Durch den Grundwasserwiederanstieg in einigen Bereichen des Sanierungsbergbaus in der Lausitz gelangt saures und eisenhaltiges Grundwasser in die Oberflächengewässer. Die Oxidation des Eisens führt zu einer sichtbaren Braunfärbung der Gewässer. Die Eisenhydroxidschlämme lagern sich auf dem Gewässersediment und an Bauwerken ab. Dabei sind negative Auswirkungen auf die Biozönose und die Morphologie des Fließgewässers zu erwarten. Die Broschüre basiert auf einer Studie im Rahmen des Projektes VODAMIN. Durch statistische Aufbereitung wurden Effektkonzentrationen bestimmt, die einen möglichen Zusammenhang zwischen ansteigenden Eisenkonzentrationen und sich reduzierender Artenvielfalt im Fließgewässer darstellen.

Um die Effekte von Umweltchemikalien auf Populationen von Fließgewässerorganismen zu untersuchen, sind an der TU Dresden Fließrinnen entwickelt worden. Die Komplexität wurde bewusst reduziert, um die beobachteten Effekte besser kausal analysieren zu können. Nach einer Erweiterung des Nahrungsnetzes um Grazer (Eintagsfliegen-Larven) und der weiteren Optimierung der Methode zur Bestimmung des Aufwuchses (Periphyton) wurden 2 Experimenten mit einem Pflanzenschutzmittel (Fenoxycarb) und einer Industriechemikalie (Bisphenol A) durchgeführt, um die Effekte dieser Chemikalien auf den Aufwuchs, die Eintagsfliegen-Larven Rhithrogena semicolorata und Seratella ignita, sowie Oligochaeten der Art Lumbriculus variegatus zu erfassen. Die Wirkung von Fenoxycarb in 4 Konzentrationen von 0,05 bis 50 µg L-1 wurde über eine Dauer von 101 Tagen untersucht. Auf die physiko-chemischen Parameter, den Aufwuchs und L. variegatus wurden keine Effekte festgestellt. Bei R. semicolorata wurden Effekte auf das Überleben und die Emergenz beobachtet. Für den Endpunkt "Anzahl der toten Larven in der Fließrinne" wurde eine LC50 von 3,3 µg L-1 bestimmt. Die akute Toxizität (48 h LC50) von Fenoxycarb für S. ignita ist größer als 5 mg L-1. Bei Larven von S. ignita wurden 72 Tage nach Applikation Effekte beobachtet werden, die dem Wirkmechanismus von Fenoxycarb entsprechen. In der höchsten Konzentration zeigten ca. 80 % der emergierten Tiere morphologische Abnormalitäten an 4 Segmenten des Abdomens. Die Exposition erfolgte möglicherweise durch an Aufwuchs bzw. Detritus gebundene Substanz oder deren Metabolite, da die Substanz 19 Tage nach Applikation im Wasser nicht mehr nachweisbar war. Im zweiten Experiment wurde Wirkung von Bisphenol A in 3 Konzentrationen von 5 bis 500 µg L-1 (effektiv 0,24 bis 24,1 µg L-1) über eine Dauer von 103 Tagen untersucht. Auf die physiko-chemischen Parameter wurde kein Einfluss festgestellt. Der Aufwuchs in der höchsten Konzentration erreichte nur die Hälfte des Biomasse-Maximums der Kontrolle. Die EC10 beträgt 1,8 und die EC50 21,7 µg L-1 (effektiv). Das Populationswachstum von Lumbriculus variegatus war in den beiden höchsten Konzentrationen im Vergleich zur Kontrolle um ca. 50 % reduziert. Die akute Toxizität (LC50 96 h) für L. variegatus beträgt 5,3 mg L-1. Für das Populationswachstum in den Fließrinnen wurde eine EC10 von 0,11 µg L-1 (effektiv) ermittelt, die um den Faktor 48184 unter der akuten Toxizität liegt. - Anlage: Rohdaten (0,53 MB)- Nutzung: Referat Informationsvermittlung der SLUB"

Im Rahmen dieser Arbeit sollte geprüft werden, welchen Einfluss die Aufnahmewege Wasser und Nahrung auf die Toxikokinetik der 14C-markierten Testsubstanzen Terbutryn und Benzo[a]pyren bei den aquatischen Invertebraten Gammarus fossarum, Asellus aquaticus und Lumbriculus variegatus haben. Es wurden die toxikokinetischen Parameter zur Aufnahme und Elimination von 14C-Terbutryn und 14C-Benzo[a]pyren in Biokonzentrations- und Biomagnifikationsexperimenten untersucht. Die Verwendung der Tracertechnik ermöglichte Untersuchungen zum Metabolismus mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC). Hierzu wurden Extraktionsmethoden und Trennsysteme für den Nachweis der Metabolite in den Organismen, in Blattscheiben und im Hälterungswasser entwickelt. Für 14C-Terbutryn und 14C-B[a]P konnte das Wasser als Hauptaufnahmeweg für die untersuchten Invertebraten identifiziert werden. Die beiden Testsubstanzen wurden bei den untersuchten Invertebraten über die Nahrung aufgenommen. Es fand jedoch keine Anreicherung über die Nahrung statt. Die Aufnahme von 14C-Terbutryn und 14C-B[a]P erfolgte bei den untersuchten Invertebraten über das Wasser schneller als über die Nahrung. Die Elimination von 14C-Terbutryn nach Aufnahme über die Nahrung erfolgte mit Ausnahme von A. aquaticus bei den untersuchten Organismen langsamer als nach Aufnahme über das Wasser. 14C-B[a]P wurde durch die untersuchten Organismen mit Ausnahme von G. fossarum nicht wieder eliminiert. Für die untersuchten aquatischen Invertebraten wurden Korrelationen zwischen dem log Kow und dem log BCF durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass es eine lineare Beziehung zwischen log Kow und log BCF gibt. Jedoch bestehen in Abhängigkeit von der Spezies und der Substanz Unterschiede in den Eigenschaften der Regressionsgeraden sowie in der Güte der Anpassung.

Existing ecotoxicity data for chemicals vary to a high extent between the environmental compartments water and sediment, since the evaluation of contaminants has historically focused on water exposition. Many anthropogenic chemicals and waste materials, including toxic organic and inorganic chemicals, adsorb to particulate matter and accumulate in sediments, and may thus be a threat to organisms living in the sediment. The invertebrates Chironomus riparius and Lumbriculus variegatus were selected as representatives of endobenthic living organisms. Acute toxicity tests, via water-only exposure, and sediment toxicity tests were conducted with the two endobenthic invertebrates. In sediment toxicity tests, organisms are mainly exposed to sediment- and particle-bound chemicals and dissolved chemical in the pore water. Toxicity data for algae, daphnids, and fish (via water-only exposure) are available for many substances, whereas the existing sediment toxicity data are rather rare. Thus, the interest arises to predict sediment toxicity for sediment-dwelling invertebrates from existing acute toxicity data of tests with water-only exposure. The main emphasis of this work was placed on one metal compound and seven organic chemicals. The objective of this study was fivefold: (1) develop methods and improve existing procedures on acute and sediment toxicity testing of the two invertebrates; (2) conduct both acute toxicity tests via water exposure and long-term sediment toxicity tests for the selected model substances to generate data for comparative discussion; (3) assess correlations among acute toxicity data of the organisms exposed via water-only and correlations among sediment toxicity data of the two endobenthic invertebrates for the eight tested chemicals; (4) assess possible forecasting for sediment toxicity from acute toxicity (via water-only exposure) and (5) assess exposure effects to determine the main exposure route. Acute toxicity data of the eight tested chemicals of D. magna significantly correlated with data of L. variegatus and C. riparius (p<0.05). However, a prediction of toxicity based on D. magna data bears high uncertainty, due to the small data set and high variation in sensitivity of the organisms. Existing sediment toxicity test methods were improved to meet the demand for artificial sediments containing organic matter that serves sufficiently as internal food source for the test organisms, and thus representing natural exposure conditions. However, the sediments that were used for the two organisms to test the selected model substances differed in sediment composition. Therefore, a sediment with the same sediment composition and the same water-to-sediment ratio for both invertebrates was developed, to have similar exposure conditions. In sediment toxicity tests, C. riparius was observed to be more sensitive than L. variegatus and no correlation was observed among data of the invertebrates. For the selected substances, lowest effect concentrations were observed for 3,4-dichloroaniline, whereas effect concentrations were the highest for benzo[a]pyrene. No correlations were found between the acute toxicity data of exposure via the water phase and sediment toxicity data, thus making a prediction of sediment toxicity data impossible. From analytical measurements of chemicals concentration in the compartments overlying, pore water, and bulk sediment, partition coefficients on sediment water partitioning were calculated. The highest partition coefficient ratios for sediment water partitioning were found for the high lipophilic organic substances 4,4-dichlorodiphenyltrichloroethan (DDT) and benzo[a]pyrene. Further, it was found that the main exposure routes in the 28-day sediment toxicity tests were not only chemical but species-dependent. As a result of very differing exposure routes for the tested chemicals and the absence of correlations from the acute to sediment toxicity data, sediment toxicity tests are necessary to assess the toxicity of chemicals on sediment inhabiting organisms. / In den meisten standardisierten ökotoxikologischen Untersuchungen zur Abschätzung des Gefährdungspotentials von Chemikalien für Gewässer erfolgt die Exposition der Organismen über die Wasserphase. Viele Schadstoffe, die in die aquatische Umwelt gelangen, adsorbieren aufgrund ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften an die Oberflächen von Schwebstoffen, sedimentieren und erreichen Sedimentkonzentrationen, die möglicherweise eine Gefahr für sedimentbewohnende Organismen darstellen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden für benthische Invertebraten Testverfahren etabliert, bei denen eine Exposition der Organismen über das Sediment, hier hauptsächlich über die an ingestierte Sedimentbestandteile gebundene oder über die im Porenwasser gelöste Chemikalie (28-Tage Sedimenttoxizitätstest), und über dieWasserphase (Akuttoxizitätstest) erfolgte. Die Invertebraten Chironomus riparius und Lumbriculus variegatus wurden als typische Vertreter endobenthischer Organismen ausgewählt. Für viele Chemikalien liegen Daten zur akuten Toxizität für Algen, Daphnien und Fische für die Wasserexposition vor. Demgegenüber sind nur wenige Daten zur Toxizität für benthische Organismen weder mit einer Wasser- noch mit einer Sedimentexposition vorhanden. Als Modellsubstanzen wurden eine anorganische und sieben organische Substanzen für die Untersuchungen ausgewählt. Ziele dieser Arbeit waren: (1) die Entwicklung und Verbesserung von bestehenden Methoden zur Bestimmung der akuten Toxizität mitWasserexposition und der Sedimenttoxizität für die beiden Invertebraten; (2) die Durchführung der Tests mit den acht ausgewählten Modellsubstanzen zur vergleichenden Betrachtung; (3) die Beurteilung einer Korrelation der Daten zur Akuttoxizität innerhalb der verschiedenen Organismen mit Wasserexposition und einer Korrelation der Daten zwischen den beiden benthischen Organismen bei Sedimentexposition; (4) die Beurteilung einer Korrelation zwischen Daten der benthischen Invertebraten zur Akuttoxizität mit Wasserexposition und Sedimenttoxizität und (5) die Ermittlung und Bewertung der Expositionspfade. Die Akuttoxizitätsdaten von D. magna korrelieren significant (p<0.05) mit den Daten der beiden Invertebraten. Jedoch ist eine Vorhersage aufgrund des kleinen Datensatzes und der großen Unterschiede in der Empfindlichkeit der Arten abzulehnen. Um einer möglichst natürlichen Expositionssituation in Sedimenten zu entsprechen, wurden künstliche Sedimente mit interner Futterquelle, die auch mit der zu testenden Chemikalie kontaminiert wurde, entwickelt und für die Tests mit den Modellsubstanzen verwendet. Ein Nachteil war die unterschiedliche Sedimentzusammensetzung für die beiden Organismen. Um gleiche Expositionsbedingungen für beide Testorganismen zu gewährleisten, wurde ein artifizielles Sediment mit gleicher Zusammensetzung und gleichem Volumenverhältnis zwischen Sediment und Überstandswasser entwickelt. In den Sedimenttoxizitätstests reagierte C. riparius empfindlicher als L. variegatus. Die Effektkonzentrationen waren am niedrigsten für 3,4-Dichloraniline und am höchsten für Benzo[a]pyren. Die Korrelationen zwischen den Ergebnissen aus Akut- und Sedimenttoxizitstests waren nicht signifikant (p>0.05). Folglich läßt sich die Sedimenttoxizität nicht aus Daten zur akuten Toxizität mit Wasserexposition abschätzen. Aus den analytischen Messungen von Sediment-, Porenwasser- und Überstandswasserproben wurden die Koeffizienten für die Verteilung zwischen Sediment und Wasser berechnet. Für die stark lipophilen Stoffe, 4-Dichlorodiphenyltrichloroethan (DDT) und Benzo[a]pyren wurden die höchsten Koeffizienten errechnet. Weiterhin wurde festgestellt, daß die Hauptexpositionspfade in Sedimenttoxizitätstests einerseits von der Chemikalie und andererseits von der verwendeten Spezies abhängen. Aufgrund der Ergebnisse dieser Arbeit und der Tatsache, daß Sedimente “Senken” für viele Schadstoffe sind, müssen zur Erfassung und Bewertung des Gefährdungspotentials von Chemikalien gegenüber Sedimentbewohnern weiterhin Sedimenttoxizitätstests durchgeführt werden.

Das Schutzziel in der Ökotoxikologie ist die Population. Un­ter­suchungen zur Wirkung von subletalen Konzentrationen einer Umweltchemikalie auf Populationsebene, zum Beispiel mit künst­lichen Fließgewässersystemen (Mikrokosmen) können aussagekräftigere Beiträge zur ökotoxikologischen Bewertung einer Umweltchemikalie liefern. Außerdem können bei solchen Untersuchungen mögliche indirekte Effekte erfaßt werden. Über die Reaktion von Fließgewässer-Biozönosen gegenüber Um­welt­chemikalien ist relativ wenig bekannt. Die überwiegende Zahl der Untersuchungen zur Abschätzung des Ge­fähr­dungs­po­tentials von Umweltchemikalien wurde mit Testsystemen für Lebensgemeinschaften in stehenden Gewässern untersucht. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse dieser Tests auf Fließgewässer-Lebensgemeinschaften ist meist nicht gegeben. Daher ist es notwendig Testsysteme zu etablieren, mit denen die Wirkung von Umweltchemikalien auf Fließgewässer-Le­bens­ge­mein­schaf­ten untersucht werden kann. In einem Gewächshaus wurden fünf Fließrinnen etabliert, mit denen die physikalisch-chemischen Bedingungen in einem Bach simuliert werden können. Im Ge­gensatz zu Untersuchungen einer komplexen Le­bens­ge­mein­schaft mit hoher Variabilität, wie sie sich beispielsweise durch das Einbringen von na­tür­lich­em Sediment aus Fließgewässern einstellt, wurde in diesen Experimenten die Wirkung von Che­mikalien auf eine einfache Lebensgemeinschaft untersucht. Die Le­bens­ge­mein­schaft in den Fließrinnen bestand deshalb aus wenigen, aus­ge­wählten Arten. Untersucht wurden die Kon­zen­tra­tionen 0,6, 6, 60 und 600 µg/l (Terbutryn) und 0,05, 0,5, 5 und 50 µg/l (Fenoxycarb). Gegenstand der vorliegenden Arbeit waren die Untersuchungen mit Gammarus fossarum. In einem akuten Toxizitätstest wurde die LC50 von Terbutryn für adulte und juvenile Gammariden ermittelt. In den Fließ­rin­nen­ex­perimenten mit Terbutryn und Fenoxycarb wurden po­pu­la­tions­relevante Pa­ra­meter der Gammaridenpopulationen untersucht. Ob und in welchem Um­fang sich Effekte, die mit den Stan­dard­tests gemessen wurden, auf bestimmte öko­toxi­ko­lo­gi­sche End­punkte der Population auswirken, kann nicht immer unmittelbar abgeleitet werden. Eine Möglichkeit wäre die aufwendige Durchführung von Po­pu­la­tionsexperimenten mit einfachen oder komplexeren Mo­dell­öko­systemen über eine lange Zeit. Eine andere Möglichkeit ist die Nutzung mathematischer Modelle zur Beschreibung der Populationsdynamik. Das begleitend zu den Untersuchungen entwickelte individuenbasierte Re­pro­duk­tions­modell GamMod bildet die Populationsdynamik einer ab­ge­schlos­senen Population von Gammarus fossarum in künstlichen Fließgewässersystemen ab. Es wird die Struktur und Dy­na­mik des realen Systems (Populationsdynamik) unter Ein­beziehung der Kenntnisse des Reproduktionszyklus modelliert. Mo­dell­szenarien sollen Aus­sagen über den Einfluß der Än­der­ung einer Variablen bezüglich der Populationsdynamik liefern.

Bei zwei Fließgewässern (Lockwitzbach und Körsch) wurde ein Expositions- und Effektmonitoring an Probenahmestellen jeweils ober- und unterhalb des Einleiters eines kommunalen Klärwerks über einen Zeitraum von zwei Jahren durchgeführt. Gegenstand der vorliegenden Arbeit waren dabei die Untersuchungen zur Populationsstruktur und -dynamik von Gammarus fossarum (Amphipoda, Crustacea). Folgende Populationsvariablen wurden erfasst: Abundanz, Geschlechterverhältnis, Anteil von Juvenilen, Anteil brütender Weibchen, Fekundität, Körperlängen und Infektion mit Acanthocephalen. Erstmalig wurde Intersexualität bei G. fossarum festgestellt. Im Lockwitzbach war der Anteil an Intersexen bei den adulten Gammariden mit etwa 5 - 15 % höher als in der Körsch mit < 1 %. Intersexualität wurde nicht durch die Einleiter induziert. Bei den Intersexen handelt es sich um funktionelle Weibchen. Wodurch dieses Phänomen ausgelöst wird und welche Bedeutung es für die Population hat, ist unbekannt. In den Freilanduntersuchungen wurden im Projekt Xehogamm (Umweltbundesamt Berlin, FKZ 299 65 221/05), in dessen Rahmen diese Dissertation entstand, verschiedene Umweltchemikalien im Bachwasser analysiert. Bei Vertebraten ist eine östrogene Wirksamkeit dieser Substanzen bekannt oder wird vermutet. In den Gammaridenpopulationen unterhalb der Klärwerkseinleiter waren wichtige populationsrelevante Variablen im Vergleich zu oberhalb verändert. An der unteren Probenahmestelle bei der Körsch war der Anteil der Juvenilen mit der kleinsten Körperlänge sowie der Anteil brütender Weibchen erniedrigt. Tendenziell traf dies auch für die untere Probenahmestelle beim Lockwitzbach zu. Bei der Körsch ist außerdem der frühere Beginn der herbstlichen Reproduktionspause und die geringere Körperlänge adulter Gammariden möglicherweise auf endokrine Umweltchemikalien im Wasser des Einleiters zurückzuführen. Von den nachgewiesenen Substanzen wurde eine Einzelsubstanz, Bisphenol A, für ein Fließrinnenexperiment ausgewählt. In künstlichen Fließrinnen im Gewächshaus wurde G. fossarum paarweise, in Gruppen sowie als größenstrukturierte Population in der Fließrinne selbst über 103 Tage exponiert, und verschiedene Populationsvariablen wurden erfasst. Die Nominalkonzentrationen von Bisphenol A in drei Fließrinnen betrugen 5, 50 und 500 µg/L. In den ersten drei aufeinanderfolgenden Bruten zeigte sich in der höchsten Bisphenol A-Konzentration die größte Brutgröße. Im weiteren Verlauf des Experiments übte Bisphenol A einen hemmenden Einfluss auf die Reproduktion der Gammariden aus. Basierend auf den Nominalkonzentrationen wurden folgende EC10-Werte berechnet: Anteil reproduzierender Weibchen für die 4. Brut (bei Gammaridenpaaren): 22 µg/L, Brutgröße der 4. Brut (bei Gammaridenpaaren): 11 µg/L, Anteil brütender Weibchen (Population): 212 µg/L und Anteil Juveniler (Population): 153 µg/L Bisphenol A. Die EC10-Werte basierend auf Effektivkonzentrationen für dieselben Endpunkte betragen: bei den Paaren 1,1 µg/L (reproduzierende Weibchen) und 0,5 µg/L (Brutgröße), in der Population 10 µg/L (Anteil brütender Weibchen und Anteil Juveniler). Im Fließrinnenexperiment wurde Bisphenol A zwar in höheren Konzentrationen als im Freiland vorhanden eingesetzt, die beobachteten Effekte weisen jedoch in dieselbe Richtung wie die Effekte im Freiland. Daher kann nicht ausgeschlossen werden, dass auch die Effekte im Freiland auf einer endokrinen Wirkung von Umweltchemikalien beruhen könnten. Zusätzlich wurde der Einfluss von Bisphenol A auf die Osmoregulation bei G. lacustris untersucht, wobei unterschiedliche Effekte auf die Natrium- und Calciumkonzentration, nicht jedoch auf die Osmolalität, in der Hämolymphe nachgewiesen wurden. Anlage: Rohdaten (3,87 MB)- Nutzung: Referat Informationsvermittlung der SLUB