Untersuchungen bayerischer Gewässer und Kläranlagenausläufe zur Erfassung estrogener Wirkungen Julia Schwaiger & Hermann Ferling

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1 Untersuchungen bayerischer Gewässer und Kläranlagenausläufe zur Erfassung estrogener Wirkungen Julia Schwaiger & Hermann Ferling

2 Bayerisches Wirkungsmonitoring i.r. der Technischen Gewässeraufsicht (tgewa) Belastung von Oberflächengewässern und Kläranlagenabläufen mit estrogen wirksamen Stoffen 2

3 Substanzen mit potentiell estrogener Wirkung Hormone 17ß-Estradiol 17α-Ethinylestradiol Phytoöstrogene Industriechemikalien Alkylphenole Bisphenol A PCB Phthalate Pestizide DDT Methoxychlor Atrazin Frage: Wie hoch ist die estrogene Aktivität in bayerischen Gewässern und Kläranlagenabläufen? 3

4 Einflussfaktoren auf die Fischgesundheit im Freiland Veränderungen chemischphysikalischer Wasserparameter Viren, Bakterien, Pilze, Parasiten Organische und anorganische chemische Stoffe, z.b. hormone Klimatische Veränderungen Veränderungen des Lebensraumes 4

5 Monitoring estrogene Wirkung Strategie Seit 2002 bayernweites Monitoring auf estrogene Wirkungen an Oberflächengewässern und Kläranlagen in Form eines aktiven Fischmonitorings i. R. der tgewa Methodik Erfassung estrogener Wirkungen anhand des Biomarkers Vitellogenin Ziele Frühzeitiges Erkennen einer Belastung mit bereits in Spuren wirksamen Stoffen Überwachung von Maßnahmen 5

6 Biomarker Vitellogenin Was ist Vitellogenin? Ein Vorläufer des Dotterproteins, der normalerweise nur von weiblichen Individuen aller eierlegenden Tiere unter Estrogen-Einfluss gebildet wird und später im Ei dem heranreifenden Embryo zur Ernährung dient. Vitellogenin als Parameter für estrogene Wirkungen Vitellogenin wird unter Einfluss estrogen aktiver chemikalien auch von männlichen Tieren gebildet. Sein Nachweis im Blut ist spezifisch und stellt ein eindeutiges Indiz für eine Belastung des Wassers mit estrogen wirksamen Stoffen dar. Nachweismethode: ELISA (Enzyme-linked-immunosorbent assay 6 LfU /

7 Prinzip: Aktives Monitoring 4-wöchige Exposition von Fischen (Regenbogenforellen) Vitellogenin Nachweis im Blutplasma Vitellogenin-Konzentration vor Exposition Vitellogenin-Konzentration nach Exposition Maß für estrogene Wirkung: VG-IF 7

8 Begleituntersuchungen an Wasser- und Abwasserproben ISWA, Uni Stuttgart E-Screen-Assay (MCF-7 Zellen; Estradioläquivalente) GC/MS-Screening (hormonell aktive chemikalien, Arzneimittelwirkstoffe u.a.) Landeswasserversorgung Langenau Steroidanalytik 17α-Estradiol, 17ß-Estradiol (E2), Estron (E1), Estriol (E3), Ethinylestradiol (EE2) 8

9 Monitoring estrogener Wirkungen/tGewA Untersuchungsstellen

10 Ergebnisse Wirkungsmonitoring Induktionsfaktoren Kläranlagen Fließgewässer

11 Ergebnisse Wirkungsmonitoring Induktionsfaktoren Kläranlagen Induktionsfaktoren Vorfluter Median = 91, Median = 2,

12 Darstellung der Vorgehensweise am Beispiel einer Kläranlage in Bayern 2012: Monitoring estrogener Wirkungen 2015: Weiterführende Untersuchungen zur Ermittlung der Quelle 12

13 Expositionseinrichtungen Bypass-Exposition im KA-Ablauf Exposition unterhalb der KA-Einleitung 13

14 EEQ in ng/l Ergebnisse Wirkungstests In vivo Wirkungsmonitoring Fische In vitro E-Screen Assay (ISWA, Uni Stuttgart) *** IF = *** IF = 6,8 18,0 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 Chemische Analytik (ISWA, Uni Stuttgart; LW Langenau) Begleitende chemische Analysen ergeben keine Hinweise auf die verantwortlichen estrogen wirksamen Substanzen! 14

15 Problematik - Ursachenermittlung Chemische Analysenergebnisse von Wasser- und Abwasserproben stellen eine Momentaufnahme dar. Analysen umfassen nicht das gesamte Spektrum estrogen wirksamer Stoffe. Einleitung estrogen aktiver Stoffe erfolgt oft nicht kontinuierlich. Beispiel Estron (E1) im Kläranlagenablauf: Tages-, Wochengang (24 bzw. 6h-Mischproben) 15

16 Problematik - Ursachenermittlung Die Konzentrationen estrogen aktiver Stoffe im Vorfluter variieren in Abhängigkeit von Frachten und Abflussraten. E-Screen Assay: Estrogene Aktivität im Vorfluter vs. Abflussrate 16

17 Vorteile des Biomarkers Vitellogenin Ermittelt eine Estrogen-Rezeptor-vermittelte spezifische Wirkung. Reagiert schnell und empfindlich und dient deshalb als Frühwarnsystem. Stellt biologische Reaktion auf die Gesamtheit aller bioverfügbarer, estrogen wirksamer Chemikalien dar (estrogen wirksame Einzelstoffe können sich in ihrer Wirkung z.t. aufaddieren!). Integriert eine Belastung über längere Zeiträume. Belastungsspitzen werden mit erfasst. 17

18 2015: Ermittlung der Quelle estrogener Wirkungen Teilstrom Industrie Zulauf Teilstrom Klinikum Kläranlage Ablauf Untersuchungsprogramm E-Screen Steroid-Analytik GC/MS-Screening 18

19 EEQ in ng/l Teilströme, Zulauf und Ablauf Kläranlage E-Screen Assay: Estradiol-Äquivalente EEQ KA-Ablauf: 0,21 8,29 ng/l 19

20 Steroid-Konzentrationen in ng/l Teilströme, Zulauf und Ablauf Kläranlage Steroid-Konzentrationen & Verhältnis E2 : E :2 1:3 17-alpha-Ethinylestradiol (EE2) 17-alpha-Estradiol 17-beta-Estradiol (E2) Estron (E1) Estriol (E3) 1:26 20

21 4t-Octylphenol / 4-Nonylphenol in µg/l Teilströme, Zulauf und Ablauf Kläranlage 4t-Octylphenol/4-Nonylphenol-Konzentrationen t-Octylphenol 4-Nonylphenol KA-Ablauf: NP-Konz.: 0,018 0,066 µg/l OP-Konz.: 0,008 0,020 µg/l 0 21

22 DEHP in µg/l Teilströme, Zulauf und Ablauf Kläranlage DEHP-Konzentrationen KA-Ablauf DEHP-Konz. 4,8 6,9 µg/l

23 Benzalkonium-C14 / Phenoxyethanol in µg/l Teilströme, Zulauf und Ablauf Kläranlage Benzalkonium-Verbindung C14/Phenoxyethanol 3200,0 3000,0 Benzalkonium-Verbindung C14 Phenoxyethanol 2800,0 2600,0 2400,0 2200,0 2000,0 1800,0 1600,0 1400,0 1200,0 1000,0 800,0 600,0 400,0 KA-Zulauf Benzalkonium-Vbg µg/l Phenoxyethanol µg/l 200,0 0,0 23

24 Fallbeispiel Kläranlage - Fazit Wirkungsmonitoring mit Fischen und in vitro Testsystem E-Screen Assay ergeben 2012 auffällig hohe estrogene Aktivität im gereinigten Abwasser; auch im Vorfluter ist eine, wenn auch deutlich geringere, estrogene Aktivität nachweisbar nur 30% der estrogenen Aktivität des Jahres 2012 im gereinigten Abwasser; I.R. weiterführender Untersuchungen im Zulauf der Kläranlage wurde der Teilstrom Klinikum als relevante Quelle für die estrogene Aktivität identifiziert: Relativ hohe Konzentrationen von 17ß-Estradiol (E2), Estron (E1) und Estriol (E3) Andere Xenoestrogene (NP, OP) ebenfalls in z.t. wirksamen Konzentrationen nachweisbar; Auffällig hohe Konzentrationen von Desinfektionsmitteln (z.b. Benzalkonium- Verbindungen, Phenoxyethanol) Möglichkeit der Beeinträchtigung von Belebtschlammorganismen? Im Teilstrom Industrie keine estrogene Aktivität nachweisbar. Konzentrationen einzelner Industriechemikalien (z.b. DEHP) unterhalb der Wirkschwelle; DEHP-Konzentrationen variieren stark diskontinuierlicher Eintrag. 24

25 Kläranlagen und Vorfluter in Bayern Beurteilung der estrogenen Wirkung Die Untersuchung von gereinigten Abwässern bayerischer Kläranlagen ergab nur in Ausnahmefällen eine sehr hohe estrogene Aktivität. In Gewässern/Vorflutern ist aufgrund der dort herrschenden Verdünnungsverhältnisse in der Regel nur eine geringe estrogene Aktivität vorhanden. Eine akute Gefährdung des Bestandes frei lebender Fischpopulationen ist aufgrund der vorliegenden Daten nicht zu besorgen. Die vom LfU eingesetzten Testverfahren sind als Frühwarnsystem zu verstehen und lassen keine Rückschlüsse auf ökologische Auswirkungen zu. Bisher keine gesetzlichen Regelungen zur Begrenzung estrogener Aktivität im Gewässer. EU-Ebene: estrogene Steroide auf Beobachtungsliste; Diskussion von UQN für 17ß- Estradiol (0,4 ng/l),17α-ethinylestradiol (0,035 ng/l) und Estron 3,6 ng/l. 25

26 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 26