Hohe Mischungsrisiken durch Pflanzenschutzmittel

Die Anwendung von organischen Pflanzenschutzmitteln führt zu hohen ökotoxikologischen Risiken für Pflanzen, Wirbellose und Wirbeltiere – dies hat eine umfassende Studie in fünf kleinen Gewässern bestätigt. Die Ergebnisse aus Biotests und Bioindikatoren erhärten die chemischen Analyseergebnisse.

Eine umfassende Monitoringstudie von 2015 hatte gezeigt, dass kleine Schweizer Bäche in intensiv landwirtschaftlich genutzten Gebieten stark mit Pflanzenschutzmitteln (PSM) belastet sind. Das ökotoxikologische Risiko für Pflanzen, Wirbellose und Wirbeltiere war hoch. Eine neue Studie sollte zeigen, ob die Ergebnisse repräsentativ auch für andere Standorte und Jahre sind. Wie die Vorgängerstudie wurde die Studie vom Oekotoxzentrum zusammen mit der Eawag, VSA, Aquaplus und fünf Kantonen (BE, BL, FR, SH und TG) im Rahmen der Nationalen Beobachtung Oberflächengewässerqualität Spezialuntersuchungen (NAWA SPEZ) im Auftrag des Bundesamts für Umwelt durchgeführt.

Zwei bekannte, drei neue Fliessgewässer

Untersucht wurden fünf kleine Schweizer Fliessgewässer in verschiedenen stark landwirtschaftlich genutzten Regionen von Anfang März bis Ende Oktober: nämlich der Chrümmlisbach (BE), der Weierbach (BL), Le Bainoz (FR), der Hoobach (SH) und der Eschelisbach (TG). Die Bäche decken ein breites Spektrum an angebauten Kulturen ab: Neben Ackerbau waren auch die PSM-intensiveren Spezialkulturen Obst und Beeren (TG), Reben (SH) und Gemüse (BL) vertreten. «Den Eschelisbach und den Weierbach hatten wir schon in der Vorgängerstudie untersucht, so dass wir die Ergebnisse vergleichen konnten», so Marion Junghans vom Oekotoxzentrum.

Insgesamt analysierten die Eawag-Mitarbeitenden der Abteilung Umweltchemie 217 synthetisch-organische PSM chemisch und wiesen davon in den Proben 145 PSM nach. An jedem Standort wurden so zwischen 71 und 89 PSM gefunden, durchschnittlich 35 Stoffe pro Probe. An vier Standorten waren die Herbizide die dominante Stoffgruppe. Mehrere Einzelstoffe überschritten länger und an mehreren Standorten ihr Umweltqualitätskriterium (siehe Kasten). Über alle Standorte lag Metazachlor am längsten in kritischen Konzentrationen vor (13 Zweiwochen-Zeiträume), gefolgt von Thiacloprid (9), Azoxystrobin (8), Chlorpyrifos (7), Dimethachlor (6), Metribuzin (5) und Dimethenamid (5). Diese sieben Wirkstoffe waren für 55% der insgesamt 96 Überschreitungen verantwortlich. «Es reicht allerdings nicht, sich auf diese wenigen Stoffe zu fokussieren», warnt Marion Junghans. Zum einen sei die zeitliche Variabilität der Belastungen sehr hoch, zum anderen könne eine Vermeidung dieser Stoffe zur Verwendung anderer Ersatzstoffe führen.

Langfristig hohes Mischungsrisiko für Wasserorganismen

Marion Junghans und Miriam Langer vom Oekotoxzentrum bestimmten die akuten und chronischen Risiken der gemessenen PSM-Mischungen auf Pflanzen, Wirbellose und Wirbeltiere (siehe Abbildung und Kasten). In allen untersuchten Gewässern fanden die Forscherinnen ein hohes chronisches Mischungsrisiko für mindestens eine Organismengruppe während 24 bis 26 der untersuchten 30 Wochen. Im Eschelisbach bestand wie schon 2015 ein sehr hohes Risiko für Wirbellose: Während 6 Zweiwochen-Zeiträumen war das chronische Mischungsrisiko im roten Bereich, also mehr als 10fach über der Schwelle, ab der negative Auswirkungen auf die Wasserlebewesen nicht mehr ausgeschlossen werden können. Auch für Pflanzen war das Risiko langfristig hoch. Im Weierbach war es für die Pflanzen am höchsten. Während 5 Zweiwochen-Zeiträumen war das chronische Mischungsrisiko im roten Bereich. Die Wasserqualität im Weierbach hatte sich allerdings im Vergleich zu 2015 verbessert, besonders für die Wirbellosen. Der Chrümmlisbach lag für alle Organismengruppen mindestens für zwei Wochen im roten Bereich. In Le Bainoz und im Hoobach bestand fast über den gesamten Untersuchungszeitraum ein Risiko für mindestens eine Organismengruppe, allerdings war dieses geringer als an den anderen untersuchten Stellen.

An allen fünf Standorten war das chronische Mischungsrisiko für mindestens eine der drei Organismengruppen so hoch, dass die Wasserqualität als unbefriedigend bis schlecht eingestuft wurde. Das Mischungsrisiko für akute Effekte war zwar an allen Standorten geringer als für chronische Effekte, aber immer noch bedenklich. «Die Messungen von 2017 bestätigen die Ergebnisse von 2015», sagt Marion Junghans. «Erneut deuten die hohen und lang andauernden chronischen Mischungsrisiken darauf hin, dass die Wasserorganismen keine Zeit zur Erholung haben».

Biotests und Bioindikatoren liefern zusätzliche Informationen

Um die chemischen Analysen zu ergänzen, untersuchten Marion Junghans und Miriam Langer die Proben in einem Biotest mit einzelligen Grünalgen. Die ursprünglichen Wasserproben wurden dafür extrahiert und aufkonzentriert. Mit dem Algentest kann man das Mischungsrisiko organischer Stoffe für Grünalgen direkt bestimmen. Insbesondere schauten die Forscherinnen, ob die Gewässerproben die Photosynthese oder das Wachstum der Algen hemmten. So konnten sie nicht nur das Risiko der Photosynthese-hemmenden Substanzen abschätzen, sondern auch jenes von Stoffen mit einem anderen Wirkmechanismus. Wenn nicht alle Chemikalien mit algentoxischer Wirkung analytisch bestimmt worden sind, zeigt der Algentest ein höheres Risiko an als eine Risikoanalyse, die auf chemisch-analytischen Ergebnissen aufbaut.

Die Wissenschaftlerinnen fanden mit dem Algentest an allen Standorten fast über die gesamte Untersuchungsdauer ein chronisches Mischungsrisiko: Dafür waren vor allem Stoffe verantwortlich, die das Algenwachstum hemmen. Die aus den analytischen Ergebnissen berechneten Risiken für Wasserpflanzen stimmten meist gut mit den Ergebnissen des Algentests überein. Allgemein zeigte der Algentest jedoch etwas höhere Risiken an (siehe Kasten) als die Analytik-basierte Mischungsbewertung. «Dafür könnten unbekannte algentoxische Stoffe wie Transformationsprodukte verantwortlich sein oder auch PSM unterhalb des analytischen Detektionslimits», erklärt Marion Junghans. Unterschätzt wurde das Risiko mit dem Algentest nur in wenigen Fällen, nämlich dann wenn PSM wie Nicosulfuron oder Azoxystrobin die Mischung dominierten. Diese Stoffe wirken auf Grünalgen weniger stark als auf andere Wasserpflanzen.

In den NAWA SPEZ Untersuchungen wurde auch der SPEAR-Index für Pestizide eingesetzt, der den Anteil PSM-empfindlicher Arten unter den Wirbellosen des Gewässers beschreibt – er erlaubt vor allen Aussagen über Insektizide und Fungizide. Gemäss dem SPEAR war die Wasserqualität an allen Probenahmestellen deutlich schlechter als an den unbelasteten Referenzstellen. Der Vergleich zwischen den Risiken für Wasserpflanzen und Wirbellosengemeinschaften, die auf der Basis von chemisch-analytischen Messungen und denen, die auf der Basis von biologischen Wirkungen bestimmt wurden zeigt, dass es sinnvoll ist chemisches Monitoring mit integrativen Biotests zu ergänzen: Beide Ansätze stimmten darin überein, dass die untersuchten Fliessgewässer durch PSM einem hohen Risiko ausgesetzt sind.

Kasten: Berechnung des Mischungsrisikos für PSM

Wenn man die gemessenen Umweltkonzentrationen (MEC) von Stoffen mit den Daten zu ihrer Ökotoxizität vergleicht, lässt sich die Wasserqualität von Oberflächengewässern bewerten. Dazu werden aus den ökotoxikologischen Effektdaten Umweltqualitätskriterien (UQK) abgeleitet, also Konzentrationen, oberhalb derer empfindliche Organismen in ihrer Gesundheit, Fortpflanzung und Entwicklung beeinträchtigt werden können. Das Verhältnis aus MEC und UQK ist der Risikoquotient (RQ). Wenn die MEC höher als das UQK ist, so ist der Risikoquotient RQ >1, was bedeutet, dass ein Risiko besteht und eine Beeinträchtigung von Gewässerorganismen nicht ausgeschlossen werden kann. Man unterscheidet zwischen akuten Qualitätskriterien, die vor dem Auftreten kurzfristiger Effekte und chronischen Qualitätskriterien, die vor längerfristigen Effekten schützen sollen. Entsprechend werden akute und chronische Risikoquotienten berechnet. Zur Berechnung des Mischungsrisikos werden die RQ der quantifizierten Einzelsubstanzen addiert.

Da PSM häufig toxisch für eine bestimmte Organismengruppe (Pflanzen, wirbellose Tiere oder Fische) sind, werden für jede Organismengruppe nur die RQ jener Substanzen addiert, für welche die Gruppe eine hohe Empfindlichkeit aufweist. Das Mischungsrisiko für Pflanzen, Wirbellose und Fische wird so getrennt berechnet. Das Gesamtrisiko für das Gewässer entspricht dem Risiko der am stärksten betroffenen Organismengruppe. Während Herbizide hauptsächlich ein Risiko für Pflanzen darstellen und Insektizide hauptsächlich für Invertebraten, können Fungizide alle drei Organismengruppen beeinträchtigen.

Mehr Informationen

zur Medienmitteilung

Junghans, M., Langer, M., Baumgartner, C., Vermeirssen, E., Werner, I. (2019) Ökotoxikologische Risiken in Bächen durch Effekte aus Organismen bestätigt. Aqua & Gas 4, 26-34

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Spycher, S., Teichler, R., Daouk, S., Doppler, T., Vonwyl, E., Junghans, M., Longrée, P., Kunz, M., Stamm, C., Singer, H. (2019) Häufige und hohe PSM-Belastung in Bächen, Aqua & Gas 4, 14-25

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