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Der Karsee bei Wangen im Allgäu war ursprünglich ein von Makrophyten dominierter Klarwassersee. Durch Nährstoffeinträge kam es in der zweiten Hälfte des letzten Jahrhunderts zu deutlichen Eutrophierungserscheinungen. Ab Ende der 1980er Jahre wurden daher erste limnologische und fischereibiologische Untersuchungen durchgeführt. Der See wurde damals als polytroph eingestuft, sein Fischbestand war von kleinwüchsigen Cypriniden dominiert. Als hauptsächliche Belastungsquellen galten ein unzureichender Kläranlagenanschluss der Gemeinden im Einzugsgebiet sowie eine intensive landwirtschaftliche Nutzung hängiger Flächen als Grünland in unmittelbarer Umgebung des Sees. Im Rahmen des „Aktionsprogramms zur Sanierung oberschwäbischer Seen“ wurden ab 1991 kritische landwirtschaftliche Flächen im Einzugsgebiet des Karsees extensiviert. Während einige oberschwäbische Seen wie z. B. Schreckensee und Schleinsee innerhalb weniger Jahre auf vergleichbare Sanierungsmaßnahmen im Umland mit einem Anstieg der Sichttiefe und Verbesserungen weiterer Wasserparameter reagierten, blieb der ökologische Zustand des Karsees unbefriedigend. Es gelang zwar die Nährstoffgehalte zu senken, äußerlich sichtbare positive Effekte im See waren jedoch kaum festzustellen. Die Bemühungen, weitere Flächen im Einzugsgebiet des Karsees zu extensivieren, wurden daher fortgesetzt. Zudem erhielten bis 1998 die noch ausstehenden Haushalte einen zentralen Abwasseranschluss. Um das Ziel eines guten ökologischen Zustands zu erreichen, wurden auch unterstützende seeinterne Maßnahmen, so genannte Restaurierungsmaßnahmen, geprüft. Im Jahr 1995 wurde versucht, die Sanierungsbemühungen am Karsee durch einen Eingriff in den Fischbestand zu unterstützen. Ziel war es, durch eine massive Entnahme zooplanktivorer Fische das tierische Plankton zu fördern, damit den Fraßdruck auf die Plankton-Algen zu erhöhen und so längere Klarwasserphasen zu erreichen. Im Anschluss an die Befischungen konnte zwar zunächst eine Verbesserung einzelner Parameter wie z.B. Sichttiefe oder Chlorophyll-a-Gehalt festgestellt werden, nach Ende der Maßnahme stellte sich jedoch schnell wieder der unbefriedigende Ausgangszustand ein. Im Rahmen des „Aktionsprogramms zur Sanierung oberschwäbischer Seen“ wurde deshalb am Karsee eine Untersuchung zur Auswirkung einer Biomanipulation (Nahrungskettenmanipulation) durch gezielte Befischungen von Massenfischen durchgeführt. Das Vorhaben mit einer Laufzeit von fünf Jahren (1997–2001) wurde aus Mitteln des Ministeriums für Umwelt und Verkehr sowie der Fischereiabgabe finanziert. Im Projekt sollten Erfahrungen gewonnen werden, inwiefern fischereiliche Eingriffe zur Unterstützung von Sanierungsmaßnahmen empfohlen werden können, wie nachhaltig diese wirksam sind und wie diese sich auf die Beschaffenheit und die Zusammensetzung von Teilen der Lebensgemeinschaft See auswirken. Bei den Untersuchungen zeigte sich deutlich, dass bei jeder Seensanierung primär die Nährstoffeinträge im hydrologischen Einzugsgebiet so weit reduziert werden müssen, dass sich die Nährstoffgehalte im Gewässer entsprechend verringern können. Eine deutliche Reduzierung der Nährstoffwerte hat in der Regel auch eine Verbesserung der Wasserqualität zur Folge. In Einzelfällen kann eine Biomanipulation als flankierende Maßnahme zu weiteren Sanierungsbemühungen sinnvoll sein, in dem sie als zeitlich begrenzte Maßnahme eine bereits erfolgte Sanierung unterstützt und den Umschwung von einem Algen zu einem Makrophyten dominierten See fördert. Damit dies möglich ist müssen bestimmte Voraussetzungen erfüllt sein. So muss die jährliche Durchschnittskonzentration für Gesamt-Phosphor im betreffenden Gewässer unter 100 μg/l liegen. Je weiter dieser Wert unterschritten wird, desto höher ist die Erfolgswahrscheinlichkeit. Daneben müssen mindestens 75 % der Fischbiomasse entnommen werden, um mit einem nachhaltigen Effekt rechnen zu können. In Flachseen ist eine langfristige Verbesserung der Wasserqualität nach massiven Befischungsmaßnahmen deutlich aussichtsreicher als in tieferen Seen. Als Sekundäreffekt können sich in flachen Seen mit zunehmender Sichttiefe Makrophyten großflächig ausbreiten und zu einer Stabilisierung des Klarwasserstadiums beitragen. Auch bei günstigen Voraussetzungen ist ein Erfolg nach Biomanipulationsmaßnahmen nicht sicher vorhersagbar. Häufigste Ursache für ein Scheitern ist, dass die angestrebte Entnahmemenge nicht erreicht werden kann.
Stressorinduzierte ökotoxikologische Effekte und Genexpressionsveränderungen bei Chironomus riparius
(2008)
Die Effekte von Stressoren auf Chironomus riparius wurden im Lebenszyklustest und auf genomischer Ebene mit dem Ziel untersucht, ein auf einem DNA-Mikroarray („ChiroChip“) basierendes Screeningverfahren zu entwickeln. Die empfindlichsten Endpunkte der Lebenszyklustests waren die Mortalität, der Anteil fruchtbarer Eigelege, der mittlere Schlupfzeitpunkt der Weibchen sowie das Gewicht der Männchen. Temperaturveränderungen um ± 6°C gegenüber einer normalen Hälterungstemperatur von 20°C führten in allen Endpunkten zu hochsignifikanten Effekten. Eine LC10 konnte nur für die Salinität berechnet werden (0,66‰, KI: 0,26 − 1,68‰). Aufgrund der nicht-linearen Konzentrations-Wirkungs-Beziehungen konnte nur für den mittleren Schlupfzeitpunkt der Weibchen nach einer Exposition gegenüber Cadmium eine EC50 (0,53 mg/kg, KI: 0,29 − 0,97 mg/kg) bestimmt werden. In den Versuchen mit Methyltestosteron, Ethinylöstradiol, Carbamazepin, Fluoxetin, Blei und Tributylzinn (mit denen auch molekularbiologische Untersuchungen durchgeführt wurden) waren die empfindlichsten Endpunkte die Mortalität, der Anteil fruchtbarer Eigelege, der mittlere Schlupfzeitpunkt der Weibchen sowie die Populationswachstumsrate. Carbamazepin (CBZ) wirkte schlupfverzögernd bei den Weibchen. 10 mg CBZ/kg führte zu einer höheren Mortalität, weniger Eigelegen, die vermehrt unfruchtbar waren, sowie zu einer geringeren Populationswachstumsrate. Fluoxetin (FX) wirkte bei beiden Geschlechtern schlupfverzögernd. 0,9 mg FX/kg führte zu einer erhöhten Mortalität, weniger und vermehrt unfruchtbaren Eigelegen und einer geringeren Populationswachstumsrate. In der höchsten Konzentration (5,9 mg/kg) waren die Weibchen leichter als die Kontrolltiere. Tributylzinn (in µg Sn/kg angegeben) bewirkte eine höhere Mortalität und geringere Populationswachstumsrate bei 100 µg Sn/kg und führte zu einer Verzögerung im Schlupfverlauf bei den Weibchen. Bei 160 µg Sn/kg gab es weniger Eigelege, die vermehrt unfruchtbar waren. Die Männchen, die gegenüber Konzentrationen von 120 und 160 µg Sn/kg exponiert wurden, waren leichter als die Kontrolle. Expositionen gegenüber Blei (Pb) in Konzentrationen von 0,65 − 65 mg/kg führten bei 6,5 mg Pb/kg zu einer erhöhten Mortalität und zu mehr unfruchtbaren Gelegen. Bei 0,65 mg Pb/kg waren die Männchen leichter und bei 6,5 mg Pb/kg schwerer. Die Anzahl der fruchtbaren Gelege pro Weibchen war bei 3,25 und 6,5 mg Pb/kg geringer als in der Kontrolle. Die gegenüber 17alpha-Methyltestosteron (MET) exponierten Mücken hatten geringere Mortalitäten als in der Kontrolle und zeigten einen verfrühten Schlupf beider Geschlechter. Ab 27 µg MET/kg gab es weniger unfruchtbare Gelege, leichtere Männchen sowie erhöhte Populationswachstumsraten. 17alpha-Ethinylöstradiol (EE2) führte zu einem verfrühten Schlupf bei beiden Geschlechtern sowie zu erhöhten Populationswachstumsraten. Bei 9 µg EE2/kg gab es weniger unfruchtbare Gelege. Die Exposition von Chironomus-Larven gegenüber Methyltestosteron, Ethinylöstradiol, Fluoxetin, Carbamazepin, Tributylzinn und Blei führte zur differenziellen Expression von neun (Methyltestosteron) bis 49 (Carbamazepin) Genen. Bei der Untersuchung der exprimierten Proteine fällt auf, dass kaum bekannte Stressproteine (z.B. Glutathion-S-Transferase oder Cytochrom P450) differentiell reguliert wurden. Bei der Exposition wurden verschiedene Prozesse durch eine veränderte Genexpression beeinflusst. Eine Exposition gegenüber Methyltestosteron führte zu einer Beeinträchtigung von drei identifizierten biologischen Prozessen, während bei den anderen Substanzen sieben bis acht Prozesse beeinflusst waren. Die am häufigsten beeinflussten Prozesse waren der Protein- und der Energiemetabolismus. Der Sauerstofftransport ist ein Prozess, der bei allen Substanzen beeinflusst wurde, jedoch mit unterschiedlichen Anteilen. Bei einer Exposition gegenüber Methyltestosteron war der Anteil des Sauerstofftransports an den beteiligten Prozessen mit 84,6% am größten und mit 10,5% bei Fluoxetin am geringsten. Die veränderte Genexpression der Globine kann möglicherweise aufgrund der schadstoffspezifischen Veränderungen als Biomarker für das Monitoring von Freilandgewässern angewendet werden. Da Tubulin und Aktin häufig nach einer Exposition gegenüber Stressoren differenziell exprimiert wird (bei Tributylzinn und CBZ in der vorliegenden Arbeit und bei Antidepressiva und Östrogenen in anderen Studien) wären die beiden Proteine möglicherweise ebenfalls als Biomarker für Chemikalienstress geeignet. Vor der Verwendung des ChiroChips als Screeninginstrument für die Chemikalienuntersuchung und das Biomonitoring müssen noch Untersuchungen zur konzentrationsabhängigen Genexpression und zur Expression in unbehandelten Larven und weiteren Lebensstadien erfolgen. Des Weiteren müssen die vorliegenden Daten verifiziert und die Funktion der differentiell regulierten Gene vertieft untersucht werden.