Wie ökotoxikologische Referenzwerte für Böden bestimmen?

Die mit Pflanzenschutzmitteln verbundenen Risiken in der Schweiz sollen im nächsten Jahrzehnt um die Hälfte reduziert werden. Ein wichtiges Instrument dazu ist die Bestimmung von ökotoxikologisch basierten Screeningwerten für Pflanzenschutzmittel in Böden. Doch welche Methoden stehen dazu zur Auswahl? Welche Punkte müssen berücksichtigt werden? Das Oekotoxzentrum zieht eine Zwischenbilanz.

Der Bundesrat hat 2017 klare Ziele für die Verbesserung des Umweltschutzes in der Landwirtschaft gesetzt: Der Aktionsplan Pflanzenschutzmittel (PSM) sieht es vor, die mit PSM verbundenen Risiken innerhalb eines Jahrzehnts um die Hälfte zu reduzieren. Dafür soll zunächst ein Monitoring für PSM-Rückstände in landwirtschaftlich genutzten Böden etabliert werden. Das ist notwendig, um mögliche Belastungen zu erfassen und die Bodenqualität zu beurteilen.

Doch bis jetzt gibt es noch wenig Richtlinien, wie ein solches Monitoring umgesetzt werden könnte. Bei Gewässern ist das anders: Das Monitoring der Gewässerqualität in Europa ist gut etabliert und funktioniert meist mit ökotoxikologisch basierten Grenzwerten für Einzelsubstanzen, sogenannten Umweltqualitätsnormen (EQS = environmental quality standards) oder Qualitätskriterien. Dies sind Stoffkonzentrationen, unterhalb derer keine schädlichen Wirkungen auf Umweltorganismen auftreten sollten. Durch den Vergleich der gemessenen Konzentration von Chemikalien im Gewässer mit diesen Werten kann so die Wasserqualität eingeschätzt werden.

Fehlende Methoden für die Bodenbewertung

Für Böden gibt es in der Schweiz bis jetzt keine solchen Werte für PSM. «Wir brauchen dringend Referenzwerte, die das ökotoxikologische Risiko berücksichtigen, um die PSM-Rückstände im Boden zu bewerten», sagt Mireia Marti vom Oekotoxzentrum. Diese Referenzwerte basieren auf ökotoxikologischen Studien mit Bodenorganismen und geben die Konzentration an, unterhalb deren keine schädlichen Wirkungen auftreten sollten – im Rest des Artikels bezeichnen wir sie als ökotoxikologische Referenzwerte. In der Schweiz gibt bis jetzt nur Richtwerte für einige Schwermetalle und persistente organische Verbindungen, aber nicht für aktuell verwendete PSM. Auch in anderen Ländern sind fast keine solchen Werte verfügbar.

Während die Methode für das Bestimmen von Qualitätskriterien für Gewässer gut etabliert ist, muss für Böden noch einige Pionierarbeit geleistet werden, da es hier keine international anerkannte Methode gibt. «Böden sind viel komplexer als Gewässer und können unterschiedliche Eigenschaften haben», erklärt Mireia Marti. «Zudem kann ein Teil der PSM an Bodenpartikel sorbieren». Das beeinflusst die Bioverfügbarkeit der PSM und ihre Toxizität. Ausserdem gibt es wesentlich weniger Daten zu Effekten auf Bodenorganismen als zu Effekten auf Wasserorganismen.

Um einen Überblick zu bekommen, wie ökotoxikologische Referenzwerte für Böden abgeleitet werden könnten, schauten sich die Wissenschaftlerinnen zunächst nach den international verfügbaren Methoden um. Diese werden in unterschiedlichen Regelwerken eingesetzt und haben alle Stärken und Schwächen (siehe Kasten).

Wie ökotoxikologische Referenzwerte bestimmen?

Das allgemeine Vorgehen für die meisten Methoden ist vergleichbar: Zunächst werden die physikochemischen Daten der zu untersuchenden Substanz gesammelt (z.B. Löslichkeit, Octanol-Wasser-Verteilungskoeffizient, K_OW) um ihr Verhalten in der Umwelt vorhersagen zu können. Dann recherchieren Fachpersonen die ökotoxikologischen Daten zur untersuchten Substanz, sowohl aus Zulassungsverfahren als auch aus wissenschaftlichen Veröffentlichungen. Dabei handelt es sich um Daten zur Toxizität auf verschiedene wirbellose Bodenorganismen, Pflanzen und Mikroorganismen. Es werden typischerweise Effekte betrachtet, die das Überleben, das Wachstum oder die Fortpflanzung der Organismen beeinträchtigen.

Anschliessend prüfen die Expertinnen und Experten die Relevanz und Verlässlichkeit der Daten, da nur Werte zur Herleitung von ökotoxikologischen Referenzwerten einbezogen werden können, die die geforderten Kriterien erfüllen. Wenn möglich, sollte es sich um Daten aus Biotests handeln, die einem standardisierten Testprotokoll folgen. Ausserdem müssen genügend Informationen über den Test und die verwendeten statistischen Methoden vorhanden sein. Es werden Toxizitätsdaten bevorzugt, die Informationen zu chronischen Effekten auf Lebewesen geben. Je nachdem, welche Art von Boden in den Toxizitätstests verwendet wurde, kann die Bioverfügbarkeit der Stoffe unterschiedlich sein. Für hydrophobe Stoffe spielt dafür der Gehalt an organischem Kohlenstoff eine grosse Rolle, so dass manche Methoden die Toxizitätsdaten auf einen Standardboden normalisieren oder Biotests von der Selektion ausschliessen, die mit Böden mit einem abweichenden Kohlenstoffgehalt durchgeführt wurden.

Unterschiedliche Methoden zur Datenextrapolation

Die meisten ökotoxikologischen Daten stammen aus Laborexperimenten mit Standardorganismen und führen daher zu Unsicherheiten, da sie weder alle Arten noch deren Wechselwirkungen im Freiland berücksichtigen können. Daher werden die Referenzwerte aus den Toxizitätsdaten durch eine Extrapolation erhalten. Diese kann je nach Anzahl der verfügbaren Toxizitätsdaten unterschiedlich aussehen. Bei allen Methoden werden Sicherheitsfaktoren verwendet. Die Höhe des Sicherheitsfaktors hängt dabei von der Vollständigkeit des Datensatzes ab. Generell gilt: Je weniger Daten vorhanden sind, desto höher ist der Sicherheitsfaktor.

Wenn genügend Toxizitätsdaten vorhanden sind, wird eine statistische Verteilungsmethode angewendet. Dabei werden die kritischen Substanzkonzentrationen für verschiedene Arten ihrer Grösse nach angeordnet, um einen Überblick über die Verteilung der Daten zu gewinnen. Die statistische Verteilung wird anschliessend meist mit einem mathematischen Modell gefittet, das die Empfindlichkeiten im Ökosystem reflektieren soll. Man nennt diese Methode Speziessensitivitätsverteilung. Sie folgt dem Technischen Leitfaden für Risikobeurteilung der EU und wird auch von anderen Behörden z.B. in den Niederlanden und in Australien angewendet. Wenn Toxizitätsdaten für genügend unterschiedliche Arten vorliegen, lässt sich die Konzentration ableiten, bei der zum Beispiel nur 5% der Arten geschädigt werden. Der Sicherheitsfaktor für diese Methode liegt zwischen 1 und 5, da sie als vergleichsweise sicher und sehr belastbar gilt.

Die deterministische oder Sicherheitsfaktormethode wird angewendet, wenn nicht genügend Toxizitätsdaten zur Verfügung stehen, um deren Verteilung aufzuzeigen. In diesem Fall wird der Toxizitätswert gewählt, der die empfindlichste Art repräsentiert, und durch einen Sicherheitsfaktor geteilt, der die dadurch entstandene Unsicherheit berücksichtigt. Dieser kann sehr gross sein und drei Grössenordnungen umfassen.

Wenn es gar keine Daten zur Toxizität einer Substanz für Bodenorganismen gibt, kann die Gleichgewichtsverteilungsmethode verwendet werden. Diese Methode basiert auf dem Prinzip, dass Schadstoffe für bodenlebende Organismen nur über die Wasserphase verfügbar sind, ihre Toxizität für die Organismen daher aus ihrer Konzentration in der Wasserphase resultiert, und Bodenorganismen genauso empfindlich auf Schadstoffe reagieren wie Wasserorganismen. Da die Methode nur die Aufnahme über die Wasserphase berücksichtigt und nicht die Aufnahme über ein Verschlucken von Bodenpartikeln, wird ein zusätzlicher Sicherheitsfaktor von 10 verwendet.

Sekundärvergiftung und Landnutzung

Ausser den ökotoxikologischen Daten spielen auch andere Faktoren eine Rolle bei der Risikobewertung. Manche Substanzen wie lipophile organische Schadstoffe oder Metalle haben das Potential, sich entlang der Nahrungskette anzureichern. Sie können so ein Risiko für Wirbeltiere darstellen; man spricht von einer Sekundärvergiftung. Einige Methoden berücksichtigen das Risiko für eine solche Sekundärvergiftung. Dazu wird zunächst der lipophile Charakter der untersuchten Substanz mit Hilfe ihres K_OW abgeschätzt. Ab einem spezifischen Triggerwert des K_OW wird ein zusätzlicher Referenzwert für den Mechanismus «Sekundärvergiftung» abgeleitet.

In einigen Ländern wird teilweise auch die Landnutzung berücksichtigt. Dann wird angenommen, dass gewisse Standorte wie Schutzgebiete oder Parks einen höheren ökologischen Wert haben und daher strengere Schutzmassnahmen benötigen. Andere Standorte wie Industriegebiete sind bereits stark durch die menschliche Aktivität verändert und benötigen daher weniger Schutz. Auch lokal vorhandene Hintergrundkonzentrationen für Substanzen und mögliche Folgen für die menschliche Gesundheit können berücksichtigt werden.

Der letzte Schritt bei der Bestimmung der risikobasierten Referenzwerte ist es, ihre Anwendbarkeit zu evaluieren. Dies geschieht meist über einen Peer Review und eine politische Bewertung. Regulatoren müssen sicherstellen, dass der abgeleitete Referenzwert das Ökosystem ausreichend schützt, aber gleichzeitig im momentanen politischen Rahmen umsetzbar ist.

Derzeit vergleichen die Wissenschaftlerinnen am Oekotoxzentrum die Vor- und Nachteile der verschiedenen Methoden (siehe Kasten) und leiten auf dieser Basis eine Liste von Empfehlungen ab. «So können wir hoffentlich bald die Belastung von Böden besser bestimmen und einen ersten Schritt machen, um das Risiko von PSM für Bodenorganismen und Pflanzen zu verringern», sagt Mireia Marti.

Kasten

Potentielle Methoden zur Ableitung von Referenzwerten für PSM in Böden

Derzeit gibt es sechs mögliche Hauptmethoden, die in verschiedenen Regelwerken eingesetzt werden. Bei zweien davon handelt es sich um prospektive, also vorausschauende Ansätze: Dies sind der Ansatz der Europäischen Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA), der für die Zulassung von PSM in der EU eingesetzt wird, und der Ansatz der Europäischen Chemikalienagentur (ECHA), der für die Zulassung von Bioziden verwendet wird. Die anderen Methoden stammen aus den Niederlanden, aus Kanada, den USA und Australien und werden bereits dazu eingesetzt, die Bodenqualität zu bestimmen

Die Methode der EFSA entspricht im Wesentlichen der Methode, die auch vom Bundesamt für Landwirtschaft für die Zulassung der PSM verwendet wird. Zum Abschätzen des Risikos für die Bodenorganismen werden sogenannte Toxizitäts-Expositions-Verhältnisse (TER Werte) ermittelt. Dies ist das Verhältnis aus der Effektschwelle für die empfindlichste untersuchte Art und der erwarteten Umweltkonzentration für die untersuchte Substanz. In einem zweiten Schritt können aus den Daten regulatorisch akzeptable Konzentrationen (RAC-Werte) abgeleitet werden, die als ökotoxikologische Referenzwerte verwendet werden könnten, doch dazu gibt es keine standardisierte Methode. Diese Methode verwendet nur Daten von genau definierten Modellorganismen. Sie ist gut auf PSM abgestimmt, dabei aber sehr starr.

Die Methode der ECHA, die zur Zulassung von Bioziden verwendet wird, entspricht in vielen Punkten der Methode, die zur Ableitung von Qualitätskriterien oder EQS im Wasser eingesetzt wird, da sie auf demselben Technischen Leitfaden der EU beruht. Sie wurde ursprünglich für die Risikobewertung in Gewässern entwickelt und später für die Risikobewertung in Böden angepasst. Eine ihrer Hauptstärken ist ihre Flexibilität. So wird die Verfügbarkeit und Anzahl der Toxizitätsdaten bei der Methode zur Extrapolation berücksichtigt und auf unterschiedliche Bodenarten eingegangen. Sekundärvergiftungen werden berücksichtigt.

Die Methode aus den Niederlanden beruht auf demselben Technischen Leitfaden der EU wie die oben beschriebene Methode der ECHA. Daher gelten die erwähnten Vorteile auch für diese Methode.

In der Methode aus Kanada wird wie bei der Methode aus den Niederlanden die Menge der verfügbaren Toxizitätsdaten in der Methode zur Datenextrapolation berücksichtigt. Es wird zudem zwischen verschiedenen Arten der Landnutzung unterschieden. Es ist allerdings nicht möglich, verschiedene Bodentypen zu berücksichtigen. Die Methode zur Berücksichtigung von Sekundärvergiftungen ist komplex.

Die Methode der Umweltschutzbehörde der USA (US EPA) ist einfach anzuwenden und lässt die Berücksichtigung aller Arten von Toxizitätstests für Bodenorganismen und Pflanzen zu. Die Menge der verfügbaren Toxizitätsdaten, die Bodeneigenschaften und Mikroorganismen werden nicht berücksichtigt.

Die Methode aus Australien berücksichtigt die spezifische Landnutzung, die vorhandene Datenmenge und Sekundärvergiftungen. Der Schutz der Bodenorganismen wird geringer gewichtet als der Schutz der Pflanzen.