Artengemeinschaften in belasteten Flusssedimenten

Die Flusssedimente von Ardières und Tillet sind beide mit komplexen Stoffmischungen belastet. Der Einfluss der PCB-Belastung auf die Artengemeinschaft der Oligochaeten war gut sichtbar. Die Mikroorganismen-Gemeinschaft wird von zahlreichen Faktoren beeinflusst und war daher schwieriger mit der Schadstoffbelastung zu korrelieren.

Um zu verstehen, wie Schadstoffe auf Gewässer wirken, kommt Artengemeinschaften eine besondere Rolle zu: Sie integrieren viele ökologische Faktoren und zeigen Auswirkungen von Störfaktoren auf das gesamte Ökosystem an. Nur wenn wir den Zusammenhang zwischen chemischen Belastungen und ihren Effekten auf Artengemeinschaften kennen, können wir auch Aussagen über die Auswirkungen auf das Ökosystem machen. Sehr wichtig sind dabei die Artengemeinschaften in Sedimenten. Sedimente werden nämlich von zahlreichen Organismen bewohnt, die für das Funktionieren der Gewässer essentiell sind. Obwohl schon lange bekannt ist, dass Sedimente viele metallische und organische Verunreinigungen anreichern, werden sie bei der Bewertung der Gewässerqualität meistens noch nicht berücksichtigt.

Jetzt haben Forschende vom französischen Forschungszentrum INRAE, der Université Savoie Mont Blanc und dem Oekotoxzentrum verschiedene Methoden verglichen, die den Einfluss von Schadstoffen auf Sediment-Artgemeinschaften anzeigen können. Dazu untersuchten sie zwei kleine Flüsse in Frankreich, Ardières und Tillet, die für ihre hohe Schadstoffbelastung bekannt sind. Die Ardières liegt in einem Weinbaugebiet, die Tillet in einem städtischen Umfeld.

Zahlreiche Parameter der Artengemeinschaft werden erfasst

Schadstoffe können dazu führen, dass besonders empfindliche Arten aus einem Ökosystem verdrängt werden und verschwinden – dies verändert die Zusammensetzung einer Artengemeinschaft und erhöht so ihre Toleranz. Ausserdem können Schadstoffe aber auch die Funktionen oder Aktivitäten der Artengemeinschaft beeinflussen, von denen manche messbar sind, wie zum Beispiel die Stoffwechselaktivität oder der Abbau von organischem Material.

In diesem Projekt untersuchten die Wissenschaftler die Artengemeinschaften von Bakterien und Wirbellosen in den Sedimenten von Ardières und Tillet. Zur Charakterisierung setzten sie verschiedene Methoden ein: Die Anzahl, Artenzusammensetzung und Sensitivität von Oligochaeten beschrieben die Forschenden mit dem biologischen Oligochaetenindex IOBS (indice oligochètes de bioindication des sédiments). Ausserdem verwendeten sie gleich mehrere Methoden zur Untersuchung der Bakteriengemeinschaften: Ihre allgemeine Artzusammensetzung wurde mit Hilfe von genetischen Fingerabdrücken und DNA-Sequenzierung erfasst. Die Toleranz der Bakteriengemeinschaften gegenüber Metallen beurteilten die Wissenschaftler mit Hilfe des PICT(Pollution Induced Community Tolerance)-Ansatzes. PICT stellt fest, ob ein Schadstoff empfindliche Arten aus einer Gemeinschaft eliminiert und dadurch ihre Toleranz erhöht. Die biologische Aktivität der Bakterien beurteilten die Forschenden durch Messung ihrer enzymatischen Aktivität, Atmung, Denitrifikation und Methanbildung. Der Abbau der organischen Substanz schliesslich wurde direkt in den Flusssedimenten mit Hilfe von Köderstreifen und künstlichen Futterpellets erfasst. Ausserdem analysierten die Wissenschaftler die Proben chemisch auf insgesamt 79 verschiedene Schadstoffe: darunter waren 7 polychlorierte Biphenyle (PCB), 15 polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), 10 Metalle, 24 Pestizide und 23 Arzneimittel. Die Stoffe wurden im Sediment, in den Schwebstoffen und im Oberflächenwasser gemessen.

Komplexe Belastungsmuster in Sedimenten

«Mit der chemischen Analyse konnten wir in beiden Flüssen zahlreiche Schadstoffe nachweisen», berichtet Benoît Ferrari. «Auch die am weitesten stromaufwärts gelegenen Probenahmestellen waren belastet; dort hatten wir das nicht erwartet.» In der Ardières fanden die Wissenschaftler im Sediment erhöhte Konzentrationen an Kupfer und PAK. Die Ardières liegt in einem Weinbaugebiet, in dem Kupfer regelmässig als Pestizid eingesetzt wird. In Wasserproben wiesen die Wissenschaftler zusätzlich organische Pestizide nach. Ausserdem enthielt der Fluss stromabwärts der Kleinstadt Beaujeu erhebliche Konzentrationen an Arzneimitteln. In der Tillet waren die Sedimente mit PAK, PCB und Metallen belastet, besonders stark in den Sedimenten des Bootshafens in der Flussmündung. Die PCB stammen aus einer historischen Industriebelastung, die trotz einer Sanierung des Flusses immer noch deutlich nachzuweisen war. Unterhalb der Stadt Aix-les-Bains war das Wasser mit Arzneimitteln belastet. Die Schwebstoffe in beiden Flüssen enthielten erhebliche Konzentrationen an Metallen, PAK und, in geringerem Masse, PCB. Schwebstoffe können also zur Verfrachtung dieser Schadstoffe beitragen.

Oligochaetenindex und Bakterientoleranz machen Schadstoffeinfluss sichtbar

Einige Methoden zeigten den Einfluss von Schadstoffen deutlich an, jedoch war der Zusammenhang zwischen Schadstoffbelastung und Artenzusammensetzung oft auch komplex. So zeigte der IOBS den Belastungsgrad der Sedimente durch PCB, PAK und Metalle gut an. Der PICT-Ansatz, der die Zunahme an schadstofftoleranten Arten im Aufwuchs bestimmt, bildete die Kupferbelastung in der Ardières gut ab.

Starker Einfluss von anderen Umweltfaktoren

Mit den anderen Methoden war es schwieriger, eine Korrelation zwischen der Schadstoffbelastung und ökotoxikologischen Effekten zu finden. « Es ist klar, dass die Artengemeinschaften im Sediment nicht nur von Schadstoffen beeinflusst werden », sagt Benoit Ferrari. Die physikalisch-chemischen Bedingungen sind in jedem Gewässer anders, und dies beeinflusst natürlich auch die Artengemeinschaften. Einige dieser Faktoren erhöhten die Aktivität der Bakterien und die Dichte der Oligochaeten: so die Feinheit der Sedimente, ihr Gehalt an organischer Substanz und Nährstoffen (besonders Phosphor) sowie die Wassertemperatur. Diese Parameter variierten zwischen den einzelnen Standorten stark, was es schwierig machte, den Einfluss der Schadstoffbelastung zu erkennen. Die biologische Aktivität der Bakterien und der Abbau von organischer Substanz waren durch sie nicht beeinträchtigt. «Das zeigt, wie schwierig es ist, im Feld einen Zusammenhang zwischen einer Schadstoffexposition und dem Effekt auf Organismengemeinschaften herzustellen», erklärt Stéphane Pesce.

Referenzschwellen wären nützlich

Doch auch, wenn die Belastung nicht deutlich die Bakterienaktivität und den Abbau der organischen Substanz störte, heisst das nicht, dass sie keinen Einfluss auf das Funktionieren der Artengemeinschaften im Sediment hat. „Wir müssen Referenzschwellen für eine Reihe von unbelasteten Sedimenten mit unterschiedlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften bestimmen“, fordert Stéphane Pesce. „Das würde die Interpretation der Daten im Zusammenhang mit einer Belastung erleichtern.“ Solche Schwellen machen es möglich, "normale" Funktionsbereiche für ein spezifisches Sediment vorherzusagen, und so mögliche ökotoxikologische Auswirkungen von Schadstoffen besser erkennen zu können. Dies erfordert umfassende Freilandstudien ähnlich denen für den Makroinvertebraten-Index.

Die Untersuchung hat gezeigt, dass man aufgrund der unterschiedlichen Empfindlichkeiten verschiedene Methoden zur Bewertung der Sedimentbelastung kombinieren muss, um den Zusammenhang zwischen der Exposition von Artengemeinschaften und ihrer Struktur und Funktion zu verstehen. Nur so können die ökotoxikologischen Auswirkungen auf Artengemeinschaften und ihre Folgen für die Qualität des Ökosystems verstanden werden.

Mehr Informationen

Pesce, S., Lyautey, E., Naffrechoux, E., Ferrari, B., Dabrin, A., Margoum, C., Miège, C., Masson, M., Vivien, R., Bonnineau, C. (2019) Pression chimique et impacts écologiques : Distribution des contaminants et réponse des communautés de microorganismes et d'invertébrés dans les sédiments de l’Ardières et du Tillet (CommuSED).

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