„Risikomanagement von neuen Schadstoffen und Krankheitserreger im Wasserkreislauf - RiSKWa“

Einleitung

Die Vielfalt neuer Schadstoffe und Krankheitserreger stellt das Wassermanagement vor neue Herausforderungen. Auf unterschiedlichen Eintragspfaden, u.a. über den Haushalt, die Landwirtschaft oder medizinischen Einrichtungen, gelangen sie in unsere Oberflächen- und Grundwässer. Bei den Schadstoffen handelt sich beispielsweise um Arzneimittel, Hormone, Sonnenschutzmittel, Waschmittelinhaltsstoffe, Tenside oder auch Flammschutzmittel aus unterschiedlichsten Bedarfsgegenständen. Diese werden unter der Bezeichnung „anthropogene Spurenstoffe“ bzw. „Xenobiotika“ zusammengefasst. Aufgrund der Vielfalt der Substanzen ist prinzipiell damit zu rechnen, dass weitere Stoffe und deren Metabolite bzw. Abbauprodukte gefunden werden.

Wie anthropogene Spurenstoffe und Krankheitserreger zu bewerten sind und wie das Risikomanagement für einen vorsorgenden Gesundheits- und Umweltschutz gestaltet sein muss, wird im Rahmen der BMBF-Fördermaßnahme „Risikomanagement von neuen Schadstoffen und Krankheitserregern im Wasserkreislauf – RiSKWa“ untersucht. Mit über 30 Millionen Euro fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung zwölf Verbundprojekte, die in mehreren Modellregionen verschiedene Schwerpunkte im Wasserkreislauf adressieren.

In den Verbundprojekten werden unterschiedliche Managementkonzepte zum Umgang mit neuen Schadstoffen und Krankheitserregern im Wasserkreislauf erarbeitet. Sie reichen vom Risikomanagement in urbanen Räumen bis hin zu Oberflächengewässern im ländlichen Raum. Zum einen dienen bestehende Vorgehensweisen wie der Water Safety Plan der WHO als Orientierung, zum anderen werden aber auch neue Ansätze entwickelt. Ein Beispiel hierfür sind Überwachungs- und Maßnahmenkonzepte für ein Nebeneinander unterschiedlicher Nutzungsformen, wie Trinkwassergewinnung und Badebetrieb.

Seit dem Beginn von RiSKWa vor mehr als zwei Jahren wurden auch bei der Identifizierung und Bewertung von neuen Schadstoffen und Krankheitserregern sowie bei der Optimierung technischer Verfahren zum Emissions-/Immissionsmanagement große Fortschritte gemacht. Im Bereich der Kommunikation und Öffentlichkeitsarbeit werden unterschiedliche Methoden u.a. Bürgerbefragungen, Literatur- und Medienrecherche oder Zusammenarbeit mit Schulen und Fachpersonal aufgegriffen. Ziel der Arbeiten in diesem Bereich ist es, das Hintergrundwissen verschiedener Akteure zu ermitteln, zu informieren und Verhaltensänderungen zu fördern.

Verschiedene Arbeitsschwerpunkte, Methoden oder fachspezifische Fragestellungen werden in RiSKWa oft von mehreren Projekten aus unterschiedlichen Blickwinkeln bearbeitet. Dadurch entstehen projektübergreifende Querschnittsthemen, die im Rahmen von Fachgesprächen und Workshops diskutiert werden. Ergebnisse dieser Zusammenarbeit werden beispielweise in Leitfäden zusammengefasst. Bisher veröffentlicht ist der Leitfaden „Polare organische Spurenstoffe als Indikatoren im anthropogen beeinflussten Wasserkreislauf“. Weitere Leitfäden und gemeinsame Papiere sind in Bearbeitung, u.a. zum Risikomanagement und zu mikrobiologischen und toxikologischen Fragestellungen.

Identifizierung von neuen Schadstoffen und Krankheitserregern

Grundlegend für die Aussagekraft analytischer Ergebnisse sind die Probenahme und Probenvorbereitung. Um eine einheitliche, möglichst abgestimmte Vorgehensweise in RiSKWa festzulegen, wurde bereits zu Beginn der Fördermaßnahme das Querschnittsthema “Probenahme und Probenvorbereitung für die chemische und mikrobiologische Analytik“ etabliert. Obwohl die Anforderungen an die verschiedenen Untersuchungsmethoden keine gänzliche Vereinheitlichung erlauben, konnten wichtige Rahmenbedingungen, wie die Art der Probenvorbereitung, die Wahl der Probenahmegefäße und die Parameter zur Probencharakterisierung, festgelegt werden.

<b>Abbildung 1:</b> Freilandprobenahme an der Schussen © SchussenAktivplus
<b>Abbildung 2:</b> Spurenstoffanalytik © TZW Karlsruhe

Die Analyse von Wasserproben und der Nachweis von organischen Schadstoffen im Spurenbereich (wenige µg/L) erfolgt über chromatographische Trennverfahren in Verbindung mit Massenspektrometrie. So können in einem Analyselauf mehrere hundert Verbindungen erfasst werden. Hieraus anschließend alle Einzelsubstanzen zu identifizieren ist in der Routineanalytik selten leistbar. Ein Ziel der Arbeiten in RiSKWa ist es, den Umgang mit großen Datenmengen zu vereinfachen und gezielt unbekannte Stoffe im Spurenbereich zu identifizieren. Im Austausch mit den Geräteherstellern wurden insgesamt vier Workshops organisiert, um diese für die Probleme der Anwender zu sensibilisieren und eine Schnittstelle zu frei zugänglichen Datenbanken zu schaffen. Metadaten und zusätzliche Informationen über Stoffeigenschaften, unterstützen die Auswertung von Analysen. Eigens für die Anforderungen in RiSKWa wurde die Datenbank STOFF-IDENT entwickelt. Diese ist am Bayerischen Landesamt für Umwelt angesiedelt und wird auch nach Projektende weiter gepflegt. Noch in 2014 soll die Datenbank von außenstehenden Laboratorien, die keine Projektpartner in RiSKWa sind, getestet werden.

Bewertung von neuen Schadstoffen

Neben der Analytik werden für die Identifizierung und Klassifizierung von neuen Schadstoffen bereits bestehende Ansätze und Quellen, zum Beispiel REACH-Daten und das GOW-Konzept (Gesundheitlicher Orientierungswert) herangezogen. Mit biologischen Testverfahren lassen sich Wirkungen von Spurenstoffen auf die menschliche Gesundheit und die Umwelt ermitteln. Ergänzend zu bereits bekannten Stoffen werden auch neue Stoffe sowie die Bildung von Metaboliten untersucht und dokumentiert. In mehreren Verbundprojekten werden hierfür in vivo und in vitro – Verfahren zur Bestimmung der Gen-, Öko- und Neurotoxizität sowie endokriner Potentiale eingesetzt. Nicht alle Testverfahren sind standardisiert, einige Verfahren werden in den Projekten neu entwickelt oder optimiert. So können beispielsweise feste Matrizes wie Sedimentproben oder Gülle nur mit optimierten Methoden getestet werden. In Zusammenarbeit mehrerer Verbundprojekte werden im Rahmen des Querschnittsthemas „Bewertungskonzepte der Toxikologie“ Empfehlungen für die Bewertung von neuen Schadstoffen erarbeitet.

<b>Abbildung 3:</b> Flohkrebs als Indikator für die Wirkung anthropogener Spurenstoffe in der Schussen (Bodenseezufluss). © SchussenAktivplus

In RiSKWa werden neben Einzelsubstanzen auch reale Proben (z.B. Oberflächengewässer, Abwasser, Sedimentproben) mittels toxikologischer Testverfahren bewertet. Die Untersuchungen sollen Aussagen über das Umweltverhalten von neuen Schadstoffen ermöglichen, u.a. welche Auswirkungen behandelte Abwässer auf das Ökosystem haben können. Erste Ergebnisse zeigen, dass selbst geringste Mengen an anthropogenen Schadstoffen in Zellen akkumulieren und auf diese Weise den Organismus auf Dauer schädigen können.

Einträge aus der kommunalen Abwasserbehandlung und landwirtschaftlichen Gebieten in die aquatische Umwelt

Welche Spurenstoffe und Krankheitserreger in Oberflächengewässer gelangen, ist abhängig von der angrenzenden Landnutzung sowie der Siedlungsstruktur mit ihrem kommunalen Abwasser. Verschiedene Modellregionen bilden in RiSKWa ein breites Spektrum an Szenarien ab.

Da mehr als die Hälfte der Bevölkerung in Deutschland in Städten und Ballungszentren lebt, tritt eine Vielzahl an Spurenstoffen und Krankheitserregern im kommunalen Abwasser auf. Insbesondere in eng besiedelten Regionen können dadurch Nutzungskonflikte entstehen. Das Einleiten der behandelten Abwässer und das Gewinnen von Trinkwasser liegen hier räumlich oft dicht beieinander. Daher untersuchen einige Verbundprojekte in RiSKWa, wie natürliche und technische Ansätze zur Wasseraufbereitung bemessen werden müssen um in urbanen Räumen auch in Zukunft eine gute Wasserqualität garantieren zu können. Anwendungsorientierte Konzepte zur Identifizierung und Elimination von anthropogenen Spurenstoffen werden in den Modellregionen Berlin und Dresden erarbeitet und erprobt.

<b>Abbildung 4:</b> Die Spree, ein Bestandteil des urbanen Wasserkreislaufs von Berlin. © ASKURIS

Speziell in Abwässern aus Krankenhäusern und Pflegeeinrichtungen können besonders hohe Konzentrationen an Arzneimitteln, deren Rückständen und Krankheitserregern nachgewiesen werden. Mit den bestehenden Reinigungstechnologien auf den Kläranlagen können diese nicht immer vollständig entfernt werden. Vor diesem Hintergrund werden dezentrale Lösungen getestet, die das Abwasser vor Ort, in Krankenhäusern und Einrichtungen des Gesundheitswesens, aufreinigen.

Um den Eintrag von Spurenstoffen und Krankheitserregern aus der kommunalen Abwasserbehandlung weiter zu verringern, werden Abwasserreinigungsverfahren optimiert, Technologien weiterentwickelt und neue Verfahrenskombinationen erprobt. Sie werden direkt auf verschiedenen Kläranlagen u.a. in den Modellregionen Donauried-Hürbe sowie entlang der Flüsse Ruhr und Schussen getestet. Vor allem die Kombination von Ozon mit weiteren Reinigungsschritten wie z.B. Aktivkohle zeigt in verschiedenen Verbundprojekten vielversprechende Resultate. Neben den Kläranlagen wird auch das Rückhaltevermögen von anthropogenen Spurenstoffen und Krankheitserregern in Regenüberlaufbecken (RÜB) untersucht. Erste Ergebnisse zeigen, dass Bodenretentionsfilter ein gutes Rückhaltevermögen aufweisen. Insgesamt aber können Regenüberlaufbecken eine wichtige Rolle für den Eintrag von Krankheitserregen spielen.

<b>Abbildung 5:</b> Ozonanlage zur Abwasserbehandlung © RWTH-Aachen

In landwirtschaftlich geprägten Gebieten gelangen anthropogene Spurenstoffe und Krankheitserreger häufig diffus über den Ausbreitungspfad Boden – Grundwasser in die Umwelt. Ihr Eintrag kann im Wesentlichen auf die Intensivtierhaltung und den Anbau von Nutzpflanzen zurückgeführt werden. Technische Maßnahmen sind hier nur bedingt möglich. Neben der Analyse natürlicher Ausbreitungsbarrieren wird in RiSKWa auch die Rolle von Biogasanlagen bei der Elimination von Spurenstoffen und Krankheitserregern untersucht. Für Veterinärpharmaka zeigen die untersuchten Anlagen eine gute Rückhalteleistung. Es gilt dabei noch zu klären, ob ein Abbau der Substanzen stattfindet oder Sorptionsprozesse ausschlaggebend sind.

<b>Abbildung 6:</b> Wie werden Spurenstoffe bei der Gülleverwertung in Biogasanlagen eliminiert? © RiskAGuA

Anwendungsorientierte Untersuchungen über das Transportverhalten von neuen Schadstoffen und Krankheitserregern im Boden bis zum Grundwasser werden in einer ländlichen Modellregion auf der Schwäbischen Alb, für das Einzugsgebiet einer Karstquelle durchgeführt. In Zusammenarbeit mit ortsansässigen Apotheken, Landwirten und Landesämtern konnten verschiedene Medikament/-rückstände und deren Metaboliten ermittelt werden. Einige Stoffe wie Koffein, Süßstoffe oder Umwandlungsprodukte blutdrucksenkender Mittel konnten hier als potentielle Indikatoren für unterschiedliche Eintragsszenarien identifiziert werden. Für den Eintrag von anthropogenen Spurenstoffen und Krankheitserregern scheinen auch in dieser Modellregion Regenüberlaufbecken stellenweise von Bedeutung zu sein.

<b>Abbildung 7:</b> Untersuchung des Einzugsgebietes der Gallusquelle (Schwäbische Alb) über ein Grundwasserströmungs- und Stofftransport- Modell. ©AGRO

Risikomanagement von Spurenstoffen und Krankheitserregern in der Trinkwasserversorgung:

Ein weiterer Schwerpunkt in RiSKWa ist die Optimierung unterschiedlicher Technologien bei der Trinkwasseraufbereitung. In Zusammenarbeit mit mehreren Wasserversorgern als Praxispartner werden verschiedene Ansätze überprüft und weiterentwickelt. Das Ziel ist es, sich an die veränderten Bedingungen anzupassen und vorausschauend Maßnahmen zu ergreifen um auch in Zukunft die sehr gute Trinkwasserqualität in Deutschland gewährleisten zu können. So wird beispielsweise ein Elektrodialyse (ED) Modul zur Spurenstoffentfernung im Pilotmaßstab in einem Wasserwerk betrieben. Auch werden neuartige, selektive Adsorber- und Austauschermaterialien zur Entfernung von Spurenstoffen in der Trinkwasseraufbereitung und die Kombination elektrochemischer Verfahren mit mikrobiologischen Prozessen untersucht.

Die Qualität des Trinkwassers muss nach der Trinkwasserverordnung bis zur Entnahme am Wasserhahn gewährleistet werden. Von hygienischer Seite kommt daher den Trinkwasserinstallationen am Ende des Versorgungsnetzes eine wichtige Rolle zu. Um pathogene Legionellen quantitativ erfassen zu können, werden innovative Methoden für die Vor-Ort-Analyse entwickelt. Hierfür werden eine DNA-Vervielfältigungstechnik und eine Mikroarray-Technik auf einer Plattform zur Vor-Ort-Diagnostik molekularbiologischer Pathogene kombiniert. Aktuelle Versuche zeigen, dass diese Technik das Potential für die gewünschte Diskriminierung bietet.

RiSKWa-Abschlussveranstaltung

Die Ergebnisse der BMBF-Fördermaßnahme RiSKWa und ihre Umsetzungsmöglichkeiten werden in knapp einem Jahr, vom 10.-11. Februar 2015, in Berlin vorgestellt. Die zweitägige Veranstaltung bietet Anwendern und Interessierten die einzigartige Gelegenheit, sich umfassend über den Sachstand zum Risikomanagement von neuen Schadstoffen und Krankheitserregern im Wasserkreislauf zu informieren. Interessierte sind herzlich eingeladen an der Veranstaltung teilzunehmen. Nähere Information erhalten Sie in Kürze unter www.bmbf.riskwa.de/Berlin2015.

 

Das wissenschaftliche Begleitvorhaben zur BMBF-Fördermaßnahme RiSKWa wird vom BMBF unter dem Kennzeichen 02WRS1271 gefördert.