Directly to content
  1. Publishing |
  2. Search |
  3. Browse |
  4. Recent items rss |
  5. Open Access |
  6. Jur. Issues |
  7. DeutschClear Cookie - decide language by browser settings

Der Fischrückgang in der Donau – Ein Modell zur Bewertung der Belastung von Sedimenten

Keiter, Steffen

English Title: The fish decline in the Danube River – A model to assess the hazard potential of sediments

[img]
Preview
PDF, German Print-on-Demand-Kopie (epubli)
Download (27Mb) | Lizenz: Print on Demand

Citation of documents: Please do not cite the URL that is displayed in your browser location input, instead use the persistent URL or the URN below, as we can guarantee their long-time accessibility.

Abstract

Die Fischbestände in der Donau zwischen Sigmaringen und Ulm sind trotz bestandsstützender Maßnahmen und einer verbesserten Wasserqualität seit Ende der 80er Jahre stark rückläufig. In einer Pilotstudie konnte für Sedimente aus der Donau ein hohes ökotoxikologisches Belastungspotential festgestellt werden. Als Folge dieser Ergebnisse wurde eine Weight-of-Evidence-Studie initiiert, um mögliche Ursachen des Fischrückgangs und Belastungsschwerpunkte zu identifizieren. Hierfür wurde in einer Biotestbatterie das Schädigungspotential von Sedimentextrakten und nativen Sedimenten überprüft. Außerdem wurden ultrastrukturelle Veränderungen an der Leber aus Barben untersucht. Mutagene Effekte in Barben wurden mittels des Mikrokerntests an Erythrocyten bestimmt. Des Weiteren wurden neben limnologischen Parametern auch die Konzentration von Schwermetallen und prioritärer organischer Schadstoffe in Sedimenten gemessen. Durch die Messung der limnologischen Parameter konnte die Donau weitestgehend der Gewässergüte II zugeordnet werden. Auch der Gehalt der Schwermetalle ging im Vergleich zu früheren Jahren deutlich zurück (Güteklasse I oder I-II). Bei der Belastung mit organischen Substanzen erreichten die Mehrzahl aller Standorte die ATV-Güteklassen I oder II. Überraschend hohe PAH-Konzentrationen wurden in den Sedimenten aus dem Zufluss Schwarzach (Güteklasse V) und dem Öpfinger Stausee (Güteklasse III) gemessen. Bei der Ermittlung der Dioxin-ähnlichen Wirksamkeit konnte jedoch festgestellt werden, dass ein Großteil der Induktion durch unbekannte, nicht-prioritäre Schadstoffe verursacht wurde. Auch in allen anderen In vitro-Tests, wie dem Neutralrottest und Fischeitest, konnten sehr hohe Effekte beobachtet werden, die teilweise sogar das ökotoxikologische Potential des Rheins erreichten. Insbesondere im Fischeitest konnte eine deutliche Entwicklungsverzögerung nach Exposition mit nativen Sedimenten beobachtet werden. Im Comet-Assay mit RTL-W1-Zellen und embryonalen Zellen von Danio rerio konnte eine sehr hohe Gentoxizität festgestellt werden. Diese Belastung ist auch im Zusammenhang mit den hohen PAH-Konzentrationen zu interpretieren, die mit den Testergebnissen aus dem Comet-Assay gut korrelieren. Des Weiteren konnten die Ergebnisse im In vitro-Mikrokerntest sehr gut auf die In vivo-Ergebnisse mit Barben-Erythrocyten übertragen werden. Die stark ausgeprägten ultrastrukturellen Störungen der Hepatocyten von Barben aus Ehingen und Rottenacker manifestierten sich in fast allen Zellstrukturen. Aus den Untersuchungen aller Standorte ergibt sich eine sehr heterogene Belastungssituation an der Donau. Die Ergebnisse lassen jedoch die Identifizierung einzelner „Hot Spots“ bzw. gering belasteter Standorte zu. So konnte für die Sedimente aus der Lauchert, Riedlingen und Jochenstein meist keine oder nur geringe Effekte festgestellt werden. Dagegen wurde für die Schwarzach sowie für die Standorte Rottenacker, Ehingen und den Öpfinger Stausee eine sehr hohe ökotoxikologische Belastung nachgewiesen. Für Sigmaringen aber auch Ehingen ergab sich ein inhomogenes Belastungsmuster. Die in dieser Weight-of-Evidence-Studie verwendeten Tests stellen ein sehr gut geeignetes Konzept dar, um nachzuweisen, dass an der Donau eine erhebliche ökotoxikologische Belastung vorliegt, die auch sehr wahrscheinlich Einfluss auf die Fischpopulationen nimmt. In Hinblick auf die europäische Wasserrahmenrichtlinie muss davon ausgegangen werden, dass die Donau den geforderten ökologisch guten Zustand zum gegenwärtigen Zeitpunkt nicht erreicht. Daraus leitet sich auch ein dringender Handlungsbedarf ab, um der Forderung der WRRL gerecht zu werden und das Ökosystem Donau in seiner Gesamtheit zu schützen sowie eine weitere Verschlechterung zu vermeiden. Im zweiten Teil dieser Studie wurde durch ein Fuzzy-Logik Expertensystem ein ortsunabhängiges Klassifizierungskonzept zur Bewertung von Sedimenten entwickelt. Hierbei wurden zunächst verschiedene mathematische Verfahren (Normalverteilung, Normalisierung, Boxplot- und empirisches Verfahren) verwendet, um die Daten ausgewählter In vitro-Tests in drei Toxizitätsstufen zu unterteilen. Hierbei wurden sowohl das Boxplot- als auch das empirische Verfahren favorisiert, da sie die Möglichkeit bieten, die Sensitivität der Biotests gegenüber komplexen Umweltproben zu berücksichtigen. Des Weiteren wurde zur Bildung des graduellen Zugehörigkeitsbereichs für die Fuzzy-Logik, die Variabilität der Biotests herangezogen. Hierfür wurden die testspezifischen Positiv- und/oder Negativkontrollen verwendet und mittels mathematischer Verfahren der graduelle Zugehörigkeitsbereich bestimmt. Um der ökologischen Relevanz der verschiedenen Tests in der Klassifizierung Rechnung zu tragen, wurden die Toxizitätsstufen der Testverfahren entsprechend ihrem biologischen Organisationsniveau angepasst. Dadurch konnte ein Klassifikationsmodell entwickelt werden, das die inhärenten Unsicherheiten von ökotoxikologischen Biotests berücksichtigt.

Translation of abstract (English)

Fish populations have declined over the last two decades in the Danube River between Sigmaringen and Ulm, despite intensive and continuous stocking and improvement of water quality since the 1980s. However, the conclusion of a pilot study was that a high hazard potential is associated with local sediments. Based on these results a weight-of-evidence approach was initiated in order to elucidate possible reasons for the decline of fish populations and to identify hot spots. Hence, the hazard potential of sediment extracts and native sediments were measured using a biotest battery. Furthermore, ultrastructural alterations in the liver of the barbel were investigated. To determine mutagenic effects in erythrocytes of the barbel the micronucleus test was used. In addition, several limnological parameters as well as the concentrations of heavy metals and organic pollutants in sediments were measured. Due to the measurements of the limnological parameters most parts of the Danube River was assigned to quality class II. Furthermore, in comparison to former years the concentrations of heavy metals decreased (quality class I or II). Concerning the burden situation with organic pollutants most sampling sites reached ATV quality class I or II. Unexpectedly high PAH concentrations were measured in sediments of the tributary Schwarzach (quality class V) and the lake Öpfingen (quality class III). However, in this investigation the high AhR-mediated activities in a battery of bioanalytical methods (DR-CALUX and EROD assay) could not be completely explained by chemical analysis of priority pollutants. Furthermore, all other used in vitro test systems showed very high effects too. Occasionally these effects reached the ecotoxicological hazard potential of the River Rhine. The effect observed most frequently in the fish egg assay testing native sediments was a development delay. A very high genotoxicity was detected in the comet assay using RTL-W1 cells and embryonic cells of Danio rerio. In these test systems two exposure scenarios were compared where a higher genotoxic burden was detected for sediment extracts. In addition, the results of the comet assay showed a high correlation to the PAH concentration. Furthermore, the results of the in vitro micronucleus test were transferable to the in vivo results testing erythrocytes of the barbel. Within the ultrastructural investigations of the hepatocytes of the barbel a clear interference of the cellular organization was observed for fish from the locations Ehingen and Rottenacker. In particular through the measured in situ and in vivo parameters the results of the in vitro investigations could be confirmed. In conclusion, the investigations showed a very heterogeneous burden situation for all sampling sites along the Danube River. Nevertheless, the results allow the identification of hot spots as well as less polluted locations. Thus the sediments of the tributary Lauchert and the locations Riedlingen and Jochenstein showed regularly no or less effects. However, for the tributary Schwarzach, the lake Öpfingen and the location Rottenacker a distinctly high ecotoxicological burden situation was determined. The sites of Sigmaringen and Ehingen showed an inhomogeneous distribution of the different measured endpoints. The used tests of this weight-of-evidence approach represent a useful concept to elucidate that the upper Danube River shows a high ecotoxicological burden situation. Therefore, a link between chemical contamination and decline of fish catch in the Danube River cannot be ruled out. Hence, regarding the European Water Framework Directive (EWFD) the upper Danube River will not reach the required good ecological quality. Consequently, there is urgent need for action to reach the requirements of the EWFD as well as to protect the whole ecosystem of the upper Danube River and to avoid a further degradation. In the second part of this study a fuzzy logic expert model was used in order to classify sediments using the results of in vitro biotests. For this purpose, data sets were divided into three toxicity levels using the normalization, normal distribution and box plot and empiric method. The box plot and empiric method served the possibility to consider the test specific sensitivity and, therefore, they were used for all further calculations. The variability of each biotest was determined in order to calculate the span of the gradual membership using results of the positive and negative controls, respectively. In addition, the selected biotests were sorted depending on the biological organization level to consider the ecological relevance of the measured endpoints. In conclusion, a fuzzy logic classification model was developed which considers the uncertainties of biological data as well as their ecological relevance. It offers the possibility to integrate expert-knowledge as well as acute and mechanism specific effects to classify sediments for a reliable assessment.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Braunbeck, Prof. Dr. Thomas
Date of thesis defense: 28. November 2007
Date Deposited: 11. Mar 2008 15:02
Date: 2007
Faculties / Institutes: Service facilities > Centre for Organismal Studies Heidelberg (COS)
Subjects: 570 Life sciences
Uncontrolled Keywords: Weight-of-evidenve , Fuzzy logic , fish decline
About | FAQ | Contact | Imprint |
OA-LogoLogo der Open-Archives-Initiative