DIORAMA –Erfassung der dioxinähnlichen Wirksamkeit in Sediment und Biota zur Sedimentbewertung (ESA)

Projektlaufzeit: 2012 - 2015

Leitung:

Prof. Dr. rer. nat. Henner Hollert
Dr. rer. nat. Markus Brinkmann (ebenfalls Bearbeitung)
Dipl.-Biol. Kathrin Eichbaum (ebenfalls Bearbeitung)

Bearbeitung:

Mathias Reininghaus, B.Sc.
Carolin Gembé, M. Sc.

Auftraggeber:

Referat G3 der Bundesanstalt für Gewässerkunde (BFG)

Projektpartnerpartner:

- Dr. Georg Reifferscheid und Dr. Sebastian Buchinger der Bundesanstalt für Gewässerkunde (BFG)
- Prof. Dr. Markus Hecker und Prof. Dr. John Giesy der Universität von Saskatchewan (Kanada)
- Prof. Magnus Engwall und Prof. Bert van Bavel der Universität von Örebro (Schweden)
 

Hintergrund:

Sedimentpartikel-assoziierte persistente organische Schadstoffe können durch bestimmte Ereignisse (Bioturbation, Fluten und Baggerarbeiten) re-mobilisiert werden und negative Auswirkungen auf die Umwelt entfalten.
Die für die Fragestellung dieser Studie relevanten Schadstoffe sind jene, die eine dioxinähnliche Struktur aufweisen und dadurch eine Bindung mit dem Arylhydrocarbon-Rezeptor (AhR) eingehen können. Zu den klassischen AhR Liganden zählen polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), polychlorinierte Biphenyle (PCB) und polychlorinierte Dibenzo-p-Dioxine und Dibenzofurane (PCDD/F). Ihre Bindung an den AhR bedingt ihre Toxizität, welche Störungen im Immun-, Hormon und Reproduktionssystem umfasst, jedoch resultiert diese Bindung auch in der Synthese vieler Enzyme, welche sowohl in vivo als auch in vitro als Endpunkte genutzt werden können.
Das Verbundprojekt zwischen dem Institut für Umweltforschung der RWTH Aachen und der Abteilung G3 der Bundesanstalt für Gewässerkunde (BFG) hat zum Ziel, ein schnelles, preiswertes und verifiziertes Werkzeug zur integrativen Bewertung dioxinähnlich wirksamer Substanzen in Sediment und Biota zu etablieren, welches eine Alternative zur chemischen Analytik darstellt und u.a. im Sedimentmanagement Einsatz finden soll. Die Methodik ermöglicht zudem, kontaminierte Flussbereiche zu priorisieren und trägt somit zu einer deutlichen Vereinfachung im Sedimentmanagement bei. Folglich profitieren vor allem Umweltbehörden von dem Projektvorhaben.
Der Großteil der praktischen Arbeiten findet in einer eigens dafür angefertigten Expositionsanlage statt, in der die Ursache-Wirkungs-Kette dioxinähnlicher Schadstoffe mittels auf Sedimenten zweier deutscher Flüsse (Elbe und Rhein) exponierter Rotaugen (Rutilus rutilus) untersucht werden soll. Der Fokus richtet sich dabei auf die Bioverfügbarkeit der dioxinähnlich wirkenden Substanzen, aber auch auf Expositionspfade (Boden, Wasser, Partikel, Nahrung) und Elimination. Die Untersuchung der Rotaugen erfolgt in vivo und wird durch die in vitro Analyse von aus der Expositionsanlage stammender Sediment- und Fischextrakte ergänzt. Diese Untersuchungen erfolgen mittels dreier Biotests (EROD, H4IIE-luc und Micro EROD) unterschiedlicher Endpunkte und können mit Ergebnissen aus der chemischen Analyse der Extrakte verglichen werden. Zusätzliche bioanalytische Untersuchungen fraktionierter Extrakte sollen Aufschluss über die anteilige Wirkung einzelner Substanzklassen am Gesamteffekt geben und die Frage klären, ob eine differenzierte Bewertung von Sedimenten unterschiedlicher Anteile an moderaten oder hochpersistenten Schadstoffe stattfinden muss. Durch die Untersuchung von Gewebekonzentrationen dioxinähnlicher Stoffe exponierter Fische in vivo, sowie die Messung von Expositions- (z.B.: Aktivitäten von Fremdstoffwechselenzymen der Leber) und Effektbiomarkern (Histopathologie von Leber, Gonaden und Milz), soll ein Effektgrenzwert ermittelt werden, ab dem Expositions- und Effektbiomarker signifikant erhöht sind. Zudem soll die Sedimentkonzentration dioxinähnlicher Substanzen bestimmt werden, ab der eine signifikante Aufnahme dieser Substanzen und damit einhergehende Effekte erfolgen. Durch die Vernetzung von in vivo und in vitro durchgeführten Analysen soll verifiziert werden, ob in vitro beobachtete akute Effekte mit adversen Effekten in vivo korrelieren und zu welchem Ausmaß die Laborexperimente auf Freilandbedingungen bezogen werden können.