Zusammensetzung, Veränderung und Bedeutung von Spurenstoffen für Wasserlebewesen im Nidda-Einzugsgebiet

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1 GFG-Fortbildungsveranstaltung Gewässer-Nachbarschaften, 4. Mai 2017, Bad Vilbel Zusammensetzung, Veränderung und Bedeutung von Spurenstoffen für Wasserlebewesen im Nidda-Einzugsgebiet erste Ergebnisse des Projekts NiddaMan Jörg Oehlmann, im Namen aller NiddaMan-Partner Goethe-Universität Frankfurt am Main, Abt. Aquatische Ökotoxikologie

2 Ökologische Gewässerdefizite Ausmaß & Ursachen Umweltbundesamt: Im Jahr 2015 werden 10 Prozent der deutschen Bäche und Flüsse in einen guten oder sehr guten ökologischen Zustand [ ] eingestuft. Ursachen: Gewässerausbau Umlandnutzung Stoffliche Einträge, einschließlich Spurenstoffe Quelle: Berichtportal WasserBlick Dr. Andrea Sundermann, Senckenberg 2

3 Spurenstoffe Neben klassischen Schadstoffen sind Spurenstoffe trotz niedriger Konzentrationen (ng/l bis µg/l) im Gewässer aufgrund ihrer hohen biologischen Aktivität oft relevant Komplexer Spurenstoff-Cocktail im Wasserkreislauf 3

4 12 Projektpartner, davon 4 assoziiert UF - Goethe-Universität Frankfurt, 2 Unteraufträge: ahu AG, WK BGS - Brandt Gerdes Sitzmann Wasserwirtschaft GmbH, Darmstadt BfG - Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz UT - Eberhard Karls Universität Tübingen HLNUG - Hessisches Landesamt für Naturschutz, Umwelt & Geologie, Wiesbaden ISOE - Institut für sozial-ökologische Forschung GmbH, Frankfurt KIT - Karlsruher Institut für Technologie RPDa - Regierungspräsidium Darmstadt TUDa - Technische Universität Darmstadt UdB Univ. der Bundeswehr, München UI - UNGER Ingenieure, Darmstadt WK - Wetteraukreis, Friedberg 4

5 Projektziele Übergreifend: Systemlösung für die Praxis als Grundlage des nachhaltigen Wasserressourcen-Managements 1. Neue Verfahren zur Überwachung von Spurenstoffen 2. Bewertung der Belastungsfaktoren für die Artenvielfalt und Untersuchung der Wirksamkeit wasserwirtschaftlicher Maßnahmen 3. Sozial-ökologische Arbeiten: Konfliktfeld- und Akteursanalyse, Workshops mit Interessensgruppen, "Citizien Science" 5

6 Projektziele 4. Entwicklung technischer Maßnahmen zur Verminderung von Stoffeinträgen 5. Modellierung von Stoffeinträgen und chemischer Gewässergüte für derzeitigen Zustand und Zukunftsszenarien 6. Entwicklung eines integrierten Informationsund Managementsystems ("NiddaPro") für die wasserwirtschaftliche Praxis 6

7 Projektfortschritte TM 1 Stoffliche Belastungen: Einträge aus Industrie, Kläranlagen, Landwirtschaft und Bäderbetriebe wurden im Niddagebiet identifiziert Detailuntersuchungen in Usa und Horloff, um Stoffeinträge und Umweltverhalten von Stoffen zu bilanzieren TM 2 Biodiversität & Ökosystemgesundheit: Laboruntersuchungen, um sichere Konzentrationen für vier Leitsubstanzen abzuleiten (2 PSM, 2 Arzneimittel) Auswirkungen der relevanten Belastungsfaktoren im Niddagebiet auf wirbellose Tiere und Fische erfasst Neue Verfahren wurden entwickelt und erprobt, um den Zustand und Prozesse im Ökosystem besser beschreiben und bewerten zu können 7

8 Stoffliche Belastungen Bsp.: Diclofenac Wetter H2 H1 N1 Horloff Nidda H3 N2 U2 U3 U4 H6 H4 N3 Dirk Klos, BUND Usa U1 Aus Verschreibungen in D: 30 t in 2015 Aus "Over the counter"- Verkäufen: weitere 50 t N13 N10 N12 N6 N8 N7 N5 N4 Nidder JD-UQN-Vorschlag km ng/l Daten: Arne Wick und Uwe Kunkel, BfG Koblenz 50 ng/l 8

9 Stoffumbau im Gewässer Gesamtentfernung: ~ 65% - 40% KA Fauerbach v.d.h Fauerbach Usa Wetter - 40% KA Usingen- Kransberg KA Bad Nauheim km km Daten: Arne Wick und Uwe Kunkel, BfG Koblenz 9

10 Besondere lokale Einträge Nontarget- Analytik Statistik Periodischer Eintrag in die Horloff unterhalb einer Kläranlage Abfluss: ~ 125 L/s Eintrag von ~ 22 g in 3 Tagen lokal auffällige unbekannte Stoffe > 30 weitere unbekannte Stoffe aus dieser KA Identifizierung z.b.: o-tolylbiguanid Daten: Arne Wick und Uwe Kunkel, BfG Koblenz 10

11 Horloff: ökologischer Zustand Ökologische Zustandsklasse: Perlodes Gutachter Probestelle (uh Ruppertsburg) (uh KA Hungen) (oh Echzell) Probestellen an der Horloff: 1 bis 4 intensiv beprobt: In-vitro- Assays, In-vivo-Tests (aktives und passives Monitoring, Labortests) 5 und 6 sporadisch 5 6 Makrozoobenthos 11

12 Zytotoxizität (= Basistoxizität) Deutliche Zunahme der Toxizität im Sediment im Gewässerverlauf, Beispiel Horloff: Zunehmende Toxizität Microtox EC 50 [mg Sediment] H1 H2 H3 H4 H5 H6 Untersuchungsstelle Horloff Daten: Dissertation Denise Brettschneider, Univ. Frankfurt 12

13 Aktives Monitoring in Nidda, Horloff und Usa mit Bachflohkrebsen und Schnecken an vier Probestellen je Fluss einmal im Quartal über ein Jahr für jeweils vier Wochen untersucht wurden: Sterblichkeit Wachstum Fortpflanzung 13

14 Aktives Monitoring an der Horloff als Beispiel Sterblichkeit (links) und Fortpflanzung (rechts) bei Bachflohkrebsen: Mortalität in % [Mittelwert ± SEM] H1 H2 H3 H4 Untersuchungsstelle Horloff Nachkommen pro Weibchen [Mittelwert ± SD] H1 H2 H3 H4 Untersuchungsstelle Horloff Daten: Dissertation Denise Brettschneider, Univ. Frankfurt 14

15 Aktives Monitoring an der Horloff als Beispiel Fortpflanzung bei Zwergedeckelschnecken im Freiland (aktives Monitoring, links) und im Labor (rechts): Embryonenzahl [Mw ± SD] H1 H2 H3 H4 Embryonenzahl [Mw ± SD] H1 H2 H3 H4 Untersuchungsstelle Horloff Untersuchungsstelle Horloff Daten: Dissertation Denise Brettschneider, Univ. Frankfurt 15

16 Gibt es Effekte auf Ökosystemfunktionen? Bakterielle Exoenzymaktivitäten als Parameter für das Selbstreinigungspotential des Gewässers; Beispiel Horloff: Kohlenhydrat-Abbau Protein-Abbau Fett-Abbau Substratumsatz [Mittelwert ± SEM] H1 H2 H3 H4 Substratumsatz [Mittelwert ± SEM] H1 H2 H3 H4 Substratumsatz [Mittelwert ± SEM] H1 H2 H3 H4 Untersuchungsstelle Horloff Untersuchungsstelle Horloff Untersuchungsstelle Horloff Daten: Masterarbeit Bianca König, Univ. Frankfurt 16

17 Untersuchungen zur Kläranlage Wallernhausen KA Wallernhausen nach der Schließung im November 2016: 17

18 Untersuchungen zur Kläranlage Wallernhausen KA-Ablauf beeinflusst Artenspektrum, erhöht die Giftigkeit Artenverteilung [%] G. fossarum G. pulex G. roeseli R1 R2 R3 Giftigkeit für Bakterien in % [Mittelwert ± SEM] R1 R2 R3 Daten: Masterarbeit Felix Harth, Univ. Frankfurt 18

19 Untersuchungen zur Kläranlage Wallernhausen Schneller Rückgang aller In-vitro-Effekte im Rambach nach der Schließung der Kläranlage Wallernhausen: Östrogene Aktivität [ng EEQ/L, Mw ± SEM] vor Schließung nach Schließung Dioxinähnliche Aktivität [µg β-nf-eq/l, Mw ± SEM] Lumineszenzinhibition [%, M w ± SEM] R1 Einl. R2 R3 R1 R2 R3 0.0 R1 Einl. R2 R3 R1 R2 R3 0 R1 Einl. R2 R3 R1 R2 R3 Östrogene Aktivität Dioxinähnliche Wirkung Lumineszenzinhibition Daten Masterarbeit Felix Harth, Univ. Frankfurt 19

20 Übersicht der Embryotest-Ergebnisse Ökologischer Zustand N1 N2 N3 N4 N5 N6 H1 Referenzstelle an der Nidda Nidda uh. Spezialpapierfabrik Ober-Schmitten Nidda uh. Kläranlage (KA) Nidda Nidda oh. Mündung der Horloff und uh. KA Ranstadt-Dauernheim Nidda beim REWE in Nieder-Florstadt Nidda in Renaturierung Nieder-Wöllstadt Referenzmessstelle an der Horloff H2 Horloff uh. 4 KA GK 1 H3 H4 U1 U2 U3 U4 Horloff oh. Renaturierungen Horloff im Renaturierungsgebiet Referenzstelle an der Usa Usa uh. KA Usingen-Kransfeld Usa oh. KA Bad Nauheim Usa uh. Thermalbädern und KA Bad Nauheim, oh. KA Friedberg U1 Schlecht [ 10 Signifikanzen] Unbefriedigend [7-9 Signifikanzen] Mäßig [4-6 Signifikanzen] Gut [1-3 Signifikanzen] Sehr gut [0 Signifikanzen] U2 Daten: Dissertation Mona Schweizer, Univ. Tübingen U3 4 KA GK 1 [max EW] U4 N6 N5 H3 H4 H2 N4 N3 N2 H1 N1 Kläranlage Papierfabrik Mineralbad renaturierter Bereich Probestellen 20

21 Aktives und passives Monitoring mit Fischen 1. Aktiv: - 4 Stellen an der Nidda - Käfige mit Regenbogenforellen akute Effekte A. Elsässer 2. Passiv: - 6 Stellen an Nidda und Horloff - Elektrobefischung (20 Fische/Stelle) - Mai und September 2016 chronische Effekte Histologie (Organschäden) Biomarker (hormonelle, erbgutverändernde, Dioxin-ähnliche Wirkungen) PÖdT 21

22 Aktives Monitoring mit Fischen Vitellogeninkonzentration [ng/ml] Vitellogenin-Bildung bei Regenbogenforellen (östrogene 1.0 Wirkung): Bestätigt durch In-vitro-Ergebnisse: östrogene Aktivität [ng E-EQ/L] UQN-Vorschlag Watch List N1 N2 N3 N4 N5 N6 Untersuchungsstelle Nidda U1 U2 U3 U4 N5 H3 H4 H2 N4 N3 N2 H1 N1 0 ZK N1 N2 N3 N6 Probestellen N6 Daten: Dissertation Mona Schweizer, Univ. Tübingen 22

23 Passives Monitoring mit Fischen Leber-Histologie beim Döbel (Freiwasser): Mai Sep 4 KA GK 1 [max EW] Mai Sep H2 H1 KA Hungen H2 a oben H2 a unten H3 H4 Daten: Dissertation Mona Schweizer, Univ. Tübingen 23

24 Passives Monitoring mit Fischen Leber-Histologie beim Gründling (Bodenbewohner): Mai Sep 4 KA GK 1 [max EW] Mai Sep H2 H1 Mai Sep Keine Fische vorhanden KA Hungen H2 a oben H2 a unten H3 H4 Dirk Klos, BUND Daten: Dissertation Mona Schweizer, Univ. Tübingen 24

25 Projektfortschritte Gewässergütemodellierung: Anteil des gereinigten Abwassers am Abfluss im Nidda-Einzugsgebiet Modellierung: Stephan Fuchs, Ramona Wander, Sara Ziegler, KIT 25

26 Ermittlung des kritischen Anteils gereinigten Abwassers TITAN (Threshold Indicator Taxa Analysis) nutzt Makrozoobenthosdaten des HLNUG und den modellierten Anteil des gereinigten Abwassers am Abfluss im Nidda-EZG: Berechnet Abwasseranteil, bei dem Arten abrupte Dichteveränderungen zeigen (Zu- oder Abnahme Individuenzahl) Ergebnis: Schwellenwert ± Vertrauensbereich Modellierung: Stephan Fuchs, Ramona Wander, Sara Ziegler, KIT 26

27 Ermittlung des kritischen Anteils gereinigten Abwassers Bereits bei 12% Anteil gereinigten Abwassers sinkt die Dichte empfindlicher Arten im Nidda-Einzugsgebiet: Anabolia nervosa Baetis muticus Centroptilum luteolum Halesus sp. Limnephilidae Gen. sp. Orectochilus villosus lv. Gammarus fossarum Asellus aquaticus Mittlerer Abwasseranteil [%, ± KI] Daten Masterarbeit von Catharina Brett-Smith, Univ. Frankfurt 27

28 Fazit Eintrag von Spurenstoffen führt zu ökologischen Gewässerdefiziten im Nidda-Einzugsgebiet Ohne eine Reduzierung dieses Eintrags sind die Zielvorgaben der Wasserrahmenrichtlinie nicht zu erreichen Besonders Sedimente sind stark belastet Für konventionell gereinigtes Abwasser liegt der kritische Anteil am Abfluss bei etwa 12% (vorläufige Auswertung) Höhere Abwasseranteile führen zu stark veränderten Lebensgemeinschaften, sofern nicht durch geeignete Maßnahmen der Spurenstoffeintrag reduziert wird 28

29 Ein Hinweis in eigener Sache Nächster Nidda-Talk: Wann: Dienstag, 23. Mai 2017 um 19 Uhr Wo: Theater Altes Hallenbad, Friedberg Thema: Die Nidda im Wandel vergangene und zukünftige Nutzungsansprüche 29

30 Unser Dank gilt dem BMBF für die Projektförderung allen Unterstützern des Projekts, namentlich den Angelvereinen und Ihnen für die Aufmerksamkeit 30