27. Mai 2015, Thema: Aquatische Ökotoxikologie Risikobewertung

Grobbeurteilung von abwasserbelasteten Gewässern mit Biotests

Eine Beurteilung der Wasserqualität mit Biotests ist besonders dann sinnvoll, wenn biologisch aktive Stoffe und Stoffgemische anwesend sind, die mit chemischer Analytik nur unvollständig erfasst werden können. Wir stellen ein Konzept zur Grobbeurteilung von belasteten Gewässern mit ökotoxikologischen Biotests vor, das robust und praxistauglich ist und einen ersten Schritt zur integrativen Beurteilung der Wasserqualität darstellt.

In der Europäischen Union wird die Gewässerqualität bewertet, indem Einzelstoffe chemisch analysiert und die Messwerte mit effektbasierten Grenzwerten, sogenannten Umweltqualitätskriterien, verglichen werden. Dieses Vorgehen soll mit der neuen Gewässerschutzverordnung bald auch in der Schweiz eine gesetzliche Grundlage erhalten. Die Methode ist jedoch auf messbare Einzelstoffe begrenzt, zu denen ausreichende Daten zur Ökotoxizität vorliegen. Will man die Wasserqualität über diese Einzelstoffe hinaus beurteilen, sind integrative Methoden wie Biotests nötig. Biotests geben Auskunft über die allgemeine Toxizität des Abwassers oder über spezifische Wirkungen bestimmter Stoffgruppen. Dadurch kann die Gesamttoxizität von Chemikaliengemischen beurteilt werden, die in einer Probe vorhanden sind. Biotests sind besonders wichtig, um die Auswirkungen von Stoffen zu erfassen, die schon in sehr geringen Konzentrationen biologisch wirken und daher nur schwer chemisch analysiert werden können.

Das Oekotoxzentrum hat zusammen mit Vertretern des Bundesamts für Umwelt, kantonalen Gewässerschutzfachstellen, privaten Büros und der Forschung ein Konzept entwickelt, um die Ökotoxizität von abwasserbelasteten Fliessgewässern routinemässig zu beurteilen. Das Konzept wurde im Rahmen des Moduls Ökotoxikologie des Modul-Stufen-Konzepts entwickelt, dem Projekt also, das für die Schweizer Behörden standardisierte Methoden für die Untersuchung und Bewertung des Fliessgewässerzustands erarbeitet. Im Modul-Stufen-Konzept werden strukturelle, hydrologische, chemische und biologische Aspekte der Wasserqualität erfasst, um den Gesamtgewässerzustand beurteilen zu können. Die ökotoxikologischen Methoden sollen es ergänzend zu den anderen Modulen möglich machen, die Schadstoffwirkung auf Pflanzen, Tiere und Mikroorganismen zu erfassen.

Östrogene und Herbizide im Fokus

Die Routineanwendung im Vollzug stellt an Biotests zahlreiche Anforderungen: Sie sollen kostengünstig, einfach durchführbar und eindeutig interpretierbar sein. „Es hat sich gezeigt, dass für eine Anwendung in der Praxis in erster Linie Verfahren mit Einzelzellen in Frage kommen, die spezifische Wirkungen erfassen“, sagt Cornelia Kienle vom Oekotoxzentrum. Für das vorgestellte Grobbeurteilungskonzept für abwasserbelastete Gewässer hat das Projektteam zunächst pragmatisch auf zwei Substanzgruppen fokussiert, nämlich Stoffe mit östrogener und Stoffe mit Photosynthese-hemmender Wirkung. „Östrogene Stoffe stellen für empfindliche Gewässer ein hohes Risiko dar“, erklärt Cornelia Kienle. „Sie binden nämlich wie natürliche Hormone an die Östrogenrezeptoren im Körper und können so die Fortpflanzung von Wasserorganismen stören.“ Die östrogen-aktiven Stoffe in Fliessgewässern sind teilweise natürlichen Ursprungs oder stammen beispielsweise aus Arzneimitteln, Kunststoffen, Sonnenschutzmitteln und Pestiziden und sind teilweise in Konzentrationen biologisch wirksam, in denen sie sich chemisch nicht nachweisen lassen. 

Als zweite Substanzgruppe wählten die Wissenschaftler Photosystem II (PS II) hemmende Stoffe aus, da diese in Schweizer Oberflächengewässern regelmässig in relevanten Konzentrationen gemessen werden. Sie wirken auf wichtige Organismen wie Algen und höhere Pflanzen, die als Nahrungsquelle für Wasserflöhe und Fische dienen und Sauerstoff produzieren. „Wenn die Photosynthese gehemmt wird, kann es auch sein, dass die Algen und Pflanzen schlechter wachsen und weniger gut mit anderen Stressfaktoren zurecht kommen“, betont Cornelia Kienle. Zu den Photosynthese-hemmenden Stoffen gehören hauptsächlich herbizide Pflanzenschutzmittel und Biozide, die in konventionellen Abwasserreinigungsanlagen nicht gut entfernt werden. Algen reagieren aber auch auf andere Stoffe wie zum Beispiel Triclosan, verschiedene Pharmazeutika und Metalle. 

Hefezellen machen Östrogene sichtbar

Um die Belastung mit östrogen-aktiven Stoffen zu bestimmen, bietet sich der robuste Hefezell-Östrogentest (YES) an: Mit genetisch veränderten Hefezellen wird eine Bindung an den menschlichen Östrogenrezeptor über einen Farbumschlag von gelb nach rot gemessen. Dieser einfache Test ist kostengünstig, frei verfügbar und wird breit genutzt; eine ISO-Zertifizierung wurde initiiert. Zur Quantifizierung der östrogenen Aktivität werden Estradiol-Äquivalenzkonzentrationen (EEQ) berechnet. Die EEQ ist definiert als jene Konzentration von 17β-Estradiol, die den gleichen Effekt hat wie die Umweltprobe. Umweltproben müssen für den YES in der Regel aufkonzentriert werden, da die Konzentrationen an östrogen-aktiven Stoffen im Abwasser nicht hoch genug sind, um Proben direkt messen zu können. Für aufkonzentrierte Proben erreicht der YES eine Nachweisgrenze von 0.09 ng/L EEQ und eine Bestimmungsgrenze von rund 0.22 ng/L EEQ. Damit können auch schwach belastete Proben gemessen werden. Ohne Aufkonzentrierung lag die mittlere Nachweisgrenze im YES bei 9.2 ng/L EEQ. 

Algen messen Photosynthesehemmung

Die Wasserqualität in Bezug auf PSII-hemmende Stoffe kann mit Hilfe des kombinierten Algentests mit der einzelligen Grünalge Pseudokirchneriella subcapitata gemessen werden. Wegen seiner Durchführung in Mikrotiterplatten und der kurzen Versuchsdauer ist der kombinierte Algentest im Vergleich zum ISO und OECD-zertifizierten Algenwachstumshemmtest deutlich weniger aufwendig und kostengünstiger. Schon nach zwei Stunden kann die Wirkung auf die Photosynthese erfasst werden, nach 24 Stunden die Wirkung auf das Wachstum. Mit der Hemmung von Photosynthese und Wachstum erfasst der Test unterschiedliche Wirkmechanismen und ist daher ist für das Umweltmonitoring gut geeignet. Die DIN/ISO-Zertifizierung des miniaturisierten Algentests wird momentan vorbereitet. Zur Quantifizierung der Photosynthesehemmung wird die gemessene Wirkung in Diuron-Äquivalenzkonzentrationen (DEQ) umgerechnet. Der kombinierte Algentest kann sowohl mit unbehandelten als auch aufkonzentrierten Proben durchgeführt werden. Nach einer Festphasenextraktion kann der Algentest eine Nachweisgrenze von 1-2 ng/L DEQ erreichen, die mittlere Bestimmungsgrenze lag bei 3-6 ng/L DEQ. Ohne Aufkonzentrierung lag die mittlere Nachweisgrenze bei 129 ng/L DEQ. 

Beurteilung der Belastung

Wenn östrogen-aktive oder Photosynthese-hemmende Stoffe im Gewässer nachgewiesen werden, so muss diese Belastung anschliessend bewertet werden. Dazu werden die gemessenen Konzentrationsäquivalente mit den entsprechenden wirkungsbasierten Qualitätskriterien verglichen, also Konzentrationen, die für einen Schutz der aquatischen Umwelt nicht überschritten werden sollten. Abhängig vom Verhältnis zwischen Umweltkonzentration und Umweltqualitätskriterium kann die Wasserqualität in mehrere Zustandsklassen eingeteilt werden, die von sehr gut bis schlecht reichen. Für die Beurteilung der östrogenen Belastung wird das chronische Umweltqualitätskriterium für 17β-Estradiol (0.4 ng/L) verwendet, für die Beurteilung der Herbizidbelastung mit Photosynthese-hemmenden Stoffen das chronische Umweltqualitätskriterium für Diuron (20 ng/L). Das Beurteilungsverfahren ermöglicht die integrative Erfassung der Gewässerqualität und die Identifizierung von Gewässerabschnitten mit problematischen Konzentrationen von östrogen-aktiven und/oder PSII-hemmenden Stoffen. 

Die vorgestellte Methode ist für die Beurteilung von abwasserbelasteten Gewässern konzipiert und stellt einen ersten Schritt in Richtung integrative Beurteilung der Wasserqualität dar. Die vorgeschlagenen Biotests sind als Ergänzung zur üblichen Einzelstoffbeurteilung gedacht und ermöglichen es, eine breite Palette organischer Spurenstoffe integrativ zu erfassen. Das Oekotoxzentrum unterstützt aktiv die Arbeiten zur Standardisierung und ISO-Zertifizierung der vorgeschlagenen Tests, die für die Finalisierung des Grobbeurteilungskonzeptes notwendig sind. Ausserdem erarbeitet das Oekotoxzentrum eine Empfehlung zu zusätzlichen vielversprechenden Biotests, die sukzessive in das Beurteilungskonzept einbezogen werden können. 

Projektbericht: Grobbeurteilung der Wasserqualität von abwasserbelasteten Gewässern anhand von ökotoxikologischen Biotests

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