Lifting the veil on toxicant stress in field ecosystems

Hoofdaanvrager:
Prof. Dr. Ir. S.E.A.T.M. van der Zee, Wageningen Universiteit, departement omgevingswetenschappen

Onderzoeker:
Mw. Dr. P.C.J. van Vliet Loopduur: 09-10-2000 tot 08-10-2002

Resultaat van het project

Heeft de aanwezigheid van bodemvervuiling effecten op aantallen bodemorganismen in een uiterwaard? 

Bodemorganismen spelen een belangrijke rol bij de vorming van de bodemstructuur en het beschikbaar komen van nutriënten voor opname door planten. De organismen worden op verschillende manieren blootgesteld aan de vervuiling in de grond, via het bodemvocht (aaltjes, potwormen en regenwormen drinken bodemvocht en nemen het op via hun huid) en/of rechtstreeks via de grond (potwormen en regenwormen eten grond) of indirect via hun voedselbron (spitsmuizen eten veel regenwormen). Tot de jaren ’ 80 was het water van de Waal zeer vervuild en liet het bij elke overstroming verontreinigd slib in de uiterwaarden achter. De vraag is dan ook of het voorkomen van bodemorganismen in uiterwaarden wordt beïnvloed door deze vervuiling.

Het veldonderzoek is uitgevoerd in november 2000 (voor overstroming) en mei 2001 (na overstroming) in 2 gebieden in de Afferdensche en Deestsche Waarden (ADW). Het gebied Deel3 ligt tussen de winter- en zomerdijk terwijl het gebied de Rijswaard naast de rivier buiten de zomerdijk ligt. In deze gebieden hebben we de soortsdiversiteit van een drietal organismen: aaltjes, potwormen, en regenwormen bestudeerd. Ook is de ophoping van zware metalen in deze dieren bestudeerd met het oog op doorvergiftiging in voedselketens.

Voor zowel potwormen als nematoden geldt dat in Deel3 hogere aantallen/m² werden waargenomen dan in de Rijswaard. Bovendien waren in beide gebieden meer nematoden en potwormen aanwezig in november 2000 dan in mei 2001. Dit komt onder andere door de overstroming van de gebieden en door de lage temperaturen in de winter, wat heeft geleid tot een lager voedselaanbod en een hogere sterfte. Het migreren van potwormen en nematoden naar hogere delen in de uiterwaard zal nauwelijks hebben plaatsgevonden aangezien beide dieren voorkomen in de waterfase in de bodem en maar een beperkte verspreidingscapaciteit hebben. De potwormgemeenschappen aanwezig in de 2 gebieden in de ADW vertegenwoordigden vanwege de aanwezigheid van een groot aantal K-soorten een relatief stabiel system. De zware metalen in de uiterwaard grond vormen voor deze gemeenschappen geen groot risico.

In de Rijswaard werden veel minder regenwormen aangetroffen dan in Deel3. In mei 2001 werden, vergeleken met november 2000, hogere aantallen regenwormen in beide gebieden aangetroffen. Dit kwam voornamelijk door de hogere aantallen van de soort Allolobophora chlorotica. A. chlorotica wormen worden voornamelijk aangetroffen in nattere plaatsen; door de natte omstandigheden in mei 2001 heeft deze soort zich snel kunnen voortplanten in beide gebieden.

Arseen en zink zijn op bepaalde plaatsen in de ADW in zeer hoge concentraties aanwezig. Andere zware metalen zoals cadmium, koper, chroom en nikkel komen voor in concentraties die hoger zijn dan de streefwaarde. Voor alle metalen geldt dat de bovenste grondlaag (0-10 cm) lagere concentraties bevatte dan de dieper gelegen lagen. Het lijkt er op dat de vervuilde grond langzamerhand begraven wordt onder schonere grond als gevolg van het steeds schoner worden van het rivierwater.

Voor 3 regenwormsoorten (L. rubellus, A. caliginosa tuberculata en A. chlorotica) is de metaalconcentratie in een aantal wormen bepaald. De soort A. chlorotica bevatte de hoogste concentratie aan arseen. Voor de metalen chroom, koper, lood, nikkel en zink werden de hoogste concentraties aangetroffen bij de soort L. rubellus, in A. chlorotica wormen werden de laagste hoeveelheden gevonden. Cadmium kwam in alle soorten in vergelijkbare concentraties voor. Ook voor potwormen geldt dat de metaalaccumulatie soort-specifiek is. In potwormen van de soort Fridericia ulrikae werd significant meer cadmium gemeten dan in potwormen behorend tot de soort Enchytraeus buchholzi.

Zware metalen in grond zijn of gebonden aan gronddeeltjes en organische stof of opgelost in het bodemvocht. Relaties tussen de totale hoeveelheid metalen in de grond en de hoeveelheid metalen in een organisme waren in deze studie niet erg sterk, de verklaarde variatie was vaak kleiner dan 35%. Het toevoegen van een verklarende variabele als de CEC (cation exchange capacity), het lutumgehalte of het organische stof gehalte in de regressie-vergelijking verhoogde in de meeste gevallen de verklaarde variantie. C, lutumgehalte en het organische stofgehalte bepalen mede de beschikbaarheid van de zware metalen in het bodemvocht aangezien zij metalen adsorberen of een maat voor de adsorptie zijn (in het geval van deCEC). De relaties verschilden voor de verschillende soorten regenwormen en potwormen. Verschillende factoren kunnen aan de soortsverschillen ten grondslag liggen: 1) het consumeren van verschillende voedselbronnen die verschillende concentraties van zware metalen bevatten; 2) de soorten verschillen in de assimilatie van het vergaarde voedsel dat zware metalen bevat; en 3) de soorten leven in verschillende bodemlagen en zijn daardoor blootgesteld aan verschillende concentraties zware metalen. Meer ecologische informatie over de soorten is nodig om hier uitsluitsel over te kunnen geven.

Naast het veldonderzoek hebben we een aantal experimenten in het laboratorium uitgevoerd. Opname van zware metalen door regenwormen kan plaatsvinden via de darm of via de huid. De discussie over welke van deze 2 opnameroutes belangrijker is speelt nog steeds. Als metalen door de huid van regenwormen worden opgenomen, worden ze waarschijnlijk voor opname eerst aan de buitenzijde van de worm gebonden. In de lichaamshuid van regenwormen zitten slijmcellen die slijm uitscheiden over het huidoppervlak om uitdroging te voorkomen en om het voortbewegen door grond te vergemakkelijken. Het slijm bestaat voornamelijk uit eiwitten die metalen nogal zwak binden. Zware metalen die aan de wormhuid adsorberen, passeren waarschijnlijk direct de huidlaag of worden weer snel losgelaten. Naast de opname van metalen door de huid kan een regenworm waaraan metalen aan de buitenzijde zijn geadsorbeerd fungeren als transportmedium voor metalen van plaatsen met een hogere concentratie aan metalen naar plaatsen met een lagere concentratie aan metalen. In een laboratorium experiment hebben we met behulp van EDTA-extracties uitgezocht of metalen aan de buitenzijde van regenwormen binden. Uit het experiment bleek dat geadsorbeerde concentraties van cadmium, koper en zink aan de regenwormen huid zeer laag waren (<1%), zowel vergeleken met de totale hoeveelheid metalen aanwezig in de grond als met de metaalconcentratie al aanwezig in de worm.

Accumulatie van metalen door regenwormen is ook bepaald in een laboratorium experiment. Hierbij werden aan kleigrond waarin verschillende concentraties cadmium, koper en zink aanwezig waren, regenwormen afkomstig uit schone grond toegevoegd. Na 10 en 25 dagen verblijf in de vervuilde grond werden een aantal regenwormen gevangen en geanalyseerd voor geaccumuleerde zware metalen. Vergeleken met de concentratie na 10 dagen, was alleen de hoeveelheid cadmium na 25 dagen verder toegenomen (10 dagen: 2 mg Cd/kg droog wormgewicht; na 25 dagen 4 mg Cd/kg droog wormgewicht). In de met zink vervuilde grond werd door de regenwormen geen extra zink opgenomen. Na 10 dagen was de maximale opname van koper al bereikt (5 mg Cu/kg droog wormgewicht). In de regenwormen is ook de verdeling van de metalen over verschillende fracties bepaald. Cadmium is vooral aangetroffen in de fractie met enzymen, metallothioninen en microsomale organellen. Hoge concentraties zink zijn voornamelijk aangetroffen in de fractie met weefsels en celmembranen. Koper wordt in ongeveer gelijke concentraties aangetroffen in deze beide fracties. Dit betekent dat de verschillende metalen op een verschillende wijze worden opgeslagen in een regenworm.

Uit ons onderzoek blijkt ook dat ondanks de vervuiling, de omstandigheden in de grond van de uiterwaard bij Afferden voor de bodemorganismen zodanig gunstig zijn dat ze in grote aantallen en met een hoge soortsdiversiteit aangetroffen worden. Accumulatie van metalen in de organismen vindt plaats en de kans op doorvergiftiging naar muizen en andere wormeters is zeker aanwezig.