Die Arbeitsgruppe „Angewandte aquatische Toxikologie“

Überblick über die Forschungsrichtung der Arbeitsgruppe „Angewandte aquatische Toxikologie“

HAW Hamburg, Life-Sciences-LogoIm Zentrum der Forschung unserer Arbeitsgruppe angewandte aquatische Toxikologie liegt die Untersuchung des Eintrags, der Verteilung sowie der Wirkung von Schadstoffen in wässrigen Systemen. Von besonderem Interesse hierbei sind für uns Sedimente, die in der Lage sind, Schadstoffe zu akkumulieren und als „Gedächtnis der Flüsse“ bezeichnet werden können. Unser Fokus liegt dabei auf der Beobachtung und Untersuchung der Wirkungen, die diese Schadstoffe – einzeln oder im Rahmen des Schadstoffcocktails, der sich in den Sedimenten findet, - bei Organismen hervorrufen, und auf den ökologischen Konsequenzen, die diese Effekte für die Umwelt haben können.

Um die Wirkung von Schadstoffen auf Organismen zu beurteilen, wenden wir ökotoxikologische Testsysteme an, bei denen bestimmte Testorganismen „beispielhaft“ Umweltproben ausgesetzt werden und untersucht wird, ob es dadurch zu negativen Folgen bei Entwicklung, Fortpflanzung, Wachstum etc. kommt. Wird der Testorganismus im Labor durch Proben eines Standortes geschädigt, besteht die Möglichkeit, dass auch die an diesem Standort lebenden Organismen in Mitleidenschaft gezogen werden. Mit Hilfe des Einsatzes verschiedener mikrobiologischer und pflanzlicher Organismen in sogenannten Testkombinationen werden die unterschiedlichen Wirkungen auf verschiedenartige Organismen, sowie das Zusammenwirken verschiedener Umweltchemikalien und die Effekte nicht bekannter oder auch nicht-gemessener Chemikalien erfasst.

Über eine integrierende Bewertung, u.a. mit Hilfe von Fuzzy-Logic-Verfahren wurden ökotoxikologische Klassifizierungen von Sedimenten erarbeitet, die eine rasche Einschätzung des Gefährdungspotenzials von Regionen ermöglicht.  Durch die Verknüpfung mit chemischen Messungen und der Untersuchung von im Ökosystem lebenden Organismen wird eine ganzheitliche Betrachtung der biologischen Wirkung angestrebt.

Untersuchungsgebiete: Rhein und Elbe

Den Eintrag historischer Schadstoffe, verbunden mit einer in dieser Form bis dahin einmaligen flusseinzugsgebietsbezogenen Risikobewertung wurde im Auftrag des Port of Rotterdam, Niederlande, für den deutschen Abschnitt des Rheins durchgeführt (Heise and Förstner, 2006). Es folgten zwei Berichte für die Hamburg Port Authority, in der das für den Rhein entwickelte Konzept auf die Elbe angewendet wurde (Heise et al., 2008, Heise et al., 2005).

vergrößern Überflutung an der Elbe Überflutung an der Elbe (Bild: © René Schwartz) Alle drei Studien bildeten eine wichtige Grundlage für die später von den Flussgebietskommissionen durchgeführten Sedimentmanagementkonzepte der beiden Flüsse. Im Rahmen dieser Studien wurde verdeutlicht, dass der Schadstofftransport an der Elbe hochwasserdominiert erfolgt, d.h. ein großer Anteil der Jahresfracht  an partikelgebundenen Schadstoffen wird während der kurzen Periode eines Hochwassers transportiert. Folglich war zu vermuten, dass mit den, in den letzten 15 Jahren ungewöhnlich häufig aufgetretenen Extremhochwassern eine hohe Schadstofffracht vom Oberlauf der Elbe in Richtung Meer transportiert worden war. Nach ersten Untersuchungen und deutlichen Veränderungen der Schadstoffeffekte vor und nach dem Hochwasser 2002 untersuchten wir im Rahmen eines Klimzug-Projektes (Klimzug-Nord, BmBF) die Einträge von Hochwasserereignissen auf die Wattflächen im Mündungsbereich der Elbe. Während und direkt nach dem Projekt konnten wir Proben jeweils vor, während und nach dem Hochwasser 2011 und 2013 nehmen. Die starken Effekte von 2002 sahen wir nicht wieder. Diese Beobachtung wird bestätigt durch Untersuchungen anderer Arbeitsgruppen, nach denen der Schadstoffeintrag 2002 den der nachfolgenden Hochwasserereignisse überstieg und es zu einer umfangreichen Abschwemmung bereits mit dem  Hochwasser von 2002 gekommen sein könnte. Im Verlauf einer erstmaligen systematischen Untersuchung von Altwassern und Altarmen in der unteren Mittelelbe, die wir 2013 und 2014 im Auftrag der Behörde für Umwelt und Energie/ELSA durchführten (Projekt Seitenstrukturen I und II, (Heise, 2015)), konnten wir zeigen, dass Einmündungen von Altarmen in umfangreichem Maße nach 1998 erodiert worden sind. Da es sich um teilweise stark kontaminierte Sedimente in ungefähr 1000 Altarmen und Altwässern in der Elbtalaue handelt, liegt hier u.U.  ein erhebliches Schadstoffpotenzial in der Elbe vor, das durch Hochwasserereignisse remobiliisert werden könnte. Gespräche mit der Bundesanstalt für Gewässerkunde zu diesem Thema laufen zurzeit.

Hochwasserereignisse sind jedoch nur eine von mehreren möglichen Folgen der Klimaerwärmung. Meeresspiegelanstieg, verstärkte Regenfälle im Winter, längere UV-Einstrahlung im Sommer sind weitere Konsequenzen. Den Einfluss, den diese unterschiedlichen Folgen auf die Qualität von Küstengewässern haben können, war Gegenstand eines anderen internationalen Projekts (Interreg: diPol). Untersuchungen von Oberflächenabläufe nach Starkregenereignissen in Wilhelmsburg und im Hafenbereich zeigten, dass das Belastungsmuster der Wettern den Umgebungsbelastungen klar zuzuordnen war.

vergrößern Neufelder Watt Neufelder Watt (Bild: © Prof. Susanne Heise) Das diPol-Projekt, dessen Probenahmeorte im vielschichtigen Stadtteil Wilhelmsburg lagen, zeigte, wie es notwendig ist, Forschungsergebnisse zu kommunizieren und die Bevölkerung in die Entwicklung möglicher Maßnahmesysteme einzubeziehen. Die von uns gewählte Vorgehensweise nach Vester besteht darin, komplexe Systeme zu analysieren, abzubilden und gemeinsam zu verstehen. Die Methodik wurde im EU-FP7-Projekt ARCH mit Stakeholder-Gruppen, ebenfalls an der Elbe, weitergeführt. Die in diesen Projekten erzielten Ergebnisse werden zurzeit im Rahmen der Hamburg Open Online University in eine Roadmap zum Thema „Tideelbe-Komplex“ integriert. Diese soll es interessierten Bürgern auf visuell anspruchsvolle und spielerische Weise ermöglichen, sich näher mit den komplexen Zusammenhängen an der Tideelbe auseinanderzusetzen und sich über wissenschaftliche Erkenntnisse zu informieren.

Meer und Küste

Unsere Probenahmegebiete liegen im Süß- aber auch im Salzwasserbereich. Neben dem Mündungsgebiet der Elbe zur Nordsee ist insbesondere die Ostsee für uns von Interesse. Das Brackwasser der Ostsee stellt bezüglich ökotoxikologischer Untersuchungen durch den im Vergleich zur Nordsee deutlich geringeren Salzgehalt eine Herausforderung dar, da weder marine noch Süßwasserorganismen als Testorganismen perfekt zu sein scheinen. In einem u.a. von der Bundesanstalt für Gewässerkunde geförderten Projekt konnten verschiedene Biotestsysteme bezüglich ihrer Eignung für diese Umwelt untersucht und auf einen ehemaligen Verklappungsstandort in der Mecklenburger Bucht angewendet werden. Dass diese in den 50er und 60er Jahren verklappten Industrieabfälle auch heute noch toxisch wirken, konnte hier gut gezeigt werden (Liehr et al., 2013, Leipe et al., 2005).

Neben Industriemüll birgt die Ostsee aber noch eine weiteres Relikt vergangener Zeiten, dessen Bedeutung in Zukunft zunehmen wird: In der Ostsee liegen noch geschätzte 50 000 Tonnen chemischer Kampfstoffmunition (Söderström, 2014). 5000 davon könnten in deutschen Gewässern liegen (www.munition-im-meer.de). Sanderson et al. (2008) nehmen an, dass die Freisetzung der chemischen Kampfstoffe aufgrund der Korrosion der Metallhüllen in den nächsten Dekaden verstärkt erfolgen wird. Durch das „Wegrosten“ wird aber auch die Detektion der Metallkörper chemischer und konventioneller Munition, die gegenwärtig fast ausschließlich über Magnetometer erfolgt, schwieriger. Um neue bzw. verbesserte Methoden der Detektion zu diskutieren und zu entwickeln, hat sich das ZIM-Netzwerk „Munitect“ formiert, in dem wir die HAW als Partnerinstitution vertreten.

„Emerging Substances“ – Nanomaterialien und Seltene Erden

Während die Gefährdungspotenziale historischer Schadstoffe in Gewässern hinreichend bekannt sind, werden  – verbunden mit industriellen Weiterentwicklungen – neue Schadstoffe in die Umwelt eingebracht, über deren Toxizität wenig bekannt ist. Hierzu zählen nano-Titandioxid und seltene Erdmetalle wie Lanthan. Für nano-TiO2 zeigen Modellrechnungen, dass in den nächsten Jahrzehnten mit einer erheblichen Anreicherung im Sediment zu rechnen ist. Wir konnten zeigen, dass die photokatalytische Aktivität der Nanopartikel bei einem Vertreter der ökologisch wichtigen Gruppe der Nematoden zu einer erhöhten Toxizität führt (Angelstorf et al., 2014). In Gegenwart von Cadmium scheint sich dieser Effekt zu verstärken. Da Schwermetalle wie Cadmium und nano-TiO2 im Sediment belasteter Flüsse wie der Elbe gemeinsam auf Organismen wirken werden, ist diese Fragestellung von großer ökologischer Relevanz.

Demgegenüber findet die Emission von Lanthan in den Rhein in erheblichen Mengen bereits seit Jahren statt. Da Lanthan regulatorisch nicht erfasst und ökotoxikologisch nur eingeschränkt untersucht worden ist, wurde ein Review zur aquatischen Toxizität von Lanthan auf der Basis veröffentlichter, zuverlässiger Daten erstellt. Demnach liegt die Toxizität von Lanthan in der gleichen Größenordnung wie die anderer Schwermetalle. Davon ableitend wurde erstmals ein Umweltqualitätskriterium für Wasser und Sedimente vorgeschlagen (Herrmann et al., 2016).

Die Quelle der Emissionen in den Rhein sind bekannt. Über diffuse Quellen, die zur Anreicherung von Lanthan in der Umwelt führen können, bzw. welche Toxizität davon ausgehen würde, ist nichts bzw. wenig bekannt.  Daher wird zurzeit ein Stoffstrommodell für Deutschland erstellt, um die verfügbare Information zusammenzutragen. Die Umweltparameter, die die Toxizität maßgeblich beeinflussen, werden in diesem Projekt „REEchange“ untersucht.

Kontakt

Prof. Dr. Susanne Heise
Telefon: +49-40-428 75-6217
Email: susanne.heise(at)haw-hamburg.de
Position: Arbeitsgruppenleiterin
Internet: www.aat-haw.de

Literatur

ANGELSTORF, J. S., AHLF, W., VON DER KAMMER, F. & HEISE, S. 2014. Impact of particle size and light exposure on the effects of TiO2 nanoparticles on Caenorhabditis elegans. Environmental Toxicology and Chemistry, 33, 2288-2296.

HEISE, S. 2015. Zur Belastung von Sedimenten mit Spurenmetallen und historischen, organischen Schadstoffen in Altarmen der Elbe. HyWa, 59, 332-341.

HEISE, S., CLAUS, E., HEININGER, P., KRÄMER, T., KRÜGER, F., SCHWARTZ, R. & FÖRSTNER, U. 2005. Studie zur Schadstoffbelastung der Sedimente im Elbeeinzugsgebiet, Hamburg, Commissioned by the Hamburg Port Authority.

HEISE, S. & FÖRSTNER, U. 2006. Risks from Historical Contaminated Sediments in the Rhine Basin. In: KRONVANG, B., FAGANELI, J. & OGRINC, N. (eds.) The Interactions Between Sediments and Water. Springer Netherlands.

HEISE, S., KRÜGER, F., BABOROWSKI, M., STACHEL, B., GÖTZ, R. & FÖRSTNER, U. 2008. Bewertung der Risiken durch Feststoffgebundene Schadstoffe im Elbeeinzugsgebiet. Hamburg: Im Auftrag der Flussgebietsgemeinschaft Elbe und Hamburg Port Authority.

HERRMANN, H., NOLDE, J., BERGER, S. & HEISE, S. 2016. Aquatic ecotoxicity of lanthanum – A review and an attempt to derive water and sediment quality criteria. Ecotoxicology and Environmental Safety, 124, 213-238.

LEIPE, T., KERSTEN, M., HEISE, S., POHL, C., WITT, G., LIEHR, G., ZETTLER, M. & TAUBER, F. 2005. Ecotoxicity assessment of natural attenuation effects at a historical dumping site in the western Baltic Sea. Marine Pollution Bulletin, 50, 446-459.

LIEHR, G. A., HEISE, S., AHLF, W., OFFERMANN, K. & WITT, G. 2013. Assessing the risk of a 50-year-old dump site in the Baltic Sea by combining chemical analysis, bioaccumulation, and ecotoxicity. Journal of Soils and Sediments, 1-14.

SANDERSON, H., FAUSER, P., THOMSEN, M. & SØRENSEN, P. B. 2008. Screening level fish community risk assessment of chemical warfare agents in the Baltic Sea. Journal of Hazardous Materials, 154, 846-857.

SÖDERSTRÖM, M. 2014. WP3. Summary of chemical analysis of sediment samples. . In: AL., B. E. (ed.) CHEMSEA Findings. Gdańsk: Institute of Oceanology Polish Academy of Sciences.