The role of bioturbators in the purifying capacity of floodplains

Hoofdaanvrager:
Prof. Dr. A.J.M. Smits, Katholieke Universiteit Nijmegen, Afdeling Ecologie

Resultaat van het programma

Resultaat van de projecten
Drs. S. Wijnhoven Loopduur: 16-08-2000 tot 16-08-2004
Mw. Dr. M. Zorn Loopduur: 01-09-2000 tot 01-09-2004

014.23.021 Drs. S. Wijnhoven

Zware metalen zijn alom aanwezig in de uiterwaarden van een groot aantal rivieren. Er wordt steeds meer actie ondernomen om ecologisch verarmde uiterwaarden systemen te herstellen. Echter het effect van de aanwezigheid van de zware metalen verontreinigingen op de natuur, en natuurontwikkeling in het bijzonder, is onduidelijk. Om hier meer duidelijkheid in te krijgen, is het nodig om meer inzicht te krijgen in de interacties tussen verontreinigingen en organismen in de dynamische uiterwaarden systemen. Het onderzoek van de Radboud Universiteit in het NWO-SSEO ‘Bioturbatie-project’ richtte zich in het bijzonder op de interacties tussen zware metalen en kleine zoogdieren. De resultaten van het onderzoek laten zien dat de overstromingsfrequentie en  –duur en de ruimtelijke samenhang van hoogwatervrije terreinen en overige leefgebieden van grote invloed is op de verspreiding van kleine zoogdieren in rivieruiterwaarden. De jaarlijkse overstromingen voorkomen de volledige herkolonisatie van uiterwaarden door kleine zoogdieren. Dit heeft tot gevolg dat de grootste aantallen kleine zoogdieren (ware muizen, woelmuizen en spitsmuizen) gedurende het jaar, te vinden zijn op en rond de hoogwatervrije terreinen. Verder blijkt dat de verschillende kleine zoogdiersoorten geen gebruik maken van grote delen van de uiterwaarden, zoals maïsakkers en schaars begroeide zandgronden.

Graafactiviteiten door organismen (bioturbatie) net na overstroming stimuleert het transport van zware metalen gebonden aan fijn organisch materiaal en kleideeltjes vanuit de toplaag van de bodem naar diepere lagen. Het gaat hier om transport via regen- en/of bodemwater. Daar dit proces slechts optreedt onder de vochtige omstandigheden net na een overstroming, is de fysieke verplaatsing van verontreinigde grond door gravende organismen, een veel belangrijker proces voor de herverspreiding van zware metalen. Gravende organismen (met name regenwormen maar ook kleine zoogdieren) werken op jaarbasis twee keer zoveel verontreinigde grond naar het oppervlak dan dat er door de rivier wordt aangevoerd. Tien procent hiervan wordt door mollen en woelmuizen verplaatst. Eenderde deel van de sedimentatie tijdens overstromingen is afkomstig van bioturbatie. Dit geldt dan voor zowel de hoeveelheid substraat, als voor de afzonderlijke metalen cadmium, koper en zink. Voor lood, waarvan  de concentraties in het rivierwater de laatste decennia sterk zijn afgenomen, blijkt zelfs dat driekwart van de totale hoeveelheid die tijdens overstromingen in uiterwaarden sedimenteerd, afkomstig is van herspreiding binnen de uiterwaard zelf ten gevolgen van bioturbatie. Alle transport processen in ogenschouw nemend; sedimentatie, erosie, en naar nu dus blijkt ook bioturbatie, wordt er in uiterwaarden op natuurlijke wijze zoveel grond en verontreinigingen verplaatst, dat men nog eens kritisch naar het zeer voorzichtige beleid ten aanzien van het op kleine schaal verplaatsen en in beweging brengen van verontreinigde bodem moet kijken.

De ecotoxicologische risico’ s van zware metalen verontreinigingen voor kleine zoodieren en hun predatoren zijn op de hoogwatervrije terreinen minsten zo groot als in sterker verontreinigde overstromende delen. Dit komt o.a. door een grotere biobeschikbaarheid van metalen, waardoor deze eerder worden opgenomen door organismen. Dit resulteert in vergelijkbare, en voor lood zelfs hogere, metaal concentraties op de hoogwatervrije terreinen in een belangrijke voedselbron; de grassen. De metaal concentraties in regenwormen als voedselbron, zijn alleen voor zink hoger in de periodiek overstromende gebieden dan op de hoogwatervrije terreinen, en dit is dan grotendeels het resultaat van de inname van verontreinigde grond door wormeneters, daar deze zich nog in het maagdarm kanaal van de regenworm bevind. Verder worden de hoogwatervrije terreinen intensiever gebruikt door kleine zoogdieren dan een groot gedeelte van de periodiek overstromende delen van de uiterwaarden. Rekening houdend met de beschikbaarheid van zware metalen, kan men zeggen dat voor de prioritering bij sanering, men zich zou moeten richten op de zware metalen verontreinigingen aanwezig op hoogwatervrije terreinen.

De hoogste metaal concentraties worden aangetroffen in de bosspitsmuis (vleeseter), maar ook de woelmuizen (voornamelijk planteneters) vertonen in tegenstelling tot de verwachtingen hoge metaalgehaltes. De metaalconcentraties in de andere in Nederlandse uiterwaarden algemene spitsmuizensoort; de huisspitsmuis, liggen op hetzelfde niveau als die van de rosse woelmuis, en verschillen vaak ook nauwelijks van die van veldmuizen, aardmuizen en bosmuizen. Een belangrijke reden hiervoor is dat de risico’s voor kleine zoogdieren in uiterwaarden tot nu toe werden overschat vanwege een te hoog veronderstelde blootstellingduur; de gemiddelde leeftijd van een muis in de uiterwaarden ligt veel lager dan in binnendijkse gebieden. Verder zijn de berekeningen van doorvergiftiging veelal gebaseerd op de hoge totaal concentraties die in de laaggelegen delen van de uiterwaarden worden aangetroffen. Dit blijkt niet reëel te zijn vanwege de lage beschikbaarheid van deze verontreinigingen en het feit dat blootstelling voor een groot gedeelte op de minder vervuilde niet overstromende terreinen plaats vindt. Verder zijn woelmuizen wellicht ook minder strikte planteneters dan tot nu toe werd verondersteld.

Samenvattend kan men zeggen dat een groot gedeelte van de onnauwkeurigheid in de berekeningen van de risico’ s op doorvergiftiging van zware metalen in het voedselweb van de uiterwaarden zijn terug te brengen op het gebruik van dezelfde modellen en input gegevens in uiterwaarden als in binnendijkse gebieden. Er wordt te weinig rekening gehouden met de ecologie; zoals de variatie in de verspreiding van dieren en hun voedselbronnen in uiterwaarden ten gevolgen van overstroming, migratie en de geschiktheid van het gebied. En er wordt te weinig rekening gehouden met daadwerkelijke beschikbaarheid van verontreinigingen en blootstellingroutes, die in uiterwaarden aanzienlijk verschillen van gebieden zonder rivierinvloed en overstromingsdynamiek.

Toch blijken de metaal concentraties in dieren van verschillende soorten geregeld het niveau te bereiken waarbij in de literatuur beschreven laboratorium experimenten toxische effecten laten zien. Er zijn in onze studie ook afwijkingen waargenomen bij zowel spitsmuizen als woelmuizen die er op duiden dat de huidige metaal concentraties (in de toch matig verontreinigde uiterwaarden) toxische effecten kunnen veroorzaken. Op populatie niveau lopen de kleine zoogdieren echter geen gevaar, daar de levensverwachting van deze dieren in uiterwaarden door andere factoren wordt bepaald (o.a. overstroming en predatie), en de soorten zich snel voortplanten. Toxische effecten op populatie niveau voor de toppredatoren, die veelal van kleine zoogdieren afhankelijk zijn, zijn op basis van ons onderzoek echter niet uit te sluiten.

014.23.022 Mw. Dr. M. Zorn

Uiterwaarden omgekeerd: interacties tussen regenwormen, overstroming en vervuiling.

De uiterwaarden van de grote rivieren in Nederland zijn in het verleden vervuild geraakt met zware metalen. Vooral in de jaren 1920-1930 en 1960-1975 bracht rivierwater verontreinigd sediment in de uiterwaarde. Tegenwoordig zijn het rivierwater en sediment veel schoner, waardoor de oude vervuiling bedekt is geraakt met schonere grond en er een verontreinigde laag in het bodemprofiel is ontstaan. Verschillende bodemorganismen graven door de bodem en komen daarmee mogelijk in contact met die verontreinigde laag. Vooral regenwormen kunnen een grote hoeveelheid grond verplaatsen. Dit verplaatsen en mengen van de grond wordt bioturbatie genoemd. Bioturbatie kan effect hebben op de zuurstof- en vochthuishouding van de bodem, en ook op de beschikbaarheid van zware metalen in de bodem.

Onderzocht is op welke wijze regenwormen omgaan met de periodieke overstromingen en de aanwezige zware metalen in uiterwaardbodems. Door hun verschillen in lichaamsbouw, (graaf)gedrag en voedselvoorkeur, kunnen verschillende soorten regenwormen (ecologische klassen) anders reageren op overstromingen en een andere invloed hebben op de bodem en dus op verspreiding en beschikbaarheid van zware metalen. Onderzocht is hoe verschillende soorten regenwormen reageren op overstromingen, en welke invloed regenwormen hebben op de verplaatsing en beschikbaarheid van zware metalen in de bodem.

Regenwormpopulaties in de Afferdensche en Deestsche Waarde, een uiterwaarde langs de Waal, bleken op een verschillende manier op regelmatige overstromingen te reageren. De dichtheden en biomassa’s van Allolobophora chlorotica en Aporrectodea caliginosa waren niet afhankelijk van overstromingen. De populatie van Lumbricus rubellus nam echter zowel in biomassa als in aantallen sterk af na een overstroming, maar bereikte weer hoge aantallen voordat er weer een overstroming optrad. Uit laboratoriumexperimenten bleek dat A. chlorotica vrij goed tegen overstroming kan. Toch heeft deze soort een voorkeur voor niet-overstroomde gronden en zijn conditie neemt af in overstroomde bodems. A. caliginosa heeft meer moeite met een extra aan de grond toegevoegde metaalverontreiniging dan met de overstroming zelf. L. rubellus probeert uit overstroomde gronden weg te komen. Deze soort kon wel gedurende tenminste 42 dagen in overstroomde grond overleven, maar bleef daarbij voornamelijk bovengrond en zijn conditie nam daarbij af. Deze experimenten bevestigen de waarnemingen in het veld en laten zien dat verschillende soorten regenwormen anders reageren op overstroming van hun leefomgeving. Uit modelberekeningen en aanvullende veldwaarnemingen in de Biesbosch, een uiterwaardgebied dat ook af en toe overstroomt, bleek dat regenwormen van de soort L. rubellus zich aanpassen aan de frequentie van overstroming van hun leefomgeving. Door de tijd die nodig is om volwassen te worden en zich voort te planten te verkorten, kunnen regenwormen zich toch handhaven bij een kortere droge periode tussen twee overstromingen. De regenwormen in de natste gebieden hebben het laagste gewicht als ze volwassen worden, waardoor er ook sneller tot voortplanting kan worden overgegaan. De lengte van de droge periode in de uiterwaarden is dus van het grootste belang voor de handhaving van de populatie van L. rubellus.

De invloed van regenwormen op de verplaatsing van een metaalverontreiniging is onderzocht in grondkolommen in het laboratorium. In deze grondkolommen was een dunne met zink verontreinigde laag aangebracht. Na een periode van 175 dagen was het zink meer verspreid over de kolommen; vrij gelijkmatig voor A. chlorotica, maar voor A. caliginosa voornamelijk in opwaartse richting. De uitwerpselen die op het grondoppervlak waren afgezet hadden verhoogde zinkconcentraties in vergelijking met de niet verontreinigde grond. A. caliginosa verlaagde de beschikbaarheid van zink, gemeten als de extraheerbaarheid met een 0,01 M CaCl2-oplossing, in tegenstelling tot A. chlorotica, die geen effect op de beschikbaarheid liet zien. Regenwormen uit dezelfde ecologische klasse hebben kennelijk toch een verschillende invloed op de verspreiding en beschikbaarheid van zware metalen kunnen hebben, maar deze verschillen treden pas op na een lange periode (175 dagen). Bioturbatie is dus een langzaam proces. In een vergelijkbaar experiment bleek L. rubellus niet dieper de grond in te gaan dan 3 cm. Deze soort kwam dus nauwelijks in contact met de verontreinigde laag. Deze bovenste 3 cm was echter wel compleet vermengd met uitwerpselen en bladresten. L. terrestris verplaatste zink voornamelijk naar boven. De uitwerpselen hadden een hogere zinkconcentratie dan de niet verontreinigde grond. Na 80 dagen had L. terrestris de beschikbaarheid van zink enigszins verhoogd. Regenwormen zoals L. terrestris zijn blijkbaar in staat om verontreinigde grond naar het grondoppervlak te brengen, waardoor ook andere op en in de bodem levende organismen met deze verontreiniging in contact kunnen komen. Ook in grondkolommen die gedurende twee jaar in de Afferdensche en Deestsche Waarde waren ingegraven, werd enig effect van gravende organismen waargenomen, zij het minder duidelijk dan verwacht op basis van de laboratoriumexperimenten. De effecten waren vooral te zien in de bovenste 20 cm van de kolommen. Geconcludeerd wordt dat bioturbatoren de verdeling van metalen in het bodemprofiel kunnen beïnvloeden, maar de bijdrage van elk van de bioturbatoren kon niet worden vastgesteld.

Uit een aanvullende laboratoriumtest bleek dat de hoeveelheid uitwerpselen die A. caliginosa, A. chlorotica, L. rubellus en L. terrestris aan het grondoppervlak brengen afhankelijk is van de tijd. De meeste uitwerpselen werden in de eerste 20 dagen boven gebracht, waarna de hoeveelheid duidelijk minder werd. Met de verkregen hoeveelheden uitwerpselen en de regenwormdichtheden in het veld, kon worden berekend dat in 80 dagen een hoeveelheid van 2 kg/m² naar het grondoppervlak wordt gebracht. Dit komt overeen met een laag met een dikte van 1,4 mm. De jaarlijkse sedimentatie in de ADW is geschat op 1,3 mm. De jaarlijkse hoeveelheid grond die regenwormen door middel van uitwerpselen boven brengen is dus ongeveer gelijk aan de hoeveelheid grond die bij overstroming wordt afgezet.

De huidige aanwezige vervuiling met zware metalen in de uiterwaarde lijkt weinig invloed te hebben op de regenwormpopulaties, maar de effecten van overstroming zijn veel groter. Naar aanleiding van de hoge waterstanden in de rivieren in de jaren 1990 wordt een verlaging van de uiterwaarden overwogen ten behoeve van waterberging. Dit zal leiden tot een toename van de overstromingsduur en – frequentie. Dit zal negatieve effecten hebben op de aanwezige regenwormen, met name op soorten die gevoelig zijn voor overstroming, zoals L. rubellus. Bij afgraven van de uiterwaarde zal de aanwezige kleilaag met de hoogste vervuiling worden verwijderd, maar daardoor wordt ook de buffercapaciteit van de bodem verminderd. Vervuilende stoffen die in de toekomst in de uiterwaarde worden afgezet kunnen daardoor meer negatieve effecten hebben. Bovendien zijn er duidelijk minder regenwormen aanwezig in zandbodems dan in kleibodems. Verlaging van uiterwaarden zal daardoor negatieve ecologische effecten kunnen hebben, met name omdat regenwormen een belangrijke schakel vormen in verschillende bodemprocessen en omdat ze een belangrijke voedselbron zijn voor onder andere vogels en zoogdieren.