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1 HINTERGRUND – WAS IST DAS PROBLEM - Die Zunft

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Naturwissenschaftliche Grundlagen der Nachhaltigkeit MGU Grundkurs II - WS 05/06 –Ökotoxikologie
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1 HINTERGRUND – WAS IST DAS PROBLEM
Es ist eine wichtige Eigenschaft aller lebenden Systeme, auf ihre Umwelt reagieren zu können. Ohne
die in der Umwelt vorhandenen Faktoren und die Reaktion der Organismen darauf gibt es keine Anpassung, ohne sie keine Evolution. Die Ökotoxikologie beschäftigt sich mit der Wirkung von Chemikalien auf Ökosysteme oder Teile davon. Chemikalien können natürlicher oder anthropogener Herkunft sein. Lebewesen können diese Stoffen über die Luft, Wasser oder den Boden aufnehmen, oder
mit ihnen in Kontakt kommen. Von vornherein sind chemische Stoffe also erst einmal Faktoren wie
alle andern (Licht, Temperatur, oder andere Organismen), die nützen oder schaden können. Das Problem heute ist, dass wir in evolutiv gesehen zu kurzer Zeit qualitativ und quantitativ zu viele derartige
chemische Stoffe entwickelt und in die Umwelt gebracht haben, als dass eine Anpassung der Reaktionsmöglichkeiten der Organismen hätte stattfinden können. Hier muss zwischen der Anpassung des
Indivuduums und der Art unterschieden werden. Für letzteres gilt in der Regel: Je länger die Generationszeit, desto länger dauert es, bis sich die Organismen anpassen.
Definition
Wenn wir heute von Ökotoxikologie reden, werden verschiedene Aspekte ins Zentrum gerückt:
ƒ
Ökotoxikologie befasst sich mit wissenschaftlichen Methoden und Grundlagen, mit deren Hilfe
Störungen von Ökosystemen durch anthropogene stoffliche Einflüsse identifiziert, beurteilt und
bewertet werden.
ƒ
Ökotoxikologie verknüpft und integriert Konzepte der Umweltchemie, Toxikologie und Ökologie.
Die Toxikologie untersucht die Wirkungen von Schadstoffen auf den Organismus und die Reaktion des Organismus auf den Schadstoff.
ƒ
Ökotoxikologie untersucht sowohl einzelne Arten, Biozönosen und ganze Ökosysteme, möglichst
in Abhängigkeit von der Menge und Einwirkungsart von Schadstoffen.
ƒ
Ökotoxikologie liefert Werkzeuge und Methoden für die Chemikalienbewertung, wie auch für die
Beurteilung von Umweltsystemen und Altlasten.
Zielsetzung
Ziel ist es, die ökotoxikologischen Wirkungen anthropogener Chemikalien zu verstehen, um die damit
verbundenen Gefahren oder die bereits eingetretenen Störungen zu erkennen und abzuwenden, z.B.
Handlungsanweisungen für Sanierungen zu geben. In der retrospektiven Bewertung wird nachträglich
versucht, aus meist fragmentarischen Informationen die bereits verursachten Wirkungen von Chemika-
MGU Grundkurs Umweltwissenschaften II - WS 03/04 –Ökotoxikologie
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lien zu rekonstruieren. In der prospektiven Bewertung sollen Indikatoren identifiziert oder entwickelt
werden, die zuverlässig mögliche Effekte von Chemikalien vorhersagen können.
2 GESCHICHTLICHER HINTERGRUND
Der Mensch greift schon immer in die ihn umgebenden Ökosysteme ein. Es ist anzunehmen, dass die
frühsten ökotoxikologischen Probleme vermutlich zur Zeit der Erzgewinnung auftauchten, als der
Erzabraum die dadurch exponierten Tiere und Pflanzen vergiftete. Mit der Industriealisierung begann
die systematische Herstellung von neuen Substanzen in grossen Mengen.
Wann und wodurch ist die heutige Gesellschaft auf das Problem aufmerksam geworden?
Ein Auslöser war das weltbekannte Buch von Rachel Carson: „The silent spring“ (1969). Darin beschreibt die Autorin, eine Biologin, die Umweltgefährdung durch Pestizide.
Das Fachgebiet der Ökotoxikologie hat sich in den letzten 30 Jahren u.a. aus dem gesellschaftlichen
Auftrag heraus entwickelt, schädlichen Einwirkungen von Chemikalien auf den Naturhaushalt und die
Umwelt vorzubeugen.
Heute sind bei der American Chemical Society 12 Mio. verschiedener chemischer Substanzen registriert. Jahr für Jahr kommen etwa 500 – 1000 neue Substanzen hinzu. Die Hauptmenge der Chemikalienproduktion entfällt auf etwa 1000 Substanzen, die in mehr als 300'000 t produziert werden. Die
allermeisten Substanzen werden jedoch nur in geringen Mengen hergestellt.
Vielzahl technisch hergestellter Chemikalien
18 Mio.
verschiedene Stoffe synthetisiert (CAS)
100‘000
Altstoffe in EU erfasst (vor 1981 gemeldet)
2700
Neustoffe in EU erfasst (seit 1981 gemeldet)
720
Stoffe in Schweizerischer Stoffverordnung gemeldet (1988-2000)
600
Pestizide in Gebrauch (weltweit)
8700
verschiedene Nahrungsmittelzusätze bekannt
3300
verschiedene Stoffe als Arzneimittel in Humanmedizin eingesetzt
Quelle: Giger, W. 2002. EAWAG news 53: 3
MGU Grundkurs Umweltwissenschaften II - WS 03/04 –Ökotoxikologie
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Produktion technisch hergestellter Chemikalien
400 Mio. t.
in 2000 [1930: 1 Mio. t.]
> 100 t/a:
5000 Stoffe
> 1 t/a:
30‘000 Stoffe
ca. 90% der Gesamtproduktion/a: 3000 Stoffe
Quelle: Giger, W. 2002. EAWAG news 53: 3
3 HERAUSFORDERUNGEN AN DIE ÖKOTOXIKOLOGIE
Als „ökologisches Dilemma“ wird der Sachverhalt bezeichnet, dass die Ökotoxikologie den Anspruch
erhebt, Effekte nicht nur auf Niveau der einzelnen Arten zu erfassen und zu verfolgen, sondern Effekte
auf der Ebene der Biozönosen, Population und Ökosysteme zu verstehen. Dazu gehört naturgemäss
die Berücksichtigung des Einflusses zusätzlicher anderer Einflussfaktoren, wie Klimaschwankungen,
wechselnde Strahlungsverhältnisse, Nahrungsangebot, Räuber-Beutebeziehungen, Parasiten, Krankheiten, inner – und zwischenartliche Beziehungen. Die meisten Studien befassen sich jedoch nur mit
den Wirkungen einzelner oder mehrer Chemikalien auf einzelne Arten.
pollutant levels
multiple
exposure time
mechanisms
Challenges
species
diversity
in
ecotoxicology
complex
mixtures
non-chemical
Abb. 1: Herausforderungen der Ökotoxikologie
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4 SCHICKSAL DER CHEMIKALIEN IN DER UMWELT
In Abhängigkeit der physikalisch-chemischen Substanzeigenschaften (Molekulare Struktur und Grösse, Dampfdruck, Wasser- und Fettlöslichkeit, Verteilungskoeffizienten (Octanol/Wasser, Luft/Wasser/Sediment, Adsorptionsfähigkeit, Abbaubarkeit)), den Eintragspfaden, den vorliegenden biogeochemischen Bedingungen und anthropogenen Materialflüssen unterliegen die Chemikalien in der
Umwelt zahlreichen Veränderungen in vernetzten Kreisläufen (Tab. 1)
Eintrag
Verteilung
Wirkung
örtlich: Punktquelle
Transport durch Partikel Aufnahme
Abbau/Austrag
Photolyse
oder diffus
Eintragsmenge
Lösung in Wasser, Was- Transport im Organismus mikrobieller Abbau
serlauf, Erosion
Stoffart: Stoffeigen-
Verdunstung in Atmo-
toxikologische Stoffei-
schaften, -menge
sphäre, Luftverfrachtung genschaften,
Oxidation, Hydrolyse,
Redoxreaktionen
Biotransformation
zeitlich: kontinuierlicher oder stossweiser
Sedimentation
Ausscheidung aus dem
Deposition (Sediment,
Organismus
Atmosphäre), Adsorpti-
Eintrag; regelmässig
on
oder saisonal
Tab. 1: Veränderungen von Chemikalien in der Umwelt
Als „Schadstoffe“ werden Substanzen bezeichnet, die nachgewiesenermassen einen Schaden hervorrufen. Dieser Begriff wird eher umgangssprachlich gebraucht. Meist wird der Begriff Xenobiotika verwendet, das sind im weiteren Sinne Umweltchemikalien, im engeren Sinne handelt es sich um toxikologisch relevante Stoffe, die in biologischen Systemen fremd sind.
MGU Grundkurs Umweltwissenschaften II - WS 03/04 –Ökotoxikologie
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Abb. 2: Eintrag, Verteilung und Veränderung von Stoffen in aquatischen Ökosystemen. Quelle: Fent, 1998,
Schicksal der Chemikalien im Organismus – Aufnahme
Voraussetzung für eine Interaktion zwischen Chemikalien und Organismus ist die Bioverfügbarkeit.
Die Stoffe müssen in einer Form vorliegen, in der sie aufgenommen werden und an einen Ort gelangen, an dem sie mit Teilen (Molekülen, Zelle, etc.) des Organismus in Wechselwirkung treten können.
Prinzipiell können Substanzen über die Nahrung, über die Körperoberfläche oder mit der Atmung
aufgenommen werden. Die Aufnahme erfolgt in zwei Stufen: schnelle Adsorption an die Oberflächen
der Aufnahmeepithelien, bzw. Zellwand (bei Pflanzen) und durch die Zellmembranen. Dazu müssen
die Stoffe in gelöster Form als freie Moleküle vorliegen, ihre Aufnahme geschieht entweder passiv
(Diffusion: lipophile und kleine, ungeladene Moleküle), aktiv (Ionen gegen den Konzentrationsgradienten, z.B. Wasserstoffionen) über spezielle Kanäle (kleine, wasserlösliche Moleküle und Ionen,
z.B. Metallionen) oder als erleichterte Diffusion (gebunden an carrier: grössere, hydrophile Moleküle,
z.B. Glucose) sowie endocytotisch (gebunden an Receptoren, z.B. Proteine, Hormone).
Unpolare, lipidlösliche Moleküle bis zu einer gewissen Grösse können sehr leicht durch die Lipiddoppelschicht der Zellmembran diffundieren. Das ist der Grund, dass bestimmte Umweltchemikalien eine
besonders grosse Gefahr darstellen, nämlich die lipidlöslichen, persistenten Substanzen, zu denen auch
die PCB’s und DDT gehören.
MGU Grundkurs Umweltwissenschaften II - WS 03/04 –Ökotoxikologie
Exposition
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Biologische Barriere
FISCH
Aufnahme
Kieme
Magen-Darm
Haut
Verteilung
Blut
Lymphe
Speicherung
Fett
Knochen
Proteine
Metabolismus
Leber
Niere
Darmwand
Kieme
Ausscheidung
Fremdstoffe oder Metabolite
Kieme
Niere
Galle
Haut
Abb. 3: Weg der Chemikalien in und durch den Körper, am Beispiel Fisch
Verteilung
Bei Pflanzen erfolgt der Transport der aufgenommenen Stoffe primär durch das Xylem (Wassertransportsystem) von der Wurzel in die Blätter. Der Transport in die Gegenrichtung erfolgt durch das
Phloem (Assimilattransportsystem) jedoch nur zu einem geringeren Teil.
Die aufgenommenen Substanzen werden in den Tieren via Blut oder Hämolymphe (bei niederen Tieren) verteilt, meist gebunden an Plasmaproteine aber auch an spezifischen Transportproteine oder anderweitig.
Wichtig ist stets der Konzentrationsunterschied zwischen dem Transportorgan und dem Speicherorgan. Es besteht immer ein Gleichgewicht zwischen freien und gebundenen Molekülen. Die freien
Schadstoffmoleküle diffundieren entlang dem Konzentrationsgradient bis ein neues Gleichgewicht
erreicht ist. Wenn im Zielorgan die Konzentration der freien Moleküle verringert wird, indem diese an
andere Proteine (z.B. Plasmaproteine im Blut) gebunden werden, fliessen ständig freie Moleküle
nach, bis die Bindungsstellen aller Plasmaproteine besetzt sind, und sich ein Gleichgewicht freier und
gebundener Moleküle im Zielorgan eingestellt hat.
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Dynamisches Gleichgewicht gebundener und freier Moleküle
Moleküle dissozieren,
wenn Konz. im Zielorgan
niedriger ist als im Blut
BLUT
Proteinbindung
an Plasmaproteine
Freie
Schadstoff-Moleküle
Zielorgan
Für Konzentrationsausgleich entscheidend ist nur die Menge
ungebundener Moleküle
Abb. 4: Dynamisches Gleichgewicht gebundener und freier Moleküle
Bioakkumulation
Immer, wenn die Aufnahmerate höher ist als die Ausscheidungsrate, kommt es zur Akkumulation. Die
Speicherung ist abhängig von der Tier- oder Pflanzenart, dem Organ, und dem Fettgehalt. Sehr wichtig für die Bioakkumulation sind die chemisch-physikalischen Eigenschaften des Stoffes. Hydrophile
Stoffe werden nicht angereichert, lipophile Stoffe werden meist exponentiell aufgenommen und im
Fett gespeichert, oder, je nach Aussenkonzentration, wieder abgegeben.
Auch natürlicherweise akkumulieren Substanzen in Organismen. Diese stoffspezifische Konzentrierung ist ein lebensnotwendiger Prozess, solange schädliche Substanzen nur selten oder in geringen
Mengen vorhanden sind. Marine Planktonkrebse akkumulieren aus dem Wasser:
Schwefel:
1,6 x
Eisen:
1500 x
Phosphor:
20'000x
Bei Pflanzen werden die Stoffe ebenfalls angereichert. Bekannt ist ihr Einsatz für die Sanierung
schwermetallbelasteter Böden. Hierfür werden Arten, die bestimmte Schwermetalle besonders gut
akkumulieren, angebaut, um dem Boden diese Stoffe zu entziehen. Sonnenblumen, Mais und Tabak
reichern die Schwermetalle zum grössten Teil in den Blättern, Stängeln und Wurzeln an, so dass die
Sonnenblumenkerne und Maiskolben kaum belastet sind und deshalb kommerziell genutzt werden
MGU Grundkurs Umweltwissenschaften II - WS 03/04 –Ökotoxikologie
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können. Tabak extrahiert am meisten Cadmium, Sonnenblumen am meisten Kupfer und gleich viel
Zink wie Mais.
Oft verwendet man den Begriff Bioakkumulation als Überbegriff für die Anreicherung von Chemikalien im Organismus, unabhängig von der Art der Aufnahme. Unter Biokonzentration wird die Anreicherung von Fremdstoffen aus dem Medium, das die Lebewesen umgibt, bezeichnet. Biomagnifikation hingegen bezeichnet die Anreicherung einer Chemikalie infolge der Aufnahme durch die Nahrung.
Oft wird ökologische Magnifikation als Anreicherung entlang der Nahrungskette, von der niederen
zur höheren trophischen Stufe, davon abgegrenzt.
Eine wichtige Grösse ist der Biokonzentrationsfaktor (BCF). Er gibt das Verhältnis zwischen der
Konzentration der Chemikalie im Organismus zur Konzentration der Chemikalien im umgebenden
Medium an und ist dimensionslos. Er kann experimentell ermittelt werden, wenn der Gleichgewichtszustand zwischen Aufnahme und Elimination erreicht ist.
Bioakkumulation in Wassertieren
Daphnie
Fisch
Konstante Schadstoffkonzentration
im Wasser
Daphnie
Schadstoffstoss
Fisch
Abb 5. Beispiel für Abhängigkeit der Geschwindigkeit (x-Achse: Zeit) bis zur Erreichung des Gleichgewichtszustandes und
der Höhe der Bioakkumulation in Abhängigkeit von der Konzentration (y-Achse) und von der Tierart (Streit, 1980, BIUZ)
Generell nimmt die Bioakkumulation mit steigender Lipophilität der Substanz (bis zu einer bestimmten Molekülgrösse ) und dem Lipidgehalt des Organismus zu. Wichtig ist zudem, dass bei wasserlebenden Tieren mit durchlässigen (d.h. nicht verhornten) Hautstrukturen die Bioakkumulation vorwiegend über die Biokonzentration erreicht wird, eine wesentliche Anreicherung über die Nahrungskette
spielt nur bei grossen, sehr lipophilen Molekülen eine Rolle. Bei landlebenden Tieren oder solchen mit
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undurchlässigen Hautstrukturen steht die Biomagnifikation im Vordergrund. Das erklärt die unterschiedlichen Anreicherungsfaktoren verschiedener Substanzen in diversen Tieren und Pflanzen.
Metabolismus
Im Stoffwechsel der Organismen existieren Mechanismen, die Fremdstoffe so umzuwandeln, dass sie
ausgeschieden werden können. Dies wird als Biotransformation bezeichnet. Meist geschieht dies
unter Beteiligung von Enzymen, die die Fremdstoffe biologisch-metabolisch zu wasserlöslichen Produkten umwandeln, in der Regel mit einer Entgiftung einhergehend. Die Organismen können nur hydrophile Stoffe ausscheiden, lipophile bleiben im Körper und reichern sich im Fettgewebe an (Bioakkumulation). Die Biotransformationskapazität ist von Art, Alter, Geschlecht der Organismen, aber
natürlich auch von Art und Menge der Substanzen, sowie von den herrschenden Umweltbedingungen
(z.B. Temperatur) abhängig. Generell verfügen höhere Organismen über ausgeprägtere Fähigkeiten
zur Biotransformation. Doch auch bei diesen führt die Biotransformation selten zum vollständigen
Abbau der Substanzen zu CO2 und Wasser (ausser bei Bakterien), sondern zu Abbauprodukten (Metaboliten), die leichter ausgeschieden werden können. Die meisten Substanzen werden durch die Biotransformation entgiftet, einige werden dadurch erst zu toxischen Verbindungen aktiviert (Bioaktivierung). Die meisten Biotransformationsreaktionen verlaufen über zwei Phasen. In der ersten Phase
werden die Substanzen durch Oxidation, Reduktion oder Hydrolyse umgebaut, um dann in der zweiten
Phase über eine Konjugation weiter wasserlöslich gemacht zu werden und dadurch für die Ausscheidung vorbereitet zu werden.
Schadstoff
Phase I
Oxidation
Hydrolyse
Demethylierung
Dehalogenierung
Phase II
Veresterung mit Sulfat
Veresterung mit Glucuronsäure
Konjugation mit Glutathion
Ausscheidung
Abb. 6: Biotransformation in zweistufigem Prozess
Oxidationen sind die wichtigsten Phase-I Reaktionen. Eine der wichtigsten Enzymfamilie, die hierfür
zuständig sind, sind die Cytochrom P450-abhängigen Monooxygenasen. Sie haben ihren Namen daher,
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weil sie in ihrer reduzierten Form mit Kohlenmonoxid zu einem Produkt reagieren, das eine charakteristische Absorptionsbande bei 450 nm Wellenlänge erzeugt. Als Monoxygenasen spalten sie molekularen Sauerstoff und übertragen nur eines der beiden Sauerstoffatome auf den Fremdstoff (deshalb
MONoxygenase). Sie finden sich in fast allen Organen, vor allem jedoch in der Leber. Im normalen
Stoffwechsel der Zelle sind sie am Umbau von körpereigenen Substanzen, wie Testosteron und
Prostaglandinen beteiligt. Im Fremdstoffmetabolismus werden vor allem Stoffe wie PAH, PCB’s polychlorierte Dibenzodioxine und –furane umgesetzt. Zahlreiche Fremdstoffe werden darüber hinaus
bioaktiviert (z.B. Benzapyren, das im Teer des Tabaks, in Rohöl etc. vorkommt).
Ausscheidung = Elimination
Die wichtigsten Organe für die Ausscheidung bei Tieren sind die Leber, Niere, Kiemen und Haut. Der
Ausscheidungsweg ist oft von der Substanz abhängig, niedermolekulare Kohlenwasserstoffe werden
bis zu 80% bei Fischen über die Kiemen abgegeben, hochmolekulare Kohlenwasserstoffe wie Benzapyren werden, wenn auch langsam, über die Galle ausgeschieden. Die Niere ist das Ausscheidungsorgan für gut wasserlösliche, niedermolekulare Verbindungen und anorganische Verbindungen wie Nitrit, Nitrat, Schwermetalle, etc. Die Galle ist v.a. zuständig für die Elimination von Metaboliten hochmolekularer Produkte aus der Biotransformation. Kieme und Haut dienen beim Fisch der Ausscheidung fettlöslicher und niedermoleklarer Substanzen.
Schadstoffwirkungen generell
Abb. 7: Schadstoffwirkungen generell
Die Toxizität ist das Resultat einer Wechselwirkung zwischen Stoff (Agens) und biologischem System (Rezeptor). Dem Schädigungspotential des Stoffes steht dabei das Schutzpotential des Organismus (Rezeptorsystem) gegenüber.
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Schon früh wurde erkannte, dass die toxische Wirkung sehr stark von den physikalisch-chemischen
Stoffeigenschaften und natürlich von der Konzentration bzw. der Dosis abhängig ist. Paracelsus: „Allein die Dosis macht das Gift“ führte damit das Konzept der Dosisabhängigkeit ein. In der DosisWirkungsbeziehung wird die Antwort auf die Exposition an eine Chemikalie gegen die Dosis aufgetragen.
Abb. 8: Dosis-Wirkungsbeziehung (x-Achse: Dosis, y-Achse: Effekt)
a: essentielle Stoffe, die sowohl bei Unterversorgung als auch bei Überversorgung zu negativen Effekten führen
b: typische Umweltchemikalien, die mit zunehmender Dosis zu reversibler und irreversibler Schädigung führen. (nach Fent,
1998)
Da die Toxizität von der Konzentration des Stoffes am Wirkort abhängig ist, entscheidet letztlich auch
die Länge der Exposition, die Aufnahme, Biotransformation und Ausscheidung über die Toxizität.
Demnach wird die Toxizität durch Konzentration und Einwirkungszeit bestimmt. Die meisten Schadstoffe wirken bei Konzentrationen oberhalb von 1 mg/L.
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Wirkmechanismen
Schwellenkonzentration
mutagene
keine
spezifische Aktivität Hormonrezeptor
1 ng/L
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unspezifische Aktivität Hormonrezeptor >> 1 ng<< 1 µg/L
spezifische Enzyminhibition
> 10 ng< 5 µg/L
unspezifische Enzyminhibition
>10 µg < 1 mg
overload
> 1 mg
Membraneffekte
> 1 mg
Tab. 2: Wirkungsbereiche von Schadstoffen
5 GEFÄHRLICHKEITSABSCHÄTZUNG
Als Gefahr wird ein drohender Schaden bezeichnet, der entstehen kann oder nicht. Risiko hingegen
berücksichtigt die Wahrscheinlichkeit, mit der ein Schaden eintritt, also eine Schadenswahrscheinlichkeit. Um Gefahren durch Fremdstoffe in der Umwelt zu erkennen wird zwischen Expositionsabschätzung (Analyse der Stoffkonzentration in verschiedenen Umweltproben) und Modellierung oder Abschätzung anhand stoffspezifischer Daten, z.B. Stoffflussanalyse) und Wirkungsanalyse (auch Effektbeurteilung) unterschieden. Bei letzterem sollen die möglichen nachteiligen Wirkungen der Substanzen (einzeln und auch im Gemisch mit ihren Metaboliten oder anderen Stoffen) erfasst werden.
Abb. 9: Umweltrisikobeurteilung von Chemikalien (Giger, 2002, EAWAG news 53)
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Für die Abschätzung der Chemikalienwirkung existieren zahlreiche Gremien auf den verschiedensten
Ebenen (international, z.B. OECD-Richtlinien, national: BUWAL) die sich um eine Risikobewertung
bemühen.
Dazu muss zunächst das Gefahrenpotential eines Stoffes anhand seiner Stoff – und toxikologischen
Eigenschaften abgeschätzt werden. Dann wird die mögliche Exposition ermittelt und schliesslich
durch einen Vergleich zwischen Gefahrenpotential und möglicher Exposition das Risiko beschrieben.
Dafür ist der Vergleich zwischen der tatsächlich gefundenen oder prognostizierten Konzentration
(predicted environmental concentration= PEC) und dem experimentell ermittelten NOEC-Wert (Predicted no observed effect concentration= PNEC) massgeblich. Falls der Quotient PEC/PNEC < 1 ist,
wird nicht mit einer schädlichen Auswirkung des Stoffes für die Umwelt gerechnet, bei einem Quotient > 1 sind entweder weitere Risikoanalysen oder Massnahmen einzuleiten.
6 ÖKOTOXIKOLOGISCHE TESTSYSTEME
Ökotoxikologische Tests sind biologische Experimente mit verschiedenen Tierarten, Mikroorganismen
oder Pflanzenarten, die auf ihre Antwort gegenüber chemischen Substanzen oder komplexen Umweltproben getestet werden. Nach Effekten eingeteilt wird zwischen letalem Effekt (tödlicher Wirkung)
und subletalem Effekt unterschieden. Je nachdem, wann der Effekt eintritt (Manifestationszeit), werden Aussagen über die akute (innerhalb von Minuten, Stunden bis zu einigen Tagen auftretende Wirkung) und chronische Toxizität (langfristig, bis nahezu eine ganze Lebensspanne umfassend) möglich.
Wichtig ist der Begriff des Endpunktes, das ist der Parameter, der in den jeweiligen Test untersucht/gemessen wird. Es werden also nur solche Effekte festgestellt, zu denen ein Endpunkt untersucht
wird. Hier liegt eine der bisher kaum berücksichtigten Schwierigkeiten in der Ökotoxikologie, da in
den vorgeschriebenen Test nur bestimmte Endpunkte erfasst werden (z.B. Mortalität innerhalb 48 h;
Zahl der Nachkommen pro Weibchen, etc.).
Eine bedeutende Anforderung an ökotoxikologische Tests ist ihre Reproduzierbarkeit, da die Ergebnisse justiziabel sein müssen. Die Test werden deshalb nach genau festgelegten Bestimmungen durchgeführt, sog. GLP –Standards (good laboratory practice), die von internationalen Organisation entwickelt wurden (OECD, CEN, ISO). Mittlerweile sind 80-100 Testverfahren von diesen Gremien und
den Umweltschutzbehörden zugelassen.
Um heute in Europa neue Chemikalien auf den Markt zu bringen, sind solche Tests durch die nationalen und europäischen Vorschriften zwingend. In akuten Tests werden meist Endpunkte wie Mortalität
oder Immobilisierung untersucht. In den verlängerten Tests werden Reproduktion, Wachstum oder
andere physiologische Prozesse studiert, und zwar im Unterschied zu den akuten Tests nicht nur in
ganzen Organismen sondern sowohl auf höheren Ebenen (Populationen, Biozönosen) als auch auf
suborganismischen Ebenen.
MGU Grundkurs Umweltwissenschaften II - WS 03/04 –Ökotoxikologie
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Stufe
Test
Organismus
Kriterium
Grundstufe
Akute Toxizität
Algen (Primärproduzent )
Daphnien (Primärkonsument )
Fisch (Sekundärkonsument )
Wachstumshemmung
Immobilisierung
Mortalität
Stufe I
Langfristige Toxizität
Daphnien
Fisch
Höhere Pflanzen
Regenwurm (Primärkonsument )
Fisch
Reproduktion
Mortalität
Wachstumshemmung
Mortalität
Fisch
Vogel (Sekundär-, Tertiärkonsument )
Weitere Organismen
Vogel
Reproduktion
Mortalität
Reproduktion
Akute Toxizität
Bioakkumulation
Stufe II
Langfristige Toxizität
Akute Toxizität
Bioakkumulation
Tab. 2: Tests zur ökotoxikologischen Charakterisierung von Chemikalien nach Deutschem Chemikaliengesetz (Fent 1998:
102)
7 GLOSSAR
NOEC-Wert
die Konzentration einer getesteten Substanz, bei der keine definierten Effekte zu
beobachten sind.
LOEC-Wert
(lowest observed effect concentration): Die niedrigste Stoffkonzentration, bei der
die ersten definierten Effekte zu beobachten oder messbar sind.
OECD
Organisation of Economic Cooperation and Development
CEN
Comité Européen de Normalisation
ISO
International Organization for Standardization
8 LITERATUR
Eggen, R.I.L., Behra, R., Burkhardt-Holm, P., Escher, B.I., Schweigert, N., 2004. Current and future
problems in ecotoxicology: The need for molecular approaches towards a mechanistic understanding of the underlying processes. Environmental Science & Technology, vorauss. JanuarAusgabe.
Escher, B., Harder, A., 2003. Molekulare Bioindikatoren für die Toxizitätsbewertung und Wirkmechanismusklassifizierung von Reaktivchemikalien. in prep.
Fent, K., Woodin, B., R., Stegeman, J., J., 1998. Effects of triphenyltin and other organotins on hepatic monooxygenase system in fish. Comparative-Biochemistry-and-Physiology-CPharmacology-Toxicology-and-Endocrinology, Nov., 1998, vol. 121, no. 1-3, p. 277-288
Gunkel, G., 1994. Bioindikation in aquatischen Ökosystemen, Stuttgart, 540 pp.
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