Auswirkungen stofflicher Belastungen auf die Gewässer im Einzugsgebiet der Nidda

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1 Auswirkungen stofflicher Belastungen auf die Gewässer im Einzugsgebiet der Nidda Ergebnisse des Projekts NiddaMan Jörg Oehlmann für alle NiddaMan-Partner Goethe-Universität Frankfurt am Main, Abt. Aquatische Ökotoxikologie

2 Übersicht zum Vortrag Ökologische Gewässerdefizite Ausmaß und Ursachen Eintrag von Spurenstoffen in die Gewässer Auswirkungen des Stoffeintrags auf Organismen und Lebensgemeinschaften Fallbeispiel 1: Schließung einer Kläranlage Fallbeispiel 2: Stoffeffekte in Renaturierungen Weitergehende Abwasserbehandlung Zusammenfassung und Fazit 2

3 Hintergrund zum Projekt NiddaMan Eines von 15 Projekten im BMBF-Schwerpunkt ReWaM 12 NiddaMan-Partner aus: Forschungseinrichtungen Behörden Firmen & Ingenieurbüros Nidda als Modellregion, in der sich typische Nutzungskonflikte an Gewässern untersuchen lassen Fläche 1942 km², Länge 89,7 Km 3

4 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 4

5 Erfolgskontrolle von Renaturierungsprojekten* Nidda bei Bad Vilbel Wiederbesiedlung? Keine signifikanten Verbesserungen des Makrozoobenthos im Gewässer, geringe Effekte bei Fischen und Höheren Pflanzen Keine Verbesserungen des ökologischen Zustands gemäß WRRL; in keinem Fall wurde der gute Zustand erreicht * Angaben basieren auf 58 bundesweit untersuchten Renaturierungsprojekten: Sundermann et al., Senckenberg 5

6 Ökosystem als Schutzziel Usa bei Neu-Anspach Klarwasserbelastung deutscher Oberflächengewässer: 10,5 Mrd. m³/a 6

7 Abwasser und Spurenstoffe Abwasser enthält mehrere Substanzen Vor allem gut wasserlösliche Substanzen werden in Kläranlagen oft nicht ausreichend entfernt Spurenstoffe mit besonderer Bedeutung: hohe biologische Aktivität, deshalb Effekte im µg/l-bereich und darunter, verstärkt durch die Cocktaileffekte Beispiele für Spurenstoffe: Industriechemikalien, Biozide, Pflanzenschutzmittel, Arznei- und Körperpflegemittel 7

8 Eintragsquellen von Spurenstoffen Arzneistoffe, Tenside Flammschutzmittel, Biozide, etc. Lösungsmittel, fluorierte Tenside, Synthesechemikalien, etc. Pflanzenschutzmittel Pflanzenschutzmittel Dr. Arne Wick, BfG 8

9 Belastung mit Spurenstoffen: Arzneimittel Diclofenac Horloff Wetter H2 H1 N1 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 9

10 Diclofenac - Modellierung Jahresmittelkonzentration UQN-Vorschlag: 0,05 µg/l Modellierung: Stephan Fuchs, Sara Ziegler, Ramona Wander; KIT 10

11 Eintragsquellen von Spurenstoffen bei Regen Arzneistoffe, Tenside Flammschutzmittel, Biozide, etc. Lösungsmittel, fluorierte Tenside, Synthesechemikalien, etc. Pflanzenschutzmittel Pflanzenschutzmittel Dr. Arne Wick, BfG 11

12 Ereignisbezogene Erfassung von Spurenstoffen Beispiel: Messstelle Waschbach (Zufluss der Horloff, EZG 26 km 2 ) Dr. Arne Wick, BfG 12

13 Ereignisbezogene Erfassung von Spurenstoffen Schwimmerschalter zur ereignisbezogenen Auslösung bei Starkregen Dr. Arne Wick, BfG 13

14 Ereignisbezogene Erfassung von Spurenstoffen Abflussereignis am Waschbach im Mai 2017 Auslösung des Probenehmers am um 19:09 Uhr Daten: Arne Wick und Uwe Kunkel, BfG Koblenz 14

15 Ereignisbezogene Erfassung von Spurenstoffen Konzentrationsverlauf von Metamitron x 20 Daten: Arne Wick und Uwe Kunkel, BfG Koblenz 15

16 Ereignisbezogene Erfassung von Spurenstoffen Konzentrationsverlauf von Metazachlor ca. 10 h x 16 Daten: Arne Wick und Uwe Kunkel, BfG Koblenz 16

17 Aktives Monitoring in Nidda, Horloff und Usa mit Bachflohkrebsen & Schnecken an mind. 4 Probestellen je Fluss einmal im Quartal über ein Jahr für jeweils vier Wochen untersucht wurden: Sterblichkeit Wachstum Fortpflanzung 17

18 Aktives Monitoring an der Horloff Sterblichkeit (links) und Fortpflanzung (rechts) beim Bachflohkrebs Gammarus fossarum Mortalität in % [Mittelwert ± SEM] Einleiter Einleiter Einleiter H1 H2 H3 H4 Untersuchungsstelle Horloff Nachkommen pro Weibchen [Mittelwert ± SD] Einleiter Einleiter Einleiter 0 H1 H2 H3 H4 Untersuchungsstelle Horloff Brettschneider et al. (2019): Environ. Sci. Europe 18

19 Fischgesundheit: Histologische Bewertung Passives Monitoring: Schmerle 100% Anteile an den Bewertungsklassen 80% 60% 40% 20% 0% N1 N2 N3 N6 N1 N2 N3 N6 Juni 2016 September Punktzahl Beispiel N1: 0*1 + 30*2 + 40*3 + 30*4 + 0*5 = 300 Bewertung Sehr gut Gut Mäßig Unbefriedigend Schlecht N5 oh N4 N3 N2 N1 Ergebnisse: 1. Saisonale Effekte: Juni auffälliger als September 2. Freiwasserfische in besserem Zustand als am Grund lebende Fische 3. Fische von N2 besonders auffällig im aktiven und passiven Monitoring N6 Main Daten: Dissertation Frankfurt Mona am Schweizer, Univ. Tübingen Main 19

20 Maßnahmenevaluierung: Schließung einer KA KA Wallernhausen nach der Schließung im November 2016: 20

21 Maßnahmenevaluierung: Schließung einer KA Schneller Rückgang aller Effekte in Reagenzglastests im Rambach nach Schließung der Kläranlage Wallernhausen Östrogene Aktivität [ng EEQ/L, Mw ± SEM] vor Schließung nach Schließung R1 Einl. R2 R3 R1 R2 R3 Dioxinähnliche Aktivität [µg β-nf-eq/l, Mw ± SEM] R1 Einl. R2 R3 R1 R2 R3 Hemmung der Leuchtintensität [%, M w ± SEM] R1 Einl. R2 R3 R1 R2 R3 Östrogene Aktivität Dioxinähnliche Wirkung Basistoxizität Harth et al. (2019): J. Environ. Sci. Health A 21

22 Maßnahmenevaluierung: Schließung einer KA Rückgang der Sterblichkeit und gestörten Artenverteilung bei den Gammariden nach Schließung der KA Mortalität in % [Mw ± SEM] vor Schließung nach Schließung R1 R2 R3 R1 R2 R3 Artenzusammensetzung [%] R1 R2 R3 R1 R2 R3 G. fossarum G. roeseli G. pulex Harth et al. (2019): J. Environ. Sci. Health A 22

23 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 23

24 Ermittlung des kritischen Anteils gereinigten Abwassers Bestimmung des kritischen Anteils konventionell gereinigten Abwassers mit TITAN für das gesamte Nidda-EZG: abnehmende Dichte zunehmende Dichte 12% Daten Masterarbeit von Catharina Brett-Smith, Univ. Frankfurt abnehmende Arten zunehmende Arten 24

25 Untersuchte Modellrenaturierungen Horloff bei Echzell (geringe Eingriffstiefe) Nidda bei Bad Vilbel (hohe Eingriffstiefe) [Karten: J. Pfefferle, erstellt mit Google Earth] 25

26 Effekte in Reagenzglastests I Zunahme der Basistoxizität im renaturierten Abschnitt: Zunehmende Toxizität Microtox EC 50 [REF; Mw ± SEM] Horloff Signifikant vs. H3-R (t-test): = p < 0,01 H1R H2R H3R H4R H5R H6R H7R H8R Probestelle Horloff H9R Microtox EC 50 [REF; Mw ± SEM] Nidda N1R N2R N3R Probestelle Nidda N4R N5R N6R N7R N8R N9R Daten: Dissertation Denise Brettschneider, Univ. Frankfurt 26

27 Effekte in Reagenzglastests II Zunahme der dioxinähnlichen Aktivität im renaturierten Nidda-Abschnitt: Dioxinähnliche Aktivität [µg β-nf-eq/l; Mw ± SEM] Horloff vernachlässigbare dioxinähnliche Aktivität H1R H2R H3R H4R H5R H6R H7R H8R H9R Probestelle Horloff Dioxinähnliche Aktivität [µg β-nf-eq/l; Mw ± SEM] Nidda N1R N2R N3R Signifikant vs. N2-R (Dunn-Test): = p < 0,05; = p < 0,001 N4R N5R N6R Probestelle Nidda N7R N8R N9R Daten: Dissertation Denise Brettschneider, Univ. Frankfurt 27

28 Hormonähnliche Effekte Zunahme der estrogenen Aktivität im renaturierten Nidda-Abschnitt: Estrogene Akktivität [ng EEQ/L; Mw ± SEM] Horloff keine estrogene Aktivität H1R H2R H3R H4R H5R H6R H7R H8R H9R Probestelle Horloff Estrogene Aktivität [ng EEQ/L; Mw ± SEM] Nidda N1R N2R N3R Signifikant vs. N2-R (Dunn-Test): = p < 0,05; = p < 0,001 N4R N5R N6R Probestelle Nidda N7R N8R N9R Daten: Dissertation Denise Brettschneider, Univ. Frankfurt 28

29 Effekte bei Organismen Zunahme der Embryonenzahl bei Zwergdeckelschnecken im renaturierten Nidda-Abschnitt und in Nidda vs. Horloff: Embryonenzahl [Mw ± SD] Horloff H1R H2R H3R H4R H5R H6R H7R H8R H9R Probestelle Horloff Embryonenzahl [Mw ± SD] Nidda N1R N2R N3R Signifikant vs. N2-R (t-test): = p < 0,05; = p < 0,01 N4R N5R N6R Probestelle Nidda N7R N8R N9R Daten: Dissertation Denise Brettschneider, Univ. Frankfurt 29

30 Vergleich in vitro in vivo Zunahme der Fortpflanzung bei Zwergdeckelschnecken korreliert signifikant mit estrogener Aktivität im YES: 40 Embryonen [Mw ± SD] y = 33,3x + 4,38 r = 0,971 n = 18 p < 0, estrogene Aktivität [ng EEQ/L] Daten: Dissertation Denise Brettschneider, Univ. Frankfurt 30

31 Reagenzglastests für Untersuchungen an KA Ergebnisse für die Überwachung und Effizienzbewertung von Spurenstoffanlagen. Beispiel: hormonähnliche Wirkung Östrogene Aktivität [ng EEQ/L, Mw ± SEM] Rohabwasser Ablauf konv. Reinigung Ablauf erw. Reinigung Darmstadt Eriskirch Langwiese Merklingen Neuss Regensdorf Koblenz Rohabwasser: -79 bis -95% -86% -92% -91% -82% -95% -86% -79% Darmstadt Eriskirch Langwiese Merklingen Neuss Regensdorf Koblenz UQN E 2 0 konv. Ablauf: -71 bis -85% Darmstadt Eriskirch Langwiese Merklingen Neuss Ozon PAK anaerob-pre (R5D) -79% -71% -74% -80% -72% -85% -74% Regensdorf Koblenz 31

32 Untersuchungen zur vierten Reinigungsstufe Reduzierte estrogene Aktivität, aber Anstieg der antiestrogenen Aktivität möglich (Beispiel: KA Neuss): Stalter et al. (2011): Water Res. 45,

33 Untersuchungen zur vierten Reinigungsstufe Genschädigende Wirkung wird reduziert, aber Ozonung führt zu Erbgutveränderungen (Beispiel: KA Neuss): Magdeburg et al. (2014): Water Res. 50,

34 Zusammenfassung und Fazit Eintrag von Spurenstoffen führt zu ökologischen Gewässerdefiziten Ohne Reduzierung des Eintrags wird die Zielvorgabe des guten ökologischen Gewässerzustands nicht erreicht Für konventionell gereinigtes Abwasser liegt der kritische Anteil am mittleren Abfluss bei 12% Reduzierung durch Stilllegung kleiner Kläranlagen und weitergehende Abwasserbehandlung an großen Anlagen Ozonung und Aktivkohlebehandlung als wirksame Verfahren, Ozonung produziert jedoch Transformationsprodukte 34

35 Unser Dank gilt dem BMBF für die Projektförderung allen Unterstützern des Projekts und 35

36 Ihnen für die Aufmerksamkeit 36