Biologische Testverfahren in der Bewertung von Altlasten

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1 Institut für Gewässeroekologie und angewandte Biologie Biologische Testverfahren in der Bewertung von Altlasten Fragestellung Testverfahren Beispiele aus der Praxis Bewertungsstrategie

2 Qualitätsmanagement Akkreditiert nach DIN/EN ISO Zusätzliche Prüfung nach LAWA Richtlinien Fachmodul Wasser Mitglied der Umweltallianz Hessen Ausbildungsbetrieb DAC-P

3 bis 2002 AG Biotests Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie Drittmittel finanziert Institut für Gewässeroekologie und Angewandte Biologie GOBIO GmbH Gewässerökologische Umweltforschung Angewandte Entwicklungsbiologie Methodenentwicklung DIN/ISO Überwachung von Kläranlagen mittels biologischer Testverfahren Toxikologische Bewertung von Grundwasserkontaminationen Angewandte Entwicklungsbiologie Fließgewässerbewertung EUWRRL Ökologische Zustandsklasse

4 Kontrolle der Einleitung von Abwasser, Sickerwasser, kontaminiertem Grundwasser in Oberflächengewässer

5 PLUG Pluripotente gewebsregeneriernde Zellen aus gynogenetischen Goldfischklonen als Modelle der regenerativen Medizin und der Toxikologie Forschungsprojekt Biochance ZIM Projekt GFP Markierung der Zellen Folie 13

6 Fischeitest Akute Toxizität: Herzkreislaufstörungen, Bewegung, Atmung chronische Wirkungen / Entwicklungsstörungen

7 9:00 11:00 Fischeitest

8 Fischeitest 9:00 11:00 G6 16,6 % Probe im Ansatz G4 25% Probe im Ansatz

9 Fischeitest

10 Fischeitest

11 Daphnientest Wirbellose Fischnährtiere kein Tierschutz Filtrierer; Emulsionen Partikel kurze Generationsdauer Akute Toxizität (DIN L30 ) chronische Wirkungen 21 Tage Test Entwicklungsstörungen Hemmung der Reproduktion Anreicherung

12 Daphnientest Akuttest 48h

13 Daphnientest Akuttest 5 Individuen 21 Tagestest 1 Individuum Anzahl der Jungtiere Bioakkumulation Wachstum Reproduktion

14 Altlast der Zukunft PSM Mixturen? Schadstoffgehalte in mg/kg LDK IX (9) LDK X (10) LDK XI (11) UEG NR F2465/08 analog LDK I (1) GOBIO Probenbeschreibung Sediment im Bereich Zulauf Unveränderte Teilprobe vom Herbst 2007 Sediment Vorsperre gefriergetrocknete Feinsedimentfraktion Tiefensediment Ausfluss Aartalsee gefriergetrocknete Feinsedimentfraktion Sandfang Meerbach Unfraktionierte Teilprobe nach Homogenisation, Extraktion aus feuchtfester Matrix? Bifenthrin Chlorpyrifos Cypermethrin Dimethoat Trimethyldithiophosphat 0, dominierende Pestizidbelastung wurde jedoch nicht quantifiziert Toxizitätsschwelle für 1,38 0,03 Daphnia 0,67 magna ist quantifiziert überschritten 2,38 0,002* Wenn 0.54 die Schadstofffracht von 0,4-3,8g Sediment quantifiziert Christian Fischer mobilisiert wird 0,0002* Toxizitätsschwelle für Daphnia magna ist überschritten wenn die Schadstofffracht von 75 g Sediment mobilisiert wird F.Ullrich deutlicher Gehalt wurde jedoch nicht deutlicher Gehalt wurde jedoch nicht

15 Baetis rhodani Toxizität gegenüber Daphnia magna PAN Pesticide Database Cypermethrin 1.0 Dimethoat 3,5 Bifenthrin 1,35 Chlorpyrifos 0,58 Ischnura LC 50 [µg/l] 0,01µg/L Cypermithrin F.Ullrich Cloeon dipterum 2000 µg/l Chlorpyrifos Christian Fischer 0,3 µg/l Chlorpyrifos André Karwath aka Aka

16 Algen als Biotester Primärproduzenten Akute Toxizität ( L 33 ) Hemmung der Reproduktion

17 Leuchtbakterientest Wirkungen auf Lichtemission von Leuchtbakterien zeigt Beeinträchtigungen des bakteriellen Stoffwechsels

18 umu Gentoxizität Rec A

19 umu Gentoxizität Normal cell Expression of umu c-gene Galactosidase plasmid 101 transfected Rec A

20 Mutationsauslösende Wirkung Aktivierung des umu Gens zeigt gentoxische Wirkung an Der positive Vorhersagewert beträgt 92%, d.h. ein positives umu- Testergebnis läßt in 92% der Fälle ein karzinogenes Potential der getesteten Substanz erwarten.

21 Adverse Outcome Pathway Figure: schematic representation of the Adverse Outcome Pathway (AOP) illustrated with reference to a number of pathways.

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25 WB Karpfen AS (1:3000) kda S Vitellogenininduktion Goldorfe Hautschleim nach 48 h Exposion gegenüber 5 ng Ethinylöstradiol 4 TO

26 Würmer als Biotester chronische Wirkungen / Entwicklungsstörungen Hemmung der Reproduktion -über mehrere Generationen -sowohl Sedimente als auch Böden als Lebensraum -

27 Bakterien als Biotester Leuchtbakterientest umu Gentoxizität Bioabbautest

28 Bioabbautest Biologische Abbauprozesse Toxizität der Abbauprodukte

29 Ökotoxikologische Bewertung Chemisch-analytische Bewertung Es ist nicht bekannt, welche Substanzen fruchtschädigend sind

30 Fruchtschädigende Altlasten

31 Wurden in kontaminiertem Grundwasser beobachtet? keine der bekannten chemisch analytisch erfassten Kontaminanten löst im Einzelsubstanztest den Effekt aus

32 Altlast?! weil der gleiche Effekte von extrahierbaren Substanzen aus Donausedimenten unterhalb Bratislava ausgelöst wird? Keine Korrelation zu Verschmutzung z. B. mit prioritären Substanzen der EUWRRL erkennbar Wahrscheinlich wird der fruchtschädigende Effekt von sehr begrenztem Spektrum von Substanzen, die über einen identischen Molekülbereich verfügen, ausgelöst Diese Substanz(en) ist/ sind in Spuren wirksam

33 sediment equivalent [g sediment ww/l] sediment equivalent [g sediment ww/l] Spezifische Embryo -Toxizität extrahierbarer Verbindungen (Donausedimente) Extrahierbare Substanzen von weniger als 1g Sediment /L führten zur Wirbelsäulenmissbildung Embryo toxicity of sedimentextracts EC 50 and NOEC linkes Ufer rechtes Ufer Embryo toxicity of sediment extracts EC 50 and NOEC 150 1R 2R 3R 4R 5R 6 7R 8R 9R R 11R 12R 13R EC50 [g/l] ADS No. 14R 15R 16R 17R NOEC [g/l] 18R 19R 20R 21R 22R 23R 24R 25R L 2L 3L 4L 5L 6M 7L 8L 9L 50 0 EC50 [g/l] 10L 11L 12L 13L 14L ADS No. 15L 16L NOEC [g/l] 17L 18L 19L 20L 21L 22L 23L 24L 25L

34 Es existieren Altlasten, die in ihrer Schadwirkung dem Contergan Wirkstoff (Thalidomid ) vergleichbar sind Diese Schadstoffe werden bei umweltchemischen Untersuchungen nicht (routinemäßig) erfasst. Sie können nur über ihre Wirkung nachgewiesen werden. Es kommen wasserlösliche und streng oberflächengebundene Varianten dieser Substanzen in Grundwasser bzw. Vorfluter vor. Weder Verdünnung unterhalb eines toxischen Schwellenwertes noch Bioabbau können als Instrumente der Sanierung genutzt werden

35 Adsorption Desorption - Risiko + Toxisches Potential oberflächen gebundener Schadstoffe Redoxpotential, ph, Detergentien, Biotransformation, Lipophilie Bioverfügbarkeit akkumulation

36 Bewertung von Schadstofffrachten Erhöhung der Expositionsdauer Erniedrigung von Biomasse/Volumen im chronischen Test führt zu eindeutigen Schadbildern und zeigt Biokonzentration an

37 Die Bewertung von Schadstofffrachten mit Langzeittests ist hocheffizient und sollte daher auch für wirbeltierspezifische Schadstoffe zur Verfügung stehen! aufwändige Untersuchung des Gesundheitszustands von Fischen im Vorfluter

38 Goldgrund Schiersteiner Hafen Eindeutige und substanzspezifische Schadbilder wie Frühreife und Hodenhyperthrophie (Schiersteiner Hafen) sind selten

39 vielmehr ist eine eingehende Untersuchung mehrerer Parameter wie Wachstum Tumorhäufigkeit Geschlechtsentwicklung Missbildungen Parasitisierung erforderlich, um Gesundheitsrisiken durch Altlasten im Vorfluter zu erkennen.

40 1. Bewertungsphase Test Dauer Aussage 1. Langzeittests mit Daphnien (OECD 211) 2. Algentests ( L 33 ) 3. Fischeitest (DIN T6) 4. Gentoxiziät, umu Test. (DIN T3) 5.Leuchtbakterientest 21 d (Konsument 1. Ordnung /Fischnährtiere) akut toxische und chronische Effekte auf Entwicklung und Vermehrung der Daphnien Keine tierschutzrechtlichen Einschränkungen 72 h Scenedesmus subspicatus (Primärproduzent) akut toxische und chronische Effekte, die Vermehrung und Wachstum der Algen beeinflussen, mehrere Generationen. 48 h Danio rerio (Konsument 2. Ordnung / Wirbeltier) akut toxische Wirkungen und fruchtschädigenden Wirkungen, kann als Bestandteil einer Testbatterie mit chronischer, subletaler Ausrichtung eingesetzt werden. gentoxisches Potential Mutationsauslösende Substanzen Beeinträchtigung des bakteriellen Stoffwechsels

41 2. Bewertungsphase Biokonzentrationspotential? Fische und Makrozoobenthos im Vorfluter bei wirbeltierspezifischen Schadstoffen z. B. Neurotoxinen (Tierversuche) frühe Lebensstadien Bioverfügbarkeit? Kontakttest Persistenz? Bioabbau toxische Abbauprodukte?

42 Adsorption Desorption - Risiko + Toxisches Potential oberflächen gebundener Schadstoffe Redoxpotential, ph, Detergentien, Biotransformation, Lipophilie Bioverfügbarkeit akkumulation