Fische als Akkumulations- und Wirkungsindikatoren im Monitoring

Quelle: PantherMedia/ Randolf Berold

1 Rechtlicher Hintergrund

Die Überwachung des Umweltzustands und die Ableitung von Umweltqualitätszielen und -normen spielt eine zunehmend große Rolle in der Umweltpolitik. Bezüglich der Gewässer ist in erster Linie die Wasserrahmenrichtlinie der EU (WRRL) [1] zu nennen. Sie zielt auf den Erhalt und die Verbesserung der aquatischen Umwelt ab, wobei der Schwerpunkt auf der Güte der betreffenden Gewässer und auf der Eliminierung prioritärer gefährlicher Stoffe liegt. Darüber hinaus verlangt die WRRL auch eine systematische und vergleichbare Überwachung des Gewässerzustands, der in Artikel 8 präzisiert wird und neben dem ökologischen und chemischen Zustand auch das ökologische Potenzial einschließt. Damit ist eine Strategie gegen die Wasserverschmutzung festgelegt und es werden spezifische Maßnahmen zur Bekämpfung der Wasserverschmutzung sowie Umweltqualitätsnormen gefordert. Letztere werden in der EU-Richtlinie über Umweltqualitätsnormen im Bereich der Wasserpolitik [2] geregelt. Darin ist u. a. in Artikel 3 festgelegt, dass sich die Mitgliedstaaten dafür entscheiden können, in bestimmten Kategorien von Ober­flächengewässern auch Umweltqualitätsnormen für Biota (inkl. Fische) im Wasser anzuwenden. Mit dem Inkraft­treten der WRRL wurden die bestehenden Programme zur Gewässerüber­wachung in den deutschen Bundesländern an die neuen Anforderungen angepasst. Mit diesen Überwachungsnetzen ist das Erreichen verbindlicher Umwelt- bzw. Bewirtschaftungsziele für Oberflächengewässer und Grundwasser nachzuweisen.

2 Gewässerüberwachung mit Fischen

Nicht zuletzt dadurch hat die Gewässerüberwachung mit Bioindikatoren eine sehr große Bedeutung erlangt. Biolo­gische Verfahren zur Erfassung von Umweltbelastungen sind wichtige Instrumente für die Überwachung von Schadstoffen, die unverzichtbare Belege für den Zustand unserer Umwelt liefern. Als Indikatororganismen werden Fische u. a. wegen ihrer Langlebigkeit eingesetzt. Gegenüber vielen anderen Bioindikatoren haben sie den weiteren Vorteil, dass sie Wirbeltiere sind und es als Bestandteil der menschlichen Nahrungskette gestatten, Rückschlüsse auf durch Schadstoffe bedingte Risiken für den Menschen zu ziehen.

Vor diesem Hintergrund hat die Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN – KRdL 2013 die VDI-Richtlinie zum „Passiven Biomonitoring mit Fischen als Akkumula­tionsindikatoren“ veröffentlicht [3]. Derzeit erstellt das zuständige Gremium, bestehend aus ehrenamt­lichen Fachleuten, eine zweite Richtlinie über Fische als Wirkungsindikatoren (VDI 4230 Blatt 5). In beiden Richtlinien steht eine standardisierte Probenahme im Vordergrund, da eine zuverlässige Indikation des Gewässerzustands durch Organismen nur dann erreicht werden kann, wenn qualitativ hochwertige Proben vorliegen. Die Standardisierung ist notwendig, um

• Artefakte zu verhindern,
• den Verlust biologischer Informationen zu vermeiden,
• die hohe Variabilität biologischer Proben zu minimieren und damit
• die Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit der gewonnenen Proben und Daten zu gewährleisten.

Um die Aussagekraft zu bewahren, muss allerdings strikt darauf geachtet werden, dass die Repräsentativität der Proben nicht zu sehr eingeschränkt wird.

2.1 Fische als Akkumulationsindikatoren

Das Ziel der Richtlinie VDI 4230 Blatt 4 besteht darin, Standards für den Erhalt reproduzierbarer und repräsentativer Umweltproben zu definieren, um über Zeit und Raum vergleichbare Ergebnisse über den stofflichen Umweltzustand erhalten zu können. Die VDI-Richtlinie stellt eine detaillierte Arbeitsvorschrift dar, die im Rahmen des Biomonitorings für viele Fragestellungen Anwendung finden kann. Sie orientiert sich bewusst an der existierenden Richtlinie zur Probenahme und Probenbearbeitung der Umweltprobenbank des Bundes [4], greift deren Inhalte auf und entwickelt diese für andere Fragestellungen und Fischarten weiter.

Die behandelten Anwendungsbereiche sind z. B.

• zeitliche Verfolgung der Belastungssituation durch Schadensereignisse,
• Erfolgskontrolle von gesetzgeberischen Maßnahmen und freiwillige Beschränkungen,
• Emissionsüberwachung,
• Überwachung von Altlasten,
• Gewinnung von Rückstellproben für ein Langzeitmonitoring,
• sondierende Voruntersuchungen zum Auffinden von Belastungsschwerpunkten/Screenings,
• Ursachenklärung, z. B. im Rahmen der Umwelthaftung.

Die Richtlinie liefert eine umfassende Beschreibung der Prinzipien, Planung und Durchführung der Probenahme. Sie gibt Hinweise für die Dokumentation der Verfahrensschritte bei der Qualitätssicherung. Die Auswahl von Zielarten und Zielkompartimenten, die Definition des Probe­nahmezeitraums sowie die Auswahl und die Festlegung der Anzahl der Probenindividuen nach genau definierten Kriterien stellen dabei wichtige Schritte bei der Planung von Probenahmen dar. Die Probe­nahme selbst wird detailliert dargestellt und umfasst z. B. die korrekte Artansprache, die für die Probenahme notwendige Ausrüstung und Reini­gungsvorschriften, die Probe­nahmetechnik sowie den Probentransport. Dabei werden die einzelnen Schritte nicht nur beschrieben, sondern auch umfassend begründet. Potenzielle Anwender erhalten konkrete Anleitungen an die Hand, die sie ihren eigenen Bedürfnissen leicht anpassen können.

Weiterführende Informationen zur Sicherung einer qualitativ hochwertigen Probenahme werden in zwei Anhängen geliefert: Anhang 1 stellt einen kurzen, aber umfassenden Abriss der Altersbestimmung bei Fischen anhand von Hartstrukturen dar, während in Anhang 2 Beispiele für Datenblätter für eine umfassende Dokumentation des Probe­nahmedesigns, der -technik und der erhobenen Daten aufgeführt sind.

In [3] werden gemäß dem klassischen Ansatz umwelttoxikologischer Untersuchungen Aussagen zur Exposition und Bioverfügbarkeit behandelt. Damit lassen sich allerdings biologische Wirkungen nicht darstellen. Die Frage nach der Kausalität (Ursache – Wirkung) bleibt deshalb genauso unbeantwortet wie diejenige nach der Relevanz bioverfügbarer Stoffe für Lebewesen. Zur umfassenden Bewertung der Auswirkungen von Schadstoffen ist es daher notwendig, eine Verknüpfung zwischen der Exposition und Wirkung herzustellen. Die Notwendigkeit solcher wirkungsbezogener Analysen zur Beurteilung von ökosystemaren Effekten von Schadstoffen wird auch im Rahmen der Common Implementation Strategy der WRRL bearbeitet.

2.2 Fische als Wirkungsindikatoren

Deshalb war es naheliegend, aufbauend auf der Richtlinie VDI 4230 Blatt 4 eine zweite Richtlinie zu erstellen, in der die biologische Wirkung von chemischen Substanzen im Vordergrund steht, d. h. in der Fische als Wirkungsindikatoren betrachtet werden. Wie in der ersten „Fisch-Richtlinie“ steht auch in VDI 4230 Blatt 5 im Vordergrund, welche Voraussetzungen und Bedingungen bei der Probenahme zu berücksichtigen sind, um die für die entsprechenden biologischen Messverfahren passenden Proben zur Verfügung zu haben.

Für effektbezogene Biomonitoring-Studien im Freiland sind bisher keine verbindlichen Standards insbesondere für den wichtigen Bereich der Probenahme definiert, was die Vergleichbarkeit der Ergebnisse unterschiedlicher Studien in erheblichem Maß erschwert. Dabei ist zu berücksichtigen, dass für die verschiedenen Untersuchungsmethoden, die im Bereich der Wirkungserfassung bestehen, zum Teil ganz spezifische Vorgehensweisen im Freiland, beim Transport und der Lagerung der Proben erforderlich sind. Deshalb wird in der Richtlinie VDI 4230 Blatt 5 eine Reihe unterschiedlicher Verfahren betrachtet.

Ziel der Richtlinie ist die Erfassung der chronischen Wirkungen von Stressoren bei Fischen als Indikatoren für den Zustand von Gewässern, da im Allgemeinen chronische Belastungen in aquatischen Lebensräumen von größerer Bedeutung sind als akute Expositionen (Unfälle), die in der Regel zum Tod der exponierten Organismen führen. Bei einmaliger kurzzeitiger Schadstoffexposition treten Effekte erst bei höheren Konzentrationen auf (akute Toxizität) als bei länger andauernder Exposition (chronische Toxizität). In diesem Kontext ist es wichtig zu erwähnen, dass im Biomonitoring der Einsatz lebender Tiere nach heutigem Wissensstand noch unumgänglich ist, um die Gesundheit von Mensch und Tier sowie die Umwelt zu schützen. Langfristiges Ziel ist es jedoch, für Untersuchungen an lebenden Tieren in der Umweltüberwachung Ersatzmethoden (z. B. In-vitro-Verfahren) zu finden. Einen Rahmen für die Güterabwägung in diesem Zielkonflikt bietet die europäische Richtlinie zum Schutz der für wissenschaftliche Zwecke verwendeten Tiere [5]. Ersatzmethoden für Untersuchungen an lebenden Tieren sind jedoch nicht Gegenstand der VDI 4230 Blatt 5.

In der Richtlinie wird vielmehr ein Set von Endpunkten (Untersuchungsparametern) für mögliche Fragestellungen im Bereich der Wirkungsuntersuchungen erstellt, um möglichst umfassend den Gesundheitszustand von Fischen als Indikatoren des Gewässer- und Umweltzustands beschreiben zu können. Die Richtlinie beginnt mit den für den Einsatz von Fischen im Wirkungsmonitoring wichtigen Grundlagen. Hierzu zählen die unterschiedlichen Monitoringstrategien des aktiven und passiven Biomonitorings, deren Vor- und Nachteile in Abhängigkeit vom Untersuchungsziel dargestellt werden. Es folgt eine Beschreibung der für Wirkungsguntersuchungen geeigneten Fischarten im marinen und limnischen System sowie der Vorgehensweise bei der Auswahl von Individuen und der Ermittlung ihrer Anzahl. Schließlich werden die grundlegenden Erfordernisse bei der Probenahme, wie Auswahl der Probenahmestellen, Zeitpunkt der Probenahme, Fangtechnik, erforderliche Ausrüstung, Hälterung und Probenahmetechnik behandelt.

Zentraler Bestandteil ist die Vorstellung geeigneter Biomarker für die Indikation verschiedener Wirkungen (z. B. Gesundheitszustand, zytotoxische, endokrine, gen-, reproduktions- und neurotoxische Wirkungen). In Form von übersichtlichen Tabellen werden für die unterschiedlichen Biomarker zentrale Aspekte der Probenahme, das Messprinzip und die Messmethode(n) abgehandelt. Darauf aufbauend zeigt die Richtlinie beispielhaft verschiedene Szenarien für die Anwendung von Biomarker-Untersuchungen mit Fischen auf. Letztere sind in Form eines Untersuchungskatalogs für den praktischen Einsatz von Biomarkern dargestellt, der nach verschiedenen Untersuchungszielen unterscheidet:

• permanente Überwachung,
• Identifikation von Einträgen,
• Erfolgskontrolle,
• Erholung nach Fischsterben,
• Altlastenuntersuchung oder
• Lokalisierung von beobachteten Effekten.

Die Wirkungsrichtlinie wird voraussichtlich 2015 erscheinen.

3 Fazit

Klar definierte Standards sind unverzichtbar für die Vergleichbarkeit von Untersuchungsergebnissen und für eine umfassende Qualitätssicherung nicht nur im Labor, sondern gerade auch im Freiland. Fehler bei der Probenahme können zu einem späteren Zeitpunkt nicht mehr korrigiert oder in ihrem Ausmaß verringert werden. Trotzdem mangelt es an allgemein anerkannten Standards im Bereich der Probenahme im Freiland und es klafft eine große Lücke zu den heute umfangreichen qualitätssichernden Maßnahmen im Labor. Es gilt noch immer, dass eine nicht standardisierte Probenahme zu Ergebnissen führt, denen nicht vertraut werden kann und die falsche Interpretationen von Prozessen in der Umwelt nach sich ziehen [6].

Die beiden Richtlinien sind ein wichtiger Beitrag dazu, die Probenahme im Freiland so durchzuführen, dass systema­tische und zufällige Fehler durch die Gewinnung repräsentativer und reproduzierbarer Proben vermieden werden können. Sie sind unverzichtbar, damit in Zukunft beim Einsatz von Fischen zur Erfassung der Umweltbelastung und der Wirkung von Stoffen in der Umwelt zuverlässige und belastbare Ergebnisse erzielt werden können.

Literatur

[1] Richtlinie 2000/60/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 23. Oktober 2000 zur Schaffung eines Ordnungsrahmens für Maßnahmen der Gemeinschaft im Bereich der Wasserpolitik (Wasserrahmenrichtlinie WRRL). ABl. EG (2000) Nr. L 327, S. 1-73.

[2] Richtlinie 2008/105/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 16. Dezember 2008 über Umweltqualitätsnormen im Bereich der Wasserpolitik und zur Änderung und anschließenden Aufhebung der Richtlinien des Rates 82/176/EWG, 83/513/EWG, 84/156/EWG, 84/491/EWG und 86/280/EWG sowie zur Änderung der Richtlinie 2000/60/EG. ABl. EU (2008) Nr. L 348, S. 84-97.

[3] VDI 4230 Blatt 4: Biologische Verfahren zur Erfassung von Umweltbelastungen (Bioindikation); Passives Biomonitoring mit Fischen als Akkumulationsindikatoren; Probenahme. Berlin: Beuth 2013.

[4] Klein, R.; Paulus, M.; Tarricone, K.; Teubner, D.: Richtlinie zur Probenahme und Probenbearbeitung. Brassen (Abramis brama). Hrsg.: Umweltbundesamt. Dessau-Roßlau 2012. http://umweltprobenbank.de/upb_static/fck/download/SOP_Brassen.pdf

[5] Richtlinie 2010/63/EU des Europäischen Parlaments und des Rates vom 22. September 2010 zum Schutz der für wissenschaftliche Zwecke verwendeten Tiere. ABl. EU (2000) Nr. L 276, S. 33-79.

[6] Quevauviller, P.; Maier, E. A.: Quality assurance and quality control for environmental monitoring. Quality assurance in environmental monitoring – Sampling and sample pretreatment. Weinheim: VCH 1995.