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Validierung und Einsatz verschiedener biologischer Tests und Biomarker (=Biotests) sowie Anwendung chemischer und mathematisch-statistischer Methoden zur Bewertung der Belastung kleiner Fließgewässer mit Umweltchemikalien

Dieses Projekt wurde finanziert duch das Bundesministerium für Bildung und Forschung -BMBF- (Förderkennzeichen: 070TX214)

Das Projektabschlußsymposium fand vom 12.-14. März 2000 im Heinrich-Fabri-Institut der Universität Tübingen statt.

Beteiligte Institutionen/Kooperationspartner:

Im Rahmen des o.g. Verbundprojektes werden zwei kleine Fließgewässer im Raum Stuttgart auf ihre Belastung mit Umweltchemikalien hin untersucht. Hierbei wird nicht nur der jeweilige Belastungszustand des entsprechenden Gewässers beschrieben, sondern es werden die Effekte und Konsequenzen für in den jeweiligen Gewässern lebende Organismen gezeigt. Als modellhaft wurden in Absprache mit den örtlichen Behörden und der Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Württemberg zwei Bäche ausgewählt, die (Bach 1) als komplex belastet durch v.a. Landwirtschaft, Klärwasser und gering durch Kleinindustrie (Körsch bei Stuttgart) sowie (Bach 2) als gering belastet (Krähenbach bei Schönaich) eingeschätzt wurden. Zum Einsatz kommen parallel neben biologischen Tests [=Biomarker] mit einheimischen Fischen (Bachschmerlen und Bachforellen), die in den Gewässern abundant sind, Fischpopulations- und Meio-/Makrozoobenthosuntersuchungen, Studien an Fischzellkulturen und als "etablierter Biotest" der Bioluminiszenztest. Darüberhinaus werden simultan hydrologisch/limnologische, gewässermorphologische und chemisch-analytische Untersuchungen durchgeführt. Die Daten werden über mathematisch-statistische Methoden zusammengefaßt bzw. zueinander in Bezug gesetzt.

I. Untersuchungen zur Beschreibung des Gewässerzustandes

Hydrologische Beschreibung/limnochemische Charakterisierung der beiden Modellbäche

Zur Charakterisierung hydrologischer/limnochemischer Parameter in den Modellgewässern werden zeitliche und räumliche Profile aufgenommen.

a) Zeitliche Profile: Eine kontinuierliche Datenerhebung über (an je einer Probestelle in den beiden Gewässern installierte) Datenlogger ermöglicht über den gesamten Versuchszeitraum hinweg die Erstellung eines kontinuierlichen zeitlichen Profils zu Temperatur, Leitfähigkeit, pH-Wert, Strömungsgeschwindigkeit und Wasserstand. Einmal monatlich über das Jahr hinweg werden an sechs ausgewählten Probestellen in den Testgewässern ebenfalls o.g. sowie weitere Parameter (Ammonium, Nitrit, Nitrat, Phosphat, BSB5 etc.) erhoben, so daß auch bezüglich dieser Daten ein Jahresprofil erstellt werden kann.

b) Räumliches Profil: Die Probenahmestellen wurden so ausgewählt, daß sie entlang des o.g. Baches 1 jeweils vor bzw. hinter Mündungen von Kläranlagen bzw. Zuflüssen liegen. Zur Charakterisierung der Frachten bei Hoch- und Niedrigwasser werden bei Extremwetterlagen neben den erwähnten kontinuierlichen Daten zu Strömungsgeschwindigkeit und Wasserstand an o.g. Stellen Leitfähigkeits-, und Strömungsgeschwindigkeitsprofile erstellt, die zusammen mit zugänglichen Daten eines Landespegels bei Denkendorf in ein Modell bzgl. Schadstofffrachten entlang eines Längsprofils vom Ober- zum Unterlauf des Bach 1 münden sollen.

Chemische Analytik

Parallel zu Proben, die limnochemisch-physikalisch charakterisiert werden, werden monatlich Freiwasser-, Porenwasser-, Sediment- und Tierproben auf einen ausgewählten Schadstoffkatalog (zahlreiche Pflanzenschutzmittel, PAKs, PCBs, Schwermetalle, Tenside) hin untersucht. Die Repräsentativität der Tagesstichproben wird durch den Vergleich mit Tages-, bzw. Wochensammelproben abgeschätzt. Exemplarisch werden Untersuchungen zum Bindungsverhalten ausgewählter Stoffe an Feinpartikel, zuum Sedimentationsraten im Bach sowie zum DOC-Gehalt der Proben durchgeführt. Zusätzlich werden Tages-, bzw. Wochensammelproben aus einem Kläranlagenausfluß im Bereich des Unterlaufs des Baches 1 analysiert. Auch bezüglich der Schadstoffbelastung wird es möglich sein, sowohl Jahresganglinien an beiden Bächen als auch ein räumliches Profil entlang des Baches 1 zu erstellen.

II. Untersuchungen zur Beschreibung der Konsequenzen der Gewässerbelastung für Organismen

Biomarker

Um die Konsquenzen abschätzen zu können, die die unter (I) dargestellten möglichen Belastungsfaktoren für Fische haben, werden biologische Tests eingesetzt, die auf unterschiedlichen Niveaus in Organismen angreifen, und (1) eine Aussage bezüglich des Zustandes bzw. der Vitalität der dem Bachwasser exponierten Testindividuen sowie (2) eine Prognose für die Überlebensmöglichkeiten der Population bzw. (3) in Verbindung mit der zweiten Phase des Projektes eine Aussage zur Intaktheit der Biozönose ermöglichen. Die im Rahmen des Projektes eingesetzten Tests diagnostizieren den Gesundheitszustand der dem jeweiligen Bachwasser exponierten Organismen entsprechend einer ärztlichen "Routineuntersuchung" auf unterschiedlichen Levels: Die Organismen werden zunächst äußerlich auf Parasitenbefall hin untersucht. Da geschwächte Tiere häufiger Parasiten aufweisen, gibt dieser erste Grobtest eine Einschätzung des Allgemeinzustandes der Fische. Weiterhin werden histologische Diagnosen an zahlreichen Organen (Leber, Niere, Kieme, Haut, Darm, Milz, Gonaden) auf licht- und elektronenmikroskopischer Ebene durchgeführt. Durch diese Studien können grobe und feinere Schädigungen der Organe sowie bereits Anpassungsmechanismen gezeigt werden. Untersuchungen einer Palette an Stoffwechselenzymen, die Biotransformations-bzw. Entgiftungsenzyme einschließen, ebenso wie Studien an Streßproteinen werden einen Eindruck zum generellen physiologischen bzw. Streßzustandes der Tiere vermitteln. Die Kombination der verschiedenen Tests miteinander wird es ermöglichen, den Zustand der Tiere als (1) "gesund", d.h. ohne Unterschied zu Kontrollen im unbelasteten Bach und Labor, (2) "krank", d.h. durch die Exposition geschädigt oder als (3) an den Belastungszustand angepaßt, d.h. nicht akut geschädigt, aber auf die Situation reagierend zu bewerten. Durch die Anwendung eines geplanten Embryotests in Verbindung mit Untersuchungen an Gonaden der exponierten Fische wird es möglich sein, eine Aussage zur Beeinflussung der Populationsentwicklung der entsprechenden Fischart zu machen. Die Testorganismen werden in einem Halbfreilandsystem (Bypass-System), das aus vom entsprechenden Bachwasser durchflossenen und mit Bachsediment ausgestatteten Aquarien besteht, exponiert. Parallelbeprobungen von Aquarien- und Bachwasser im Rahmen der limnochemischen und chemisch-analytischen Untersuchungen sicherten die Vergleichbarkeit der Situation in Aquarien und Bach. Im Sinne einer Ursachenfindung werden im Labor zusätzlich Simulationsexperimente durchgeführt, wobei die Testorganismen unter kontrollierten Bedingungen im Gewässer vorhandenen Schadstoffen/Schadstoffgemischen ausgesetzt werden.

In vitro-Tests

Hierbei werden Zellkulturen aus Fischen (ebenso wie die Fische im Halbfreilandsystem) gegenüber Bachwasser exponiert und mit unterschiedlichen diagnostischen Methoden nach der Exposiotion auf ihre Vitalität hin untersucht. Die Untersuchungen dienen dazu, die Aussagekraft und Sensibilität von Zellkulturtests, die vielfach als Ersatz für Tierversuche und Schnelltests diskutiert werden, zu überprüfen sowie die Repräsentativität der Tests vor allem hinsichtlich der Relevanz für den parallel exponierten Gesamtorganismus herauszuarbeiten. Leuchtbakterientests Der Einsatz des Leuchtbakterientests soll einen Vergleich zwischen Biomarkerantworten, die auf suborganismischer Ebene angreifen und den Resultaten aus derzeit bei Gewässeruntersuchungen etablierten Biotests, deren Endpunkte stets auf organismischer Ebene (Mortalität, Verhaltensänderungen) zu suchen sind, gewährleisten. Wie die Zellkulturtests werden die Tests mit Bachwasser, Porenwasser oder Sedimentextrakten durchgeführt.

Durch mathematisch-statistische Methoden schließlich soll eine Aggregation der Einzelwerte aus den verschiedenen Bereichen zu chemischen Expositionsprofilen und biologischen Antwortmustern vorgenommen, deren Zusammenhang herausgearbeitet sowie aus den chemischen Datenreihen ein zeitliches und räumliches Belastungsprofil der untersuchten Bachabschnitte erstellt werden. Anders als bei bisherigen Biomonitorverfahren ist es im vorliegenden Projekt durch den simultanen Einsatz von biologischen, limnologischen, chemischen und mathematischen Verfahren möglich, Zusammenhänge zwischen Belastungssituationen und biologischen Antworten zu erkennen. Dieses Wissen ist essentielle Grundlage für einen möglichen späteren Einsatz von Biomarkern zur Gewässerdiagnostik. Während die am Rhein eingesetzten Biotestverfahren dazu dienen, lediglich sehr starke Belastungsschübe durch schnell ansprechende Marker (Verhaltensänderungen, Mortalität) auf organismischer Ebene zu indizieren, d.h. im Sinne eines Störfall-Monitoring zu bewerten sind, ist es durch Biomarker, die über längere Zeiträume integrieren, möglich, Wirkungen geringer subletaler Belastungszustände, die kontinuierlich existieren oder höherer subletale Belastungen, die in Schüben auftreten, zu beschreiben und deren Konsequenz für Organismen abzuschätzen. Vor allem in Verbindung mit der geplanten zweiten Phase des Projektes wird es möglich sein, die ökosystemare Relevanz von Biomarkerantworten zu erkennen. Nach Abschluß des ersten Projektteils wird ein Biotestset vorgeschlagen, welches sensitiv und für o.g. Diagnostik praktikabel ist.