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Überwachung der Wasserqualität des Rheins

Am heutigen Mittwoch (21. Mai .2025) wurde in Düsseldorf Flehe eine modernisierte Messstelle zur Überwachung der Wassergüte im Rhein in Betrieb genommen. Der Messcontainer wird vom Landesamt für Natur, Umwelt und Klima (LANUK) seit dem Jahr 1990 betrieben und steht auf dem Gelände der Stadtwerke Düsseldorf im Stadtteil Flehe direkt am Rhein. Die Präsidentin des LANUK, Elke Reichert, erklärte: „Der Rhein ist einer der wichtigsten Flüsse in Deutschland, nicht nur wegen seiner Geschichte, sondern auch wegen seiner intensiven Nutzung.“ Neben der Funktion als Wasserstraße komme dem Rhein ebenso als Trinkwasserressource eine große Bedeutung zu. „Wir überwachen daher ganzjährig auf 225 Rheinkilometern in NRW die Wasserqualität, um den Wasserversorgern die notwendige Sicherheit zu geben, möglichst unbelastetes Rohwasser als Ressource nutzen zu können“, betonte Elke Reichert. „Das Trinkwasser in Düsseldorf stammt zu rund einem Viertel aus Grundwasser und rund drei Vierteln aus Rheinuferfiltrat“, sagte Christoph Wagner, der Leiter der Wasserwerke bei den Stadtwerken Düsseldorf AG. „ Die Gewässerüberwachung am Rhein liegt uns deswegen besonders am Herzen.“ Er erklärte: „Wir freuen uns auf die weitere gute Zusammenarbeit mit dem LANUK.“ In dem Messcontainer in Düsseldorf Flehe entnimmt das LANUK kontinuierlich Proben des Rheinwassers und analysiert die Proben auf Schadstoffe. Dazu gehören Messdaten zu Temperatur, Sauerstoffgehalt und PH-Wert sowie eine Vielzahl chemischer Stoffe, die die Wasserqualität und damit den Rhein als Rohwasserquelle für die Trinkwassergewinnung beeinflussen können. Durch die stetige Weiterentwicklung der chemischen Analytik können heute immer mehr Substanzen, die lebende Organismen in Gewässern schädigen können, können durch die moderne Gewässerüberwachung in geringsten Mengen gemessen werden. Der Warn- und Alarmplan für den Rhein stellt sicher, dass Behörden und Trinkwasserwerke unverzüglich über jede gefundene Verunreinigung informiert werden. Die wichtigsten Modernisierungsmaßnahe an der Messstelle in Düsseldorf Flehe ist eine neue Datenleitung, die es nun ermöglicht, bidirektional zu kommunzieren. Das bedeutet, die Messeinrichtungen melden nicht nur eindimensional in Richtung Labor, wenn ein auffälliger Wert festgestellt wird. Es kann nun auch aus dem Labor heraus direkt darauf reagiert werden, in dem zum Beispiel vom Labor aus Messintervalle auf verschiedene Zeiträume umgestellt werden können, ohne dass ein Techniker die Anlage dazu anfahren muss. Damit können mögliche Schadstoffwellen schneller erfasst und der Verlauf berechnet werden. Im November 1986 kam es im Schweizer Chemieunternehmen Sandoz bei Basel zu einem Störfall mit weitreichenden Folgen für den Rhein. Nach einem Brand gelangten etwa 20 Tonnen des hoch belasteten Löschschaums in den Rhein. In den darauf folgenden Tagen strömte das vergiftete Rheinwasser mehr als 400 Kilometer flussabwärts und führte zu einem massiven Fischsterben. In den Niederlanden wurde zudem die Trinkwasserversorgung stark beeinträchtigt. Nach diesem Ereignis wurde die Gewässerüberwachung ausgeweitet, um schneller Informationen über den Zustand der Gewässer zu erhalten. Dazu wurde die Probenahmestelle in Düsseldorf-Flehe in internationale Messprogramme eingebettet. Somit werden die Ergebnisse der kontinuierlichen Überwachung des Rheins seit fast 40 Jahren grenzüberschreitend ausgetauscht. Für die Auswahl einer geeigneten Messstelle sind einige Kriterien zu erfüllen. Die Messstelle muss jederzeit erreichbar sein, auch im Fall von Hochwasser am Rhein. Die Probenahme soll an einem gut durchströmten Querschnitt des Rheins erfolgen. Dabei dürfen  durch die Probenahme keine Veränderungen am Gewässer selbst und keine Einschränkungen für den Schiffsverkehr entstehen. Und was durch die Auswirkungen des Klimawandels heute immer wichtiger wird: auch bei Niedrigwasser muss die eine kontinuierliche Probenahme möglich sein. Wartungsarbeiten sollten jederzeit von Land aus durchführbar sein. Nach Prüfung aller Randbedingungen wurde in den 1980er Jahren das Angebot der Stadtwerke Düsseldorf AG zur Aufstellung des Messcontainers auf dem Gelände des Wasserwerks Flehe angenommen. Im Januar 1990 wurde diese Messstation mit dem Umweltminister Klaus Matthiesen in Betrieb genommen. Damals wurden die Wasserproben einmal täglich an der Messstelle abgeholt und im Labor auf leicht- und schwerflüchtige Kohlenwasserstoffverbindungen untersucht. In weiteren Tests wurde damals das Schwimmverhalten von Fischen und Daphnien beobachtet, um Hinweise auf mögliche Schadstoffe im Rhein zu erhalten. Die Wassertemperatur, der pH-Wert, der Sauerstoffgehalt und die elektrische Leitfähigkeit des Wassers konnten bereits kontinuierlich gemessen werden. Weichen diese physikalischen Größen von der Norm ab, können sie einen ersten Hinweis auf Störungen der Wasserqualität geben. Damit diese Anzeichen schnell erkennbar waren, wurden sie per Telefonleitung in das Labor des Landesamtes übertragen. Die automatische Alarmierung bei kritischen Werten gab es zu Beginn noch nicht, aber die Notwendigkeit wurde erkannt. Deshalb plante das Landesamt mit den technischen Möglichkeiten der 1980er Jahre eine automatische Aktivierung der Rufbereitschaft, besonders außerhalb der normalen Dienstzeiten. Heute sind diese Prozesse Standard. Die Verfahren und Abläufe sind erprobt und beziehen die beteiligten Behörden und die Trinkwasserversorger automatisch ein. Im Zuge der Digitalisierung sind die Abläufe immer schneller geworden, so dass die Wasserversorger meist schon reagieren können, bevor eine Gewässerverunreinigung bei ihnen ankommt. Das LANUK überwacht den Rhein und die anderen Gewässer in Nordrhein-Westfalen, entwickelt Methoden und bewertet den Zustand der Gewässer. Im Landesamt werden Ursachen von Verschmutzungen ermittelt, Maßnahmen empfohlen und Daten bereitgestellt. Ziel ist die Erreichung des guten Zustands der Gewässer. Mehr zur Gewässerüberwachung beim LANUK: https://www.lanuk.nrw.de/themen/wasser/fluesse-baeche-und-seen/gewaesserueberwachung Warn- und Alarmplan Rhein: https://www.lanuk.nrw.de/service/umweltereignisse-umweltschadensfaelle/meldungen-nach-warn-und-alarmplan-rhein zurück

Gewässerökologie

Die ökologische Untersuchung an Gewässern gemäß der EU-Wasserrahmenrichtlinie umfasst die biologischen Qualitätskomponenten Phytoplankton und Makrophyten, Phytobenthos und Makrozoobenthos. Die bundesweite fachliche Entwicklung der entsprechenden Erhebungs- und Bewertungsmethoden wird durch den Fachbereich intensiv begleitet, um für die sächsischen Verhältnisse angepasste und in der Routine effizient funktionierende Vorgaben zu erreichen. Im Rahmen der allgemeinen Überwachung der Fließgewässer werden in Wasserproben toxikologische (Toxizität gegenüber Leuchtbakterien und Daphnien) sowie mikrobiologische Parameter (Koloniezahl, Fäkalcoliformen- und Enterokokkengehalt) bestimmt. Außerdem werden mikrobiologische Grundwasser-Untersuchungen durchgeführt.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1704: Flexibilität entscheidet: Zusammenspiel von funktioneller Diversität und ökologischen Dynamiken in aquatischen Lebensgemeinschaften; Flexibility Matters: Interplay Between Trait Diversity and Ecological Dynamics Using Aquatic Communities as Model Systems (DynaTrait), Teilprojekt: Der Einfluss von Umweltveränderungen und individueller Merkmalsausprägung (phänotypische Plastizität) auf Biodiversität und Ökosystemstabilität

Diversität ist eine wichtige Voraussetzung für Adaptation an Umweltveränderungen. Biodiversität auf allen Ebenen (Allele, Arten, Interaktionen) ist wichtig für die Funktion und Stabilität von Ökosystemen, weil Diversität auch Redundanz bedeutet und damit die Möglichkeit ausgestorbene Arten/Genotypen auszutauschen. Individuelle Merkmalsausprägungen und phänotypische Plastizität können ebenfalls zur Stabilisierung von Ökosystemen beitragen, weil sie Populationsgrößenschwankungen abpuffern und so lokale Aussterbeereignisse verhindern. In jüngere Zeit nimmt die Biodiversität dramatisch ab, während massive Störungen von Ökosystemen immer häufiger und immer heftiger auftreten. Uns interessiert daher, wie individuelle Merkmalsausprägungen und phänotypische Plastizität sich auf die genetische Diversität einer Population und auf eine Räuber-Beute Interaktion auswirken und welche potentiellen Auswirkungen das auf die Stabilität des Ökosystems hat. Zwei Hypothesen werden betrachtet:(I) Phänotypische Plastizität (trait variation) kann die Biodiversität erhöhen, da sie eine bessere Nischenausnutzung erlaubt.(II) Phänotypische Plastizität (trait variation) kann die Biodiversität verringern, da sie den plastischen Organismen ermöglicht verschiedene Nischen zu besetzen anstatt zur Spezialisierung verschiedener Genotypen zu führen. Zusätzlich werden wir testen welchen Einfluss abiotische Stressoren auf diese Interaktionen haben. Wir verwenden in unschweren Versuchen das Räuber-Beute Modellsystem Daphnia pulex und Chaoborus Larven in einem zweiteiligen Versuchsansatz: 1) Wir werden Mesocosmen Experimente durchführen, bei denen wir den Einfluss diverser Stressoren (Predation, erhöhte Temperaturen, erhöhte CO2 Werte) auf die genetische Diversität einer Daphnia Population testen. Die Daphnia Population wird aus 10 verschiedenen Klonen bestehen, die unterschiedlich plastisch auf Räuberkairomon reagieren. Die Populationen werden einem biotischen Stressor (Invertebraten-Räuber) und zwei abiotischen Stressoren (erhöhte CO2 Werte und erhöhte Temperaturen), die direkt auf anthropogene Einflüsse zurück gehen, ausgesetzt. Wir werden die klonale Diversität der Beuteart und die Performance der Räuber untersuchen.2) Im zweiten Versuchsteil werden wir mit Modellierungen Feedback loops über Beutediversität und Phänotyp/Genotyp Interaktion und Überlebenskapazitäten unter verschiedenen Umweltbedingungen untersuchen. Mit diesem integrativen Versuchsansatz werden wir ein tiefergehendes Verständnis der Effekte von individueller Merkmalsausprägung und phänotypischer Plastizität auf die klonale Diversität von Populationen erzielen. Die Ergebnisse werden uns helfen besser einzuschätzen, wie diese Merkmale die Ökosystemfunktion und -stabilität beeinflussen.

Sonderforschungsbereich (SFB) 1357: MIKROPLASTIK - Gesetzmäßigkeiten der Bildung, des Transports, des physikalisch-chemischen Verhaltens sowie der biologischen Effekte: Von Modell- zu komplexen Systemen als Grundlage neuer Lösungsansätze; MICROPLASTICS - Understanding the mechanisms and processes of biological effects, transport and formation: From model to complex systems as a basis for new solut, Teilprojekt A 01: Effekte von Mikropartikeln auf aquatische Modellmakrofauna in Abhängigkeit von Partikeleigenschaften: Vergleich von Mikroplastik zu natürlichen Partikeln

In Teilprojekt A01 werden an den limnischen Organismen Wasserfloh (Daphnia) und der Zebramuschel (Dreissena polymorpha) Effekte von Mikroplastik (MP) mit unterschiedlichen physikalischen und chemischen Materialeigenschaften im Vergleich zu natürlich vorkommendem partikulärem Material untersucht. Die Organismen wurden gewählt, da Wasserflöhe und Muscheln eine wichtige Rolle im aquatischen Nahrungsnetz spielen und beide als Filtrierer einer steten partikulären Fracht ausgesetzt sind, und somit ein erhöhtes Risiko haben im Wasser befindliches MP unselektiv zu ingestieren. Bei Daphnia werden klassische Lebenszyklusmerkmale, wie Mortalitätsrate, Wachstum und Anzahl der Nachkommen, sowie bei D. polymorpha das Verhalten und Stressmarker gemessen. Um die biologischen und biochemischen Mechanismen der MP-Effekte auf diese Organismen zu verstehen, werden die Transkriptome und Darmmikrobiome MP-exponierter Tiere analysiert und mit entsprechenden Kontrollen verglichen. Da Proteine eine zentrale Rolle in essentiellen Stoffwechselwegen und Signalkaskaden spielen, werden im Modellorganismus Daphnia zusätzlich MP-Effekte in einem holistischen und einem gewebespezifischen Ansatz auf der Ebene des Proteoms detailliert untersucht. Die erhaltenen Daten werden erheblich zur Aufklärung der Mechanismen negativer MP-Effekte auf diese Organismen beitragen.

Untersuchungen zum Einfluss von UV-Strahlung auf das System arktischer Daphnien/Futteralgen in Bezug auf Reproduktion, Schutzmechanismen, Überleben und UV-Toleranz unter Labor- und natürlichen Bedingungen

In dem geplanten Projekt sollen die Auswirkungen von UV-Strahlung sowohl auf Daphnien als auch auf deren Futteralgen untersucht werden. Dies soll Einblicke in die komplexen Wirkweisen von solarer UV-Strahlung auf biotische Systems, wie sie in arktischen Kleingewässern zu finden sind, erlauben. Veränderungen im Wachstum, Protein- und Kohlenhydratgehalt, sowie im Gehalt an Pigmenten, Lipiden und möglicher Schutzsubstanzen (MAAs) der UV-bestrahlten Futteralgen sollen dokumentiert und deren Einfluss auf die UV-Toleranz, die Lebensdauer und die Reproduktionsfähigkeit von Daphnien getestet werden. Schwerpunktmäßig soll die Rolle der in die Fetttröpfchen der Daphnien eingelagerten pflanzlichen Carotinoide und die Lipidreservestoffe der Daphnien untersucht werden. Darüber hinaus soll festgestellt werden, ob der Gehalt an UV-Schutzsubstanzen (Mycosporin like Amino Acids) durch UV-Bestrahlung in den Algen bzw. den Daphnien beeinflusst werden kann. Die im Labor gewonnenen Ergebnisse werden im Freiland unter natürlichen Bedingungen überprüft.

Tests ecotoxicologiques en milieu terrestre et aquatique (FRA)

Le projet consiste a developper et mettre au point des tests rapides de biodisponibilite et d'ecotoxicite pour evaluer l'impact des produits polluants dans les sols et sur l'ensemble de l'ecosysteme terrestre. Un test base sur l'activite deshydrogenasique de la micro-flore du sol a ete developpe. Sa signification a ete decrite et les conditions d'application ont ete mises au point. Les conditions d'utilisation de plusieurs tests ecotoxicologiques en milieu aquatique (daphnies, Artemia, microtox, respirometrie, MetPAD) sont etudiees et appliquees a la determination de la toxicite de produits purs, d'extraits de sediments et d'effluents industriels. (FRA)

Abrupte Veränderungen von Süßwasserökosystemen unter Einwirkung von multiplen Stressoren wie steigenden Temperaturen, Nährstoffen und Pestiziden

Flache Süßwasser-Lebensräume bieten wichtige Ökosystem-Funktionen, sind aber von multiplen Stressoren bedroht. Während die Reaktion auf den globalen Klimawandel wahrscheinlich eher graduell ist, sind abrupte Veränderungen möglich, wenn kritische Schwellenwerte durch zusätzliche Effekte lokaler Stressoren überschritten werden. Die Analyse dieser Effekte ist komplex, da Stressoren additiv, synergistisch oder antagonistisch wirken können. CLIMSHIFT zielt auf ein mechanistisches Verständnis von Stressor-Interaktionen, die auf flache aquatische Ökosysteme wirken. Diese sind aufgrund ihrer hohen Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisse, der großen Ufer-Grenzfläche und der Grundwasser-Konnektivität besonders anfällig für Klimaerwärmung und Stoffeinträge aus landwirtschaftlichen Einzugsgebieten. Die komplexen Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Primärproduzenten sowie assoziierten Konsumenten führen zum Auftreten stabiler Regime, und multiple Stressoren können nichtlineare Übergänge zwischen diesen Regimen auslösen, mit weitreichenden Folgen für entscheidende Ökosystemprozesse und -funktionen. Unsere Haupthypothese ist, dass erhöhte Temperaturen die negativen Auswirkungen der landwirtschaftlichen Stoffeinträge, die Nitrat, organische Pestizide und Kupfer enthalten, verstärken. Submerse Makrophyten, Periphyton und Phytoplankton als Primärproduzenten werden kombiniert mit Schnecken, die Periphyton und Pflanzen fressen, sowie benthischen und pelagischen Phytoplankton-Filtriern, Dreissena und Daphnien. Wir testen unterschiedliche Expositionsszenarien auf zwei räumlichen Skalen, Mikrokosmen im Labor und Mesokosmen im Freiland, um Effekte auf individueller, gemeinschaftlicher und ökosystemarer Ebene zu verstehen. Während des gesamten Projekts werden die Experimente durch Modellierungen ergänzt, um kritische Schwellwerte zu simulieren und Stress-Interaktionen vorherzusagen. Die Modellentwicklung wird in Zusammenarbeit mit allen Arbeitspaketen durchgeführt, um empirische Ergebnisse zu integrieren, unterschiedliche räumliche und zeitliche Skalen zu verknüpfen und Ergebnisse zu extrapolieren. Wir erwarten, dass kombinierte Stressoren zu plötzlichen Verschiebungen der Gemeinschaftsstruktur führen. Submerse Makrophyten werden voraussichtlich durch Phytoplankton oder benthische Algen ersetzt, mit Konsequenzen für wichtige Ökosystemfunktionen. Die Stärke unseres Antrages liegt darin, dass ökotoxikologische Stressindikatoren der Organismen wie Wachstum und Biomarker mit funktionalen Gemeinschafts-/Ökosystemansätzen kombiniert werden, die den Metabolismus und die Dynamik des Ökosystems betrachten. Das kombinierte Know-how von 5 Laboren mit komplementärem Fachwissen und allen notwendigen Einrichtungen wird die spezifische Projektfähigkeit sicherstellen. Unsere Ergebnisse sollen dazu beitragen, safe operating spaces/sichere Handlungsräume für eine nachhaltige Landwirtschaft und das Management von flachen aquatischen Ökosystemen in einer sich verändernden Welt zu definieren.

Adaption und Standardisierung eines empfindlichen und einfach durchzufuehrenden Verfahrens (Daphnientest DIN 38 412) zum Nachweis von toxischen Rueckstaenden in landwirtschaftlicher Produktion

Alle Produkte, die mit den modifizierten Daphnientest ueberprueft werden sollen, muessen vorher auf etwaige daphnientoxische Inhaltsstoffe getestet werden. Weiters sollen 30-50 der am Markt gaengigen Insektizide nach DIN 38 412 in Bezug auf ihre Daphnientoxizitaet untersucht werden. Aus diesen Ergebnissen koennen als 'Nebeneffekt' Richtlinien fuer den Einsatz von Insektiziden in Gewaessernaehe erarbeitet werden. Versuchspflanzen sollen sowohl unter Glashausbdingungen als auch unter Freilandbedingungen laut Herstellervorschrift mit den vorher getesteten Insektiziden behandelt werden. Aufbauend auf den Ergebnissen der oben beschriebenen Vorversuche werden beginnend nach 5-7 Tagen jeden zweiten Tag behandelte Pflanzenteile auf Daphnientoxizitaet ueberprueft. Vorversuche mit einigen Insektiziden haben gezeigt, dass aufgebrachte Spritzmittel problemlos wieder in Loesung gebracht werden koennen und in geringen Spuren daphnientoxische Wirkung aufweisen. Weiters sollen verschiedene 'Verstaerkereffekte' getestet werden, um nach der Behandlung moeglichst lange Rueckstaende nachweisen zu koennen. Nach Ende der praktischen Versuche sollen praxisgerechte Richtlinien zur Durchfuehrung dieses Verfahren ausgearbeitet werden.

TerraChem Projekt

TerraChem will einen systemischen Ansatz zur Bewertung von Schadstoffrisiken für terrestrische Ökosysteme entwickeln. Monitoringdaten zu Chemikalien in Wildtieren und Umweltmodellierung sollen helfen, die Belastung durch anthropogene Chemikalien besser zu verstehen und so potenzielle negative Effekte auf Biodiversität und Ökosystemdienstleistungen vorherzusagen sowie Regulatorik zu verbessern. Grundidee des TerraChem-Projektes Das übergeordnete Ziel von TerraChem ist es, einen neuartigen systemischen Ansatz zur Bewertung von Schadstoffrisiken auf terrestrische Ökosysteme zu entwickeln und zu erproben. Hierbei sollen analytische Ergebnisse zum Vorkommen von Chemikalien in Wildtieren und Umweltmodellierung kombiniert werden. Dies soll uns in die Lage versetzen, die Belastung (⁠ Exposition ⁠) von an Land lebenden Wildtieren gegenüber menschengemachten (anthropogenen) Chemikalien besser zu verstehen. Dadurch soll es dann möglich werden, potenzielle negative Effekte auf die terrestrische biologische Vielfalt und Ökosystemdienstleistungen vorhersagen zu können. Dieses Verständnis wird dabei helfen, eine realitätsnähere Umweltrisikobewertung von Chemikalien – insbesondere mit Blick auf die ⁠ Biodiversität ⁠ in terrestrischen Lebensräumen – zu realisieren. Nur mit einem verbesserten Verständnis über Exposition und Effekte können wir negativen Auswirkungen durch Chemikalien effektiv vorbeugen, um somit in Zukunft dem Nullschadstoff-Ziel der EU (Zero Pollution Action Plan - European Commission) näherzukommen. Zunehmender Verlust von Biodiversität? ⁠ Biodiversität ⁠ ist ein komplexer Sammelbegriff und beinhaltet verschiedene Ebenen biologischer Vielfalt . Hierzu zählen die genetische Vielfalt, die Artenvielfalt, die Diversität an Ökosystemen, die funktionale Diversität in Ökosystemen sowie die Diversität an „Dienstleistungen“ durch Ökosysteme (sogenannte Ecosystem Services). Der globale Biodiversitätsverlust ist, zusammen mit der Klimakrise und Umweltverschmutzung, eine der schwersten Umweltkrisen unserer Zeit (vgl. triple planetary crisis – United Nations ). Weltweit verzeichnen wir einen starken Rückgang an biologischer Vielfalt und den Zusammenbruch gesunder Ökosysteme. Der ⁠ Klimawandel ⁠ und die Zerstörung von Lebensräumen werden als die stärksten Ursachen für den Verlust der biologischen Vielfalt angesehen. Allerdings gibt es auch zahlreiche Hinweise, dass die Freisetzung von Chemikalien eine große Rolle als Treiber für den Verlust der biologischen Vielfalt spielt (Henn et al. 2024; Groh et al. 2022). Die genaue Größenordnung des Einflusses von Chemikalien auf den Rückgang der Biodiversität ist jedoch noch unbekannt. Dies liegt unter anderem daran, dass, anders als bei Klimavariablen, nur sehr selten gleichzeitig Studien zur biologischen Vielfalt und zur Belastung mit Schadstoffen durchgeführt werden (nicht zuletzt, weil solche Analysen sehr zeitaufwändig und teuer sind). Des Weiteren sind Ökosysteme hoch komplex und unterliegen einer Vielzahl an Wechselwirkungen. Dies macht es schwierig eindeutige Zusammenhänge zwischen Ursache und Effekt (z.B. die Gründe für den Verlust einer Art an einem spezifischen Ort) herzustellen und erschwert somit kausale Aussagen darüber, wie hoch der Anteil von Chemikalien am Rückgang biologischer Vielfalt ist. Unumstritten ist jedoch, dass Chemikalien allgegenwärtig sind und das Potential haben sich sowohl direkt als auch indirekt negativ auf Biodiversität auszuwirken. Direkte negative Wirkungen können von toxischen Effekten von menschengemachten Chemikalien auf empfindliche Organismen ausgehen. Diese können so stark sein, dass sie potenziell zu deren Aussterben führen und damit die biologische Vielfalt verringern. Darüber hinaus können Chemikalien auch indirekt negativ wirken. Sie können Organismen schwächen, wodurch sie weniger tolerant oder empfindlicher gegenüber anderen Stressfaktoren werden (z.B. erhöhte Temperaturen bedingt durch den Klimawandel, andere menschliche Eingriffe in den natürlichen Lebensraum). Durch Chemikalieneintrag können somit anderweitige Stressfaktoren (menschengemachte oder natürliche) noch verschärft werden. Chemikalien haben entsprechend das Potenzial, einen erheblichen Druck auf die biologische Vielfalt auszuüben. Hierzu zählt die Verschmutzung durch ⁠ Pestizide ⁠, Pharmazeutika oder Substanzen aus Industrieprozessen und -produkten. Diese sogenannten „Novel Entities“, neuartige Stoffe, die in die Umwelt gelangen, gehen bereits über die planetaren Grenzen hinaus und übersteigen die bisherigen Möglichkeiten in der Sicherheitsbewertungen und im ⁠ Monitoring ⁠ (Persson et al. 2022). Auf der Grundlage dieses Verständnisses hat die Europäischen Kommission die EU Biodiversitätsstrategie und den Zero Pollution Action Plan initiiert. Speziell wurde auch eine Chemikalienstrategie für Nachhaltigkeit entworfen. Allerdings besteht auch hier weiterhin ein starker Fokus auf landwirtschaftlich genutzte Pestizide. So formuliert die Biodiversitätsstrategie in Bezug auf Chemikalien nur auf Maßnahmen zur Verringerung der Verschmutzung durch Pestizide und blendet andere Anwendungen von Chemikalien aus. Obwohl Pestizide zweifellos wichtig sind, sind sie bei weitem nicht die einzige Gruppe von anthropogenen Chemikalien, die Organismen oder Ökosysteme beinträchtigen können. Auch andere Substanzen können toxische, persistente (kaum abbaubar in Umwelt) oder hormonschädigende Eigenschaften besitzen. Anlass zur Sorge geben beispielsweise auch Schwermetalle, flüchtige Luftschadstoffe, polyaromatische Kohlenwasserstoffe, Per- und Polyfluoralkylsubstanzen und andere Industriechemikalien wie polychlorierte Biphenyle oder Arzneimittel. Der voranschreitende Verlust an Biodiversität und der gleichzeitig steigende Eintrag von toxischen Substanzen in die Umwelt verdeutlichen den Bedarf, das gegenwärtige europäische Chemikalienmanagement für verschiedene Anwendungen kritisch zu prüfen und nach Wegen zu suchen, über verbesserte Methoden und regulatorische Ansätze Biodiversitätsverlust und Verschmutzungen vorzubeugen. Bisher existieren jedoch noch zu wenige Studien, die solche Effekte überhaupt untersucht und somit nachgewiesen haben. Hier müssen wesentliche Wissenslücken endlich geschlossen werden. Weiterführende Literatur: Groh, K., vom Berg, C., Schirmer, K., Tlili, A., 2022. Anthropogenic Chemicals As Underestimated Drivers of Biodiversity Loss: Scientific and Societal Implications. Environ. Sci. Technol. 56, 707–710. https://doi.org/10.1021/acs.est.1c08399 Grunewald, K., Bastian, O. 2023, ⁠ Ökosystemleistungen ⁠: Konzept, Methoden, Bewertungs- und Steuerungsansätze, 2. Aufl., Springer. Henn, E.V., Neubauer, M., Hodapp, D., Hepach, H., Hillebrand, H., Marquard, E., Seppelt, R., Settele, J., 2024. Perspektiven eines politikplanenden Biodiversitätsschutzgesetzes: Rechtsrahmen, Ausgestaltung und Forschungsbedarf. NuR. 46, 234–242. IPBES secretariat, 2019. Global assessment report of the Intergovernmental Science-Policy Platform on Biodiversity and Ecosystem Services. Brondízio, E., Settele, J., Díaz, S., Ngo, H.T. (Eds.). https://zenodo.org/record/6417333#.Yn4DWd-xXmE 2019. TerraChem: neuer Fokus auf terrestrische Biodiversität in der Chemikalienregulation Das EU-Projekt TerraChem nimmt sich der Problematik an, dass ⁠ Biodiversität ⁠, vor allem die terrestrische Biodiversität, innerhalb der europäischen Chemikalienregulation nicht bis kaum in der Umweltrisikobewertung (engl. environmental risk assessment - ERA) und dem Chemikalienmanagement berücksichtigt wird. Durch die bisher praktizierte Form der ERA kommt es zu einer potenziellen Risikounterschätzung, was die terrestrische biologische Vielfalt betrifft. Dies hat mehrere Gründe. Zum einen basieren die gegenwärtigen ERAs von Chemikalien auf Laborstudien einzelner Arten, von denen dann auf ganze Populationen oder gar Ökosysteme rückgeschlossen wird. Diese Laborstudien bilden nur kurzfristige Effekte ab und nutzen zudem häufig Stellvertreterarten aus aquatischen Kompartimenten (aquatische Trias - Alge, Daphnie und Fisch). Landbasierte Kompartimente bleiben im bisherigen Vorgehen, außer bei der Regulation von Pestiziden, unterbeleuchtet, genauso wie langfristige oder indirekte Effekte durch die ⁠ Exposition ⁠ von Biota und Ökosystemen oder auch Mischungseffekte durch diverse Stoffeinträge. Bisher besteht auch noch kein Abgleich zwischen den berechneten Risikobewertungen und der dann realen Situation im Feld. Potenziale zur Verbindung prospektiver und retrospektiver Risikobewertung bleiben so ungenutzt. Die Problematik hängt u.a. auch mit fehlenden spezifischen Schutzzielen bzgl. Biodiversität in den einzelnen Verordnungen zusammen. Und selbst wenn Biodiversität als Schutzgut benannt wird, wie etwa bei den Pflanzenschutzmitteln (vgl. Verordnung (EG) Nr. 1107/2009 – EUR-Lex ) und Bioziden (vgl. Verordnung (EU) Nr. 528/2012 – EUR-Lex ), bleibt der Begriff aber gesetzlich weithin unbestimmt. Daher kam es bisher zu keiner Integrierung in entsprechende Risikobewertungspraktiken oder entsprechende Risikomanagementmaßnahmen. Biodiversität bleibt so aus regulatorischer Perspektive ein blinder Fleck. Weiterführende Literatur: Brown, AR., Whale, G., Jackson, M. et al 2017. Toward the defnition of specifc protection goals for the environmental risk assessment of chemicals: a perspective on environmental regulation in Europe: defning Environmental protection goals for chemicals. Integr Environ Assess Manag 13, 17–37. https://doi.org/10.1002/ieam.1797 Fritsch, C., Berny, P., Crouzet, O., Le Perchec, S., Coeurdassier, M., 2024. Wildlife ecotoxicology of plant protection products: knowns and unknowns about the impacts of currently used pesticides on terrestrial vertebrate biodiversity. Environ Sci Pollut Res. https://doi.org/10.1007/s11356-024-33026-1 Johnson, T.F., Beckerman, A.P., Childs, D.Z., Webb, T.J., Evans, K.L., Griffiths, C.A., Capdevila, P., Clements, C.F., Besson, M., Gregory, R.D., Thomas, G.H., Delmas, E., Freckleton, R.P., 2024. Revealing uncertainty in the status of biodiversity change. Nature 628, 788–794. https://doi.org/10.1038/s41586-024-07236-z Mueller, L.K., Ågerstrand, M., Backhaus, T., Diamond, M., Erdelen, W.R., Evers, D., Groh, K.J., Scheringer, M., Sigmund, G., Wang, Z., Schäffer, A., 2023. Policy options to account for multiple chemical pollutants threatening biodiversity. Environ. Sci.: Adv. 2, 151–161. https://doi.org/10.1039/D2VA00257D Sample, B.E., Johnson, M.S., Hull, R.N., Kapustka, L., Landis, W.G., Murphy, C.A., Sorensen, M., Mann, G., Gust, K.A., Mayfield, D.B., Ludwigs, J.-D., Munns Jr., W.R., 2024. Key challenges and developments in wildlife ecological risk assessment: Problem formulation. Integrated Environmental Assessment and Management 20, 658–673. https://doi.org/10.1002/ieam.4710 Sigmund, G., Ågerstrand, M., Antonelli, A., Backhaus, T., Brodin, T., Diamond, M.L., Erdelen, W.R., Evers, D.C., Hofmann, T., Hueffer, T., Lai, A., Torres, J.P.M., Mueller, L., Perrigo, A.L., Rillig, M.C., Schaeffer, A., Scheringer, M., Schirmer, K., Tlili, A., Soehl, A., Triebskorn, R., Vlahos, P., vom Berg, C., Wang, Z., Groh, K.J., 2023. Addressing chemical pollution in biodiversity research. Global Change Biology 29, 3240–3255. https://doi.org/10.1111/gcb.16689 Sylvester, F., Weichert, F.G., Lozano, V.L., Groh, K.J., Bálint, M., Baumann, L., Bässler, C., Brack, W., Brandl, B., Curtius, J., Dierkes, P., Döll, P., Ebersberger, I., Fragkostefanakis, S., Helfrich, E.J.N., Hickler, T., Johann, S., Jourdan, J., Klimpel, S., Kminek, H., Liquin, F., Möllendorf, D., Mueller, T., Oehlmann, J., Ottermanns, R., Pauls, S.U., Piepenbring, M., Pfefferle, J., Schenk, G.J., Scheepens, J.F., Scheringer, M., Schiwy, S., Schlottmann, A., Schneider, F., Schulte, L.M., Schulze-Sylvester, M., Stelzer, E., Strobl, F., Sundermann, A., Tockner, K., Tröger, T., Vilcinskas, A., Völker, C., Winkelmann, R., Hollert, H., 2023. Better integration of chemical pollution research will further our understanding of biodiversity loss. Nat Ecol Evol 1–4. https://doi.org/10.1038/s41559-023-02117-6 Beitrag TerraChem Das größte Problem im Zusammenhang einer realitätsnäheren Risikobewertung und entsprechendem Risikomanagement von Chemikalienexposition sind fehlende Daten und Methoden zu deren Einordnung. Innerhalb unterschiedlicher Arbeitspakete innerhalb des TerraChem Projektes soll dieses Problem nun angegangen werden. Im Arbeitspaket 1 zum Thema „Monitoring der Chemikalienexposition und der Auswirkungen von Gemischen in realen terrestrischen Nahrungsketten“ sollen zum Beispiel Fallstudien durchgeführt werden, bei denen sieben Nahrungsketten in verschiedenen europäischen Ländern in repräsentativen terrestrischen Ökosystemen beprobt werden. Die generierten Daten sollen dann genutzt werden, um Expositionswege gegenüber Chemikalien in der Tierwelt nachzuzeichnen, einschließlich des trophischen Transfers innerhalb ausgewählter Nahrungsketten (vom Boden über Pflanzen, Primär- und Sekundärkonsumenten bis hin zu Apex-Arten). Arbeitspaket 2 arbeitet an verschiedenen „Modellierungen der Pfade von der chemischen Schadstoffquelle bis zur Schädigung in terrestrischen Ökosystemen (Rezeptor)“. Dabei sollen Auswirkungen (ökotoxikologische und anderweitige negative Effekte) auf verschiedene Dimensionen von ⁠ Biodiversität ⁠ modelliert werden: negative Effekte auf die genetische Vielfalt, die Artenvielfalt, funktionelle Vielfalt sowie Einflüsse auf Ökosystemdienstleistungen. Die Ergebnisse dieser beiden Arbeitspakete sollen für die Regulatorik entsprechend aufgegriffen werden und die Überarbeitung gegenwärtiger regulatorischer Instrumente und Praktiken informieren. Eine Aufgabe die dann durch das ⁠ UBA ⁠ in WP3 durchgeführt wird. Spezieller Beitrag des Umweltbundesamtes Das Umweltbundesamt ist in forschender Tätigkeit an TerraChem beteiligt. Das Fachgebiet IV 2.3 leitet das 3. Arbeitspaket in TerraChem zur „Vorbeugung und Abschwächung chemischer Einflüsse auf terrestrische Ökosysteme“. Forscherinnen und Forscher des ⁠ UBA ⁠ werden in enger Kooperation mit der FH Technikum Wien in Österreich in diesem AP aus regulatorischer Perspektive ein neues Priorisierungsschema für eine gefahren- und risikobasierte Identifikation und Priorisierung biodiversitätsgefährdender Stoffe entwickeln. Dieses Schema soll verschiedene empirische Nachweise (Evidenzlinien) zu Effekten von Chemikalien auf molekularer, Organismen-, Populations- und Ökosystemebene einbeziehen und integrieren. Zum Teil basieren diese Nachweise auf KI-gestützten Modellen. Künstliche Intelligenz in Verbindung mit hohen Rechenkapazitäten ermöglicht ein tieferes Verständnis der Wechselwirkungen in Ökosystemen und Nahrungsnetzen, die für die Charakterisierung indirekter Auswirkungen von entscheidender Bedeutung sind. Daneben sollen auch neue Indikatoren für die Effekte von Chemikalien auf die genetische und funktionelle Diversität (aus dem WP2) integriert werden. Die Zusammenführung dieser Erkenntnisse in einem Schema erlaubt dann eine Liste von Stoffen zu generieren, die im Verdacht stehen Ökosysteme zu schädigen und die im Rahmen von europaweiten Monitoringprogrammen fokussiert werden sollten, um ihre Effekte konkret zu bestimmen. Daneben werden gegenwärtige Praktiken der Umweltrisikobewertung auf seine blinden Flecken hinsichtlich der ⁠ Biodiversität ⁠ untersucht und sowohl für die Risikobewertung als auch die Risikomanagementsysteme und -maßnahmen der verschiedenen europäischen Chemikalienregulationen und -gesetzgebungen Verbesserungsmöglichkeiten vorgeschlagen. Weitere Information zum Projekt finden Sie unter: TerraChem Project Bei Fragen zum Projekt wenden Sie sich gerne an: Dörte Themann (doerte.themann(at)uba.de) Weiterführende Publikationen Using environmental monitoring data from apex predators for chemicals management. Towards better use of monitoring data from apex predators in support of prioritisation and risk assessment of chemicals in Europe. Treu et al. 2022: https://www.norman-network.com/sites/default/files/files/Publications/s12302-022-00665-5.pdf Using environmental monitoring data from apex predators for chemicals management. Towards harmonised sampling and processing of archived wildlife samples to increase the regulatory uptake of monitoring data in chemicals management. Badry et al. 2022: https://enveurope.springeropen.com/counter/pdf/10.1186/s12302-022-00664-6.pdf Addressing chemical pollution in biodiversity research. Sigmund et al. 2023: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/gcb.16689

„Schon die Konzentration eines Zuckerwürfels in einem See würde bei unserer Analyse auffallen“

Hildesheim. Von der Probenahme bis zur Analytik: Das staatlich anerkannte Landeslabor des Niedersächsischen Landesbetriebs für Wasserwirtschaft, Küsten- und Naturschutz (NLWKN) behält die Gewässerqualität, die Grundwassergüte und die Strahlenbelastung in Niedersachsen genau im Blick. Mit den wachsenden Herausforderungen und Aufgaben für die Wasserwirtschaft steigt aktuell auch hier das Arbeitsaufkommen, denn: Immer mehr Proben aus ganz Niedersachsen kommen an den sieben Standorten des Landeslabors unter die Lupe. Moderne Technik erfasst dabei Konzentrationen von Elementen bis in den Mikrogrammbereich bei Wasser-, Sediment- und Schwebstoffproben. Von der Probenahme bis zur Analytik: Das staatlich anerkannte Landeslabor des Niedersächsischen Landesbetriebs für Wasserwirtschaft, Küsten- und Naturschutz (NLWKN) behält die Gewässerqualität, die Grundwassergüte und die Strahlenbelastung in Niedersachsen genau im Blick. Mit den wachsenden Herausforderungen und Aufgaben für die Wasserwirtschaft steigt aktuell auch hier das Arbeitsaufkommen, denn: Immer mehr Proben aus ganz Niedersachsen kommen an den sieben Standorten des Landeslabors unter die Lupe. Moderne Technik erfasst dabei Konzentrationen von Elementen bis in den Mikrogrammbereich bei Wasser-, Sediment- und Schwebstoffproben. Aurich, Brake, Hildesheim, Lüneburg, Meppen, Stade und Verden: Quer über Niedersachsen verteilt liegen die sieben Standorte des Landeslabors. Hinzu kommen vier Probenahmestützpunkte in Braunschweig, Cloppenburg, Göttingen und Sulingen. Insgesamt über 150 Mitarbeitende sind im Landeslabor tätig. Alleine am größten Laborstandort in Hildesheim kümmern sich 74 Fachkräfte und Auszubildende in den Bereichen Ökotoxikologie, Radiochemie, der organischen und anorganischen Analytik sowie in der Probenahme darum, die Umwelt im Land zu überwachen. Dabei kann das NLWKN-Labor in Hildesheim auf eine lange Tradition zurückblicken: Seit 100 Jahren werden hier bereits verschiedene Proben untersucht, zum Beispiel Wasserproben aus Oberflächengewässern und des Grundwassers. „In den letzten Jahren haben wir einen starken Anstieg bei den Proben von Oberflächengewässern und dem Grundwasser erlebt. Während 2022 noch circa 4.600 Wasserproben untersucht wurden, waren es 2024 schon circa 5.700“, so Sven Landsgesell, Leiter des Hildesheimer Labors. „Pro Woche untersuchen wir alleine am Standort Hildesheim 700 bis 800 Probenflaschen“, ergänzt er. Über 581.000 Einzelbestimmungen kamen so in 2024 an allen NLWKN-Laborstandorten im Land zusammen. Zum Vergleich: 2021 waren es noch knapp 452.000. Die Gewässerproben werden dabei in ganz Niedersachsen von NLWKN-Personal entnommen und dann zu den jeweiligen Laborstandorten gebracht. Bereits bei der Probenahme sind ein großes Maß an Sorgfalt und Genauigkeit gefragt, denn hier können schnell Proben durch Fremdmaterial oder unsachgemäße Probenahme verunreinigt werden. Im Labor angekommen, werden die Bestandteile der Wasserproben mittels Spezialverfahren wie zum Beispiel der Massenspektrometrie, Hochleistungsflüssigkeitschromatografie oder Ionenchromatografie analysiert: Dabei wird mit modernster Technik im Bereich Mikrogramm pro Liter gemessen. „Schon die Konzentration eines Zuckerwürfels in einem See würde bei unserer Analytik auffallen“, erklärt Landsgesell. „Aufgrund der technischen Entwicklung ist unsere Arbeit in den letzten Jahrzehnten dabei immer komplexer geworden“, so der Laborfachmann. „Wir haben hohe Arbeitsstandards, und dafür benötigen wir natürlich qualifiziertes Fachpersonal. Deshalb bilden wir auch alle zwei Jahre vier neue Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter zu Chemielaborantinnen und Chemielaboranten aus.“ Mitarbeitende wie die studierten Umweltchemikerinnen Joana List, Syaleen Sharuddin und Chemielaborant Hannes Haacke. Haacke hat seine Ausbildung im Hildesheimer NLWKN-Labor absolviert. Dort arbeitet er nun seit anderthalb Jahren im Bereich der Elementanalytik und untersucht die Wasserproben, die von den Kolleginnen und Kollegen der Probenahme ins Labor gebracht werden. Eine große Rolle spielt dabei die Überwachung der Einhaltung gesetzlich festgelegter Grenzwerte von Substanzen wie Nitrat, Phosphor oder Arsen. Ebenso ist die sogenannte Einleiterüberwachung bei der Kontrolle von Oberflächengewässern eine wichtige Aufgabe der Laborstandorte in Niedersachsen: Die Labore kontrollieren, ob sich Unternehmen, die Abwasser im Rahmen ihrer Produktionsabläufe in Gewässer leiten, auch an die hierfür geltenden gesetzlichen Auflagen halten. Haacke und seine Kollegen überprüfen dazu, wie hoch die Werte bestimmter chemischer Elemente in jeder Wasserprobe sind. Sollte ein Grenzwert überschritten werden, wird eine Zweitprobe herangezogen. „Weist auch jene auffällige Werte auf, geben wir dem Betreiber und gegebenenfalls den regional zuständigen Behörden Bescheid, damit sie den Unregelmäßigkeiten nachgehen und bei Bedarf die notwendigen Schritte einleiten können“, erklärt Laborleiter Landsgesell. Neben der analytischen Umweltüberwachung nimmt der NLWKN auch Aufgaben der Notifizierung, also der Prüfung und Anerkennung anderer Labore wahr. „Der NLWKN spricht die staatliche Anerkennung für private Laboratorien aus, wenn diese nachweisen können, dass sie umfangreichen Qualitätskriterien genügen“, so Landsgesell. Im Jahr 2024 waren insgesamt 26 private Labore durch den NLWKN notifiziert. Zeichnungen von Daphien im Labor in Hildesheim. Die Krebstierchen werden als Kleinstorganismen dort in der Ökotoxikologie bei Tests genutzt. (Foto: Lisa Neumann/NLWKN) Zwei Daphnien, eine Gattung von Krebstieren, in einer Testlösung in der Ökotoxikologie im Labor in Hildesheim. Beim sogenannten „Daphientest“ wird geschaut, wie die Tierchen auf Proben reagieren (Bild: Neumann/NLWKN)

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