Schema Windkanal

Pflanzenschutzmittel im Windkanal

Pflanzenschutzmittel tauchen sowohl in Boden und Grundwasser auf als auch in weit entfernten Regionen in Luft, Regen oder Nebel. Die Konzentrationen überschreiten hierbei oftmals die Grenzwerte der EU-Trinkwasserverordnung von 0,1 Mikrogramm pro Liter Trinkwasser. Ein einzigartiger Versuchsaufbau ermöglicht es Jülicher Forschern Pflanzenschutzmittel sowohl im Boden als auch in der Luft zu verfolgen.

Die zentrale Frage, wie Pflanzenschutzmittel in die Atmosphäre gelangen, beantwortet im Institut Agrosphäre (ICG IV) ein gläserner Windkanal (Bild 1). Volker Linnemann, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut, erklärt: „Wie viel Prozent des Pflanzenschutzmittels im Freiland tatsächlich verflüchtigt oder verweht wird, lässt sich fast nicht berechnen. Laborversuche sind exakter, haben aber den Nachteil, dass sie die klimatischen Schwankungen im Feld nicht mit einbeziehen.“ Der Windkanal, ein komplexer und bis ins Detail durchdachter Eigenbau des Instituts, kombiniert die Vorteile von Laborversuchen mit radioaktiv markierten Substanzen mit den Vorzügen des Freilandversuchs, wie variable Windgeschwindigkeiten und wechselnde Temperaturen und Luftfeuchten. Messeinheiten außerhalb des Windkanals liefern die Daten zu Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Regenmenge und Windgeschwindigkeit und leiten sie an entsprechende Steuereinheiten und eine Gebläse-Klimaeinheit weiter.

Schematische Darstellung des Versuchaufbaus, per Computer wird das Gebläse und die Kühlung gesteuert, im Windkanal befindet sich praktisch unter einer gläsernen Glocke ein kleines Kornfeld auf einem Kontrollboden, kontrolliert wird der Boden über ein installiertes Lysimeter, die Abluft aus dem Windkanal gelangt zur Analysestation.
Gläserner Windkanal

So entsteht im Windkanal ein ähnliches Klima mit Wind und Wetter wie im freien Feld. Am Ende des Windtunnels wird die ausströmende Luft durch Probensammler geleitet, die in der Luft vorhandene Moleküle – das Pflanzenschutzmittel und seine Abbauprodukte – auffangen. Da der Windkanal aus Plexiglas gefertigt ist und über einem Lysimeter steht, können hier, wie im Freiland, Pflanzen angebaut und mit Pflanzenschutzmitteln behandelt werden. Gleichzeitig wird das Sickerwasser unter dem Lysimeter vollständig aufgefangen und steht für anschließende Analysen zur Verfügung.

Wenn der Computer irrt

Eines der Ziele ist es, mithilfe des Windkanals die physikalischen Grundlagen der Verflüchtigung aufzudecken. Diese Erkenntnisse fließen zum Beispiel in Computermodelle zur Berechnung des Umweltverhaltens bestimmter chemischer Stoffe ein. Allerdings haben die momentan verfügbaren Computermodelle noch ihre Schwächen. So stellte Dr. Holger Opphoff, ehemaliger Doktorand im Institut, fest, dass der Computer ganz eigene Vorstellungen vom Zusammenhang zwischen Bodenfeuchte und Verflüchtigung hat: „Das behaviour assessment model berechnete bei steigender Bodenfeuchte eine geringere Verflüchtigung der Pflanzenschutzmittel. Die praktische Erfahrung zeigt aber genau das Gegenteil.“ Um diesen Fehler zu beheben und die Modelle grundlegend zu verbessern, haben Ophoff und seine Kollegen mehrere Pflanzenschutzmittel im Windkanal getestet, wobei sie die Substanzen auf verschiedene Pflanzen- und Bodenarten aufbrachten. Handelsübliche Pflanzenschutzmittel zeigten dabei auf Buschbohnen eine Verflüchtigungsrate von bis zu 60 Prozent. Bei Radieschen lag die Verflüchtigung niedriger, da diese möglicherweise den Wirkstoff über ihre Blätter schneller aufnehmen als die Buschbohnen.

Foto, Messapparatur zeigt mit einer Glasglocke abgedeckte Bodenprobe.
Der „kleine Bruder“ des Windkanals

Neben der Verflüchtigung interessiert die Forscher der komplette – und nach ihrer Wirkphase auch erwünschte – Abbau der Pflanzenschutzmittel. Für diesen Prozess sind neben Mikroorganismen auch die Sonneneinstrahlung sowie Ozon und Hydroxyl-Radikale (OH-Radikale) verantwortlich. Um diese Detailinformationen für die Modelle verfügbar zu machen, entwickelte das Institut einen Windkanal im Miniformat: die „Photovolatilitätskammer“ (Bild 2). Sie besteht aus einem 18 mal 5,6 mal 5 Zentimeter großen Bodenblock, der in Edelstahl gebettet ist. Von unten wird die Erde durch einen Wassertank und eine Spezialkeramik mit Bodenfeuchte versorgt und oben schließt eine Glaskuppel das Ganze ab. Eine steuerbare UV-Lampe und Lichtfilter sorgen für das komplette Sonnenspektrum sowie für einen Tag-Nachtrhythmus. Doktorand André Wolters kontrolliert und analysiert während der Experimente die einströmende und ausströmende Luft. „Wir haben hier die Möglichkeit, unter definierten Laborbedingungen zu arbeiten und Details aufzuklären“, erklärt Wolters. „Wir können, wie beim ,großen Bruder‘, Pflanzen einbringen und messen, ob ein Pflanzenschutzmittel von den Blättern aufgenommen wird oder ob es verdunstet und wie UV-Strahlung, Temperatur oder Ozon auf den Prozess einwirken. Natürlich geht das nur mit kleinen Pflanzen, wie Radieschen“, fügt er ein. „Aber der springende Punkt dieses Mini-Windkanals ist die Möglichkeit, die einströmende Luft zu manipulieren – also zum Beispiel erhöhte Ozonkonzentrationen einzustellen, wie sie beim Sommersmog vorkommen. Es hat sich gezeigt, dass die dabei auftretenden OH-Radikale den Abbau der Pflanzenschutzmittel unter Lichteinwirkung massiv beschleunigen. Diese Erkenntnisse werden die vorhandenen Computermodelle wesentlich verbessern“, ist sich Wolters sicher.

Von unten nach oben

Zwischenzeitlich wurde der große Windkanal von Volker Linnemann umfunktioniert. Er nutzte ihn, um herauszufinden, ob Umweltschadstoffe aus dem Untergrund oder dem Grundwasser in die Atmosphäre ausdünsten können. Hierbei konzentrierte er sich auf den wasserlöslichen Benzin-Zusatzstoff „MTBE“ – ein beliebter Ersatz für die krebserregenden Benzole. Das mit Erdreich und Stauwasser gefüllte Lysimeter ermöglichte es Linnemann zu beobachten, wie sich der Stoff im Boden ausbreitet, ob er von Mikroorganismen abgebaut wird und wie er in die Atmosphäre verdampft. Denn in Vorversuchen mit kleineren Bodensäulen unter Laborbedingungen hatte sich herausgestellt, dass der Transport des Stoffes aus dem Boden in die Luft durchaus möglich ist, allerdings unregelmäßig, nicht vorhersehbar und mathematisch nur schwer fassbar.

Im Windkanal – unter realitätsnäheren Bedingungen – zeigte sich, dass die Tendenz des Stoffes zum „Ausbruch“ aus dem Sickerwasser durch das Erdreich nicht sehr hoch ist. „Die Gefahr einer dauerhaften Grundwasserverschmutzung ist viel höher“, erklärt Linnemann. „In den USA ist der Stoff übrigens nach über 100.000 Leckagen pro Jahr wieder verboten worden. In Europa ist er hingegen noch zugelassen.“

Die Erfahrung des Windkanal-Teams mit flüchtigen Stoffen kommt auch den Klimaforschern zugute. Im Verbundprojekt ECHO wurde im Februar 2001 ein Bodenblock Walderde ausgestanzt und zum Institut Agrosphäre transportiert. Mithilfe einer Küvette aus Teflon, die dem Lysimeter übergestülpt wurde, und der raffinierten Analysetechnik des Instituts ist es nun möglich, die natürlichen „Ausdünstungen“ des Wald-bodens zu analysieren. Dies ist ein wichtiger Beitrag zur Erforschung des komplexen Öko- und Klimasystems „Wald“.