlenwasserstoffe in der Luft sind, die Ozon in Bodennähe aufbauen können.

2.4.1 Ablagerungen von Ozon
Auch Ozon lagert sich nicht im eigentlichen Sinne ab, da es ein natürlicher Bestandteil der Luft ist. Es ist sehr schlecht wasserlöslich, so dass nasse Deposition nicht auftritt. Auch trockene Deposition tritt nicht auf, da Ozon ein Gas ist und erst bei -192,5( C fest wird, so dass es in der Natur nicht in Staubform auftreten kann. Allerdings kann es direkt Verbindungen mit Pflanzen eingehen, so dass man das eventuell als trockene Deposition bezeichnen könnte. Allerdings steigt das Ozon teilweise auf und wird dann mit dem Wind leicht in Gebiete transportiert in denen man eigentlich keine hohe Konzentration erwarten würde (Abbildung 8), so würden sich auch die Schäden an den Bäumen in den Gebirgen erklären lassen.

2.4.2 Auswirkungen von Ozon auf Pflanzen
Ozon ist eins der stärksten Oxidantien. Es wirkt wesentlich stärker oxidierend als zum Beispiel Sauerstoff, das heißt es wirkt stark ätzend auf organische Verbindungen. Ozon wird sogar als Desinfektionsmittel in manchen Wasserwerken eingesetzt. So kann es zum Beispiel leicht eine Verbindung mit der Cuticula der Pflanzen eingehen und diese auf diese Art stark schädigen. Eine so geschädigte Cuticula ist nicht mehr in der Lage die Pflanze vor saurem Regen zu schützen, so dass die Schwefel- und Salpetersäure leicht die Mineralien (speziell das Magnesium) aus den Blättern spülen können. Dadurch lassen sich auch die Magnesium - Mangelerscheinungen bei vielen geschädigten Bäumen erklären. Ozon greift außerdem noch das Chlorophyll, also den grünen Blattfarbstoff, der für die Photosynthese benötigt wird, an und kann es zu großen Teilen vernichten, so dass die Pflanze nicht mehr in der Lage ist Fotosynthese zu betreiben. Auch für den sogenannten Sommersmog, der vor allem aus Ozon, Stickstoffoxiden und CO besteht und damit als fotochemischer Smog bezeichnet werden kann, ist Ozon mitverantwortlich. (Vergleiche Literatur 1) und 6))

3 Versuchsbeschreibung
Es wurden vier mal je 90 Kressesamen auf drei Petrischalen verteilt und auf angefeuchtete Watte gepflanzt (Bild 1). Diese Testkeimlinge wurden dann verschiedenen Schadstoffen ausgesetzt, um zu untersuchen welche Auswirkungen die verschiedenen Luftschadstoffe auf die Keimlinge haben. So wurden 90 Kressesamen zum Test und zum Vergleich keinen Schadstoffen ausgesetzt. 90 Kressesamen wurden den Abgasen einer Ente ohne Katalysator, die mit Hilfe eines Glasrohrs und eines Müllsacks aufgefangen wurden, indem das Glasrohr mit Hilfe eines durchbohrten Gummistopfens an den Auspuff der Ente befestigt wurde
(Bild 2). 90 Kressesamen wurdenden Abgasen eines Seat Marabella, die auf die oben beschriebene Art aufgefangen wurden, mit Katalysator ausgesetzt. Die Abgase in den Müllsäcken wurde dann in zwei weitere transparente Müllsäcke, in denen bereits die mit abgezählten Kressesamen bepflanzten Petrischalen standen, umgefüllt, indem die nahezu luftleeren Müllsäcke mit den Kressesamen luftdicht an dem Glasrohr befestigt wurden, und schließlich die Abgase durch Druck auf den 1. Müllsack hinüber gepumpt wurden (Bild 3). Dann wurde noch ein transparenter Müllsack mit Luft aufgeblasen und wieder drei Petrischalen und dieses mal noch eine brennende Zigarette, die die Luft in dem Müllsack mit Schadstoffen belasten sollte, hineingestellt. Anschließend wurden die nun mit Kressesamen und diversen Abgasen gefüllten Müllsäcke luftdicht verschlossen und in die Sonne gestellt, bis nach acht Tagen die Müllsäcke wieder geöffnet wurden um die Keimungsrate, Wuchshöhe und Wurzellänge zu messen. Außerdem wurden noch circa zwei bis vier repräsentative Keimlinge aus jedem Versuchsaufbau entnommen um makroskopisch und mikroskopisch nach etwaigen Veränderungen, Missbildungen oder Mutationen untersucht.

Weiterhin wurden je 90 Samen mit Schwefelsäure und Salpetersäure beträufelt um die Auswirkungen des sauren Regens zu untersuchen. Die Samen wurden mit verschieden konzentrierten Lösungen befeuchtet (Bild 4): Es wurden Schwefelsäure Konzentrationen von 14,55%, 9,7% und 2,425% verwendet. Bei der Salpetersäure wurden Konzentrationen von 17,3%, 8,65% und 2,16% verwendet. Die Keimungsrate betrug allerdings bei allen sechs Versuchen 0%, das heißt auch schon sehr niedrige Säurekonzentrationen verhindern anscheinend vollständig das Wachstum von Kressesamen. Die einzige sichtbare Veränderung trat bei der Salpetersäure jeglicher Konzentration auf: Die Kressesamen wurden entfärbt und der ausgewaschene Farbstoff ging in den Zellstoff, der als Nährboden diente, über, das heißt das hier verwendete Filterpapier färbte sich hellbraun (Bild 5).

3.1 Versuchsauswertung
Nach acht Tagen wurden die Müllsäcke wieder geöffnet und die Keimlinge entnommen, und die Keimungsrate bestimmt: beim Testansatz betrug die Keimungsrate 73,3%, das heißt es sind 66 von den 90 gepflanzten Keimlingen aufgegangen. Beim Versuch mit den Abgasen des Seats mit Katalysator betrug die Keimungsrate 82,2%, das heißt es sind 74 der gepflanzten Keimlinge aufgegangen. Bei dem Versuch mit den Abgasen der Ente ohne Katalysator betrug die Keimungsrate 92,2%, das heißt es gingen 83 von den 90 gepflanzten Samen auf. Beim Versuch mit dem Zigarettenrauch betrug die Keimungsrate 83,3%, das heißt es sind 75 der Kressesamen aufgegangen. Um die Wuchshöhe und Wurzellänge zu bestimmen wurden von jedem Versuch zwei Petrischalen untersucht. Die Kressekeimlinge wurden vorsichtig, wenn möglich mit Wurzel, entfernt und anschließend auf Millimeterpapier ausgebreitet und vermessen.

Die teilweise recht großen Lücken in den Tabelle bei der Wurzellänge lassen sich dadurch erklären, dass es nicht immer möglich war die Kressesamen mit der Wurzel zu ernten, da sie auf Watte gepflanzt wurden und die Wurzeln sich teilweise tief in der Watte verankert hatten. In zukünftigen Versuchen sollte auf Filterpapier ausgewichen werden weil den Keimlinge so die Möglichkeit genommen wird sich so fest zu verwurzeln. Anschließend wurden die zur Verfügung stehenden Daten addiert und durch ihre Anzahl dividiert um Durchschnittswerte zu ermitteln. Es ergaben sich aus den verschiedenen versuchen folgende Durchschnitswerte: Beim Testansatz ergab sich in der ersten Petrischale eine Sproßlänge von 2,2 cm und eine Wurzellänge von 2,3 cm in der zweiten allerdings eine Sproßlänge von 1,76 cm und eine Wurzellänge von 1,62 cm. Daraus ergab sich eine durchschnittliche Sproßlänge von 1,98 cm und eine durchschnittliche Wurzellänge von 1,96 cm.

Beim Ansatz mit den Abgasen des Ottomotors ohne Katalysator (Ente) ergab sich eine durchschnittliche Sproßlänge von 2,5 cm und eine durchschnittliche Wurzellänge von 1,995 cm. Für die Keimlinge in den Abgasen des Ottomotors mit Katalysator (Seat Marabella) ergab sich eine durchschnittliche Sproßlänge von 2,669 cm und eine durchschnittliche Wurzellänge von 1,944 cm. Für die Keimlinge in dem Zigarettenrauch ergab sich eine durchschnittliche Sproßlänge von 1,465 cm und eine durchschnittliche Wurzellänge von 2,11 cm. Auch die Durchschnittslängen bei den Abgasansätzen wurden pro Petrischale festgehalten (es wurden wieder je zwei Schalen ausgezählt). Diese und die einzelnen Sproß- und Wurzellängen der Keimlinge sind im Anhang zu finden (A2 Tabellen). Die durchschnittlichen Sproßlängen variierten hier aber nur um maximal 0,3 cm und nicht wie beim Test um 0,55 cm. Die durchschnittliche Wurzellänge nur um 0,5 cm und nicht wie beim Test um 0,72 cm. Hieraus läßt sich schließen, dass die Verhältnisse bei den, den Schadstoffen ausgesetzten Keimlingen nicht so sehr variierten wie bei dem Testansatz, der auch nicht in einem abgeschlossenem System angesetzt wurde, d.h. es ist möglich, dass den einzelnen Petrischalen unterschiedlich viel Wasser zugeführt wurde, so dass die Keimungsrate und Wuchshöhe beeinflußt wurde. Die Lichtverhältnisse sind wahrscheinlich zu vernachlässigen und nicht in dem maße relevant, weil den Pflanzen zu dieser Jahreszeit (die Versuche wurden im März gemacht) noch nicht so viel Licht zur Verfügung steht als das sich eine eindeutige Beziehung zum Licht herstellen läßt. Außerdem wuchsen auch die Pflanzen in den wohl nicht ganz transparenten Müllsäcken ohne Probleme.

Auch wenn sich aus diesen Daten schließen lassen würde, dass die verwendeten Luftschadstoffe keinerlei negativen Einfluß auf die untersuchten Keimlinge hatten, sieht man schon bei der makroskopischen Untersuchung einiger Keimlinge enorme Schädigungen. Während die Testkeimlinge zwar kleiner aber dafür dann doch um einiges gesünder waren, das heißt die Blätter wiesen ein tieferes grün auf und die Sprösse wirkten dick und gerade, anders als bei den meisten mit Abgasen belasteten Keimlingen, die oft sehr dünne Stengel aufwiesen. So erkannte man bei den Keimlingen in den Abgasen des Ottomotors mit Katalysator lediglich, dass sie höher waren dafür aber auch geringfügig dünnere Stiele und nicht ganz so grüne Blätter hatten. Bei den Keimlingen die den Abgasen des Ottomotors ohne Katalysator ausgesetzt wurden, waren die Keimlinge nicht ganz so gut verwurzelt. Die Wurzelbildung erschien äußerst differenziert, denn einige Wurzeln schienen erst nach circa 1 cm den Weg in die Watte gefunden zu haben, das heißt viele der Wurzeln lagen teilweise offen an der Oberfläche. Außerdem waren die Blätter teilweise an den Spitzen gelb oder sogar braun. Es kam auch vor, dass das gesamte Blattwerk eines Keimlings gelb oder sogar vertrocknet und braun also abgestorben war.

Am meisten schienen die Keimlinge im Zigarettenrauch geschädigt zu sein, auch wenn hier keine Blätter vollständig abgestorben waren. Hier schien keine Pflanze richtig in der Watte verwurzelt zu sein, vielmehr lagen große Teile der Wurzeln frei (deshalb sind die Aufzeichnungen über die Wurzellänge auch nahezu vollständig, denn die Wurzeln ließen sich sehr leicht entfernen). Auch der Stiel schien sehr dünn und schwach zu sein, denn sehr viele der Pflanzen waren aufgrund der schlechten Verwurzelung und des schwachen Stiels nicht in der Lage aufrecht zu stehen. Außerdem waren einige der Blätter gelblich verfärbt. Bei der mikroskopischen Untersuchung ließ sich bei den „gesunden“ Keimlingen an der Wurzelspitze eine etwas dickere und ein wenig bräunliche Spitze erkennen die man als teilungsfähige Zellen deuten könnte. Diese Zellen schienen bei all den anderen Pflanze nur schwach ausgebildet zu sein oder ganz zu fehlen. Im Wurzelmittelteil erkannte man neben vielen dicht angeordneten und kettenförmig aneinandergereihten Zellen einen deutlich ausgebildeten Zentralzylinder, der in der Mitte der Wurzel verlief. Es verliefen auch kleine Leitbahnen von den Haarwurzeln in Richtung des Zentralzylinders. Im Stiel ließen sich viele dicht angeordnete mauerartig wirkende Zellen erkennen, die faserig erschienen und sich als Leitbündel identifizieren ließen. Im Blatt sah man viele dicht angeordnete tief grüne Zellen mit starken Zellmembranen.

In den Wurzeln der Pflanzen, die den Abgasen des Ottomotors mit Katalysator ausgesetzt waren, ließ sich der Zentralzylinder nur erahnen, außerdem verliefen keine kleinen Leitbahnen von den Haarwurzeln. Markant war aber, dass die Zellen keineswegs kettenartig angeordnet waren sondern verformt und scheinbar willkürlich. Im Stiel konnte man zwar Leitbündel erkennen sie waren aber in Wurzelnähe beschädigt, das heißt unregelmäßiger und nicht mehr so gerade. Bei den Blättern ließ sich ein ähnliches Phänomen erkennen: in der Nähe des Stiels schienen die Zellen heller und nicht so gleichmäßig zu sein. Wie beim Stiel wurden die Zellen weiter oben aber wieder regelmäßiger und gesünder, das heißt sie waren grüner. Die Wurzeln und Stiele der Pflanzen, die den Abgasen des Ottomotors ohne Katalysator ausgesetzt wurden, schienen relativ gesund zu sein, denn es waren nahezu überall Leitbahnen und in den Wurzeln auch der Zentralzylinder zu erkennen. Die Zellen in den Blättern allerdings waren wieder unregelmäßig, das heißt es ließen sich relativ große Zwischenräume zwischen den Zellen erkennen. Die Blätter waren an den Spitzen oft gelblich und allgemein waren die Zellen kleiner. Außerdem schienen die Zellmembranen schwächer als bei allen vorherigen Pflanzen ausgebildet zu sein. Diese Mißbildungen ließen nicht nach, wenn man die Zellen an der Blattspitze untersuchte.

Bei den Keimlingen, die dem Zigarettenrauch ausgesetzt waren, konnte man erkennen, dass die Leitbahnen stak geschädigt waren (sowohl in den Wurzeln wie auch in den Stielen), d.h. die Zellen wirkten wieder relativ unregelmäßig. In den Stielen ließ sich kein Zentralzylinder erkennen, und sowohl Wurzel als auch Stiel wirkten vertrocknet, d.h. es ließen sich starke Unregelmäßigkeiten in der äußeren Form erkennen. Sie wirkten oftmals eingefallen und verloren streckenweise die Hälfte ihres Durchmessers. Die Zellen in den Blättern wirkten zwar blaß aber dennoch relativ regelmäßig. Hin und wieder kam es vor, dass die Zellen leicht gelblich verfärbt waren. Wenn das der Fall war, waren sie ohne Ausnahme sehr viel kleiner als die grüneren, oder gar die der gesunden, schadstofffreien Pflanzen.

3.2 Deutung
Man konnte sehr gut die Wirkung des Stickstoffdioxids in diesen Tests erkennen, denn den Ansätzen ohne Abgase „fehlte“ anscheinend die düngende und wuchsfördernde Wirkung des Stickstoffdioxids, die sich in den Keimungsraten und den durchschnittlichen Sproßlängen zeigte. Das Stickstoffdioxid scheint kaum eine wuchsfördernde Wirkung auf die Wurzeln zu haben, denn dort ließen sich kaum Längenunterschiede feststellen. Auch wenn ein Auto ohne Katalysator, das in etwa 20000 km pro Jahr fährt, ca. 50 - 100 kg (vom Autotyp abhängig) ausstößt und ein Auto mit Katalysator nur ca. 5 -10 kg, also erheblich weniger, konnte man zwischen den beiden Versuchen mit Autoabgasen kaum einen Unterschied in der Wuchshöhe feststellen. Die mikroskopische Untersuchung bestätigt vor allem die schädliche Wirkung des Stickstoffdioxids, denn die Zellen, die der eher geringen Stickstoffdioxidkonzentration (den durch einen Katalysator gereinigten Abgasen) ausgesetzt waren hatten zwar dünnere Stiele und ungleichmäßigere Zellen, aber diese Mutationen ließen sich in verstärktem Maße auch bei dem zweiten Ansatz finden. Dazu kam hier noch eine schlechtere Wurzelbildung, was auf das Stickstoffdioxid zurückgeführt werden kann, das mit dem Wasser in der Watte eine Verbindung einging und so Salpetersäure bildete.

Wahrscheinlich waren die Keimlinge den Schadstoffen sogar lang genug ausgesetzt, so dass die Nitrit- und Nitratreduktase beeinträchtigt wurde, denn die Zellmembranen schienen beschädigt zu sein. Diese Schäden könnten auf Nitrit und Nitrat an den Zellmembranen zurückgeführt werden, wo sie vermutlich auch wirken. Die gelben und teilweise auch abgestorbenen Blattspitzen könnten sogar als Blattnekrosen gedeutet werden, also einem typischem Zeichen für Luftschadstoffe allgemein und Stickstoffdioxid speziell.

3.3 Bezug zur Ökologie
Ökologisch gesehen währe es dringend erforderlich alle Autos mit Katalysator auszustatten, denn es wurden genau die Schäden an den Zellen festgestellt, die die Literatur beschrieben hat. Sogar die Größe der eingetretenen Mutationen und Schädigungen hätte aufgrund der Literatur so erwartet werden können. Daraus läßt sich schließen, dass die beschriebenen Schäden sehr schnell eintreten auch wenn die Konzentrationen der Schadstoffe hier wahrscheinlich unrealistisch hoch gewählt wurden, denn in der Atmosphäre werden die Schadstoffe sehr stark verdünnt. Außerdem wären die Schäden bei schon etwas älteren Pflanzen wahrscheinlich nicht so gravierend gewesen, weil größere Pflanzen besser in der Lage sind sich gegen Luftschadstoffe zu schützen. Natürlich darf man sich von der oberflächlich betrachteten besseren Entwicklung (höherer Wuchs) der geschädigten Pflanzen nicht täuschen lassen denn die mikroskopischen Schäden waren doch enorm.


A4 Literaturverzeichnis:

  1. Umweltschutz
    Ernst Klett Schulbuchverlag
    Ulrike Jäkel 1992
  2. Luftverschmutzung durch Stickstoffoxide
    Ehrich Schmidt Verlag
    Umwelt Bundes Amt
    Berichte 3/90
  3. Langzeiteffekte von erhöhtem CO2 - Angebot auf das Wachstum von Acer pseudoplatanus und Fagus syvatica
    Franz Reining 6/1990
  4. Countdown für die Luft
    hpt-Verlagsgesellschaft
    Gert Gaumgart 1991
  5. Zeitbombe Luftverschmutzung
    Verlag Paul Parey
    Jürgen Wolsch 1987
  6. Linder Biologie
    J.B.Metzlersche Verlagsbuchhandlung
    Horst Bayrhuber, Ulrich Kull, Ulrich Bäßler und Albert Danzler 1989

 

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