17. Mai 2023, Thema: Aquatische Ökotoxikologie Sedimentökotoxikologie Risikobewertung

Beurteilung der Sedimentqualität mit einer Biotestbatterie

Das Oekotoxzentrum schlägt eine Batterie aus drei Biotests vor, um die Qualität von Sedimenten zu bestimmen und die chemische Analytik zu ergänzen. Der Test mit Muschelkrebsen reagiert besonders empfindlich und ist als Screeningmethode für biologische Wirkungen geeignet.

Sedimente sind ein ökologisch wichtiger Teil der Oberflächengewässer und werden daher auch in der Schweizer Gewässerschutzverordnung berücksichtigt. Obwohl einige Kantone die Sedimentqualität regelmässig überwachen, gibt es hier kein schweizweites Programm. Um die Aktivitäten zu harmonisieren hat das Oekotoxzentrum 2021 eine Strategie zur Überwachung der Sedimentqualität in der Schweiz vorgeschlagen.

Die erste Stufe des Konzepts sieht vor, zahlreiche organische und anorganische Stoffe chemisch zu analysieren und die gemessenen Konzentrationen mit den jeweiligen Sediment-Qualitätskriterien zu vergleichen. Die Sediment-Qualitätskriterien sind Konzentrationen, oberhalb derer ein Risiko für Sedimentorganismen nicht ausgeschlossen werden kann. Werden die Qualitätskriterien überschritten, so sollen als zweite Stufe ergänzende Untersuchungen durchgeführt werden, um die Wirkung der Schadstoffe in Biotests oder die Wirkung auf Lebensgemeinschaften im Sediment zu bestimmen. Bevor jedoch Biotests in der Routineüberwachung von Sedimenten eingesetzt werden können, muss ihre Empfindlichkeit und Anwendbarkeit systematisch evaluiert werden.

Biotestbatterie deckt verschiedene Sedimentorganismen ab

Daher hat das Oekotoxzentrum die Sedimentqualität an 13 Standorten im Schweizer Mittelland (10 davon Standorte der nationalen Beobachtung Oberflächengewässerqualität NAWA; siehe Newsartikel) mit einer Batterie von drei standardisierten Biotests untersucht. Diese repräsentieren wichtige Organismengruppen im Sediment und decken verschiedene Ernährungsformen und Expositionen ab. Der Muschelkrebs lebt auf Sediment und ist ein Primärkonsument. Der Nematode lebt im Sediment und repräsentiert die Meiofauna. Die Zuckmücken haben sedimentlebende Larven, die sich von Detritus auf der Sedimentoberfläche ernähren. «Als Endpunkte für chronische Wirkungen haben wir Parameter betrachtet, die wichtig für das Funktionieren von Wasserökosystemen sind», erklärt Projektleiterin Carmen Casado-Martinez, «so wie Wachstum, Schlupf oder Vermehrung.»

Um einen Überblick über die chemische Belastung zu erhalten, wurden an den Standorten zahlreiche Metalle und organische Mikroverunreinigungen wie Pestizide, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), polyzyklische Biphenyle (PCB), Flammschutzmittel, UV-Filter und Duftstoffe analysiert. Die Forschenden berechneten das ökotoxikologische Risiko auf Basis der Biotests und verglichen es mit dem Risiko, das auf Basis der chemischen Analytik berechnet wurde (ähnliche Methodik wie im Kasten auf S. 5 beschrieben).

Effekte in Biotests ergänzen chemische Analytik

An 12 von 13 Standorten wurden toxische Effekte mit mindestens einem Biotest festgestellt. Dabei wurden an Standorten mit landwirtschaftlicher oder landwirtschaftlicher und urbaner Nutzung häufigere und grössere Effekte gefunden als an Standorten mit extensiver Nutzung. «Die Risikobewertung aufgrund der chemischen Analysen hat diese Einschätzung bestätigt», sagt Carmen Casado-Martinez. Die Qualitätskriterien für PAK und PCB wurden an vielen Standorten überschritten. Das Risiko durch Pestizide war an den landwirtschaftlichen und den landwirtschaftlich und urban genutzten Standorten höher als an den extensiv genutzten Standorten. Am häufigsten wurden die Qualitätskriterien dabei durch das Insektizid Chlorpyrifos überschritten. Auch einige Pyrethroide, das Insektizid Methoxychlor und das Neonicotinoid Thiacloprid stellten ein Problem dar. «Die Qualitätskriterien für viele Stoffe sind jedoch noch mit Unsicherheiten behaftet, weil es zu wenig ökotoxikologische Daten gibt», räumt Carmen Casado-Martinez ein. «Die Qualitätskriterien sollten für ein Screening verwendet und durch biologische Untersuchungen ergänzt werden.» Das Risiko durch Metalle war an den landwirtschaftlich und urban genutzten Standorten am höchsten.

Muschelkrebstest reagiert besonders empfindlich

Am empfindlichsten reagierte der Biotest mit den Muschelkrebsen: Hier wurde in rund drei Viertel der Proben das Wachstum der Tiere verringert und in dreien die Sterblichkeit erhöht. An den Standorten mit erhöhter Sterblichkeit war auch das ökotoxikologische Risiko aufgrund der chemisch nachgewiesenen Schadstoffe an höchsten. «Der Schwellenwert für Wachstumstoxizität wurde sehr häufig überschritten, so dass dieser Wert mit mehr Messdaten überprüft und gegebenenfalls angepasst werden sollte», sagt Carmen Casado-Martinez. Frankreich, Italien und Belgien empfehlen den Muschelkrebstest bereits in Programmen zur Bewertung von Sedimenten, so dass bald mehr Messdaten zur Verfügung stehen sollten.

Der Test mit den Zuckmückenlarven wies Effekte an einem landwirtschaftlich genutzten und einem landwirtschaftlich und urban genutzten Standort nach. Zuckmücken werden häufig bei der regulatorischen Bewertung von Pflanzenschutzmitteln und kontaminierten Sedimenten verwendet. «Unser Projekts hat gezeigt, dass der Biotest mit Zuckmücken den Test mit Muschelkrebsen gut ergänzt», sagt Carmen Casado-Martinez

Im Biotest mit Nematoden wurde keines der untersuchten Sedimente als toxisch eingestuft, obwohl Wachstum und Vermehrung der Tiere im Vergleich zu den Kontrollen deutlich verringert wurden. Frühere Studien haben gezeigt, dass dieser Test toxische Effekte an Standorten mit verschiedenen Belastungen anzeigt.

Werden Sediment-Qualitätskriterien überschritten, so sollten laut Bewertungskonzept des Oekotoxzentrums zusätzliche Untersuchungen mit biologischen Systemen durchgeführt werden. Hier überschritt an fast allen Standorten mindestens ein Stoff das Qualitätskriterium. An den landwirtschaftlich genutzten Standorten, an denen die traditionell in Sedimenten analysierten Schadstoffe wie PAK, PCB oder Metalle nur selten die Qualitätskriterien überschritten, fanden die Forschenden in den Biotests dennoch eine schlechte Sedimentqualität. Daher könnten Biotests mit Muschelkrebsen als Screening-Methode dazu beitragen, belastete Standorte für weitere Untersuchungen zu priorisieren. Diese können beispielsweise chemische Analysen von Stoffgruppen sein, die nicht routinemässig überwacht werden (z. B. Pestizide), oder zusätzliche biologische Methoden.

Publikation

Casado-Martinez, M.C., Beauvais, R., Ferrari, B., Cirelli, S., Schaad, E.J., Chiaia-Hernandez, A., Höss, S., Loizeau, J-L. (2023) Évaluation de la qualité des sédiments. Projet pilote d’application d’une batterie de bioessais à l’échelle nationale. Aqua & Gas 103(4), 34-41

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