Modellering af optagelse af organiske stoffer i grøntsager og frugt
Sammenfatning og konklusioner
Projektets formål var at redegøre for en metode eller et grundlag til beskrivelse/vurdering af sammenhængen mellem forureningsniveau af organiske forureningskomponenter i jord (og poreluft) og i grøntsager og frugt samt at opstille forslag til, hvordan man på baggrund af ovenstående kan udarbejde retningslinjer til anvendelse ved risikovurdering af optagelse af forureningskomponenter i grøntsager og frugt fra jordforureninger.
Tidligere undersøgelser havde belyst betydningen af direkte kontakt mellem spiselige dele af grøntsager og jord forurenet med PAH-forbindelser og metaller i niveauer omkring Miljøstyrelsens afskæringskriterier. Derfor var fokus for projektet, hvorvidt koncentrationer over afskæringskriterierne i den dybereliggende jord – hvor jorden ikke er i direkte kontakt med de spiselige dele af planten men kun i kontakt med plantens rodnet - udgør et problem på grund af transport fra rødderne til andre dele af planten eller ved fordampning fra jorden med efterfølgende optagelse i overjordiske dele. Endvidere ønskedes alle almindeligt forekommende organiske forureningskomponenter inddraget, herunder specielt olieprodukter og klorerede opløsningsmidler.
Denne målbeskrivelse er udmøntet i udvikling af et beslutningsstøtteværktøj, der er baseret på matematiske modeller, hvor der er lagt særlig vægt på inddragelse af vandopløselige og flygtige stoffer i beregningerne.
I rapporten beskrives indledningsvis de forhold, der har betydning for koncentrationen af organiske stoffer i afgrøder, herunder mekanismer for optagelse og transport af organiske stoffer i planter, hvilken del af planten, der anvendes samt fortynding ved plantens vækst og omsætning af stofferne. Desuden diskuteres betydningen af stoffernes opholdstid i jorden ("ældning") for deres tilgængelighed for planterne samt de forudsætninger vedrørende tilgængelighed, der er indlagt i eksisterende modeller.
Eksisterende modeller til beskrivelse af stoffernes fordeling og transport i jorden og deres optagelse i planter gennemgås og diskuteres, og der gives en kort oversigt over eksisterende, modelbaserede risikovurderingsværktøjer.
Med henblik på udvælgelse af modeller til beslutningsstøtteværktøjet gennemgås tidligere valideringsstudier af de forskellige modeller, og beregnede værdier sammenlignes med målte data fra to undersøgelser, der er gennemført i PAH- og PCB-forurenet jord. Der foreligger ikke eksperimentelle data for mere mobile stoffer. Generelt viser sammenligningen med målte værdier, at modellerne tenderer mod at overestimere optagelsen i planterne med op til en faktor 10, om end der er undtagelser herfra. Dette skyldes sandsynligvis, at flere forhold, der reducerer koncentrationen i planterne ikke er medtaget i de pågældende modeller; f.eks. ældning i jorden, nedbrydning/omsætning af stofferne i planten. Det understreges dog, at datagrundlaget fra de eksperimentelle studier er spinkelt, og at variationen er stor. Datagrundlaget til validering af beskrivelsen af optaget af stoffer i frugt er ikke tilstrækkeligt, men det vurderes, at da fordampning af stofferne fra frugter ikke er medtaget, er optaget i frugt sandsynligvis overestimeret.
Der er opstillet kriterier for udvælgelse af modeller til projektet og udvalgt modeller til beskrivelse af stoffernes optagelse og transport i planter samt deres bevægelse i jorden. Endvidere er de scenarier og afgrøder, der anvendes ved de efterfølgende beregninger, beskrevet.
Det på baggrund af ovenstående sammensatte modelværktøj omfatter beregning af
 | koncentrationen i jordens 3 faser (vand, luft og fast fase) ved simple fordelingsligninger | ||||||||
| transporten i jorden ved Jurys model | ||||||||
| fordampning fra jorden ved Jurys model, og koncentrationen i luften ved anvendelse af principperne i Jagg-modellen, idet opblandingshøjden dog sættes lig den enkelte afgrødes højde | ||||||||
| optagelse i afgrøderne ved afgrødespecifikke modeller for
|
Der gennemføres beregninger:
| for otte stoffer: MTBE, toluen, n-dodecan, trichlorethen, naphthalen, benzo(a)pyren, benzen og tetrachlorethen |
| for to jorde: en jord med almindeligt og en jord med lavt indhold af organisk kulstof |
| for dæklag af ren jord: intet og et dæklag på 0,5 m. Ved beregninger med dæklag, anvendes den gennemsnitlige koncentration i plantens roddybde til beregning af den mængde, der suges op sammen med vandet, mens den gennemsnitlige koncentration i det lag, hvor rodfrugten ligger, anvendes ved beregninger af den diffusive transport ind i rodfrugten. Den gennemsnitlige koncentration i overfladelaget (her sat til 2 cm) anvendes ved jordstænk. Beregningerne udføres efter 1 år og efter 10 år fra det tidspunkt, hvor dæklaget er lagt på. |
| med og uden hensyntagen til ældning |
| for følgende afgrøder: kartofler, gulerødder, salat, grønkål, æbler, bær på buske, jordbær, nødder |
De parametre, der indgår i modellerne – og de valgte værdier – er søgt udvalgt, så de repræsenterer en realistisk "værst tænkelig" situation. I nogle tilfælde er der dog tale om urealistiske forhold, hvor planteoptaget overestimeres, f.eks. er omsætning af stofferne i planten sat til nul i alle modeller, og fordampning af stof fra planten er ikke medtaget i frugttræsmodellen på grund af manglende data.
Med henblik på udvælgelse af de afgrøder, der bidrager mest til indtagelse af organiske stoffer, er det beregnede planteoptag koblet med et forventet dagligt indtag af udvalgte typer afgrøder. Herved beregnes den forventede daglige indtagelse af hvert enkelt stof med hver enkelt af de otte afgrøder. Beregningerne viser, at
| når der ikke lægges et lag ren jord over den forurenede jord, så er kartoffel den afgrøde, der bidrager mest til det potentielle daglige humane indtag af miljøfremmede, organiske stoffer via afgrøder |
| når der lægges et rent lag jord over den forurenede jord, er andre rodfrugter end kartofler de mest kritiske afgrøder for de anvendte PAH-forbindelser, kartoffel er det stadig for n-dodecane og frugt er den mest kritiske afgrødetype for de øvrige, mere mobile modelstoffer. |
Dette afspejler tildels, at kartofler og æbler/pærer er de mest spiste afgrøder i Danmark. Resultaterne for de mindre mobile stoffer er i overensstemmelse med resultater af tidligere udførte undersøgelser i forurenet jord, der viste, at direkte kontakt med den forurenede jord kunne give høje koncentrationer af stofferne i rodafgrøder (inklusiv kartoffel), mens afgrøder, der ikke var i direkte kontakt med jorden, indeholdt væsentligt lavere koncentrationer. Det kan synes overraskende, at optagelsen af miljøfremmede stoffer i frugt fra jorden skulle have større betydning for den daglige indtagelse end optagelsen i kartofler eller andre rodfrugter. Dette er kun tilfældet, hvor der er et dæklag af ren jord oven på den forurenede, så rodafgrøderne ikke er i direkte kontakt med forureningen, og for mobile stoffer, der kan optages gennem planternes rødder, hvor trærødderne antages at stikke dybere end grøntsagsrødder. Endvidere skal det understreges, at der i frugttræsmodellen ikke er regnet med fordampning af stofferne fra plantens (frugtens) overflade. Der foreligger ikke eksperimentelle data fra forurenet jord til at verificere eller modificere beregningerne for mobile stoffers optag i frugt.
Der er gennemført en følsomhedsanalyse af modellerne for kartoffel, gulerod (andre rodfrugter) og frugttræer. Den viser, at hvis alle indgående parametre varieres samtidig, er standardafvigelsen på de beregnede BCF-værdier for både kartoffel og frugt under en størrelsesorden. Det vil sige, at det har begrænset betydning, hvis en eller flere af de parametre, der anvendes i modellen, ikke er præcist bestemt. Ved anvendelse af modellerne er det relevant at vide hvilke parametre, det er vigtigst at anvende en præcist bestemt værdi for. Derfor er betydningen af variation i de enkelte parametre analyseret for de tre vigtigste modeller.
Kartoffelmodellen er mest følsom for variation i parametrene, når der regnes på de meget lidt mobile stoffer, hvor der ikke kan antages ligevægt mellem rodfrugten og jorden. For disse stoffer er de parametre, der giver størst variation i kartoffelmodellens resultat, kartoflens størrelse og delvis luftvolumenet samt dyrkningsperioden.
For gulerodsmodellen (der anvendes for flere rodfrugter) viser følsomhedsanalysen, at lipidindholdet i rodfrugterne og stoffernes log KOW har betydning for optagelsen i rodfrugterne, medens luft-vand fordelingskoefficienten kun har mindre betydning for resultaterne.
Frugttræsmodellen er mest følsom for ændringer i log KOW for alle undersøgte stoffer undtagen det mindst sorberende stof, MTBE. For MTBE er modellen meget robust over for variation i alle parametre, og karakteriseringen af jorden er den parameter, der er mest betydningsfuld. De anvendte karakteristika for planten har kun mindre betydning for den beregnede BCF-værdi.
Det udviklede modelværktøj er indbygget i en Excel-fil, hvor de modeller, der anbefales anvendt til de enkelte afgrødetyper og til beregning af stoffernes transport i jorden, er "programmeret". I regnearket er der desuden indlagt mindre databaser med stofdata for projektets modelstoffer, jorddata for forskellige danske jordtyper og plantedata for de enkelte modelplanter. Disse databaser kan nemt udvides med flere data.
Der er således udviklet et modelværktøj, der:
| kan estimere hvilke koncentrationer, der vil opnås i typiske danske afgrøder, som dyrkes på forurenet jord med eller uden dæklag af ren jord |
| ved sammenligning med ADI (hvor der også tages hensyn til andre eksponeringskilder) kan afklare, om de jordkoncentrationer, der svarer til jordkvalitetskriterier eller til at afdampningskriterier er overholdt over terræn, vil give anledning til kritiske koncentrationer i de relevante afgrøder. |
| kan identificere hvilke(n) afgrødetype(r), der må forventes at være de(n) kritiske frem for andre i en given situation |
| kan prioritere de områder, der skal gennemføres afværgeforanstaltninger for |
Modellerne gælder kun for ikke-ioniserbare og ikke-polære stoffer.
Det er en forudsætning for anvendelse af modelberegninger til risikovurderinger, at beregningerne giver nogenlunde realistiske (men stadigvæk konservative) resultater.
Modelværktøjets begrænsning er først og fremmest, at det er baseret på en række konservative forudsætninger og parametre (f.eks. manglende fordampning fra frugter, ingen omsætning i planten), der ikke vil være realistiske i alle situationer; værktøjet forventes med andre ord at overestimere optagelsen i afgrøderne. Ved at basere risikovurderinger på disse beregninger vil vurderinger, der viser lav risiko – og dermed ikke behov for (yderligere) afværgeforanstaltninger - være velbegrundede, mens afværgeforanstaltninger, der er baseret på vurdering af høj risiko, i realiteten kan være overflødige.
De gennemførte beregninger og sammenligninger med det begrænsede datamateriale fra eksperimentelle undersøgelser viser dog, at modelværktøjet er fuldt på højde med tilsvarende værktøjer, der anvendes i andre lande, både hvad angår "præcisionen" af estimaterne og modellernes robusthed over for variationer i de enkelte parametre. De delmodeller for enkeltafgrøder (specielt kartoffel- og frugttræsmodellen), der er udviklet og medtaget i værktøjet, øger desuden anvendeligheden betydeligt.
På baggrund af projektets resultater vurderes det, at modelværktøjet kan anvendes til udarbejdelse af risikovurderinger. Dette kræver imidlertid, at:
| der foreligger sundhedsmæssige vurderinger – f.eks. i form af værdier for acceptabel daglig indtagelse (ADI) - for de enkelte stoffer |
| der bør gennemføres undersøgelser, der kan be- eller afkræfte modellernes resultater, specielt forudsigelsen af, at mobile stoffer vil blive optaget fra jorden og ophobet i frugter |
| modelværktøjets anvendelighed vurderes ved gennemførelse af beregninger ved forskellige scenarier, hvor de parametre, der indlægges i databaserne, baseres dels på "værst tænkelige"-forudsætninger (som de er nu), dels på mere realistiske forudsætninger |
Afhængigt af udfaldet af sådanne scenarieberegninger vil resultaterne kunne bruges til at opstille retningslinier for, hvordan risikoen i typiske forureningssituationer afklares, herunder omfanget af de nødvendige afværgeforanstaltninger.