Gesinus-Treffen 2012 an der BfG in Koblenz. Catrina Cofalla Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft RWTH Aachen University

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1 Gesinus-Treffen 2012 an der BfG in Koblenz Catrina Cofalla Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft RWTH Aachen University Partner: Gefördert durch: 21. Juni 2012 Gesinus Treffen 1

2 Aufbau Motivation Experimenteller Aufbau Kreisgerinne Messtechnik Methoden und Materialien: Sedimenttypen Schadstoffgruppen Testorganismen Biomarker Vorläufige Ergebnisse Zusammenfassung und Ausblick 21. Juni 2012 Gesinus Treffen 2

3 Motivation Kohäsive Sedimente: Deposition in strömungsberuhigten Bereichen: z.b. Häfen, Staustufen Resuspension durch hydrodynamischeereignisse: z.b. Hochwasser, Baggerung Bindung von Schadstoffen aufgrund von Oberflächeneigenschaften Senke und Quelle für Schadstoffe Resuspendierte Sedimente als Gefahr für das aquatische Ökosystem? Lösungsansatz: Sedimentverhalten charakterisieren, um Schadstoffe zu verfolgen Bioverfügbarkeit/ Bioakkumulation partikelgebundener Schadstoffe zur Bewertung des ökologischen Risikos 21. Juni 2012 Gesinus Treffen 3

4 Zielsetzung 21. Juni 2012 Gesinus Treffen 4

5 Experimenteller Aufbau Kreisgerinne Transportverhalten kohäsiver Sedimente Gleichförmige, stationäre, unendliche Strömung Gegensinnige Rotation von Deckel und Gerinne Reduktion der Sekundärströmung Wasservolumen: L Klimakammer zur Regulierung der Temperatur 21. Juni 2012 Gesinus Treffen 5

6 Experimenteller Aufbau Messtechnik 21. Juni 2012 Gesinus Treffen 6

7 Methoden & Material Sedimenttypen Natursediment Rhein (Baggerstelle: Koblenz- Ehrenbreitstein) Gering belastet eingestuft Cu [ mg/kg]: Klasse II PAK [ 3,5 mg/kg]: RW 2 93% < 0,063 mm Natursediment Mosel (Baggerstelle: Schleuse Palzem) Belastet eingestuft 1 Cu [ mg/kg]: Klasse II PAK [22,9 mg/kg]: > RW 2 85% < 0,063 mm Baggerung: 22. Juni Feiler et al Definition von Referenzbedingungen, Kontrollsedimenten und Toxizitätsschwellenwerten für limnische Sedimentkontakttests - SeKT 21. Juni 2012 Gesinus Treffen 7

8 Methoden & Material Schadstoffgruppen Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK): Ursprung: unvollständige Verbrennung organischen Materials (natürl., antrop.) Vorkommen in Sedimenten aller deutschen Gewässer Gute Datenlage für biologische Effekte (e.q. Karzinogenität und Genotoxizität) DirekteEmission in Gewässer: 0,35 t in Deutschland 2004 (EPER*) Schwermetalle: Kupfer (Cu) Akuttoxisch für aquatische Ökosysteme Direkte Emission in Gewässer: 26,65 t in Deutschland 2004 (EPER*) phenantheren pyrene chrysene benzo[a]pyrene *EPER Europäisches Schadstoffregister Juni 2012 Gesinus Treffen 8

9 Methoden & Material Testorganismus Regenbogenforelle (Oncorhynchus mykiss) Viele Informationen vorhanden Gute Verfügbarkeit und Hälterung Repräsentant für moderate Klimazonen und deutsche Flusssysteme Messung von Biomarkern in Blut, Galle und Leber (Quantifizierung der Schadstoffaufnahme im Tier) 21. Juni 2012 Gesinus Treffen 9

10 Methoden & Material - Biomarker Verhältnis zwischen Spezifität und ökologischer Relevanz Biomarker Addison, Juni 2012 Gesinus Treffen 10

11 Methoden & Material - Biomarker Galle: Quantifizierung von PAH Metaboliten (z.b. 3-Hydroxy-benzo[a]pyren), Angehaftete OH-Gruppe an der Substanz Blut: Bestimmung der Mikrokernfrequenz in 4000 roten Blutzellen (Gentoxizität) Cofalla et al., 2010a 21. Juni 2012 Gesinus Treffen 11

12 Methoden & Material Belastungsvariation Gesamte Versuchsdauer: 336 Stunden Mischphase: 0,5 h (Sohlschubspannung: 0,80 N/m²) Konsolidierungsphase: 168 h (7 Tage) Erosionsphase: 168 h (7 Tage) Max. Sohlschubspannung in Erosionsphase: 0,40 N/m² 21. Juni 2012 Gesinus Treffen 12

13 Ergebnisse Schwebstoffkonzentration 21. Juni 2012 Gesinus Treffen 13

14 Ergebnisse Schwebstoffkonzentration 21. Juni 2012 Gesinus Treffen 14

15 Ergebnisse ph-wert 21. Juni 2012 Gesinus Treffen 15

16 Ergebnisse Ökotoxikologie Mikrokernrate (MW ±SD) in 4000 roten Blutzellen pro Tier relativ zum Median der jeweiligen Kontrollgruppe (n=15). Erhöhte Mikrokernraten deuten auf hohe ökologische Relevanz selbst kurzer Hochwasserereignisse hin Es konnten biologische Effekte nachgewiesen werden Bestimmung der PAK-Metabolite Beispiel: Konzentration von 3- Hydroxybenzo[a]pyren (MW ±Range) in der Galle exponierter Regenbogenforellen (n=15) Es konnte eine Exposition nachgewiesen werden Brinkmann et al., Juni 2012 Gesinus Treffen 16

17 Zusammenfassung und Ausblick Die interdisziplinäre Methode erlaubt es, stabile Umweltbedingungen für Forellen aufzubauen und zu halten Regenbogenforellen dem eingesetzten Sediment auszusetzen positive Biomarker zu bestimmen Sedimente hinsichtlich des Erosionsverhaltens zu charakterisieren wasserbauliche und ökotoxikologische Fragestellungen zu verknüpfen Zukünftige Untersuchungen Natürliche Sedimente aus der Mosel: Auswirkungen von PAKs DetaillierteExperimentezurEntwicklungder physikalisch-chemischen Parameter bei unterschiedlichen Schwebstoffkonzentrationen 21. Juni 2012 Gesinus Treffen 17

18 Danke!

19 Ergebnisse ph-wert 21. Juni 2012 Gesinus Treffen 19

20 Ergebnisse Verlauf des Redoxpotentials 21. Juni 2012 Gesinus Treffen 20