Radioaktivität in Pflanzen – Messwerte, Stoffwechsel, Transfer von Cäsium-137 in Waldpflanzen

Pflanzen können Radiocäsium auf zwei verschiedenen Wegen aufnehmen: direkt über die Blätter und indirekt über die Wurzeln.

Aktuelle Messwerte

Das Bayerisches Landesamt für Umwelt (LfU) ermöglicht Usern zum Thema „Überwachung der allgemeinen Umweltradioaktivität“ aktuelle Messwerte zu verschiedenen Futtermittel wie Grünfutter, Weide- und Wiesenbewuchs, Mais, Ffuttergetreide und Hackfrüchte online abzufragen.

Verhalten von Radiocäsium in der Pflanze: Blattaufnahme

Das durch nasse bzw. trockene Deposition auf oberirdische Pflanzenteile gelangte Radio­cäsium kann durch Kutikula und Spaltöffnungen ins Blattinnere gelangen und in andere Organe verteilt werden. COUGTHRY und THORNE (1983) geben nach einer weltwei­ten Literaturstudie an, daß der Resorptionsumfang zwischen 5 – 30 % beträgt.

Bei Gräsern und Pflanzen in Feuchtgebieten kann zusätzlich die Aufnahme über die  Stengelbasis eine Rolle spielen (RUSSELL 1966b).

Die Blattaufnahme von Cäsium ist nach BUKOVAC et al. (1965), CHAMBERLAIN (1970) und KIRCHMANN et al. (1967) abhängig von:

  • der deponierten Menge und der Partikelgröße
  • der Verweilzeit auf der Pflanzenoberfläche
  • der Pflanzenart, ihrem Wachstumszustand und ihrer oberirdischen Biomasse
  • dem Feuchtigkeitsgehalt der blattnahen Luftschicht

Eine Sonderstellung nehmen wurzellose Pflanzen wie Flechten und Moose ein, die ihre Nährsstoffe ausschließlich kutikulär aufnehmen. Nach Untersuchungen von SVENSSON und LIDEN (1965), HANNSON (1967) und NEVSTRUEVA (1967) an subarktischen Flechten beträgt deren Cäsium-Retention nahezu 100 %.

Die Blattaufnahme ist unmittelbar nach einem Aktivitätseintrag oder bei kontinuierlicher Radiocäsium-Imission (wie z.B. während der Kernwaffentests der 50er und 60er Jahre) der Hauptaufnahmeweg von Cäsium in die Pflanze.

Wurzelaufnahme

Nach AMBERGER (1979) und STRASBURGER (1978) gelangen Cs+– Ionen zunächst passiv, durch Diffusion aus der Bodenlösung in die Zellwände der Wurzelhaare. Auf dem Weg zu den im Wurzelinneren gelegenen Xylemleitgefäßen müssen sie spätestens an der Endodermis in das Cytoplasma übergehen. Dieser Transport durch die Zellwand wird durch Carrier vermittelt und ist ein aktiver Prozeß. Die Bindungsstellen der Carrier sind kationen- und anionenspezifisch. Chemisch ähnliche Ionen wie z.B. Cs+ und K+ haben vermutlich gleiche Trägermoleküle und können sich, je nach Konzentration in der Bodenlösung, gegenseitig bei der Aufnahme behindern. An dieser Stelle wird Cäsium, genau wie Kalium von der Pflanze selektiv, gegen ein Konzentrationsgefälle aufgenom­men Pflanzenzellen reichern K+-Ionen häufig bis mehr als das 1.000fache der K+-Konzentration der Bodenlösung an.

Die Cs+-Ionen gelangen schließlich in den Transpirationsstrom und damit in oberirdische Organe, wo sie intrazellulär angereichert werden. Da Cäsium, genau wie Kalium zu den Elementen gehört, die im Xylem und im Phloem mobil sind, kann es, je nach Bedarf   zwischen verschiedenen Organen umverteilt werden (BROWN 1964, STRASBURGER 1978). So stellten z.B. WALLER und OLSON (1967) bei Untersuchungen an Tulpen­bäumen (Liriodendron tulipifera) in Tennessee fest, daß 68% der im Sommer in den  Blättern vorhandenen Cs-137 Aktivität vor dem Blattfall in den Stamm zurücktransportiert wurden.

Nach einer einmaligen, zeitlich begrenzten Aktivitätsablagerung von Radiocäsium, wie nach dem Reaktorunfall von Tschernobyl, erfolgt die langfristige Kontamination von Pflanzen fast ausschließlich über die Wurzelaufnahme.

Ergebnisse und Cäsium-137 Messwerte von Waldpflanzen aus Forschungsvorhaben

Im Folgenden präsentiert Umweltanalysen einige Ergebnisse aus Forschungsvorhaben zur Radiocäsiumkontamination von Pflanzen in Waldökosystemen.

Heidelbeeren wurden auf Radioaktivität untersucht

Bei allen Untersuchungen über das Verhalten von Cs-137 in Pflanzen und Pilzen aus Wäldern besteht das Problem der extremen Schwankungen der Cs-137 Aktivität in der zu betrachtenden Grundgesamtheit.

Die Untersuchungen zum Verhalten von Cs-137 in Pflanzen und Pilzen wurden in den Untersuchungsgebieten ausschließlich auf 100x100m großen Dauerprobeflächen (B1, B2 und F1) durchgeführt (s. auch 2. Kurzfassung der Forschungsergebnisse von 1988-2001).

Die Ergebnisse der Untersuchungen von 1998 bis 2000 zeigen, dass sich die einzelnen Pflanzenarten, auf jeder Probefläche, in den mittleren Cs-137 Gehalten der Blätter unterschieden, wobei die Reihenfolge der Kontamination auf B1, B2 und F1 gleich oder zumindest ähnlich ist. Grundsätzlich waren Blätter von Farnen durchschnittlich am höchsten, von Himbeere und Brombeere am geringsten belastet. In der Abbildung 1 sind die Cs-137 Aktivitäten verschiedener Pflanzenarten auf der Probefläche F1 dargestellt.

Cäsium-137 Aktivität in verschiedenen Pflanezn

Abb. 1: Cs-137 Aktivität in Blättern verschiedner Pflanzenarten auf F1 (Fuhrberg, Niedersachsen) n =je 9, von 1998 bis 2000. Mittelwerte und Minimal- bzw. Maximalwerte. Logarithmische Darstellung!

Typischerweise gehören die Farne zu den am höchsten kontaminierten autotrophen Pflanzenarten. Auf B2 lagen die Messwerte von Dornfarn (Dryopteris carthusiana) zwischen 3.950 Bq/kg und 12.690 Bq/kg, bei einem Mittelwert von 7.560 Bq/kg. Dagegen enthielten Himbeerblätter (Rubus idaeus) durchschnittlich nur 473 Bq/kg, Brombeerblätter (Rubus fruticosus) 403 Bq/kg, bei Maximalwerten von 1.290 Bq kg-1 bzw. 1.045 Bq/kg. Seegras (Carex brizoides) und Wald-Frauenfarn (Athyrium filix femina) waren mit durchschnittlich 2.240 Bq/kg und 2.340 Bq/kg ähnlich hoch kontaminiert.
In den Blättern vieler Pflanzenarten variierten die Cs-137 Gehalte während des Untersuchungszeitraumes saisonal. Die größten Aktivitätsunterschiede innerhalb der Vegetationsperioden kamen bei Adlerfarn auf F1 vor, der in jedem Jahr eine Zunahme der Cs-137 Gehalte vom Frühjahr zum Herbst hin hatte. So wurden im Juni 1999 und 2000 rund 1.000 Bq/kg, im Oktober dagegen rund 2.500 Bq/kg festgestellt. Auch in Dornfarn auf B2 und F1 und in Wald-Frauenfarn auf B2 erfolgte eine, wenn auch nur geringe Zunahme der Aktivität während der Vegetationsperiode. Im Jahresverlauf abnehmende Cs-137 Gehalte zeigten die Blätter von Brombeere auf B2 und F1, von Himbeere auf allen 3 Probeflächen sowie von Pfeifengras auf F1.

Zeitverlauf der Cäsium-137 Aktivität in Dornfarn, Brombeere und Waldhainsimse

In der Abbildung 2 ist der zeitliche Verlauf von Cs-137 in Blättern, bezogen auf Trockensubstanz, in Dornfarn, Waldhainsimse und Brombeere auf B1, B2 und F1, von 1989–2000 dargestellt. Bei jedem Symbolpunkt handelt es sich um den Messwert einer Mischprobe aus 20 bis 40 Einzelpflanzen einer Art. Von den Flächen B1 und B2 liegen von 1989 bis 2000, mit Ausnahme von 1996, aus jedem Jahr Messwerte vor, während sich die Daten von der Fläche F1 auf die Jahre 1989-1993 und 1998 bis 2000 beschränken.
Cäsium-137 Kontamination von Dornfarn (Dryopteris carthusiana), Messwerte

 

Cäsium-137 Kontamination von Brombeeren (Rubus fruticosus), Messwerte

Cäsium-137 Kontamination von Hainsimse (Luzula sylvatica), Messwerte

Abb. 2: Zeitverlauf von Cs-137 in Blättern von Dornfarn, Waldhainsimse und Brombeere auf den Dauerprobeflächen B1, B2 und F1, 1989 – 2000

Bei allen untersuchten Pflanzenarten nahm die Cs-137 Aktivität von 1987 bis 2000 deutlich ab (nur bei Adlerfarn war der Rückgang weniger ausgeprägt). So betrug 1989 die mittlere Cs-137 Kontamination von Dornfarnblättern auf B1 56.600 Bq/kg, im Jahr 2000 dagegen nur 10.210 Bq/kg, auf F1 nahm die Aktivität durchschnittlich von 4.500 Bq/kg auf 860 Bq/kg ab.
Besonders gravierend war auf allen Probeflächen der Rückgang der Aktivität in Himbeerblättern, von 1989 bis 2000 nahmen die mittleren Cs-137 Gehalte auf B1 von 4.500 Bq/kg bis 1.010 Bq/kg, auf B2 von 3.200 Bq/kg bis 610 Bq/kg und auf F1 von 940 Bq/kg bis 150 Bq/kg ab.
Aus radioökologischer Sicht ist es von besonderem Interesse zu wissen, in welcher Zeit die Cs-137 Kontamination von Produkten aus einem definierten Waldökosystem um die Hälfte abnimmt.

Die effektiven Halbwertzeiten wurden für den Zeitraum 1989 bis 2000 berechnet. Die Cs-137 Aktivitäten nahmen allerdings in den Pflanzen nicht gleichförmig ab. Vielmehr erfolgte bei allen untersuchten Arten (Ausnahme: Adlerfarn), von 1989 bis etwa 1994, ein relativ schneller Rückgang der Aktivität. In der nachfolgenden Phase, von 1995 bis 2000, zeigten einige Arten eine deutliche langsamere Abnahme (z.B. Brombeere und Himbeere auf F1, Dornfarn auf B1 und B2), keine Veränderung (z.B. Heidelbeere auf B1 und B2, Waldhainsimse auf B2) oder eine Zunahme der Cs-137 Aktivität (z.B. Adlerfarn auf F1, Himbeere auf B1). Diese Trendverläufe sind, aufgrund der kurzen Zeitspanne und der geringen Veränderungen der Cs-137 Aktivität, statistisch nicht signifikant.

Die Arbeiten wurden mit Mitteln des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit finanziert. Der Text gibt die Auffassung und Meinung des Auftragnehmers wieder und muss nicht mit der des Bundesumweltministeriums übereinstimmen.