EcoImpact

EcoImpact – Untersuchung der ökologischen Auswirkungen von Mikroverunreinigungen in Fliessgewässern

Die Verschmutzung von Süsswasser-Ökosystemen durch Mikroverunreinigungen gilt heute als ein wichtiges Umweltproblem. Die Wirkung von Mikroverunreinigungen auf spezifische Organismen ist mit einer Fülle von Daten dokumentiert. Noch wenig bekannt ist hingegen, wie sich Mikroverunreinigungen auf die komplexen Strukturen und Funktionen ganzer aquatischer Ökosysteme auswirken.

EcoImpact, ein abteilungsübergreifendes, interdisziplinäres Forschungsprojekt der Eawag, hat zum Ziel, diese Wissenslücke zu schliessen. EcoImpact, welches 2013 startete, wurde vor allem im Hinblick auf die künftige technische Aufrüstung von Abwasserreinigungsanlagen in der Schweiz initiiert. Die damit verbundenen Veränderungen bieten eine einmalige Gelegenheit, die Auswirkungen von Mikroverunreinigungen auf natürliche aquatische Ökosysteme zu untersuchen. Dazu werden zwei komplementäre Ansätze verfolgt: eine Feldstudie an ausgewählten Ausläufen von Abwasserreinigungsanlagen sowie Experimente unter kontrollierten Bedingungen, unter anderem in einem Rinnensystem (Maiandros) mit kontrollierter chemischer Zusammensetzung des Wassers. Maiandros wurde entwickelt, um die Wirkung von Mischungen von Mikroverunreinigungen auf biologische Systeme experimentell untersuchen zu können.

Dieser Ansatz untersucht unter Anwendung anerkannter Methoden die Parameter der Wasserqualität, verschiedene biologische Endpunkte und Artenzusammensetzungen (z.B. Makroinvertebraten) an ausgewählten Standorten.
Feldstudie
Bei diesem Ansatz wird die Zusammensetzung der Abwässer aus ARAs kontrolliert beeinflusst. Verschiedene Organismen werden den unterschiedlichen Abwasserzusammensetzungen ausgesetzt.
Versuchsreihe

Kontakt

Projektpartner

Bundesamt für Umwelt, BAFU, Abt. Wasser

  • Aquabug, Sciences naturelles et environnement, Neuchatel

Die Projektpartner sind eidgenössische und kantonale Behörden, Unternehmen und Non-Profit-Organisationen.

Vortrag (Video) an der Uni Waterloo

Mikroverunreinigungen

Mikroverunreinigungen sind organische und anorganische chemische Schadstoffe, die in sehr geringen Konzentrationen in Gewässern vorkommen. Trotz dieser geringen Konzentrationen können Mikroverunreinigungen jedoch negative Auswirkungen auf Organismen und auf die Trinkwasserqualität haben. Mikroverunreinigungen stammen aus vielen Produkten, die in Industrie-, Landwirtschafts- und Tourismusbetrieben oder in Privathaushalten verwendet werden, wie Kosmetika, Baustoffe, Arzneimittel oder Biozide. Sie gelangen über verschiedene Eintragspfade in die aquatische Umwelt, so etwa über die Siedlungsentwässerung oder durch Abschwemmung aus Landwirtschafts- oder Verkehrsflächen.

Die Folgen von Mikroverunreinigungen

Mikroverunreinigungen können schon in sehr geringer Konzentration Auswirkungen auf Organismen haben. Da sie als biologisch aktive Substanzen entwickelt wurden (z.B. Biozide, Arznei- und Pflanzenschutzmittel), ist zu erwarten, dass ähnliche, aber unerwünschte Effekte in der Umwelt beobachtet werden können. Zum Beispiel hemmen Pflanzenschutzprodukte auch die Entwicklung von photosynthetischen Organismen in Gewässern. Genauso können Wirbeltiere wie Fische auf Hormone und Insekten im aquatischen Umfeld auf Insektizide reagieren.

Unvollständige Entfernung von Mikroverunreinigungen in Abwasserreinigungsanlagen

Viele Mikroverunreinigungen gelangen über die Kläranlagen in die Gewässer. Die heutigen Abwasserreinigungsanlagen (ARAs) sind in erster Linie auf die Entfernung von Nährstoffen ausgelegt. Damit haben sie erfolgreich zur Erreichung der Gewässerschutzziele beigetragen. In den letzten Jahren zeigte sich aber, dass in den Kläranlagen viele Mikroverunreinigungen mit den konventionellen Reinigungsverfahren nicht vollständig entfernt werden und daher zusätzliche Reinigungsstufen nötig sind. Im Rahmen der  Strategie Mikroverunreinigung haben die Schweizer Behörden entschieden, etwa 100 der 700 Schweizer ARAs mit zusätzlichen Reinigungsstufen auszustatten. Die damit verbundenen Veränderungen sind eine einmalige Gelegenheit, die Auswirkungen von Mikroverunreinigungen auf natürliche aquatische Ökosysteme in unserem Forschungsprojekt EcoImpact zu untersuchen.

Hypothesen und Ziele

Mit einer Kombination von Feldstudien und experimentellen Ansätzen wird EcoImpact die folgenden zwei Hypothesen testen:

  • Der Eintrag von Mikroverunreinigungen aus ARAs führt zu Veränderungen, die über die Effekte anderer Bestandteile des Abwassers wie Nährstoffe hinausgehen (zum Beispiel der Verlust und die Abnahme sensitiver Arten unterhalb der Einleitungsstelle oder induzierte Toleranz gegenüber Mikroverunreinigungen).
  • Es gibt indirekte Effekte von Mikroverunreinigungen, die von biologischen Interaktionen vermittelt werden, die über die direkten Effekte von Mikroverunreinigungen auf Schlüsselorganismen und Schlüsselfunktionen hinausgehen.

Das Projekt EcoImpact verfolgt drei Ziele:

  • Herstellung kausaler Zusammenhänge
    Die Eawag will untersuchen, ob ökologische Unterschiede zwischen verschiedenen Standorten auf unterschiedliche Expositionen gegenüber (spezifischen) Gruppen von Mikroverunreinigungen zurückzuführen sind. Die Auswirkungen von Mikroverunreinigungen sollen von denjenigen anderer Einflussfaktoren abgegrenzt werden.
  • Integration
    Das Projekt umfasst eine Vielzahl molekularer, physiologischer und ökologischer Endpunkte und integriert die verschiedenen Messungen, Beobachtungen und Muster.
  • Erarbeitung von allgemeingültigen Aussagen
    Die Eawag will nicht nur spezifische Aussagen für bestimmte Standorte, sondern allgemeingültige Aussagen formulieren.

Feldstudie und Untersuchungsstandorte

Dieser Ansatz untersucht unter Anwendung anerkannter Methoden die Parameter der Wasserqualität, verschiedene biologische Endpunkte, die Biodiversität und funktionelle Merkmale an ausgewählten Standorten. Die 24 ausgewählten Flussstrecken ober- und unterhalb von ARA-Ausläufen befinden sich im Schweizer Mittelland und im Jura. Ziel der Studie ist die Untersuchung der biologischen Auswirkungen von geklärten Abwässern im Allgemeinen und von Mikroverunreinigungen im Besonderen sowie die Schaffung einer Datenbasis um die künftigen Veränderungen infolge der aufgerüsteten ARAs zu überwachen.

Die Auswahl der untersuchten Standorte beruht auf den folgenden Kriterien, die auf wissenschaftlich relevante Ergebnisse abzielen, sodass die Schlussfolgerungen verallgemeinert werden können:

  • Nur Fliessgewässer werden als Aufnahmegewässer betrachtet, keine Seen
  • Kein Abwasserauslauf oberhalb der ausgewählten ARAs
  • Bei trockenem Wetter sind mindestens 20% der gesamten Abflussmenge Abwasser der ARA (Q347)
  • Siedlungsfläche im Einzugsgebiet < 21%
  • Flächenanteil Reben und Obst im Einzugsgebiet < 10%
Datenquelle: © 2017 swisstopo (JD100041)

Experimentelle Ansätze

Um den Einfluss verschiedener Umweltfaktoren auf die Struktur und Funktion aquatischer Ökosysteme auseinanderzuhalten, braucht es Experimente. Um die besondere Rolle von Mikroverunreinigungen zu studieren, haben wir sowohl kleinräumige Experimente im Labor durchgeführt als auch Maiandros entworfen – ein System von Durchflussrinnen, welches nach der griechischen Gottheit Μαίανδρος des Flusses Mäander (in der heutigen Türkei) benannt ist. Im Maiandros-System können verschiedene Organismen vier unterschiedlichen, kontrollierten Wasserqualitäten ausgesetzt werden. Momentan ist Maiandros auf der ARA Fällanden (Schweiz) installiert, wo bis jetzt verschiedene Experimente durchgeführt wurden. Einerseits wurde die Wasserqualität durch die Vermischung von Flusswasser mit gereinigtem Abwasser in verschiedenen Mischungsverhältnissen variiert. Andererseits wurde Flusswasser mit ausgewählten Nährstoffen und/oder Mischungen von Mikroverunreinigungen versetzt, um etwaige gegenteilige Effekte von Nährstoffen und Mikroverunreinigungen auseinander zu halten.

Das experimentelle Rinnensystem „Maiandros"

Resultate

Die bislang erhobenen Ergebnisse zeigen, dass Mikroverunreinigungen Auswirkungen auf Fliessgewässer-Ökosysteme haben. Bei allen Feldstandorten hat die Abwassereinleitung die Fracht und die Konzentrationen von Mikroverunreinigungen in den Flussabschnitten unterhalb der ARA erhöht. Biologische Tests zeigen klar, dass diese Konzentrationen die ökotoxikologischen Effekte an verschiedenen Endpunkten erhöhen, sodass zum Beispiel die Photosynthese stärker gehemmt wird. Flussabwärts gelegene Peryphytongemeinschaften sind toleranter gegenüber diesen Mikroverunreinigungen und Bachforellen induzierten an ausgewählten Standorten die Expression von Genen, die für Entgiftungs-Aktivitäten benötigt werden. All diese Resultate zeigen, dass Mikroverunreinigungen in den Organismen Stress induzieren, was zu biologischen Antworten führt. Solche Effekte werden auch bei Makroinvertebraten beobachtet. Insbesondere Arten, die sensibel auf Pestizide reagieren, sind in flussabwärts gelegenen Standorten dezimiert, was darauf hinweist, dass sich diese Giftstoffe im geklärten Abwasser befinden. Dieser Effekt ist umso grösser, wenn im Verhältnis zur durchschnittlichen Wassermenge im Fluss mehr Abwasser eingeleitet wird. Interessanterweise war dieser Effekt unabhängig davon, wie rein das Fliessgewässer oberhalb der ARA war. Das Abwasser und möglicherweise auch die Mikroverunreinigungen beeinflussten auch Ökosystemfunktionen wie den Blattabbau.

Im Maiandros-Rinnensystem wurden bis jetzt vier Experimente durchgeführt, die es erlaubten, einige der komplexen Prozesse aus den Feldstudien zu entflechten. Abbautests mit Baumwollstreifen haben zum Beispiel gezeigt, dass Nährstoffe die toxischen Effekte von Mikroverunreinigungen ‚verbergen’. Die Resultate aus der Feldstudie und dem Rinnensystem werden nun miteinander verglichen, um die im Feld beobachteten Muster besser zu verstehen.

Publikationen

Die folgenden ausgewählten Publikationen stammen aus dem Projekt EcoImpact oder sind stark mit dem Thema verknüpft.

Tlili, A.; Hollender, J.; Kienle, C.; Behra, R. (2017) Micropollutant-induced tolerance of in situ periphyton: establishing causality in wastewater-impacted streams, Water Research, 111, 185-194, doi:10.1016/j.watres.2017.01.016, Institutional Repository
Stamm, C.; Räsänen, K.; Burdon, F. J.; Altermatt, F.; Jokela, J.; Joss, A.; Ackermann, M.; Eggen, R. I. L. (2016) Unravelling the impacts of micropollutants in aquatic ecosystems: interdisciplinary studies at the interface of large-scale ecology, In: Dumbrell, A. J.; Kordas, R. L.; Woodward, G. (Eds.), Large-Scale Ecology: Model Systems to Global Perspectives, 183-223, doi:10.1016/bs.aecr.2016.07.002, Institutional Repository
Burdon, F. J.; Reyes, M.; Alder, A. C.; Joss, A.; Ort, C.; Räsänen, K.; Jokela, J.; Eggen, R. I. L.; Stamm, C. (2016) Environmental context and magnitude of disturbance influence trait-mediated community responses to wastewater in streams, Ecology and Evolution, 6(12), 3923-3939, doi:10.1002/ece3.2165, Institutional Repository
Czekalski, N.; Díez, E. G.; Bürgmann, H. (2014) Wastewater as a point source of antibiotic-resistance genes in the sediment of a freshwater lake, ISME Journal, 8(7), 1381-1390, doi:10.1038/ismej.2014.8, Institutional Repository
Deiner, K.; Walser, J.-C.; Mächler, E.; Altermatt, F. (2015) Choice of capture and extraction methods affect detection of freshwater biodiversity from environmental DNA, Biological Conservation, 183, 53-63, doi:10.1016/j.biocon.2014.11.018, Institutional Repository
Eggen, R. I. L.; Hollender, J.; Joss, A.; Schärer, M.; Stamm, C. (2014) Reducing the discharge of micropollutants in the aquatic environment: the benefits of upgrading wastewater treatment plants, Environmental Science and Technology, 48(14), 7683-7689, doi:10.1021/es500907n, Institutional Repository
Fischer, S.; Klüver, N.; Burkhardt-Medicke, K.; Pietsch, M.; Schmidt, A.-M.; Wellner, P.; Schirmer, K.; Luckenbach, T. (2013) Abcb4 acts as multixenobiotic transporter and active barrier against chemical uptake in zebrafish (Danio rerio) embryos, BMC Biology, 11, 69 (16 pp.), doi:10.1186/1741-7007-11-69, Institutional Repository
Hollender, J.; Zimmermann, S. G.; Koepke, S.; Krauss, M.; McArdell, C. S.; Ort, C.; Singer, H.; von Gunten, U.; Siegrist, H. (2009) Elimination of organic micropollutants in a municipal wastewater treatment plant upgraded with a full-scale post-ozonation followed by sand filtration, Environmental Science and Technology, 43(20), 7862-7869, doi:10.1021/es9014629, Institutional Repository
Margot, J.; Kienle, C.; Magnet, A.; Weil, M.; Rossi, L.; de Alencastro, L. F.; Abegglen, C.; Thonney, D.; Chèvre, N.; Schärer, M.; Barry, D. A. (2013) Treatment of micropollutants in municipal wastewater: ozone or powdered activated carbon?, Science of the Total Environment, 461, 480-498, doi:10.1016/j.scitotenv.2013.05.034, Institutional Repository
Ort, C.; Hollender, J.; Schaerer, M.; Siegrist, H. (2009) Model-based evaluation of reduction strategies for micropollutants from wastewater treatment plants in complex river networks, Environmental Science and Technology, 43(9), 3214-3220, doi:10.1021/es802286v, Institutional Repository
Schymanski, E. L.; Singer, H. P.; Longrée, P.; Loos, M.; Ruff, M.; Stravs, M. A.; Ripollés Vidal, C.; Hollender, J. (2014) Strategies to characterize polar organic contamination in wastewater: exploring the capability of high resolution mass spectrometry, Environmental Science and Technology, 48(3), 1811-1818, doi:10.1021/es4044374, Institutional Repository
Schuwirth, N.; Kattwinkel, M.; Stamm, C. (2015) How stressor specific are trait-based ecological indices for ecosystem management?, Science of the Total Environment, 505, 565-572, doi:10.1016/j.scitotenv.2014.10.029, Institutional Repository
Tlili, A.; Berard, A.; Blanck, H.; Bouchez, A.; Cássio, F.; Eriksson, K. M.; Morin, S.; Montuelle, B.; Navarro, E.; Pascoal, C.; Pesce, S.; Schmitt-Jansen, M.; Behra, R. (2015) Pollution-induced community tolerance (PICT): towards an ecologically relevant risk assessment of chemicals in aquatic systems, Freshwater Biology, 61, 2141-2151, doi:10.1111/fwb.12558, Institutional Repository

Das Projektteam

Projektmanagement

Projektleiter: Christian Stamm

Prof. Dr. Rik EggenStellvertretender DirektorTel. +41 58 765 5320E-Mail senden

Das Projektteam

Das Projekt wird in enger Zusammenarbeit mit den Mitgliedern des erweiterten Projektteams durchgeführt, das sich aus Vertretern der verschiedenen Disziplinen der Eawag und dem Oekotoxzentrum der Eawag/EPFL zusammensetzt.

Die verschiedenen Projektaufgaben werden von Arbeitsgruppen mit wissenschaftlichen und technischen Mitarbeitenden aus allen Funktionsebenen ausgeführt und von einem Gruppenleiter überwacht.

Forschungspartner

Assoc. Prof. Scott D. Tiegs, Biological Sciences, Oakland University, Michigan, USA
Dr. Yaohui Bai, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China

Wissenschaftliche Beratungskommission

Prof. Dr. R. Brouwer
Professor in Environmental Economy, University of Waterloo, Canada

Prof. Dr.-Ing. Martin Jekel
Professor in Environmental Engineering, Technical University, Berlin, Germany

Dr Pim E.G. Leonards
Senior researcher department of Chemistry and Biology, Vrije Universiteit, Amsterdam, The Netherlands

Dr. Guy Woodward
Reader in ecology, Imperial College, London, England