Risikobewertung von Schadstoffen im Wasserkreislauf am Beispiel des Tai-Sees in China

Chemikalien und Arzneimittelrückstände im Wasserkreislauf

Chemikalien aus den Bereichen der Industrie, Landwirtschaft, dem Gesundheitswesen und aus Produkten des täglichen Lebens gelangen über diverse Quellen in den Wasserkreislauf. Dabei gehören kommunale Kläranlagen zu den wichtigsten Eintragspfaden, da die Stoffe während der Aufbereitung nicht komplett eliminiert werden (aus der Beek et al. 2016).

In der Umwelt stellen diese Stoffe eine Herausforderung für die Gesellschaft dar, da Ökosysteme und die Ökosystemdienstleistungen wie sauberes Trinkwasser auch durch geringe Konzentrationen gestört werden können. Besonders die langfristigen Auswirkungen vieler Stoffe sind teilweise noch ungenügend erforscht, was schwer abschätzbare Risiken birgt. Um das Ausmaß der Exposition im aquatischen System zu verdeutlichen, ist in ➥ Abb. 1 beispielhaft für Arzneistoffe die Anzahl der detektierten Substanzen in Oberflächen-, Grund-, Leitungs- und/oder Trinkwasser dargestellt. Obwohl für viele Länder keine Daten verfügbar sind, ist davon auszugehen, dass die allgemeine Belastung mit organischen Mikroschadstoffen in den Industriestaaten aufgrund des dort vorhandenen Wohlstands besonders hoch ist.

Belastung der Trinkwasserressourcen in China

China ist ein prosperierendes Land und hat derzeit die größte Chemieproduktionswirtschaft der Welt. Das Land erlebt eine rasante industrielle und wirtschaftliche Entwicklung, was auch mit einem zunehmenden Bedarf an Brauch- und Trinkwasser einhergeht. Der Tai-See (chinesisch: Tai Hu) westlich von Shanghai (➥ Abb. 2) ist, mit einer Fläche so groß wie das Saarland, Chinas drittgrößter Süßwassersee und dient als Trinkwasserressource für rund zehn Millionen Menschen. Der See liegt in einer dicht besiedelten und wirtschaftlich starken Provinz, weshalb die Behörden auch seit Jahren eine deutliche Verschlechterung der Gewässerqualität verzeichnen. Aufgrund der anthropogenen Einflüsse ist der See stark mit organischen und anorganischen Schadstoffen wie Stickstoff und Phosphor sowie Schwermetallen belastet, so dass die Qualität des Wassers im See größtenteils nicht den nationalen Standard für Trinkwasserquellen erreicht (Lou 2019), was immer wieder zu massiven Schwierigkeiten in der regionalen Trinkwasserversorgung führt.

Das deutsch-chinesische Verbundprojekt SIGN (SIno-German Water Supply Network; www.water-sign.de; gefördert von BMBF-FONA¹) forscht am Tai-See mit dem Ziel einer Verbesserung des See-Ökosystems und der damit verbundenen Ökosystemdienstleistungen wie sauberes Trinkwasser. Durch den Einbezug des gesamten Wasserkreislaufs – von der Stadtentwässerung über Abwassermanagement, Gewässergüte, Rohwasserqualität, Trinkwasseraufbereitung bis zur Trinkwasserverteilung – ist das Projekt von zentraler Bedeutung für die Sicherstellung einer nachhaltigen und sicheren Trinkwasserversorgung.

Öko- und humantoxikologisches ­Risiko von organischen Schadstoffen

Zur Erfassung der Belastungssituation des Sees wurden umfassende Untersuchungen zu Vorkommen und Verteilung organischer Spurenstoffe wie Industriechemikalien, Arzneistoffe, diagnostische Röntgenkon­trastmittel und Pflanzenbehandlungs- und Schädlingsbekämpfungsmittel durchgeführt. Weiterführend wurden auch humantoxikologische Untersuchungen der Wasserproben mit in die Betrachtung einbezogen (bereits veröffentlicht in Jia u. Schmid et al. 2019). Diese Datengrundlage diente als Fundament für die Bewertung des Risikos für das aquatische Ökosystem und die menschliche Gesundheit.

Dazu wurden zwischen 2015 und 2017 vier große und drei kleinere Messkampagnen rund um den See durchgeführt und Proben aus verschiedenen Kompartimenten entnommen – darunter der nördliche Teil des Sees, zwei Feuchtgebiete, die in den See entwässern, eine kommunalen Kläranlage und drei verschiedene Trinkwasserwerke. Dabei wurden die Probennahmen jeweils zu unterschiedlichen Jahreszeiten durchgeführt, um saisonale Dynamiken zu berücksichtigen. Im Labor des IWW Zentrum Wassers in Mülheim a.d. Ruhr (www.iww-online.de) wurden die Proben auf 200 organische Schadstoffe chemisch analysiert und dazugehörige Bewertungsmaßstäbe (legislative und toxikologische Grenzwerte) für eine Risikobewertung der Einzelstoffkonzen­trationen in Oberflächen- und Trinkwasser angewendet. Der gebildete Risikoquotient (RQ) aus gemessener Konzentration und Qualitätskriterium gab Aufschluss darüber, ob durch die Exposition ein erhöhtes Risiko für Mensch und Umwelt besteht und diente der Identifikation von Schadstoffen mit erhöhter (trinkwasserrelevanter) Priorität.

Angesichts der Tatsache, dass der Umfang der verfügbaren Toxizitätsdaten für Stoffe und die legislative Grundlage sehr uneinheitlich sind, wurde zwischen 1. regulierten Stoffen, 2. nichtregulierten Stoffen mit vorhandenen Toxizitätsdaten und 3. Stoffen mit unzureichenden Toxizitätsdaten unterschieden. Für einige der Stoffe sind Grenzwerte festgelegt, die dem Schutz der Umwelt beziehungsweise der menschlichen Gesundheit dienen. Diese unterscheiden sich auf nationaler Ebene jedoch teilweise enorm. Für die vorliegende Bewertung wurden deutsche Standards, die auf Verordnungen der EU basieren, ausgewählt, da diese ein höheres Schutzniveau darstellen. Für die Bewertung nichtregulierter Stoffe wurden in Fachliteratur und Datenbanken Konzentra­tionen oder Tagesdosen recherchiert, die keinen Effekt auf Wasserorganismen oder auf den Menschen erwarten lassen. Diese Informationen zur Toxizität basieren auf Beobachtungsdaten, quantitativen Struktur-Aktivitäts-Beziehungen und Labortests mit Tieren oder Zellkulturen, die unterschiedlichen Konzentrationen oder Dosierungen einer Chemikalie ausgesetzt wurden. Für viele Chemikalien sind solche Daten allerdings nur unzureichend verfügbar, so dass der Wissensstand über mögliche Auswirkungen auf Mensch und Umwelt begrenzt ist. Die Risikoabschätzung für die so genannten „emerging pollutants“ fundiert deshalb auf vorläufigen, meist konservativen Werten. So werden im Bereich des Trinkwassers die vom Umweltbundesamt herausgegebenen gesundheitlichen Orientierungswerte (GOW) zur Bewertung herangezogen. Im Oberflächengewässer wird ein allgemeiner Vorsorgewert von pauschal 0,1 µg/L als Mindestqualitätskriterium für Trinkwasserressourcen angenommen (Dieter 2011).

Das umfassende Monitoring hat gezeigt, dass die Schadstoffbelastung sehr komplex und räumlich sowie zeitlich sehr dynamisch ist. Allgemein nehmen die Belastungen im See in der Nähe von Flussmündungen zu, was auf einen erhöhten Eintrag der Schadstoffe durch die Flüsse und eine Verdünnung im See hindeutet. Eine Beprobung der einzelnen Zuflüsse war von chinesischer Seite nicht erlaubt, hätte jedoch weiter Aufschluss über mögliche Quellen geben können. Die Beprobung der in den See entwässernden Feuchtgebiete und des Kläranlagenablaufs zeigten, dass Schadstoffe zwar abgebaut oder zurückgehalten werden, persistente Stoffe aber dennoch konstant über diesen Weg in den See eingetragen werden. Insgesamt wurden in den Umweltproben 67 der 200 untersuchten Schadstoffe mindestens einmal nachgewiesen – darunter 14 Arzneistoffe oder jodierte Röntgenkontrastmittel. Im Hinblick auf deren ökotoxikologische Risiken wurde für keine der Chemikalien (Mediankonzentration) ein RQ > 1 festgestellt. Dementsprechend ist davon auszugehen, dass eine Exposition in diesem Ausmaß kein Risiko für die Wasserorganismen darstellt. Obwohl Arzneistoffe und Röntgenkontrastmittel in dieser Studie nicht im Vordergrund standen (37 der 200 untersuchten Stoffe) ist die Häufigkeit der Funde besorgniserregend, insbesondere da die große Wassermenge des Sees für Verdünnung sorgt und Kläranlagen mittlerweile nicht mehr direkt in den See entwässern. Auf globaler Ebene wurden 631 verschiedene Arzneistoffe in der Umwelt nachgewiesen, wobei vor allem Diclo­fenac ein großes Problem für die Umwelt darstellt, wie auch in Deutschland (aus der Beek et al. 2016). Dies wird durch die aktualisierte Gewässerschutzverordnung in der Schweiz verdeutlicht, die seit 1. April 2020 auch Grenzwerte für drei Arzneistoffe (darunter auch Diclofenac) in Oberflächengewässern enthält.

Dennoch sind aufgrund der hohen Detektionshäufigkeit und lokal erhöhten Konzentrationen die Herbizide Bentazon und Atrazin, die Lösungsmittel Chloroform und Dichlormethan sowie die poly- und perfluorierten Alkylsubstanzen (PFAS), eine Gruppe von Industriechemikalien, die auch im Haushalt eine vielseitige Anwendung findet, als kritisch einzustufen. Zudem stellen die gemessenen Konzentrationen nur Momentaufnahmen dar, wodurch eine Unterschätzung des akuten Gefährdungspotenzials durch Konzentrationsspitzen nicht auszuschließen ist. Daher wurden auch Risikoquotienten mit den gemessenen Höchstkonzentrationen gebildet. ➥ Abbildung 3 zeigt einerseits die Verteilung der berechneten RQmax in den verschiedenen Kompartimenten um den Tai-See und andererseits, dass zumindest lokal und zeitlich von einem chemischen Stress für die aquatische Umwelt auszugehen ist. Es hat sich gezeigt, dass speziell die Konzentrationen von Pestiziden, aber auch die von Arzneistoffen und Röntgenkontrastmitteln punktuell die Wasserqualitätskriterien überschreiten. Eine punktuelle Überschreitung konnte ebenso im Kläranlagenablauf und in den Feuchtgebieten festgestellt werden (s. Abb. 3).

Im Trinkwasser sind die Mediankonzen­trationen der Summe aller gemessenen PFAS als potenziell gefährdend einzustufen. Eine Bewertung des PFAS-Summenparameters macht hier aus Vorsorgegründen Sinn, da die humantoxikologischen Daten der untersuchten Analyten additive Effekte erwarten lassen. Zwar sind einige Vertreter der Stoffgruppe noch nicht abschließend bewertet und werden somit mit einem teils konservativen Wert eingestuft; deren Persistenz und Bioakkumulation allerdings können langfristig negative Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit haben. Bezüglich der gemessenen Höchstkonzentrationen ist auch die Summe der Trihalomethane (THM), die bei der Hygie­nisierung des Wassers mit Chlor entstehen, kritisch zu bewerten (➥ Abb. 4). Sowohl die PFAS als auch die THM stehen im Verdacht, kanzerogen, mutagen und reproduktionstoxisch zu sein, wodurch selbst geringe Konzentrationen die menschliche Gesundheit beeinträchtigen können. Die Einzelsubstanzen Chloroform und Perfluorhexansulfonsäure (PFHxS) gelten hier als Hauptkontaminanten (s. Abb. 4) und sollten im Trinkwasser regelmäßig überwacht werden.

Die Daten zeigen, dass einige Schadstoffe in Konzentrationen vorliegen, die sowohl die menschliche Gesundheit als auch
das aquatische Ökosystem schädigen können. Ein Risiko geht besonders von persistenten Chemikalien aus, die während einer Aufbereitung im Abwasser- oder Trinkwasserwerk nicht vollständig eliminiert werden und sich in Umwelt und Mensch anreichern. Bezüglich der Arzneistoffe konnte hier kein erhöhtes Risiko identifiziert werden, jedoch bleibt zu berücksichtigen, dass im Speziellen das Wissen um deren Schadwirkung und die der Metaboliten und Transformationsprodukte auf Ökosysteme noch weitgehend unerforscht ist. Speziell die kritisch zu bewertenden PFAS und auch einige Pestizide stellen nicht nur in China, sondern auch in Deutschland ein Problem für die Wasserversorgung dar, da auch hierzulande erhöhte Konzentrationen im Rohwasser vorkommen. Die Gruppe der THM hingegen sind in der Trinkwasserversorgung in Deutschland kein Thema, da das Wasser im Normalfall nicht mit Chlor behandelt werden muss. Generell sollte der Verbrauch von Chemikalien auf ein Minimum reduziert und die Forschung zu (öko)toxischen Auswirkungen und möglichen Alternativen vorangetrieben werden, da Mikroschadstoffe ein ubiquitäres Problem darstellen (Daughton u. Ternes 1999; Luo et al. 2014).

Fazit

Organische Schadstoffe, wie Arzneimittel, stellen durch den Eintrag in die Umwelt ein Risiko für Mensch und Umwelt dar. Die hier vorliegende Studie für den Tai-See in China hat gezeigt, dass einige organische Schadstoffe (hauptsächlich Bentazon, Atrazin, Chloroform, Dichlormethan und PFHxS) die Grenzwerte für Oberflächengewässer und Trinkwasser überschreiten und der Eintrag dieser Stoffe verringert werden sollte. Vierzehn Arzneimittel wurden im Wasser detektiert, jedoch nur mit geringen Grenzwertüberschreitungen, was durch die Kombination aus großer Verdünnung und längerer Eintragspfade begründet werden kann. Im globalen Vergleich sind die Vorkommen und Konzentrationen zwar als niedrig zu bewerten, jedoch sind durch die lokal und zeitlich begrenzten Probenahmen keine exakten Einschätzungen möglich.

Ausblick

Die bisher gewonnenen Erkenntnisse vom Tai-See werden in einer zweiten Projektphase zwischen 2018 und 2021 vertieft und dienen als Basis für weitere Handlungsempfehlungen. Weiteres Ziel ist, die Risiko­bewertung zu verfeinern, indem nicht nur Kriterien aus legislativen Regelungen oder der Literatur als Bewertungsgrundlage für die Schadstoffkonzentrationen herangezogen werden, sondern auch Daten von In-vitro-Biotests, die durch Chemikalien hervorgerufene Auswirkungen auf biochemische Endpunkte, zelluläre Prozesse und Phänotypen entdecken können. Die Tests (z. B. aus der Datenbank ToxCast) decken ein breites Spektrum chemischer Wirkungen ab, darunter die Hemmung von Enzymen, die Interaktion mit Rezeptoren, die Induktion von Zell-Stress-Pfaden und die Zytotoxizität. Somit soll in Zukunft eine umfassendere Bewertung der Schadstoffkonzentrationen möglich sein. Auch soll die Wirkung der Schadstoffe in komplexen Mischungen untersucht werden. Des Weiteren werden im hausinternen Labor zellbasierte Biotests mit den Proben durchgeführt, um die kumulative Wirkung bezüglich der allgemeinen Zytotoxizität, der endokrinen Wirkung und Gentoxizität zu untersuchen.

Interessenkonflikt: Die Erstautorin und ihr Koautor geben an, dass keine Interessenkonflikte vorliegen.

1 Bundesministerium für Bildung und Forschung – Forschung für Nachhaltige Entwicklung

Literatur

aus der Beek T, Weber F-A, Bergmann A, Hickmann S, Ebert I, Hein A, Küster A: Pharmaceuticals in the environment – Global occurrences and perspectives. Environ Toxicol Chem 2016; 35: 823–835.

Daughton CG, Ternes TA: Pharmaceuticals and personal care products in the environment: agents of subtle change? Environ Health Perspect 199; 107 (Suppl. 6): 907–938.

Dieter HH: Grenzwerte, Leitwerte, Orientierungswerte, Maßnahmenwerte – Aktuelle Definitionen und Höchstwerte. Umweltbundesamt Dessau-Roßlau, am 16. Dezember 2011.

Jia Y, Schmid C, Shuliakevich A et al.: Toxicological and ecotoxicological evaluation of the water quality in a large and eutrophic freshwater lake of China. Sci Total Environ 2019; 667: 809–820.

Lou S, Huang W, Liu S, Zhong G: Scarcity of drinking water in Taihu Lake Basin, China: a case study of Yixing City. Water 2019; 11: 362.

Luo Y, Guo W, Ngo HH et al.: A review on the occurrence of micropollutants in the aquatic environment and their fate and removal during wastewater treatment. Sci Total Environ 2014; 473: 619–641.

Weitere Infos

Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR): Toxikologische Beurteilung von chemischen Stoffen
https://www.bfr.bund.de/de/toxikologische_beurteilung_von_chemischen_st…

Umweltbundesamt: Bewertung der Anwesenheit teil- oder nicht bewertbarer Stoffe im Trinkwasser aus gesundheitlicher Sicht
https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/374/dokumente… 2003_46.pdf

Umweltbundesamt: Arzneimittel in der Umwelt
https://www.umweltbundesamt.de/daten/chemikalien/arzneimittel-in-der-um…

Umweltbundesamt: The database “Pharmaceuticals in the Environment” – Update and new analysis
https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/1410/publikat… 2019-06-24_texte_67-2019_ database_pharmaceuticals-environment_0.pdf

Abschlussbericht „Minderung des Eintrags von Röntgenkontrastmitteln im Einzugsgebiet der Ruhr“
https://www.dbu.de/OPAC/ab/DBU-Abschlussbericht-AZ-33333-01.pdf

In Kürze

Kontakt:

Cora Schmid, M.Sc.

IWW Zentrum Wasser; Moritzstraße 26; 45476 Mülheim an der Ruhr

c.schmid@iww-online.de

Foto: Franziska Schroedinger