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Dynamische Biotests

in der Gewässerüberwachung

Zur zeitnahen Überwachung von Fließgewässern werden neben den gängigen physikalisch-chemischen Messverfahren auch biologische Messmethoden, sogenannte "kontinuierliche Biotestverfahren" eingesetzt. Sie zeigen in Ergänzung zu chemischen Analysen, mit denen >z. B. außergewöhnliche Konzentrationserhöhungen von Einzelstoffen nachgewiesen werden können, direkt Wirkungen von Stoffen und Stoffgemischen an. Da diese Informationen mit anderen Methoden nicht zu erreichen sind, stellen sie eine notwendige Ergänzung zu physikalisch-chemischen Analysenverfahren bei der Gewässerüberwachung dar.

Die Reaktionen von Organismen in Testgeräten, die in einer Messstation kontinuierlich einem Teilstrom des Gewässers ausgesetzt sind, können direkt zur Bewertung von Stoßbelastungen herangezogen werden oder eine intensivierte Analytik zur Ursachenermittlung auslösen. Gravierende Schädigungen der Testorganismen werden stets als Hinweis auf eine mögliche Schädigung der Gewässerbiozönose gesehen. Sie können Veranlassung sein, weitergehende biologische Untersuchungen durchzuführen, um Auswirkungen auf die Gewässerorganismen festzustellen. So wurden z. B. an verschiedenen Stellen im Rhein künstliche Substrate ausgebracht, die im Alarmfall unverzüglich auf ihre Besiedlung hin überprüft werden können. Da die biologische Wirkung eines Stoffes nicht von einer chemischen Analyse abgeleitet werden kann und mit chemisch-analytischen Methoden nicht jederzeit alle Schadstoffe nachgewiesen werden können, sind biologische Testverfahren für Überwachungsnetze unverzichtbar.

Entwicklung

In den 70er Jahren wurden von Biologen des nordrhein-westfälischen Landesamtes für Wasser und Abfall (LWA) - heute LANUV - die ersten kontinuierlichen Biotestverfahren entwickelt. Veranlassung waren verschiedene Schadensfälle, verbunden mit Fischsterben größeren Ausmaßes am Niederrhein. In Zusammenarbeit zwischen dem LWA und der Landesstelle für Gewässerkunde Baden-Württemberg entstand 1971 eine Testapparatur, aus der später der Kerren-Strömungsfischtest hervorging. Als Testkriterium dient die Fähigkeit der eingesetzten Goldorfen, sich einer in periodischen Abständen von 10 Minuten erzeugten Strömung entgegen zu stellen und dabei ihre Schwimmposition zu behalten. Unter der Einwirkung von Schadstoffen verlieren die Fische diese Fähigkeit und werden abgedriftet, was vom Testgerät automatisch registriert und im Wiederholungsfall als Alarmmeldung herausgegeben wird. Das Testsystem wurde im Laufe der Jahre modifiziert und optimiert. Ab 1972 wurden Strömungsfischtests in den Wasserkontrollstationen (WKSt) Kleve-Bimmen und Bad-Honnef am Rhein eingesetzt.

Der Dynamische Daphnientest - Testaufbau

In Ergänzung zum Strömungsfischtest wurde von Mitarbeitern des LWA ein Testsystem mit Wasserflöhen, der "Dynamische Daphnientest", entwickelt.

In diesem Testsystem wird das Schwimmverhalten von Daphnien über optische Sensoren beobachtet. Schadstoffe im Wasser rufen bei den Daphnien ein verändertes Schwimmverhalten hervor. Weichen diese Veränderungen signifikant vom Normalverhalten ab, wird durch das Testsystem Alarm ausgelöst. Seit 1982 werden Dynamische Daphnientests neben den Strömungsfischtests in den Wasserkontrollstationen eingesetzt. Als im November 1986 mit Pestiziden verunreinigtes Löschwasser beim Sandoz-Brand in den Oberrhein gelangte, konnte mit dem Dynamischen Daphnientest in der Wasserkontrollstation Bad Honnef der Eintritt der Schadstoffwelle nach NRW verfolgt werden. Nicht zuletzt deshalb wurden die beiden kontinuierlichen Biotestverfahren neben physikalisch-chemischen Messmethoden feste Bestandteile der intensivierten Gewässerüberwachungs-Organisation (INGO) in NRW.

Die breite Schadstoffpalette, mit der bei Gewässerverunreinigungen gerechnet werden muss, machte eine Weiterentwicklung der Biotests erforderlich. Das LWA nahm deshalb von 1989 bis 1992 an einem von der Deutschen Kommission zur Reinhaltung des Rheins (DKRR) initiierten Verbundvorhaben teil, in dem insgesamt 22 kontinuierliche Testverfahren entweder weiter- oder neu entwickelt wurden. Für alle trophischen Ebenen wurden abschließend Geräte für den Einsatz im Rhein empfohlen. Von der Entwicklung eines Geräteprototypen bis zu seiner Einsatzfähigkeit als kontinuierliches Messgerät in einer unbemannten Messstation ist jedoch ein langer Weg. Von den neuartigen Testverfahren wurde deshalb zunächst nur der "Dreissena-Monitor" vom LWA in die Biotestpalette in den Messstationen mit aufgenommen. Das Testprinzip des Dreissena-Monitors beruht auf der Registrierung der Schalenbewegungen der Dreikantmuschel (Dreissena polymorpha). Sinkt der prozentuale Anteil offener Muscheln (Vermeidung eines Kontaktes zum Außenmedium und einer möglichen späteren Schädigung des Organismus) oder steigt die Häufigkeit der Schalenbewegungen sprunghaft an, so deutet dies auf einen Schadstoffeinfluss hin.

Alarmbeispiele

eizöl in Düsseldorf 1997

Am 16. Januar 1997 kollidierten bei Düsseldorf-Reisholz (Rheinkilometer 723) zwei Motortankschiffe miteinander. Aus einem der Schiffe trat in der Folge leichtes Heizöl aus; der Geruch war in weiten Teilen Düsseldorfs deutlich wahrzunehmen. In Rückstellproben konnten entsprechende Konzentrationen an Kohlenwasserstoffen analysiert werden. Als die Welle ölhaltigen Wassers kurze Zeit später die WKSt Rhein-Mitte (Düsseldorf-Rathausufer, Kilometer 744) passierte, lösten die dort installierten Biotestverfahren Alarm aus:

Reaktion von Wasserflöhen im Dynamischen Daphnientest
(blau/grün: Daphnienaktivität in 2 Testkammern [Impulse pro Zyklus]
rot: Konzentration Kohlenwasserstoffe

Im Dynamischen Daphnientest war innerhalb kurzer Zeit eine deutliche Verminderung der Schwimmaktivität der Wasserflöhe zu verzeichnen.

Reaktion von Muscheln im Dreissena-Monitor auf die Einleitung von Heizöl
blau: Anteil offener Muscheln in %
rot: Konzentration Kohlenwasserstoffe

Im Dreissena-Monitor sank der Anteil offener Muscheln unter der Einwirkung des mit Heizöl belasteten Rheinwassers von über 80% auf unter 35% ab. Nachdem die Schadstoffwelle durchgelaufen war, öffneten die Muscheln ihre Schalen wieder, wobei das Ausgangsniveau erst nach einigen Tagen erreicht wurde. Dies war vermutlich auf Rückstände des ölhaltigen Wassers in den Zuleitungen zu den Testsystemen zurückzuführen.

Benzol/Styrol in Büderich / Kleve-Bimmen 1999

Bei der Routine-Untersuchung einer Stichprobe aus dem Rhein bei Büderich (Rhein-Kilometer 812) am 21. April 1999 um 10 Uhr wurden im Labor der WkSt Kleve-Bimmen 50 µg/l Benzol (Wassergefährdungsklasse WGK 3, stark wassergefährdend) sowie 5 µg/l Styrol (WGK 2, wassergefährdend) mit zunächst unbekannter Herkunft nachgewiesen. Während darauf hin in der WkSt Kleve-Bimmen bis Mitternacht durch stündliche Probenuntersuchungen der Verlauf der Schadstoffwelle verfolgt wurde, ergaben Nachfragen bei der auf der anderen Rheinseite in den Niederlanden gelegenen Messstation Lobith, dass dort ebenfalls erhöhte Konzentrationen von Benzol gefunden wurden. Dagegen waren die Untersuchungen von Abwasserproben der in Frage kommenden industriellen Einleiter am betreffenden Rheinabschnitt ohne Befund. Die Ermittlungen des Zentralen Kriminalkommissariates Umweltschutz der Wasserschutzpolizei Duisburg konzentrierten sich darauf hin auf die Binnenschifffahrt. Abschließend konnte der Schiffsführer eines Frachtschiffs als Verursacher der Gewässerverunreinigung (durch Abpumpen/Auswaschen der Ladungsreste) ermittelt werden.

Neben den chemischen Befunden wurde auch in einem kontinuierlichen Biotestverfahren eine Reaktion auf die beiden Stoffe nachgewiesen: Die im Dreissena-Monitor eingesetzten Muscheln zeigten durch eine erhöhte Zahl ihrer Schalenbewegungen eine auffällige Reaktion auf den Durchlauf der Schadstoffwelle.

Anstieg der Schalenbewegungen von Muscheln im Dreissena-Monitor als Reaktion auf erhöhte Konzentrationen von Benzol (21.4.1999)
blau/grün: Schalenbewegungen in 2 Rinnen
gelb: Konzentration Benzol

Im Fisch- und Daphnientest wurden keine Verhaltensauffälligkeiten beobachtet. Von einer nachhaltigen Gefährdung der Lebensgemeinschaft des Rheins durch die beiden nachgewiesenen Substanzen war aber nicht auszugehen, da die Schadstoffwelle von relativ kurzer Dauer war und die gemessenen Konzentrationen weit unterhalb der akut toxischen Grenzkonzentrationen lagen.

Aktueller Stand

Kontinuierliche Biotestsverfahren haben sich als Element der zeitnahen Gewässerüberwachung in NRW bewährt. In den 70er und 80er Jahren wurden von den Strömungsfischtests und Dynamischen Daphnientests häufig Alarme angezeigt. Heutzutage erscheint der Strömungsfischtest jedoch aufgrund der verbesserten Rheinqualität und der sinkenden Belastung durch Schadstoffstöße als für die Rheinüberwachung zu unempfindlich. Da in den letzten Jahren kein Alarm im Strömungsfischtest mehr registriert wurde, wurden die Geräte Ende 1999 abgeschaltet.

Da der Dynamische Daphnientest das am weitesten verbreitete kontinuierliche Biotestverfahren am Rhein ist, wurden in 1999 von den Überwachungsbehörden am Rhein Anstrengungen zur Vereinheitlichung der Aus- und Bewertung der Messdaten sowie die Einbindung des Testverfahrens in nationale Alarmpläne unternommen.

Ausblick

Insgesamt hat sich die Beobachtung des Schwimmverhaltens der Wasserflöhe als geeignetes Überwachungskriterium herausgestellt. Teilweise traten im Dynamischen Daphnientest jedoch Probleme aufgrund der unzureichenden Methode der Messwertaufnahme auf. Als Fortschritt in der Messtechnik ist deshalb die Entwicklung von Daphnientests zu werten, die auf der Auswertung von Videobildern beruhen. Diese neuartigen Geräte haben den Vorteil, dass mehrere Verhaltensparameter zugleich erfasst und zur Alarmauslösung herangezogen werden können. Derartige Geräte werden von den jeweiligen Herstellern in Zusammenarbeit mit Überwachungsbehörden an Rhein und Elbe zur Praxisreife gebracht.

Da die verschiedenen Biotestverfahren untereinander nicht ersetzbar sind, ist anzustreben, jeweils eine Testbatterie mit Funktionsträgern unterschiedlicher trophischer Ebenen (Destruenten, Primärproduzenten, Konsumenten) zu implementieren. Der Einsatz von Bakterientests zur Überwachung von Oberflächengewässer ist derzeit jedoch nicht geplant, da sich die im Verbundforschungsvorhaben getesteten Bakterientests sich als zu unempfindlich erwiesen haben. Ein kontinuierlicher Leuchtbakterientest ist eher für die Überwachung von Abwassereinleitungen von Interesse, bei denen mittels statischer Leuchtbakterientests regelmäßig eine Hemmwirkung angezeigt wird. Ergänzt werden soll die Testpalette in den nordrhein-westfälischen Messstationen mittelfristig durch einen Algentest, bei dem als Messkriterium die Änderung des Fluoreszenzverhaltens infolge einer Schädigung der Photosynthese-Vorgänge dient.

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