19. Mai 2021, Thema: Aquatische Ökotoxikologie

Online-Biomonitoring von ARA Abwasser

Gereinigtes Abwasser kann durch ein Online-Monitoring mit Organismen kontinuierlich überwacht werden. Das gibt Kläranlagenbetreibern und einleitenden Industriebetrieben die Möglichkeit, schnell auf akute Belastungen zu reagieren.

Die Schweizerische Gewässerschutzverordnung legt fest, dass Stoffe, die Gewässer durch menschliche Aktivitäten belasten, keine nachteiligen Einwirkungen auf die dort lebenden Pflanzen, Tiere und Mikroorganismen oder auf die Nutzung der Gewässer haben dürfen. Auch Abwasserreinigungsanlagen (ARA) tragen Mikroverunreinigungen aus kommunalen oder industriellen Quellen in Oberflächengewässer ein. Daher wird das gereinigte Abwasser vor seiner Einleitung ins Gewässer auf problematische Verbindungen überprüft. Dazu werden meist zeitlich begrenzte Proben genommen und mit chemischer Analyse (und teilweise Biotests) im Labor überwacht und zeitaufwändig ausgewertet.

Die Zusammensetzung von Abwasser kann sich jedoch sehr kurzfristig ändern: Das ist besonders bei industriellen Einleitungen der Fall. Manche Unternehmen ändern nämlich häufig ihre Produktepalette und Produktionsprozesse, wodurch immer neue Abfall-und Nebenprodukte entstehen. Online-Biomonitoring-Systeme, die lebende Organismen verwenden, können die Qualität des geklärten Abwassers kontinuierlich in Echtzeit überwachen. Das auch, wenn die belastenden Stoffe unbekannt sind. «Die Verhaltensänderungen, die wir verwenden, reagieren sehr schnell und sensitiv auf eine Schadstoffbelastung», sagt Miriam Langer von der Fachhochschule Nordwestschweiz und der Eawag, die das Projekt zusammen mit Cornelia Kienle vom Oekotoxzentrum leitet. «Deshalb möchten wir sie als Frühwarnsysteme einsetzen.» Solche Systeme erlauben es den Kläranlagenbetreibern und einleitenden Betrieben, schnell auf akute Belastungen des Abwassers zu reagieren und die Belastung direkt an der Quelle zu verringern.

Sandoz-Unfall als Trigger für Online-Biomonitoring

Das Potential von Online-Biomonitoring-Systemen als Frühwarnsysteme für Gewässer ist schon länger bekannt. Bei Verschmutzungen ist es wichtig, rasch reagieren zu können, um eine durchgehend hohe Wasserqualität zu gewährleisten und Unfälle zu verhindern. So wurde nach der Umweltkatastrophe von Sandoz im Jahr 1986, bei der nach einem Brand unter anderem 30 Tonnen Pestizide in den Rhein gelangten, die Entwicklung von biologischen Frühwarnsystemen stark gefördert. Aktuell werden Online-Biomonitoring-Systeme vor allem zur Überwachung von Trinkwasser und Oberflächengewässern eingesetzt. Zur Anwendung der Systeme auf ARA gibt es noch wenig Erfahrung. Deshalb hat das Oekotoxzentrum zusammen mit der Fachhochschule Nordwestschweiz und der Eawag ein Projekt initiiert, um geeignete Systeme zur Überwachung von gereinigtem Abwasser zu etablieren.

Auswahl der Testsysteme

Online-Biomonitoring-Systeme bestehen aus drei Komponenten: i) dem Testorganismus, der auf das untersuchte Wasser mit Veränderungen z.B. der Photosynthese oder des Verhaltens reagiert, ii) dem automatischen Detektionssystem, das die Reaktion des Organismus überwacht und iii) dem Alarmsystem, das ein Signal auslöst, wenn der normale Schwellenwert des Organismus überschritten wird. Als Sensor werden verschiedene Organismen wie Bakterien, Algen, Kleinkrebse oder Fische eingesetzt. Sie sollen - stellvertretend für Organismen im Ökosystem - Veränderungen in der Wasserqualität erfassen. Messparameter sind beispielsweise die Leuchtkraft, die Fluoreszenz, das Schwimmverhalten und die Atmung. All diese Parameter können durch Schadstoffe beeinträchtigt werden.

Ein geeigneter Sensor-Organismus für Abwasser muss mehrere Voraussetzungen erfüllen: Einerseits muss er empfindlich auf die Stoffe reagieren, die nachgewiesen werden sollen. Andererseits sollte er möglichst tolerant gegenüber der sonstigen Abwasserzusammensetzung sein: Abwasser enthält nämlich wesentlich komplexere Inhaltsstoffe als Trinkwasser oder Flusswasser und fordert daher die Nachweissysteme heraus. Da alle Organismen unterschiedlich auf potentielle Mikroverunreinigungen reagieren, gibt es nicht einen einzigen Online-Biomonitor, der für alle Stoffe geeignet ist. Ideal ist eine Batterie aus verschiedenen-Systemen, die sich gegenseitig ergänzen. Die Forschenden haben hier drei Testsysteme ausgewählt, die verschiedene Ernährungsebenen abdecken: Zum einen die einzellige Grünalge Chlorella vulgaris, bei der die Photosyntheseaktivität betrachtet wird. Zum anderen zwei Süsswasserkrebse, nämlich den Wasserfloh Daphnia magna und den Bachflohkrebs Gammarus pulex. Bei diesen werden verschiedene Verhaltensparameter überwacht (mehr Details zu den Testsystemen, siehe Kasten).

Prüfung auf der Pilot-ARA

„Zuerst haben wir geprüft, ob die Organismen im Abwasser gut überleben und ob die Testsysteme genügend sensitiv sind, um auf Verunreinigungen zu reagieren“, erzählt Ali Kizgin vom Oekotoxzentrum, der dieses Thema in seiner Doktorarbeit erforscht. Dazu wurden die Biomonitore in der Pilotkläranlage der Eawag installiert. „Eine Schwierigkeit war, dass das gereinigte Abwasser keine groben Partikel enthalten darf, die die kontinuierlichen Messungen beinträchtigen könnten“, sagt Ali Kizgin. Daher musste zunächst ein Membranfilter integriert werden, um eine hohe Belastung durch Schwebstoffe und Mikroorganismen im Abwasser zu verhindern. Um das Potenzial der Systeme für die Online-Überwachung zu evaluieren, setzten die Forschenden dem geklärten Abwasser verschiedene Stoffe wie Natriumchlorid, Diuron, Chlorpyrifos, Zinkchlorid oder Sertralin zu: Dies in Konzentrationen, die die gemessenen Parameter beeinträchtigten, jedoch möglichst keine Auswirkungen auf das Überleben der Organismen hatten. Die Ergebnisse waren vielversprechend: Die Organismen reagierten mit messbaren Veränderungen auf die Stoffe und hatten auch mit der Kombination aus Abwasser und Schadstoffen kein Problem.

Erfolgreiche Anwendung auch im Grossmassstab

Im nächsten Schritt setzten die Forschenden das System auf einer mittelgrossen ARA in der Region ein. „Eine Herausforderung war es, dass wir zunächst einen mobilen Membranfilter bauen lassen mussten, den wir auf die Anlage mitnehmen konnten“, erinnert sich Ali Kizgin. Doch dann sei der weitere Betrieb bei dem sechswöchigen Einsatz weitgehend unproblematisch gewesen. Ein Glückfall war die Zusammenarbeit mit der Eawag, die sich mit ihrer neuen MS²field-Plattform an dem Versuch beteiligte. MS²field ist eine der ersten mobilen Messstationen, die die kontinuierliche und zeitlich hochaufgelöste chemische Messung von Mikroverunreinigungen im Feld erlaubt. Die detaillierte Auswertung der Daten steht noch aus. Es wurden jedoch mehrere pharmazeutische Substanzen in erhöhten Konzentrationen in Zeiträumen gemessen, in denen auch Veränderungen im Verhaltensmuster der Tiere festgestellt wurden.

Als nächstes soll bestätigt werden, welche der identifizierten Substanzen durch die Biomonitore nachgewiesen werden können und wie hoch deren Empfindlichkeit ist. Ausserdem ist geplant, die Testsysteme auf weiteren ARA einzusetzen. «So wollen wir eine fundierte Basis schaffen, um die Online-Biomonitore als ergänzende Kontrollstufe des Abwassers zu etablieren», sagt Miriam Langer.

Mehr Informationen: Video über das Testsystem

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