Dr. Thomas Leipe, Leibniz Institut für Ostseeforschung Warnemünde (Überarbeitete Fassung eines Vortrages im BSH am 7. Oktober 2009; M-Talk)

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1 Umweltgeochemisches Sediment-Monitoring Ostsee: Ergebnisse, Erfahrungen und Ausblick. Dr. Thomas Leipe, Leibniz Institut für Ostseeforschung Warnemünde (Überarbeitete Fassung eines Vortrages im BSH am 7. Oktober 29; M-Talk) Einleitung Die Überwachung der Meeresumwelt der deutschen Ostseegewässer ist eine wichtige nationale Verpflichtung zur Erfüllung entsprechender internationaler Übereinkommen der Helsinki-Kommission (HELCOM) sowie Richtlinien der Europäischen Union zum Schutze der Meere. Zu diesem Zweck wurde 1997 eine Arbeitsgemeinschaft Bund-Länder- Meßprogramm für die Meeresumwelt von Nord- und Ostsee gegründet (BLMP). Das Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) ist federführend bei der Organisation des Programms und beherbergt auch die dafür zuständige Meeresumweltdatenbank (MUDAB). Das Leibniz Institut für Ostseeforschung Warnemünde (IOW) ist eines der wichtigsten deutschen Institutionen, die mit der Erfüllung des BLMP beauftragt sind. Die hier vorgestellten Ergebnisse beziehen sich auf einen Teil des BLMP, die Untersuchung von Schadstoffen (insbesondere der umweltrelevanten Schwermetalle) in Sedimenten der deutschen Ostsee. Neben den im BLMP (seit 1998) festgeschriebenen Arbeitsaufgaben wurden und werden am IOW weitere umfangreiche Untersuchungen zur Umweltgeochemie der Sedimente der Ostsee durchgeführt. Der Vortrag nutzt somit auch die Gelegenheit, einen breiteren Überblick zur Thematik zu geben. Die Reduzierung bzw. Verhinderung des Eintrages von Stoffen in die Umwelt, welche für die Natur und den Menschen von schädlicher Wirkung sind, ist ein humanistisches Grundprinzip unserer Zeit. Im Detail jedoch ist die Erfüllung dieser Aufgabe oft mit zahlreichen Schwierigkeiten verbunden, denkt man nur an die aktuelle Diskussion um Klimaänderungen und CO 2 Ausstoß. Für eine Reihe von Schadstoffen (darunter viele Chlor-Kohlenwasserstoffe und auch Schwermetalle) wurden gesetzliche Regelungen geschaffen, die teilweise eine Produktion solcher Stoffe verbieten, zumindest aber deren Verwendung einschränken und das Gelangen in die Umwelt verhindern oder reduzieren sollen. Der Erfolg solcher Umweltmaßnahmen, insbesondere in den Industrieländern, ist für die vergangenen 2 Jahrzehnte unübersehbar. Das gilt in eingeschränkter Form, wenigstens teilweise, auch für die Nährstoffbelastung unserer Gewässer. Viele Schadstoffe haben jedoch die Eigenschaft längerer Verweilzeiten in den biogeochemischen Stoffkreisläufen und sind somit noch präsent und von potentieller Gefahr für Organismen, auch wenn ihr Eintrag in die Umwelt drastisch reduziert wurde. Prinzipiell beinhalten Umweltüberwachungsprogramme (Monitoring) für Schadstoffe die Beantwortung folgender Fragen: In welchen Konzentrationen liegen die Schadstoffe vor und wie sind sie räumlich verteilt, geht von ihnen eine Gefahr aus (Toxizität) und gibt es zeitliche Veränderungen (Trends) zur Bewertung von Sanierungsmaßnahmen. Über den gesamten Themenkomplex der Biotoxizität von Schadstoffen und deren Anreicherung in Nahrungsketten soll an dieser Stelle nicht berichtet werden. Ausgehend von den übrigen genannten Grundfragen lassen sich z.b. zur Untersuchung von Schadstoffen in Sedimenten der Ostsee drei methodische Ansätze formulieren: 1

2 1. Flächendeckende Untersuchungen zur Schadstoffverteilung im Oberflächensediment eines bestimmten Areals (Kartierung). 2. Rekonstruktion historischer Abläufe des Schadstoffeintrages an Hand datierter Sedimentkernprofile. 3. Erfassung aktueller zeitlicher Trends der Schadstoffbelastung z.b. durch wiederholte Beprobung ausgewählter Stationen (BLMP; Metalle in Sedimenten der Ostsee). Alle drei genannten Verfahren kamen in der Vergangenheit zur Anwendung und ausgewählte Beispiele der Ergebnisse sollen hier gezeigt und diskutiert werden. Probenahme und Analysenprogramm Die Beprobung der Sedimente am Meeresboden der Ostsee erfolgt je nach Beschaffenheit des Grundes mittels Backengreifer oder Kastengreifer (grobe Sedimente, Sande) oder Multi-Corer Stechrohrtechnik (feinkörnige Sedimente, Schlicke der Beckengebiete). Für das BLMP ist die Entnahme der obersten 2 cm des Sedimentes und eine Abtrennung der <2 µm Fraktion zur Analyse vorgeschrieben. Für andere Projekte kamen je nach Zielstellung andere Verfahren der Probenahme und Probenvorbehandlung zur Anwendung (z.b. 1 cm Segmente von Sedimentkernen; Untersuchung der Gesamtfraktion). Das Laborprogramm umfaßt eine Vielzahl von zu messenden Parametern: Wassergehalt, Dichte, Korngröße; Nährstoff- und biogene Elemente (C-org., Carbonat, N, P, Si-Opal); Haupt- und Spurenelemente (Al, K, Na, Mg, Fe, Mn, Li, S, u.a.); Schwermetalle (Pb, Zn, Cu, Cr, Ni, Cd, Hg, As) sowie ausgewählte organische Schadstoffe (PCB s, DDT s, PAK s). Im Zentrum der hier dargestellten Ergebnisse stehen die Schwermetalle und insbesondere das Element Quecksilber (Hg), welches aus verschiedenen Gründen als Paradebeispiel eines umweltrelevanten Schwermetalls gelten kann. Ergebnisse (ausgewählte Beispiele) Flächendeckende Kartierung des Arkona-Beckens Für das Arkona-Becken lagen Ergebnisse einer umfangreichen geochemischen Kartierung der Oberflächensedimente aus den Jahren 1987/88 vor, die seinerzeit unter Leitung von Prof. L. Brügmann am damaligen Institut für Meereskunde Warnemünde (Akademie der Wissenschaften der DDR) durchgeführt wurde. Im Jahre 25 haben wir dann seitens des IOW dieses Gebiet im Rahmen einer Diplomarbeit erneut kartiert und konnten somit die räumlichen und zeitlichen Änderungen der Schadstoffbelastung dieses Gebietes dokumentieren. Als Beispiel ist in der folgenden Abbildung die Verteilung des Quecksilbers (Hg) zu sehen, so wie sie sich für die beiden Aufnahmejahre darstellt, als auch die flächenmäßige Verteilung der Konzentrations- Änderungen (Differenzkarte). Markant ist in beiden Aufnahmen der hot-spot im westlichen Teil des Beckens zu erkennen, welcher vermutlich auf eine militärische Altlast aus dem zweiten Weltkrieg zurückzuführen ist, und die bis heute durchschlägt (siehe hierzu auch das Beispiel datierte Sedimentkerne aus dem Arkonabecken weiter unten). Generell nehmen die Gehalte in der Differenz der 17 Jahre beider Aufnahmen ab, nur im nördlichen Zentralbereich des Beckens ist eine leichte Zunahme zu verzeichnen. 2

3 Der hohe Informationsgehalt solcher wiederholter flächendeckender Kartierungen wird aus der gezeigten Abbildung beispielhaft sofort sichtbar. Auf die Vielzahl weiterer interessanter Ergebnisse dieser Arbeit kann hier aus Platzgründen nicht weiter eingegangen werden. Interessenten können sich aber unter folgenden Quellen informieren: Kowalski, N. (27): Umweltgeochemische raum-zeitliche Veränderungen in Sedimenten des Arkonabeckens. Diplomarbeit, Universität Greifswald. Leipe, T., Harff, J., Meyer, M., Hille, S., Pollehne, F., Schneider, R., Kowalski, N., Brügmann, L. (28): Sedimentary records of environmental changes and anthropogenic impacts during the past decades. (Chap. 14) In: Feistel, R., Nausch, G., Wasmund, N. (Eds.): State and Evolution of the Baltic Sea, : A detailed 5-year survey of meteorology and climate, physics, chemistry, biology, and marine environment. Wiley. Flächendeckende Aufnahmen (Kartierung) Bespiel: Arkonabecken Hg [µg/kg] km N km N rel. difference 1 2 km N rel. diff. [%] Quecksilber (Hg) Flächendeckende Kartierung der Mecklenburger Bucht Für das Gebiet der Mecklenburger Bucht, durch die seinerzeit die innerdeutsche Grenze verlief, wurden ebenfalls wiederholt flächendeckende geochemische Kartierungen der Oberflächensedimente durchgeführt. Zuerst Mitte der 8er Jahre, parallel durch Bearbeiter aus den damals bestehenden beiden deutschen Staaten (Dr. G. Irion, Prof. L. Brügmann) und schließlich 12 Jahre später (1997), durch Wissenschaftler aus dem IOW (Dr. M. Kersten). In der folgenden Abbildung ist die Verteilung des Elementes Zink (Zn) dargestellt, wiederum in drei Kartendarstellungen, Mitte der 8er Jahre, 1997 und die Differenz (Änderung). Auch in der Mecklenburger Bucht fällt sofort ein Gebiet mit sehr hohen Konzentrationen auf. 3

4 Hierbei handelt es sich um eine Industrie-Altlast aus den 6er Jahren, als aus der ehemaligen Metallhütte Lübeck Abfallprodukte (Asche, Stäube etc.) dort verbracht wurden. Dieser hotspot wurde später mit bindigen, nicht kontaminierten Sedimenten abgedeckt. In der Differenzkarte ist eine Abnahme der Konzentrationen im südlichen Bereich der Bucht und bei der Verklappungsstelle zu erkennen. Im nördlichen Teil des Gebietes finden wir jedoch über den Zeitraum eine leichte Zunahme der Gehalte. Diese Verschiebung kann als Umlagerung gedeutet werden. In diesem Fall wirkte das Material aus dem hot-spot als Tracer und bodennahe Vermischungs- und Transportprozesse lassen sich damit rekonstruieren. Flächendeckende Aufnahmen (Kartierung) Bespiel: Mecklenburger Bucht Zink (Zn) Für Interessenten weiterer Details sei auch hier auf einige wichtige Literaturstellen verwiesen: Leipe, T., Tauber, F., Brügmann, L., Irion, G., Hennings, U. (1998): Schwermetallverteilung in Oberflächensedimenten der westlichen Ostsee (Arkonabecken, Mecklenburger/Lübecker Bucht und Kieler Bucht). Meyniana 5: Kersten, M., Leipe, T. and Tauber, F. (25). Storm disturbance of sediment contaminants at a hot-spot in the Baltic Sea assessed by 234 Th radionuclide tracer profiles. Environmental Science & Technology 39: Leipe, T., Kersten, M., Heise, S., Pohl, C., Witt, G., Liehr, G., Zettler, M. L. and Tauber, F. (25). Ecotoxicity assessment of natural attenuation effects at a historical dumping site in the western Baltic Sea. Marine Pollution Bulletin 5:

5 Rekonstruktion historischer Abläufe an Hand datierter Sedimentkerne Als Beispiel für diesen methodischen Ansatz sollen die Ergebnisse der Untersuchung zweier mittels 21 Pb datierter Sedimentkerne aus dem Arkonabecken gezeigt werden. Der linke Kern (28 5) stammt von der Lokalität der militärischen Altlast im westlichen Teil des Beckens, der rechte Kern (28 6) aus dem östlichen Arkonabecken. Als Element wurde wiederum das Quecksilber ausgewählt, dessen Konzentrationen auf der x-achse auf die gleiche Skala gebracht wurden, um die Profile direkt vergleichen zu können. Auf der y-achse ist die Tiefe der Kerne (34,5 bzw. 37 cm) aufgetragen. Die Jahreszahlen geben einen Anhaltspunkt über den Altersaufbau der Kerne. Bei solchen Altersdatierungen, die auf der Grundlage der Aktivität des zerfallenden Isotops 21 Pb über Modelle ausgerechnet werden ist zu beachten, daß in Abhängigkeit von Mischungsprozessen (z.b. Bioturbation) eine Glättung der Signale eintritt, die eine gewisse Unschärfe in der vertikalen Auflösung bedingt. Dies trifft natürlich auch für alle anderen Parameter zu. Hg Arkona-Becken; 2 Sedimentkerne (datiert, 21 Pb) Quecksilber-Profile Kern 28 5 Kern 28 6 Hg (ppb) Hg (ppb) Tiefe (cm) Tiefe (cm) max.: 34.5 cm PANGAEA/PanPlot max.: 37 cm PANGAEA/PanPlot 5

6 In Gebieten mit ungestörter Sedimentation, wie wir sie z.b. in einigen tiefen Becken der zentralen Ostsee vorfinden, ist die Auflösung solcher Kernprofile besser und es konnte vielfach ein charakteristischer Verlauf der Schadstoff- (Schwermetall-) Kurven nachgewiesen werden, der die historischen Abläufe widerspiegelt: In tieferen Schichten, die älter als ca. 15 Jahre sind, finden wir die sogenannten natürlichen (vorindustriellen) Hintergrundwerte vor. Dann folgt ein stetiger Anstieg der Konzentrationen etwa im Verlauf der ersten Hälfte des 2. Jahrhunderts wobei die Maximalwerte in der zweiten Hälfte des 2. Jahrhunderts erreicht werden. Im oberen, jüngsten Teil der Kernprofile (etwa seit 2 Jahren) ist teilweise schon ein deutlicher Rückgang der Schadstoffkonzentrationen nachweisbar, was durchaus als Erfolg von Umweltschutzmaßnahmen gewertet werden kann, wie das folgende Beispiel aus dem Gotland-Becken zeigt. Datierter Sedimentkern, zeitliche Rekonstruktion, Schwermetalle Gotland-Basin core heavy metals Al Cu Pb Zn Hg (%) (mg/kg) (mg/kg) (mg/kg) (µg/kg) year sediment depth (cm) max.: 24 cm PANGAEA/PanPlot HM.txt :9 h Wiederholte Beprobung ausgewählter Stationen Das im BLMP festgelegte sedimentgeochemische Programm für das IOW sieht eine jährliche Beprobung und Analytik ausgewählter Stationen der offenen Ostseegewässer des deutschen Hoheitsgebietes vor. Um einen aktuellen Überblick über die regionale Situation zu vermitteln, soll in der folgenden Abbildung die Verteilung der Quecksilber-Konzentrationen im Oberflächensediment dieser Stationen dargestellt werden. 6

7 55 3' ' 55 15' 55 15' 55 ' 55 ' 54 45' 54 3' 54 15' ' 54 3' 54 15' 54 ' 54 ' ' ' Verteilung der Hg-Konzentrationen Deneb-Reise 28 (übrige Stationen Mittelwerte) Hg (µg/kg) < 1, or undef > 3 Aus dieser Darstellung werden die drei Belastungsschwerpunkte der anthropogenen Kontamination der Sedimente mit Schwermetallen deutlich sichtbar. Die Industriealtlast in der Lübecker Bucht, die militärische Altlast im westlichen Arkonabecken und das Gebiet der Oder-Mündung (Pommernbucht). Für das Gebiet der Odermündung ist zu beachten, daß zwar die Schadstoffbelastung des Flusses Oder seit einiger Zeit ebenfalls rückläufig ist, jedoch das Gebiet des Oderhaffs einen großen Puffer darstellt, und die dort über die vergangenen Jahrzehnte gewissermaßen zwischengelagerten Schadstoffe immer noch in die vorgelagerte Ostsee freigegeben werden. Dieser Prozeß wird auch noch einige Jahre andauern. Details zu diesem Problemkreis finden sich z.b. unter folgenden Literaturstellen: Leipe, T., Eidam, J., Lampe, R., Meyer, H., Neumann, T., Osadczuk, A., Janke, W., Puff, T., Blanz, T., Gingele, F.X., Dannenberger, D., Witt, G. (1998): Das Oderhaff - Beiträge zur Rekonstruktion der holozänen geologischen Entwicklung und anthropogenen Beeinflussung der Oder-Ästuars. Meereswissenschaftliche Berichte No. 28; Institut für Ostseeforschung Warnemünde. 61 S., 8 Tabellen, 1 Abbildungen, Anhang. Bachor, A. (25): Nährstoff- und Schwermetallbilanzen der Küstengewässer Mecklenburg-Vorpommerns unter besonderer Berücksichtigung ihrer Sedimente. Schriftenreihe des Landesamtes für Umwelt, Naturschutz und Geologie Mecklenburg-Vorpommern, Heft 2/25. Zeitreihen der Schwermetallbelastung auf ausgewählten Stationen Die beiden folgenden Abbildungen zeigen den zeitlichen Verlauf der jährlich gemessenen Konzentrationen ausgewählter Schwermetalle auf zwei Stationen des BLMP, in der Mecklenburger Bucht und im östlichen Arkonabecken. 7

8 Mecklenburger Bucht (Schlick), Trend Zeitreihe Station M Pb (ppm) Cu (ppm) Hg (ppb) Jahr Östliches Arkonabecken (Schlick) Zeitreihe Station K Pb (ppm) Cu (ppm) Hg (ppb)

9 Die Kurvenverläufe dieser beiden Beispiele verdeutlichen das Problem, mit dem solche Zeitreihenuntersuchungen zu kämpfen haben: Man braucht einen langen Atem, bis gesicherte Trends sichtbar werden. Die jährlichen Variationen können erheblich sein und sich andeutende kontinuierliche Veränderungen wieder unterbrechen. So sind z.b. ausgerechnet die Daten des Jahres 28 für alle drei dargestellten Metalle im Vergleich zu 27 oder den Vorjahren wieder ansteigend. Auch zufallsbedingte Ausreißerwerte können eine Rolle spielen, wie z.b. das Cu im Jahre 22 auf der Station M2 in der Mecklenburger Bucht. Es wird also notwendig sein, das Programm noch einige Zeit fortzuführen, um statistisch abgesicherte Trendaussagen treffen zu können. Ein Thema, welches in diesem Zusammenhang oft diskutiert wird, sei an dieser Stelle noch aufgegriffen, die kleinräumige Variabilität. Um diese Frage zu beantworten, haben wir im Jahre 24 auf der Station M2 in der Mecklenburger Bucht alle 8 Einzelproben des Oberflächensedimentes eines Multicorer- Einsatzes beprobt und getrennt analysiert. Normalerweise werden diese Teilproben miteinander vermischt, um einen repräsentativen Querschnitt des Sedimentes der betreffenden Lokalität zu bekommen. Multicorer 8 Oberflächenproben M2 (24) ca. 2 m 2 Meeresboden Kleinräumige Variabilität MUC (Hg) 18 Hg (µg/kg) Mittelwert = 157 µg/kg Stabw. = 5 µg/kg rel. Stabw.= 3 % v.mw Station M2 Mecklenburger Bucht Ausgewählt wurde wiederum das Element Quecksilber (Hg) und man sieht, daß die Werte durchaus variieren. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß die Skala der Konzentration auf der y- Achse, bei 13 µg/kg abgeschnitten wurde, also nur der obere Bereich der Säulen dargestellt ist. Mit einer relativen Standardabweichung von 3% vom Mittelwert bleibt die kleinräumige Variabilität der Meßwerte, zumindest für dieses Beispiel, recht gering. Höhere lokale Variabilitäten würden zeitliche Trendaussagen noch zusätzlich erschweren. 9

10 Fazit und kurzer Ausblick Das BLMP-Programm Schwermetalle in Sedimenten ( ), auf ausgewählten Stationen der deutschen Ostsee, läßt noch keine eindeutige zeitliche Trendaussage zu. Wiederholte flächendeckende Kartierungen (Arkonabecken und Mecklenburger Bucht) zeigen für einige Schwermetalle eine tendenzielle Abnahme der Belastung der Sedimente in den zurückliegenden Jahrzehnten. Datierte Sedimentkerne aus einigen Ostseebecken mit ungestörter Sedimentation lassen von unten nach oben einen charakteristischen historischen Verlauf der Schadstoffbelastung erkennen: natürliche Hintergrundwerte (vorindustriell) maximale Belastung in der 2. Hälfte des 2. Jahrhunderts abnehmender Trend in der jüngsten Vergangenheit (ca. 1 bis 2 Jahre) Umwelt-Überwachung erfordert zwangsläufig eine adäquate Kontinuität. Dennoch steht für alle Monitoringprogramme die Aufgabe, die Vor- und Nachteile der verschiedenen Methoden fortlaufend zu überprüfen, zu verbessern und Aufwand und Nutzeffekt vernünftig abzuschätzen. Es gibt einige Beispiele dafür, daß sich bestimmte Erkenntnisse oder Zusammenhänge erst aus längeren Zeitreihen von Untersuchungen ergeben haben, ohne daß diese in der Zielstellung oder zum Beginn des Programms eine Rolle gespielt hätten. Mit fortschreitender Zeit können neue Fragestellungen auftauchen, deren Lösung ganz wesentlich vom Vorhandensein solcher Langzeitdatenreihen abhängen kann. Auch hier bietet sich das aktuelle Beispiel über Klimaänderungen an. Für Wissenschaftler, insbesondere in Forschungsinstituten, besteht die Notwendigkeit, eine Daueraufgabe (Monitoring) mit Forschungsansätzen, Begleituntersuchungen zu kombinieren, die die Erzeugung publikationswürdiger Daten und Erkenntnisse garantiert. Neue Ansätze für Monitoring und Forschung im Bereich Geochemie/Sedimentologie der Ostsee ergeben sich z.b. aus folgenden Fragestellungen: Gibt es neue Stoffgruppen (insbesondere in der organischen Geochemie), deren Umweltüberwachung künftig notwendig wäre? Wie ist die regionale/räumliche Funktionalität des Meeresbodens einzuschätzen, etwa im Hinblick auf den Lebensraum für benthische Organismen? Wie wirken Stoffflüsse an der Sediment-Wasser-Grenze auf Austauschprozesse von Nähr- und Schadstoffen (Quelle- Senke), auch in Abhängigkeit von sich ändernden hydrographischen Bedingungen (Milieu)? Können bestehende oder künftige (Ökosystem-) Modelle diese Funktionalität des Meeresbodens einbeziehen und somit auch Szenarien für sich ändernde Umweltbedingungen (Klimawandel) entwerfen? Mit solchen oder anderen Zielstellungen und unter Berücksichtigung der verfügbaren Ressourcen können bestehende Monitoring-Programme fortgeführt und modifiziert werden und nützliche Resultate im Sinne einer effektiven Umweltüberwachung liefern. 1