Projekt SOLUTIONS
Mikroschadstoffe in europäischen Gewässern

15.05.2019 Neue Ansätze für ein verbessertes Monitoring komplexer Mischungen von Mikroschadstoffen in europäischen Gewässern.

Vorratstank auf einem der beiden Forschungsschiffe bei der Donaubereisung
© Foto: UFZ
Vorratstank auf einem der beiden Forschungsschiffe bei der Donaubereisung

Im November 1986 nach dem Brand in einer Lagerhalle für Chemikalien der Firma Sandoz wurde der Rhein über eine Strecke von 400 km vergiftet und große Fischpopulationen wurden ausgelöscht. Dies war nicht nur eine gewaltige Umweltkatastrophe sondern auch der Auftakt umfassender Maßnahmen zur Verbesserungen der Wasserqualität und deren Überwachung. Ein wichtiger Meilenstein war dabei die im Jahre 2000 in der Europäischen Union in Kraft getretene Wasserrahmenrichtlinie (WRRL), die die Erreichung eines guten ökologischen und chemischen Zustands in allen europäischen Flüssen und Seen bis 2015 vorsah. Leider konnte dieses Ziel bis heute in Europa kaum irgendwo erreicht werden. Der chemische Zustand nach WRRL ist in Deutschland beispielsweise unter anderem wegen einer flächendeckenden Überschreitung der Umweltqualitätsnormen (UQN) für Quecksilber und andere ubiquitäre Stoffe an 100 % der Überwachungsstandorte nicht gut, ohne dass hier geeignete Minderungsoptionen verfügbar wären. Generell wird der chemische Zustand nach WRRL anhand von 45 so genannten Prioritären Stoffen bestimmt. Die meisten dieser Stoffe sind inzwischen nicht mehr zugelassen, während der Großteil der etwa 100.000 im täglichen Gebrauch befindlichen Pflanzenschutzmittel, Pharmazeutika, Tenside, Farbstoffe, Haushalts- und Industriechemikalien für den chemischen Zustand unberücksichtigt bleiben. Eine Studie in der Schweiz konnte belegen, dass nur ein kleiner Teil des Risikos durch die Pestizidbelastung in der Schweiz auf die Prioritären Stoffe nach WRRL zurückzuführen ist /1/. In einer anderen Studie, die europaweite Überwachungsdaten der Europäischen Umweltagentur (EEA) auswertete, kamen die Autoren zu dem Schluss, dass die Organismen an mindestens 14% der überwachten Stellen akutem toxischen Stress ausgesetzt sind und an 42 % der Stellen chronischer Stress auftritt, der erwartbar zu einer chemisch verursachten Verschiebung des Artenspektrums führt /2/. Dabei zeigte sich, dass das ermittelte Risiko sehr gut korreliert mit der Zahl der an einem Standort gemessenen Substanzen. Unvollständige Überwachung wird mit scheinbar geringer toxischer Belastung belohnt und die tatsächliche Belastung unterschätzt. Dies gibt sicherlich die falschen Anreize. Aber: Welche Stoffe müssen überwacht werden? Welche Rolle spielen Mischungen? Können Vorhersagemodelle die Priorisierung und Überwachung unterstützen? Wie lassen sich Minderungsmaßnahmen priorisieren? Um diese Fragen zu klären, startete 2014 ein großes 5-Jahres-Projekt mit dem Titel „Solutions for present and future emerging pollutants in land and water resources management“, kurz „SOLUTIONS“ /3/, unter der Koordination des Helmholtz Zentrums für Umweltforschung – UFZ in Leipzig und unter Beteiligung von 39 Forschungseinrichtungen, Universitäten und Unternehmen und unter Einbeziehung wichtiger Behörden, Agenturen und internationalen Flussgebietskommissionen finanziert im 7. Rahmenprogramm der Europäischen Kommission. Im Folgenden sollen die Vorschläge des Projekts SOLUTIONS anhand einiger Anwendungsbeispiele diskutiert werden.

Großvolumige Festphasenextraktion © Foto: UFZ/ Andre Künzelmann
Großvolumige Festphasenextraktion

Effektbasierte Überwachung komplexer Umweltbelastung

Die Überwachung komplexer Belastung anhand von wenigen festgelegten „Prioritären Stoffen“ hat im Hinblick auf zu erwartende Effekte und Risiken für Ökosysteme und menschliche Gesundheit aus verschiedenen Gründen nur geringe Aussagekraft. Sie lässt den größten Teil der im Wasserkörper auftretenden Mikroschadstoffe unberücksichtigt ohne zu prüfen, ob diese ein Risiko darstellen und sie ignoriert Mischungseffekte. Wie anhand der festgelegten „Prioritären Stoffe“ leicht gezeigt werden kann, werden diese oft durch andere Stoffe mit ähnlichem Gefährdungspotential ersetzt, wodurch die Umweltqualitätsnormen eingehalten werden, ohne dass das tatsächliche Risiko reduziert wird. SOLUTIONS schlägt daher eine Ergänzung der bisherigen Praxis durch effekt-basiertes Monitoring vor. In Ergänzung zu Alarm-Biomonitoring und Abwassertestung (im englischen Sprachgebrauch „Whole Effluent Testing“) zur Aufdeckung akut toxischer Belastung durch Störfälle oder kontinuierliche Einleitungen zielt effekt-basiertes Monitoring auf die gemeinsame bioanalytische Erfassung von Mikroschadstoffen mit ähnlichen Wirkungen auf Wasserorganismen, über die akute Lethalität hinaus. Dies schließt - wie bei der chemischen Analytik – den Einsatz geeigneter Anreicherungstechniken mit ein, da sublethale und chronische Wirkung in kurzer Messzeit detektiert werden sollen. Als Ansätze mit großem Potential haben sich dabei die großvolumige Festphasenextraktion /4, 5/ und passivsammlerbasierte Methoden /6/ erwiesen. Beide wurden in umfangreichen Feldstudien zum Beispiel bei einer Donaubereisung von Deutschland bis zur Mündung ins Schwarze Meer (Bild 1) erprobt und validiert.

Im Vergleich zur chemischen Target-Analytik hat effektbasiertes Monitoring den Vorteil, eine größere Zahl von Stoffen zu erfassen, Mischungseffekte zu berücksichtigen und robust zu sein gegenüber der Substitution von Stoffen durch andere mit ähnlicher Wirkung. Gleichzeitig ist effektbasiertes Monitoring auch ein diagnostisches Werkzeug und erlaubt es, Hypothesen zu bilden, welche Effekte in aquatischen Lebensgemeinschaften auftreten könnten. Zur Bestätigung stehen dann für ausgewählte Organismengruppen  effektbasierte Werkzeuge auf der Ebene der Lebensgemeinschaften zur Verfügung, wie die schadstoffinduzierte Toleranz von Biofilmen als Resultat des Verschwindens der sensitiven Arten. Mit deren Hilfe konnte der Einfluss von Mikroschadstoffen aus Kläranlagenabflüssen auf das Periphyton nachgewiesen werden /7/.

Aus diagnostischer Sicht ideal wäre die Erfassung der Stoffe nach verschiedenen Wirkweisen. In SOLUTIONS wurden daher 1000 häufig in der aquatischen Umwelt analysierte Stoffe in 31 Kategorien von Wirkweisen eingeteilt /8/. Für Umweltproben geeignete spezifische in vitro oder in vivo Tests sind derzeit jedoch nur für wenige Wirkweisen verfügbar. Daher schlägt SOLUTIONS den Einsatz einer Kombination von in vivo Testverfahren mit Algen, Daphnien und Fischeiern zur integrierten Erfassung von Kurzzeitwirkungen auf aquatische Organismen vor, ergänzt durch spezifische in vitro Effekte wie hormonelle Wirkungen, Effekte auf den Metabolismus, sowie Gentoxizität und oxidativen Stress als Indikatoren für Langzeitwirkungen (Bild 2) /9/. Für die ausgewählten Testverfahren wurde in einem Ringtest und in großen Fallstudien mit Umweltproben gezeigt, dass die Testverfahren in der Lage sind, Mischungseffekte korrekt zu erfassen /10/ und konsistente Belastungsdaten zu liefern /11, 12/. Ein Verfahren zur Ermittlung von verfahrensspezifischen unter Bezug auf UQNs wurde vorgeschlagen /13/.

 

Iden
Vorgeschlagene Testbatterie für effektbasiertes Monitoring © Foto: UFZ
Vorgeschlagene Testbatterie für effektbasiertes Monitoring
tifizierung der Treiber gemessener Effekte

Im Gegensatz zur chemischen Analytik liefern effektbasierte Überwachungswerkzeuge keine Information über die zugrunde liegende stoffliche Belastung, also die Treiber dieser Effekte. Im Fall einer Überschreitung effektbasierter Prüfwerte kann dann im Sinne investigativen Monitorings eine Identifizierung dieser Treiber notwendig werden, um gezielte Minderungsmaßnahmen an der Quelle anzugehen. Die effektbasierten Methoden sollten dann mit chemisch-analytischen Verfahren kombiniert werden, um die Ursachen zu identifizieren. Eine umfassende Zusammenstellung von Methoden, Anwendungsempfehlungen aber auch möglichen Fallstricken wurde publiziert /14/. Dabei hat sich ein schrittweiser Ansatz bewährt. Für bestimmte toxikologische Endpunkte wie rezeptorvermittelte endokrine Effekte oder die Hemmung der Photosynthese sind bereits viele der üblichen Treiber bekannt. Hier ist oft die gezielte Analytik dieser „üblichen Verdächtigen“ ausreichend, um über einen Massenbilanzansatz gemessene Wirkungen zu erklären. Dies konnte von /11/ für Östrogen- und Androgenrezeptor-vermittelte Effekte durch Extrakte abwasserbeeinflussten Wassers der Donau stromabwärts der serbischen Stadt Novi Sad gezeigt werden. Natürliche und pharmazeutisch genutzte synthetische Steroide erklärten fast den gesamten gemessenen Effekt.

Fehlen Informationen über Verdachtsstoffe oder erweisen sich diese als nicht ursächlich und gemessene Effekte können nicht mit analysierten Stoffen erklärt werden, stehen zwei weitere Ansätze zur Verfügung:

  • 1. Handelt es sich um eine größere Zahl von Proben mit ähnlichen Inhaltsstoffen aber ausreichend (auch relativ zueinander) variierender Konzentrationen, so kann die Kombination chemischer Screening-Daten (Target und Non-target) mit Effektdaten über multivariate Analysemethoden helfen, Zusammenhänge aufzudecken. Dies konnte beispielhaft an einer Zeitreihe von Abwasserproben aus einer Industriekläranlage gezeigt werden. Die Mutagenität dieser sehr komplex belasteten Wässer korrelierte mit der Konzentration von Diaminophenazinen, die auch als Treiber dieses Effekts bestätigt werden konnten /15/.
  • 2. Für die Identifizierung von Toxizitätstreibern in Einzelproben deren Effekte nicht mit den analysierten Chemikalien erklärt werden können, steht die wirkungsorientierte Analytik (effect-directed analysis, EDA) zur Verfügung. Hierbei werden Fraktionierungsverfahren zur schrittweisen Reduktion der Komplexität und biologische Wirkungstests zur Identifizierung aktiver Fraktionen eingesetzt, bevor letztere dann mittels chemischer Analytik auf ihre Inhaltsstoffe hin untersucht werden. Die Leistungsfähigkeit dieser Verfahren konnte anhand verschiedener Beispiele gezeigt werden. So erlaubte die EDA zum Beispiel die Identifizierung eines bisher als Umweltschadstoff nicht bekannten Fluoreszenzfarbstoffs (Coumarin 47) als Ursache der starken anti-androgenen Effekte in der Holtemme (Sachsen-Anhalt) (Bild 3) /16/.

 

Wirkungen werden nicht notwendigerweise von wenigen Einzelstoffen bestimmt. Unspezifische Wirkungen auf Wasserorganismen aber auch Endpunkte wie oxidativer Stress repräsentieren typischerweise eher die Gesamtbelastung durch viele Inhaltsstoffe. Anhand von Wasserextrakten aus dem Rhein konnte demonstriert werden, dass Kombinationseffekte sehr unterschiedlicher Stoffe für Wirkungen, hier mutagener Effekte, verantwortlich sein können. Mittels einer Kombination aus EDA und Mischungsexperimenten wurde gezeigt, dass einfache aromatische Amine wie Anilin und Toluidin als häufige auftretende Wasserinhaltstoffe industriellen Ursprungs und schwache Mutagene zusammen mit Carbolinen, häufigen natürlichen Pflanzeninhaltsstoffen, die auch im Rheinwasser nachgewiesen wurden, starke mutagene Effekte zeigen, obwohl für die Einzelsubstanzen in umweltrelevanten Konzentrationen keine Wirkung gemessen werden konnte /17/. Auch wenn die Kombinationseffekte der bisher identifizierten Stoffe erst einen kleinen Anteil der Mutagenität in den Rheinwasserextrakten erklären, so zeigt dies doch die mögliche Bedeutung solcher Mischungseffekte und unterstreicht die Notwendigkeit effektbasierter Überwachung ohne die diese nicht aufgedeckt werden können.

Schematische Darstellung der Identifizierung von Coumarin 47 (4-Methyl-7-diethylaminocoumarin) als Treiber anti-androgener Effekte in der Holtemme /16/ © Foto: UFZ
Schematische Darstellung der Identifizierung von Coumarin 47 (4-Methyl-7-diethylaminocoumarin) als Treiber anti-androgener Effekte in der Holtemme /16/

TCP als Nebenprodukt der chemischen Industrie als Beispiel aus dem Non-Target-Monitoring am Rhein /18/ © Foto: UFZ
TCP als Nebenprodukt der chemischen Industrie als Beispiel aus dem Non-Target-Monitoring am Rhein /18/

Multi- und Non-target-Screening zur Erfassung neuer Stoffe und Belastungsmuster

In Ergänzung zu effektbasiertem sollte das chemisch-analytische Monitoring weiterhin ein wichtiger Pfeiler der Umweltüberwachung bleiben. Allerdings werden Screening-Methoden dabei in Zukunft eine weitaus größere Rolle einnehmen als bisher. Die Gründe dafür liegen auf der Hand:

  • 1. Das Projekt SOLUTIONS aber auch viele andere Aktivitäten haben gezeigt, dass das Spektrum relevanter chemischer Verbindungen in unseren Wasserressourcen weit über das bisher berücksichtigte hinausgeht.
  • 2. Die Herstellung und der Einsatz von Chemikalien unterliegen einer großen Dynamik und sind lokal und regional oft divers. Gleichzeitig führt der globale Markt, dazu, dass auch Chemikalien, die in Europa keine Zulassung mehr haben, über verschiedenste Konsumgüter nach Europa gelangen.
  • 3. Durch den enormen technischen Fortschritt im Bereich der Umweltanalytik und der Verfügbarkeit moderner LC-HRMS-Technik auch in Routinelabors entfällt die Notwendigkeit der Beschränkung auf wenige ausgewählte Analyte. Das chemisch-analytische Monitoring am Rhein aber auch an anderen Flüssen in Mitteleuropa ist hier ein gutes Beispiel. Echtzeit-Monitoring mittels Target- und Non-Target Screening (NTS) wird durch die Internationale Kommission für den Schutz des Rheins durchgeführt. Hier werden heute nicht nur 670 Target-Analyte routinemäßig untersucht, davon 420 täglich, seit 2014 wurden auch 10 größere Schadensfälle mit einem Auslaufen von jeweils über 25 t von bisher nicht detektierten Stoffen gefunden, identifiziert und behoben (Bild 4) 18.

Gleichzeitig erlaubt der Einsatz von NTS die Detektion komplexer Belastungsmuster in Zusammenhang mit verschiedenen Quellen und Wirkprofilen /19/.

Der Einsatz von Screening-Verfahren in Monitoring und Bewertung steht dabei insbesondere vor zwei Herausforderungen:

  • 1. Aufgrund des hohen Datenaufkommens ist eine automatisierte Datenauswertung und Stoffidentifizierung erforderlich. Die Entwicklung und Bewertung solcher Workflows /20/ und die Etablierung von Datenplattformen wie die European MassBank zum offenen Datenaustausch in maschinenlesbarem Format /21/ standen daher im Zentrum der Entwicklungen in SOLUTIONS.
  • 2. Die Konzentrationen vieler Stoffe in Mischungen müssen (öko)toxikologisch bewertet werden. Dies kann durch eine Normierung der Stoffkonzentrationen auf Effektkonzentrationen bezogen z. B. auf Alge, Daphnie und Fisch erfolgen, die im Sinne des Mischungseffektmodells der Konzentrationsadditivität aufsummiert werden können. Alternativ steht die Übersetzung von Konzentrationen in den Anteil potentiell beeinträchtigter Arten (msPAF) auf der Basis von Spezies Sensitivitäts-Beziehungen zur Verfügung /22/.

Die größte Herausforderung in beiden Ansätzen ist dabei das Fehlen oder die fehlende Zugänglichkeit (öko)toxikologischer Daten für viele Gewässerkontaminanten. Hier sind eine größere Datentransparenz aber auch experimentelle Anstrengungen gefordert, Datenlücken zu schließen. Zusätzlich können Vorhersagemethoden wertvolle Daten liefern. Mit Hilfe dieser Ansätze wurden in SOLUTIONS risikobasierte Belastungsmuster in Sedimenten aus großen europäischen Flusseinzugsgebieten charakterisiert /23/, aber auch die jahreszeitliche Dynamik von Kläranlagenabwässern /24, 25/. In großer Übereinstimmung der untersuchten Kläranlagen in Deutschland und in der Schweiz dominierten episodische Einträge von Pestiziden das akut toxische Risiko in den Flussabschnitten unterhalb der Kläranlagen. Ähnlich wie Pestizidspitzen aus dem Oberflächenabfluss bei Starkregenereignissen wirft dies die Frage nach kontinuierlichen und ereignisgesteuerten Überwachungsansätzen auf, wie sie beispielsweise in einem neuen Projekt zum Kleingewässermonitoring unter der Federführung des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung UFZ und des Umweltbundesamtes erprobt werden.

Schlussfolgerungen

Eine lösungsorientierte und ganzheitliche Überwachung des chemischen Zustands unserer Gewässer ist technisch möglich und notwendig, um die Ziele der WRRL und damit eine „nicht-giftige“ Umwelt zu erreichen. Die neuen Monitoring-Methoden können den flächendeckenden „schlechten chemischen Zustand“ z. B. in Deutschland nicht aufheben. Sie können aber helfen Wasserkörper, Stoffe und Schadstoffquellen für das Management zu priorisieren und damit knappe Ressourcen auf geeignete Maßnahmen zu fokussieren, die tatsächlich eine signifikante Verbesserung der Wasserqualität im entsprechenden Wasserkörper oder stromabwärts erzielen können. Zusätzlich einsetzbare Modellansätze und die Berechnung chemischer Fußabdrücke können helfen, aus einer verbesserten Gewässerüberwachung die richtigen Schlussfolgerungen für ein aktives Management zu ziehen /26, 27, 28/.

 

Literatur

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  2. Malaj, E.; von der Ohe, P. C.; Grote, M.; Kühne, R.; Mondy, C. P.; Usseglio-Polatera, P.; Brack, W.; Schäfer, R. B., Organic chemicals jeopardise freshwater ecosystems health on the continental scale. Proceedings of the National Academy of Science 2014, 111, (26), 9549-9554
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  9. Neale, P. A.; Altenburger, R.; Ait-Aissa, S.; Brion, F.; Busch, W.; Umbuzeiro, G. D.; Denison, M. S.; Du Pasquier, D.; Hilscherova, K.; Hollert, H.; Morales, D. A.; Novak, J.; Schlichting, R.; Seiler, T. B.; Serra, H.; Shao, Y.; Tindall, A. J.; Tollefsen, K. E.; Williams, T. D.; Escher, B. I., Development of a bioanalytical test battery for water quality monitoring: Fingerprinting identified micropollutants and their Contribution to effects in surface water. Water Research 2017, 123, 734-750
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  14. Brack, W.; Ait-Aissa, S.; Burgess, R. M.; Busch, W.; Creusot, N.; Di Paolo, C.; Escher, B. I.; Hewitt, L. M.; Hilscherova, K.; Hollender, J.; Hollert, H.; Jonker, W.; Kool, J.; Lamoree, M.; Muschket, M.; Neumann, S.; Rostkowski, P.; Ruttkies, C.; Schollee, J.; Schymanski, E. L.; Schulze, T.; Seiler, T.-B.; Tindall, A. J.; Umbuzeiro, G. D. A.; Vrana, B.; Krauss, M., Effect-directed analysis supporting monitoring of aquatic environments - An in-depth overview. Science of the Total Environment 2016, 544, 1073-1118
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Ein Beitrag von Dr. Werner Brack und Rolf Altenburger

www.ufz.de

Fachartikel aus wwt wasserwirtschaft wassertechnik Nr. 4/2019

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