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FORSCHUNG/351: Patient Fluss - Die Schadstoff-Fahnder (UFZ-Newsletter)


Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ
UFZ-Newsletter Februar 2014

Patient Fluss

Von Kerstin Viering



Viele europäische Flüsse enthalten einen Chemikalien-Cocktail, der Algen und Wassertieren nicht gut bekommt. Zwar werden die Konzentrationen bestimmter Schadstoffe in den Gewässern der EU durchaus überwacht. Doch sind sie die wahren Übeltäter? In einem internationalen Projekt namens SOLUTIONS suchen UFZ-Wissenschaftler Werkzeuge und Methoden, um die Risiken der Schadstoffe zu bewerten und die Belastung der Gewässer zu verringern.



Die Schadstoff-Fahnder

Angesichts einer solchen Datenlage würde jeder Kriminalist die Hände über dem Kopf zusammenschlagen. Da zeigt ein Blick auf die Fahndungsliste jede Menge ehemaliger Milieugrößen, die sich längst aus dem Geschäft zurückgezogen haben. Dafür fehlen aber die Namen ihrer derzeit aktiven Nachfolger. Ganz zu schweigen von all den neuen Tätergruppen, von deren Unwesen noch vor ein paar Jahren niemand etwas ahnen konnte. Zu leicht geraten die Ermittler da auf falsche Spuren, während ihnen die tatsächlichen Täter durch die Lappen gehen. Umweltchemiker Dr. Werner Brack will sich mit dieser frustrierenden Situation allerdings nicht abfinden. Er und seine Kollegen tragen nicht nur aktuelle Informationen über Verdächtige und deren Aktivitäten zusammen. Darüber hinaus versuchen sie auch, einen Blick in die Zukunft zu werfen: Welche Kartelle werden in den nächsten Jahren die Szene beherrschen? Wo werden sie zuschlagen, was genau werden sie anrichten? Und kann man dem vielleicht schon im Vorfeld einen Riegel vorschieben? Solche Fragen soll ein internationales Projekt namens SOLUTIONS beantworten, an dem neben dem UFZ 38 weitere Forschungseinrichtungen beteiligt sind. Die gemeinsame Aufgabe der Projektmitarbeiter ist allerdings nicht die Kriminalitätsbekämpfung, sondern der Gewässerschutz.


Ein Cocktail mit Nebenwirkungen
Der erfordert nämlich durchaus kriminalistischen Spürsinn. Die Frage etwa, ob ein Fluss chemisch gesehen in einem guten Zustand ist, lässt sich keineswegs leicht beantworten. Umweltchemiker kennen zwar eine ganze Reihe von Schwermetallen, Pestiziden oder Industriechemikalien, die in Gewässern ökologische Schäden anrichten.

Manche dieser Substanzen hemmen die Fotosynthese von Algen, andere die Fortpflanzung von Wassertieren. Und etliche können auch für den Menschen gesundheitsschädlich sein. Doch neben den bekannten Verdächtigen treibt auch eine ganze Reihe von weiteren Übeltätern ihr Unwesen -unerkannt und im Verborgenen.

"Sämtliche Chemikalien in den Flüssen zu überwachen, kann aber auch nicht die Lösung sein", betont Werner Brack. Dafür ist der Kreis der Verdächtigen einfach zu groß. Insgesamt sind derzeit rund 70 Millionen Chemikalien bekannt. Ungefähr 30.000 davon kommen in Alltagsprodukten vor, noch viel mehr sind in der Industrie im Einsatz. Und ein guter Teil davon landet früher oder später in den Gewässern. "Eine typische Wasserprobe aus einem europäischen Fluss enthält Zehntausende von verschiedenen Substanzen", sagt der UFZ-Forscher. Und dieser Cocktail enthält reichlich Zutaten, deren genaue ökologische Wirkungen noch niemand kennt.

Da man mit dem Gewässerschutz aber irgendwo anfangen muss, hat die EU eine Lis­te von derzeit 45 Chemikalien zusammengestellt, deren Konzentration in den Flüssen und Seen der Mitgliedsländer überwacht werden muss. Dazu gehören zum Beispiel Schwermetalle wie Cadmium und Blei, Pestizide wie DDT und Aldrin oder Industriechemikalien wie Benzol. Wenn diese sogenannten prioritären Stoffe bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten, ist das jeweilige Gewässer nach den EU-Regularien in einem guten chemischen Zustand. In Deutschland trifft das derzeit auf etwa 90 Prozent der Seen und Flüsse zu. "Das ist natürlich erst einmal eine gute Nachricht", sagt Werner Brack. Doch es gibt einen Wermutstropfen.


Veraltete Listen
Laut Wasserrahmenrichtlinie müssen die Gewässer der EU bis 2015 nämlich nicht nur diese chemischen Vorgaben erfüllen, sondern auch einen guten ökologischen Zustand erreichen. Der wird nach einem komplexen Verfahren bestimmt, das vor allem die vorhandenen Arten und Lebensräume bewertet. Und bei diesem Qualitätscheck schneiden die deutschen Gewässer deutlich schlechter ab: Nur zehn Prozent erreichen derzeit den geforderten Gütezustand.

Das hat eine ganze Reihe von Ursachen - vom Ausbau und der Überdüngung der Flüsse bis hin zu eingeschleppten Tieren und Pflanzen, die den einheimischen Konkurrenten das Leben schwer machen. Die UFZ-Forscher sind aber sicher, dass auch Chemikalien ihren Beitrag zum Artenschwund in deutschen Gewässern geleistet haben. "Es waren eben nur nicht die üblichen Verdächtigen, die von den Behörden überwacht werden", erläutert Werner Brack. Und an dieser Stelle kommen die veralteten Fahndungslisten ins Spiel.

Welche Chemikalien in den Kreis der prioritären Stoffe aufgenommen werden, ist am Ende eine politische Entscheidung. Auf der Basis von Expertenurteilen schlägt die Europäische Kommission entsprechende Substanzen vor, das EU-Parlament muss zustimmen - und die Zeit vergeht. Bis eine neue Verbindung auf der Liste landet, dauert es mehrere Jahre. Und in der Zeit kann sich in der Chemie eine Menge tun. DDT und Aldrin zum Beispiel sind in vielen europäischen Staaten seit Jahrzehnten verboten und auch viele andere überwachte Substanzen spielen längst keine große Rolle mehr. "Von den 15 aufgelisteten Pestiziden sind in Deutschland nur noch vier im Einsatz", sagt Werner Brack.

Dafür hat es kaum einer ihrer modernen Nachfolger auf die EU-Fahndungsliste geschafft. Von den 35 Schädlingsbekämpfungsmitteln, die Landwirte heute am häufigsten einsetzen, stehen derzeit gerade einmal zwei unter Beobachtung. Dabei entfalten die neuen Pestizide in den Flüssen oft vergleichbare Wirkungen wie die alten. "Oft sind es ja auch ganz ähnliche Verbindungen, die sich nur in chemischen Details unterscheiden", erklärt er. Ein kleines Anhängsel mehr oder weniger am Molekül - und schon ist aus einem zur Fahndung ausgeschriebenen Verdächtigen ein unbeschriebenes Blatt geworden.

Dieses Problem lässt sich nach Ansicht der UFZ-Mitarbeiter am besten lösen, wenn man die ganze Fahndung anders gestaltet. Statt einzelnen Stoffen nachzujagen, sollte man sich lieber auf die Wirkungen konzentrieren.

Dabei gilt es zunächst einmal herauszufinden, ob das Wasser aus einem bestimmten Fluss die darin lebenden Organismen schädigt. Wenn das der Fall ist, kann man dann im zweiten Schritt die dafür verantwortlichen Substanzen ermitteln. Mit diesem Ansatz lassen sich auch neu auftauchende Chemikalien dingfest machen. Oder solche, mit denen im jeweiligen Gebiet niemand gerechnet hatte und die bei den Routineüberwachungen nicht gefunden wurden.


Auf der Spur der Schäden
Die nötigen Methoden für diesen neuen Ermittlungsansatz hat das Vorläuferprojekt von SOLUTIONS geliefert. Ebenfalls ein EU-Projekt, in dessen Rahmen Wissenschaftler aus 13 Ländern an sogenannten biologischen Wirkungstests getüftelt haben.

Mit solchen Verfahren kann man im Labor überprüfen, wie sich der Chemikaliencocktail aus einem Fluss auf ganze Lebewesen oder einzelne Zellen auswirkt. "Dazu setzt man zum Beispiel Algen, Fischembryonen oder Wasserflöhe in eine Wasserprobe und schaut, was passiert", erläutert Werner Brack das Grundprinzip dieser Tests. Passieren kann alles Mögliche - von eher subtilen Veränderungen im Stoffwechsel bis hin zum Tod der Organismen. Ein Rückgang der Fotosyntheserate bei den Algen ist zum Beispiel kein gutes Zeichen. Das Gleiche gilt, wenn sich Wasserflöhe nicht mehr fortpflanzen oder kaum noch bewegen.

Schwieriger ist die Interpretation, wenn sich die Biomoleküle in den Organismen verändern. Dann ist vielleicht die Palette an Enzymen, Fettsäuren oder Zuckern in ihrem Körper nicht mehr die gleiche. Aber ist das ein Schaden? Diese Frage können die Forscher nur nach weitergehenden Untersuchungen beantworten. Trotzdem wird der Blick auf diese Stoffwechselprodukte in der Ökotoxikologie immer beliebter. Denn der klassische Algen-Test zeigt eben nur, ob die Zellvermehrung gehemmt ist oder nicht. Alle anderen Wirkungen bleiben ihm verborgen. Mit den neuen Verfahren kann man dagegen erst einmal ganz unspezifisch und ohne klaren Anfangsverdacht nach den verschiedensten möglichen Effekten suchen.

Es gibt aber auch Tests, die ganz gezielt Stoffgruppen mit bestimmten Wirkungen ins Visier nehmen. "Statt ganzer Lebewesen kommen dabei gentechnisch veränderte Zellkulturen zum Einsatz", erläutert Werner Brack. Da gibt es zum Beispiel welche mit speziellen Rezeptoren für östrogene oder androgene Substanzen - also solche, die wie weibliche oder männliche Geschlechtshormone wirken. Solche Chemikalien sind dafür bekannt, dass sie die Fortpflanzung von Schnecken und anderen Wassertieren kräftig durcheinanderbringen können.

Um eine möglichst große Palette von verschiedenen Wirkungen aufspüren zu können, haben die Wissenschaftler mehrere solcher Tests zu sogenannten Biotest-Batterien kombiniert. Die verraten allerdings noch nicht, welche Substanzen die beobachteten Effekte ausgelöst haben. Das lässt sich erst im nächsten Ermittlungsschritt herausfinden, der Fraktionierung der Chemikalien. Hat eine Wasserprobe bei den Biotests eine Wirkung gezeigt, werden die darin enthaltenen Substanzen mit chemischen Trennverfahren in einzelne Gruppen aufgeteilt. Jede dieser Fraktionen wird dann erneut durch die Biotest-Batterie geschickt und bei positivem Testergebnis erneut aufgespalten. Das geht so lange weiter, bis die wirkungsvolle Probe nur noch wenige Stoffe enthält. Und die lassen sich dann identifizieren.


Erfolgreiche Ermittlungen
Auf diese Weise haben die Forscher schon eine ganze Reihe von Tätern überführt. "Dabei handelte es sich sehr oft nicht um die üblichen Verdächtigen", betont Werner Brack. So konzentrieren sich die Überwachungsbehörden bei der Bewertung belasteter Sedimente am Flussgrund typischerweise auf einen kleinen Satz von wohlbekannten Schadstoffen. Dazu gehören zum Beispiel chlorierte Pestizide wie DDT, aber auch die als Verbrennungsprodukte und Bestandteile von Kohle und Erdöl bekannten Polyzyklischen Aromatischen Kohlenwasserstoffe oder die Polychlorierten Biphenyle, die früher häufig als Weichmacher in Kunststoffen eingesetzt wurden.

Das sind aber nicht die Verbindungen, die sich in den Biotests als besonders wirksam erwiesen haben. Im Gegenteil: Die meisten der im Laufe des Projekts identifizierten Übeltäter hatten bis dahin nicht im Zentrum der Aufmerksamkeit gestanden. Zu diesen lange unterschätzten Schadstoffen gehört etwa das Biozid Triclosan, das als antibakterieller Zusatz zum Beispiel in Zahnpasta und Sportkleidung eingesetzt wird. "Diese Substanz wirkt schon in geringen Konzentrationen giftig auf Grünalgen", sagt Werner Brack. "Auf der Überwachungsliste der EU aber steht sie nicht". Genauso wenig Galaxolid und Tonalid, die als synthetischer Moschus-Ersatz zur Parfümierung von Kosmetika und Waschmitteln dienen. Oder das Flammschutzmittel Tri(2-chloroisopropyl)phosphat. Alles neu überführte Täter, die in europäischen Flüssen bisher weitgehend unbeobachtet ihren Aktivitäten nachgehen können.

Was all diese Substanzen dort anrichten, lässt sich allerdings nicht allein mit Wirkungstests im Labor klären. Wenn ein einzelner Organismus auf eine Chemikalie reagiert, muss das schließlich nicht unbedingt Auswirkungen auf das ganze Ökosystem haben. Also haben die Forscher auch echte Gewässer unter die Lupe genommen, Veränderungen in den Lebensgemeinschaften von Flüssen analysiert und nach Zusammenhängen mit chemischen Belastungen gesucht. Dabei sind sie in etlichen Fällen fündig geworden.

So ließ sich nachweisen, dass Arzneiwirkstoffe einen deutlichen Einfluss auf die Lebensgemeinschaft am Grund des spanischen Flusses Llobregat haben. Statistische Analysen verraten zum Beispiel, dass die Häufigkeit und Biomasse der dortigen Zuckmücken-Larven von der Konzentration des Schmerzmittels Ibuprofen im Wasser abhängt. Auf drastische Veränderungen der Tier- und Pflanzenwelt sind die Forscher auch unterhalb einer Einleitung von Industrie- und Haushaltsabwässern in den Fluss Schijn in Belgien gestoßen. Vor allem die Schnecken haben dort massive Probleme, manche Arten sind sogar ganz aus den belasteten Bereichen verschwunden. Schuld daran sind in diesem Fall wohl Chemikalien mit hormonähnlichen Wirkungen.


Von der Diagnose zur Therapie
"Wir haben bereits viel darüber gelernt, wie groß der Einfluss von Chemikalien auf die Gewässer-Ökosysteme ist und wie man solchen Belastungen am besten auf die Spur kommt", resümiert Werner Brack. Nun aber wollen er und seine Kollegen einen großen Schritt weiter gehen. SOLUTIONS trägt seinen Namen nicht von ungefähr: Fünf Jahre lang wollen die beteiligten Wissenschaftler nach Lösungen für die Chemikalien-Probleme der Flüsse suchen. Drei Fallstudien an unterschiedlichen Gewässern werden sich dabei auf unterschiedliche Schwerpunkte konzentrieren.

Die ersten Daten dafür hat die Donau geliefert. Anlässlich der von der "Internationalen Kommission zum Schutz der Donau" koordinierten Forschungsexpedition "Joint Danube Survey 3" konnten im August und September 2013 auf mehr als 2300 flussabwärts gefahrenen Kilometern zahllose Messwerte und Proben zusammengetragen werden.

Auf dieser Grundlage wollen die Forscher nun herausfinden, wie man den speziellen chemischen Eigenheiten von Gewässern gerecht werden kann. Schließlich hat nicht jeder Fluss in Europa mit den gleichen Schadstoffen zu kämpfen - je nach industriellem Umfeld und sonstigen Eigenheiten im Einzugsgebiet hat der Chemikalien-Cocktail überall eine etwas andere Zusammensetzung. Gesucht sind daher die flussgebietsspezifischen Stoffe, die in der jeweiligen Region überwacht werden können, auch wenn sie noch nicht auf der EU-weit gültigen Fahndungsliste stehen. Die Fallstudie an der Donau soll zeigen, wie man eine solche regionale Täterkartei am besten anlegt.

Am Rhein wird es dagegen darum gehen, wie man bedenkliche Substanzen vom Trinkwasser fernhält und aus dem Abwasser wieder herausholt. Ein besonders interessantes Untersuchungsgebiet für Abwasserfragen ist dabei der Oberrhein. Denn die Schweiz rüstet ihre Kläranlagen derzeit mit einer vierten Reinigungsstufe aus, die "moderne" Belastungen wie Arzneiwirkstoffe oder Kosmetikbestandteile entfernen soll. Welche technischen Lösungen gibt es dafür? Welche Stoffe sind so hartnäckig und bedenklich, dass man sie ganz aus dem Verkehr ziehen müsste? Und können auch andere Maßnahmen wie etwa ein funktionierendes Rückgabesystem für Medikamente helfen? Zu all diesen Fragen soll SOLUTIONS in den nächsten Jahren Antworten liefern.

Und schließlich wollen die Forscher an insgesamt vier spanischen Flüssen die Herausforderungen der Wasserknappheit erforschen. Im heißen Klima der iberischen Halbinsel trocknen manche Flüsse im Sommer ganz aus, andere haben einen besonders hohen Abwasseranteil. Was bedeuten chemische Belastungen in Kombination mit solchen Stressfaktoren für die Flussbewohner? Diese Frage ist auch für andere Gewässer im Süden Europas interessant. Und sie wird im Zuge des Klimawandels immer wichtiger.


Blick in die Zukunft
"Wir wollen in diesem Projekt nicht nur Lösungen für die heute schon bestehenden Probleme finden", betont Werner Brack. SOLUTIONS soll vielmehr auch eine Art Frühwarnsystem liefern, das rechtzeitig auf neue Schwierigkeiten hinweist. Es gibt schließlich eine ganze Reihe von absehbaren Entwicklungen, die künftig das Chemikalienspektrum in den Gewässern verändern könnten. Wenn zum Beispiel auf immer mehr europäischen Äckern Energiepflanzen statt Nahrungsmitteln wachsen, könnte das auch den Einsatz von Pestiziden beeinflussen. Und wenn die Menschen in Europa im Zuge des Demografischen Wandels immer älter werden, dürften sie auch mehr Medikamente brauchen, deren Rückstände über das Abwasser in den Kläranlagen landen.

"Wir wollen herausfinden, wie man solche neuen Herausforderungen meistern kann", sagt Werner Brack. Am besten, bevor die ersten gravierenden Schäden auftreten.

Denn auch in dieser Hinsicht sind die Gewässer-Schützer in der gleichen Situation wie die Kriminalisten: Einen Fall im Nachhinein aufzuklären, ist zwar durchaus ein beachtlicher Erfolg. Die Tat zu verhindern ist aber noch besser.

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EU-Projekt SOLUTIONS

Der Umweltchemiker Dr. Werner Brack koordiniert nach MODELKEY (2005-2010) mit dem Projekt SOLUTIONS nun sein zweites großes EU-Projekt. SOLUTIONS vereinigt 39 Partner aus 14 europäischen Ländern sowie China, Brasilien und Australien. Es wird bis zum Jahr 2018 mit insgesamt 12 Millionen Euro von der Europäischen Union gefördert. Ziel ist es, Werkzeuge und Modelle zu entwickeln, um den Chemikaliencocktail in Gewässern hinsichtlich seines Risikos zu bewerten. SOLUTIONS entwickelt Methoden, um vorrangig zu behandelnde Stoffe zu erkennen, und schlägt Lösungen zu deren Verminderung vor. Im Projekt wird die komplexe Mischung der in der Vergangenheit eingetragenen Schadstoffe, die unsere Gewässerqualität noch immer beeinträchtigen, genauso betrachtet, wie die große Zahl aktuell genutzter Pes­tizide, Medikamente, Körperpflegemittel und Industriechemikalien. Mögliche zukünftige Entwicklungen der Schadstoffbelastung werden über Szenarien in die Lösungsvorschläge einbezogen.

www.solutions-project.eu
Film: www.youtube.com/UFZde



UFZ-Ansprechpartner:
Dr. Werner Brack
Leiter Dept. Wirkungsorientierte Analytik
e-mail: werner.brack@ufz.de

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Bildunterschriften der im Schattenblick nicht veröffentlichten Abbildungen der Originalpublikation:

Abb. S. 3:
Zur Forschungsexpedition "Joint Danube Survey 3" wurden auf der Donau tausende Proben zusammengetragen. Im Schiffslabor unter Deck wurden erste Vor-Ort-Analysen gemacht bzw. die Proben so aufbereitet und konserviert, dass sie die Heimreise in die Labore der beteiligten Institute unbeschadet antreten konnten.

Abb. S. 4:
Der Umwelttoxikologe Dr. Tobias Schulze nutzt an Bord des Forschungsschiffes ein am UFZ entwickeltes Probenahme-Gerät. Es dient dazu, die gelösten Bestandteile aus dem Wasser für eine spätere chemische und ökotoxikologische Analyse zu extrahieren - und erspart damit den aufwendigen Transport von großvolumigen Wasserbehältern nach Deutschland. Zunächst wird das Wasser mithilfe einer Durchlaufzentrifuge von seinen Schwebstoffen befreit. Danach werden die im Wasser gelösten organischen Schadstoffe auf speziellen Polymeren gebunden, die sich in Kartuschen aus Edelstahl befinden. Ist eine der Kartuschen voll, wird sie gewechselt, entsprechend gekennzeichnet und bis zur Analyse im Heimatlabor deponiert.

Abb. S. 5:
Was sagen die im oder am Fluss lebenden Organismen über die Gewässerqualität? Um das herauszufinden, nehmen Wissenschaftler die Biologie im Flusswasser, an der Gewässersohle und am Uferbereich unter die Lupe. Untersuchungsobjekte sind unter anderem Fische, Muscheln, Krebstiere, Biofilme, Bakterien, Phyto-Plankton sowie Wasserpflanzen und Pflanzen des Uferbereiches.

Abb. S. 6:
Mikrobiologen und Algen-Experten suchen in Bakterien oder Phyto-Plankton nach Indikatoren für die Wasserqualität.

Abb. S. 7:
Die Donau ist nach der Wolga das zweitgrößte europäische Fließgewässer und ein faszinierendes Ökosystem. Vom Menschen wird sie intensiv genutzt: Sie dient als Urlaubsparadies, als Fischereigewässer und als Trinkwasserreservoir für zehn Millionen Menschen aus zehn Anrainerstaaten.
Aber sie dient auch der Entsorgung von Abwässern aus den anliegenden Kommunen, der Landwirtschaft und der Industrie. Daher ist die Donau auch einer der sechs Flüsse, die im Mittelpunkt des EU-Projekts SOLUTIONS stehen.

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Quelle:
UFZ-Newsletter Februar 2014, Seite 1 - 7
Herausgeber:
Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Permoserstraße 15, 04318 Leipzig
Tel.: 0341/235-1269, Fax: 0341/235-450819
E-mail: info@ufz.de
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veröffentlicht im Schattenblick zum 18. März 2014