Beurteilung von abwasserbelasteten Gewässern mit ökotoxikologischen Biotests. Cornelia Kienle, Etienne Vermeirssen, Petra Kunz und Inge Werner

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1 Beurteilung von abwasserbelasteten Gewässern mit ökotoxikologischen Biotests Cornelia Kienle, Etienne Vermeirssen, Petra Kunz und Inge Werner Symposium Arzneimittel / Mikroschadstoffe,

2 Überblick Einführung zu Biotests Photo: Masur Photo: S. Gut Photo: P. Herbert Anwendung von Biotests zur Beurteilung der Wasserqualität von abwasserbelasteten Oberflächengewässern Photo: C. Kienle

3 Warum sind Biotests wichtig? Aussage über toxische Wirkungen auf Umweltorganismen Zur Untersuchung von Schadstoffmischungen wie sie z.b. in Abwasser- und Oberflächengewässern vorliegen Ergänzung von chemischer Analytik, da damit nur begrenzte Aussage über ökotoxikologische Auswirkungen möglich Zur ökotoxikologischen Erfolgskontrolle

4 Arten von Biotests In vitro-biotests In vivo-biotests Photo: Masur Photo: V. Brinkmann, Max Planck Institute for Infection Biology, Berlin, Germany Photo: S. Gut Photo: P. Herbert Photo: M. Maňas Photo: National Institute of Health (NIH) Photo: D. Gustafson Bild: U.S. Fish and Wildlife Service Sensitive Erfassung spezifischer Effekte von Substanzklassen mit ähnlichem Wirkmechanismus Extrapolation auf mögliche Konsequenzen für Organismen schwieriger Integrieren Wirkung aller Substanzen in Wasserprobe Schlussfolgerungen über biologische/ökologische Effekte Begrenzte Auskunft über verantwortliche Substanzklassen

5 Was ist ein Biotest und wie führt man ihn durch? Biotest = Standardisierter Ablauf eines biologischen Experiments mit definierter Durchführung und Auswertung. Test mit Wasserflöhen (Daphnien) z.b. nach OECD Richtlinie 202 YES (yeast estrogen screen) 17β-Estradiol Kontrolle Umweltproben Kont. Festphasenanreicherung (SPE) EEQ 17β-Estradiol-Äquivalente (ng/l)

6 Wie können Biotests zur Beurteilung von abwasserbelasteten Oberflächengewässern eingesetzt werden?

7 Wie beurteilt man die Qualität von Oberflächengewässern? schlecht mässig sehr gut

8 Das Modul-Stufen-Konzept Ziel: Standardisierte Methoden zur Beurteilung der Gewässerqualität als Entscheidungshilfe für Kantone Module: Ökomorphologie Biologie Chemie / Ökotoxikologie Kieselalgen Wirbellose Fische Partner: Kantonale Umweltämter

9 Modul Ökotoxikologie Gewähltes Vorgehen Empfehlung von vielversprechenden Methoden zur Untersuchung der Oberflächengewässerqualität Östrogene und Herbizide Auswirkungen Untersuchung der Wasserqualität basierend auf ökotoxikologischen Biotests

10 Ausgangslage

11 Zielsetzung - Beurteilungskonzept Entwicklung eines belastbaren Konzeptes zur routinemässigen Beurteilung der Wasserqualität anhand von ökotoxikologischen Biotests. Elemente Probenahme Probenaufbereitung Biotests Beurteilung der Effekte

12 Welche Biotests eignen sich für eine erste Beurteilung? Kriterien für Biotests: geeignet für Umweltproben (Abwasser- und Oberflächengewässerproben) empfindlich robust möglichst weitgehend validiert und standardisiert kostengünstig und einfach routinemässig anwendbar anwendbar in kantonalen Gewässerschutz- und Privaten-Laboren Für die Grobbeurteilung wurden ausgewählt: Hefezellöstrogentest (Yeast Estrogen Screen, YES) zur Messung östrogen-aktiver Substanzen Kombinierter Algentest zur Messung von Photosystem II- (und Wachstums-) hemmenden Stoffen (z.b. bestimmte Pestizide)

13 Wie können östrogen-aktive Stoffe im Biotest nachgewiesen werden? Hefezell-Östrogentest (Yeast Estrogen Screen (YES)) (nach Routledge und Sumpter 1996, ETC) Testorganismus: Hefe (Saccharomyces cerevisiae) Prinzip: Genmodifizierte Hefe in gelbem Medium Photo: Masur Tag 0 Tag 1 Tag 2 Tag 3 17β-Östradiol EEQ: 17β-Östradiol Äquivalente

14 Wie lassen sich herbizide Wirkungen nachweisen? Kombinierter Algentest (Escher et al., 2008 JEM 10) Testorganismus: einzellige Süsswasser-Grünalge (z.b. Pseudokirchneriella subcapitata) Prinzip: Bestimmung von Auswirkungen auf 1) Photosyntheseaktivität und/oder 2) Wachstum von Algen Dauer: 24 h Endpunkte: Photosynthese-, Wachstumshemmung (%) Diuron-Äquivalente (DEQ; ng/l) Basis-TEQs für Wachstumsrate (mg/l) Toxizitätsparameter: ECx, Diuron- Äquivalenz-Konzentration (DEQ), Basis- Toxizitäts-Äquivalenz-Konzentration (TEQ) Diuron

15 Ergebnisse - Variabilität und Reproduzierbarkeit Ergebnisse der Validierungen in Reinstwasser und Abwasserproben Bestimmungsgrenzen (LOQ) beider Tests (in Kombination mit Aufkonzentrierung durch Festphasenextraktion) ermöglichen Messung von Proben unter chronischem Qualitätskriterium für 17β-Estradiol (0.4 ng E2/L) (LOQ YES = ng/l) bzw. Diuron (20 ng/l) (LOQ Algentest = 3-6 ng/l) Wiederfindung und Variabilität Wiederfindung : in stark belasteten Proben zw. 82 und 115% Beim YES in schwach belasteten Proben geringer Variabilität im Biotest: 3-25% Variabilität von SPE und Biotest: 8-27%

16 Wie ist das Vorgehen für die Gewässerbeurteilung? Grobbeurteilung von abwasserbelasteten Fliessgewässern Wie hoch ist der Abwasseranteil im Gewässer? grösser 10% Prozent Wie hoch ist die Belastung des Abwasser? Beurteilung durch Biotest Wie hoch ist die Belastung im Gewässer? Verdünnung Ökotoxikologische Bewertung der Belastung Grafik: Eawag

17 Wie ist das Vorgehen für die Gewässerbeurteilung? Grobbeurteilung von abwasserbelasteten Fliessgewässern Vorteile der Methode: Messung im Abwasser aufgrund höherer Konzentrationen zuverlässiger Entnahme von Sammelproben über mehrere Tage einfach organisierbar Nachteile: Vorbelastung und diffuse Einträge werden nicht erfasst Wie hoch ist der Abwasseranteil im Gewässer? grösser 10% Prozent Wie hoch ist die Belastung des Abwasser? Beurteilung durch Biotest Wie hoch ist die Belastung im Gewässer? Verdünnung Ökotoxikologische Bewertung der Belastung Grafik: Eawag

18 Beurteilung der Wasserqualität anhand der ausgewählten Biotests Risikobeurteilung Risikoquotient RQ = BEQ EQS = <1 Qualitätskriterium eingehalten >1 Qualitätskriterium überschritten mit: BEQ = Bioanalytische Äquivalenz-Konzentration EQS = Umweltqualitätskriterium Verwendete chronische Umweltqualitätskriterien für Beurteilung: Östrogene Wirkung: EQS für 17β-Estradiol = 0.4 ng/l PSII-hemmende Wirkung: EQS für Diuron = 20 ng/l

19 Einteilung in Gewässergüteklassen analog MSK Vorschlag für eine Einteilung in 5 Klassen Beurteilung Bedingung/Beschreibung Einhaltung Zielvorgabe sehr gut gut BEQ mehr als 10 Mal kleiner als chronisches Qualitätskriterium für 17β- Estradiol/Diuron BEQ 1 bis 10 Mal kleiner als chronisches Qualitätskriterium für 17β-Estradiol/Diuron RQ < RQ < 1 Eingehalten mässig BEQ kleiner als das 2.5-fache chronische Qualitätskriterium für 17β-Estradiol/Diuron 1 RQ < 2.5 unbefriedigend BEQ gleich oder grösser als das 2.5-fache chronische Qualitätskriterium für 17β- Estradiol/Diuron 2.5 RQ < 10 Überschritten schlecht BEQ gleich oder grösser als das 10-fache chronische Qualitätskriterium für 17β- Estradiol/Diuron RQ 10

20 Fallstudie: Östrogene Aktivität und Photosystem IIhemmende Wirkung in Schweizer Kläranlagenabläufen und Fliessgewässern (Projekt EcoImpact) Niederdorf Messen Hornussen Hochdorf Dürnten Herisau Sévery Colombier Romont Kernenried Buttisholz Rothenthurm

21 YES Ergebnisse ARA-Abläufe und Fliessgewässer ARA Oberhalb Unterhalb EEQ (ng/l) Dürnten 2 - Herisau 3 - Severy 4 - Colombier 5 - Romont EEQ = Östradiol-Äquivalenz-Konzentration EQS = Umweltqualitätskriterium 6 - Kernenried 7 - Messen 8 - Niederdorf Probenahmestelle 9 - Hornussen 10 - Hochdorf 11 - Buttisholz 12 - Rothenthurm * EQS für 17 - Estradiol = 0.4 ng/l * Kein Abfluss über Kläranlage zu Probenahmezeitpunkt

22 YES Beurteilung im vorläufigen 5-Klassen-System Oberhalb ARA Unterhalb ARA Unbefriedigend EEQ (ng/l) Mässig 0.2 Gut Dürnten 2 - Herisau 3 - Severy 4 - Colombier 5 - Romont 6 - Kernenried 7 - Messen 8 - Niederdorf Probenahmestelle 9 - Hornussen 10 - Hochdorf 11 - Buttisholz 12 - Rothenthurm Sehr gut EEQ = Östradiol-Äquivalenz-Konzentration

23 Kombinierter Algentest Ergebnisse Photosynthesehemmung ARA Oberhalb Unterhalb DEQ (ng/l) Dürnten 2 - Herisau 3 - Severy 4 - Colombier 5 - Romont 6 - Kernenried 7 - Messen 8 - Niederdorf Probenahmestelle DEQ = Diuron-Äquivalenz-Konzentration EQS = Environmental Quality Standard (Umweltqualitätskriterium) 9 - Hornussen 10 - Hochdorf 11 - Buttisholz 12 - Rothenthurm EQS für Diuron = 20 ng/l

24 Algentest Beurteilung im vorläufigen 5-Klassen-System Oberhalb ARA Unterhalb ARA Schlecht DEQ (ng/l) Unbefriedigend Dürnten 2 - Herisau 3 - Severy 4 - Colombier 5 - Romont 6 - Kernenried 7 - Messen 8 - Niederdorf Probenahmestelle 9 - Hornussen 10 - Hochdorf 11 - Buttisholz 12 - Rothenthurm Mässig Gut Sehr gut DEQ = Diuron-Äquivalenz-Konzentration

25 Schlussfolgerungen Beurteilungsmethode ermöglicht integrative Erfassung von Auswirkungen durch östrogen-aktive bzw. PSII-hemmende Stoffe. Beurteilung von Mischungseffekten dieser Stoffe möglich. Ausgewählte Biotests können Über- oder Unterschreitungen von Qualitätskriterien messen. Wichtig zu beachten ist, dass mit ausgewählten Tests keine direkten Rückschlüsse auf Effekte auf Ökosystem-Ebene möglich sind. Ermöglicht erste Grobbeurteilung der ökotoxikologischen Belastung durch östrogen-aktive und PSII-hemmende Stoffe.

26 Ausblick und weitere Schritte Aktive Beteiligung der Schweiz an Arbeiten zur Standardisierung und ISO-Zertifizierung der Tests Sukzessive Ergänzung des vorliegenden Konzepts mit geeigneten Tests für weitere Wirkmechanismen Empfehlung zu vielversprechenden Biotests Konzept derzeit für Anwendung auf Punktquellen (kommunale Abwässer) konzipiert soll in nächsten Jahren um Beurteilung der Gewässerbelastung mit Mikroverunreinigungen aus diffusen Quellen ergänzt werden

27 TAKE HOME MESSAGES Mikroverunreinigungen haben negative Auswirkungen auf Wasserlebewesen. Biotests sind geeignet um diese Auswirkungen und deren Verringerung zu messen. Wirkungen auf Wasserlebewesen lassen sich mit weitergehenden technischen Verfahren eliminieren. Verbesserter Schutz der Gewässerökosysteme

28 Weitere Informationen zu Biotests Kienle C, Kase R, Schärer M, Werner I, Ökotoxikologische Biotests - Anwendung von Biotests zur Evaluation der Wirkung und Elimination von Mikroverunreinigungen. Aqua & Gas 7/8: Kienle C, Vermeirssen E, Kunz PY, Werner I, Grobbeurteilung der Wasserqualität von abwasserbelasteten Gewässern anhand von ökotoxikologischen Biotests. Studie im Auftrag des BAFU. Schweizerisches Zentrum für angewandte Ökotoxikologie Eawag-EPFL, Dübendorf. Kienle C, Gauch R, Vermeirssen E, Werner I, Methoden zur Beurteilung der Wasserqualität anhand von ökotoxikologischen Biotests: Ergebnisse einer Literaturrecherche und einer Expertenbefragung. Studie im Auftrag des BAFU. Schweizerisches Zentrum für angewandte Ökotoxikologie Eawag-EPFL, Dübendorf.

29 Danksagung Vielen Dank an: das BAFU, die EU (FP7 Projekt Demeau) und das Oekotoxzentrum für die finanzielle Unterstützung, die Begleitgruppe aus Vertretern des BAFU, der kantonalen Fachstellen, privaten Labors und allen anderen Experten für die fachliche Begleitung, meine Kollegen vom Oekotoxzentrum, von der RWTH Aachen, der EPFL und der Eawag, ebenso wie die Betreiber der ARAs für die experimentelle und fachliche Unterstützung. Kontakt: