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Bayerisches Landesamt für
Umwelt
Bayerisches Landesamt für
Umwelt
Untersuchungen bayerischer Gewässer und
Kläranlagenausläufe zur Erfassung estrogener
Wirkungen
Julia Schwaiger & Hermann Ferling
Bayerisches Landesamt für Umwelt
Bayerisches Landesamt für
Umwelt
Bayerisches Wirkungsmonitoring
i.R. der Technischen Gewässeraufsicht
(tGewA)
Belastung von Oberflächengewässern und
Kläranlagenabläufen mit estrogen wirksamen Stoffen
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© LfU / Referat 73 / Schwaiger / 11.11.2015
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Substanzen mit potentiell estrogener Wirkung
Hormone
• 17ß-Estradiol
• 17α-Ethinylestradiol
• Phytoöstrogene
Industriechemikalien
• Alkylphenole
• Bisphenol A
• PCB
• Phthalate
Pestizide
• DDT
• Methoxychlor
• Atrazin
Frage:
Wie hoch ist die estrogene Aktivität in bayerischen
Gewässern und Kläranlagenabläufen?
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Einflussfaktoren auf die Fischgesundheit
im Freiland
Veränderungen
chemischphysikalischer
Wasserparameter
Viren, Bakterien,
Pilze, Parasiten
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Organische und
anorganische
chemische Stoffe,
z.B.
Umwelthormone
Veränderungen des
Lebensraumes
Klimatische
Veränderungen
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Monitoring estrogene Wirkung
Strategie
Seit 2002 bayernweites Monitoring auf
estrogene Wirkungen an
Oberflächengewässern und
Kläranlagen in Form eines aktiven
Fischmonitorings i. R. der tGewA
Methodik
Erfassung estrogener Wirkungen
anhand des Biomarkers Vitellogenin
Ziele
→
→
Frühzeitiges Erkennen einer Belastung mit bereits in Spuren
wirksamen Stoffen
Überwachung von Maßnahmen
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Biomarker Vitellogenin
Was ist Vitellogenin?
• Ein Vorläufer des Dotterproteins, der
normalerweise nur von weiblichen Individuen
aller eierlegenden Tiere unter Estrogen-Einfluss
gebildet wird und später im Ei dem
heranreifenden Embryo zur Ernährung dient.
Vitellogenin als Parameter für estrogene
Wirkungen
• Vitellogenin wird unter Einfluss estrogen aktiver
Umweltchemikalien auch von männlichen Tieren
gebildet. Sein Nachweis im Blut ist spezifisch
und stellt ein eindeutiges Indiz für eine
Belastung des Wassers mit estrogen wirksamen Nachweismethode: ELISA
(Enzyme-linked-immunoStoffen dar.
sorbent assay
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© LfU / 02.03.2015
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Prinzip: Aktives Monitoring
4-wöchige Exposition von
Fischen
(Regenbogenforellen)
Vitellogenin – Nachweis im
Blutplasma
Vitellogenin-Konzentration vor
Exposition
Vitellogenin-Konzentration nach
Exposition
Maß für estrogene Wirkung: VG-IF
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Begleituntersuchungen an Wasser- und Abwasserproben
ISWA, Uni Stuttgart
• E-Screen-Assay (MCF-7 Zellen; Estradioläquivalente)
• GC/MS-Screening
(hormonell aktive Umweltchemikalien, Arzneimittelwirkstoffe u.a.)
Landeswasserversorgung Langenau
• Steroidanalytik
17α-Estradiol, 17ß-Estradiol (E2), Estron (E1), Estriol (E3),
Ethinylestradiol (EE2)
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Monitoring estrogener Wirkungen/tGewA
Untersuchungsstellen 2002 - 2015
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© LfU / Referat 73 / Schwaiger / 11.11.2015
Ergebnisse Wirkungsmonitoring 2002 - 2014
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1000000
Induktionsfaktoren
448245
Kläranlagen
Fließgewässer
144471
100000
10000
1000
100
10
1
0
10
© LfU / Referat 73 / Schwaiger / 11.11.2015
Ergebnisse Wirkungsmonitoring 2002 - 2014
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Kläranlagen
Vorfluter
1000000
Induktionsfaktoren
100000
448245
1000000
144471
Induktionsfaktoren
100000
10000
10000
1000
1000
100
Median = 91,9
100
10
10
Median = 2,1
1
1
0
0
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Darstellung der Vorgehensweise
am Beispiel einer Kläranlage in Bayern
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2012:
Monitoring estrogener Wirkungen
2015:
Weiterführende Untersuchungen zur Ermittlung der Quelle
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Expositionseinrichtungen
Bypass-Exposition im KA-Ablauf
Exposition unterhalb der KA-Einleitung
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Ergebnisse Wirkungstests
In vivo Wirkungsmonitoring Fische
In vitro E-Screen Assay
(ISWA, Uni Stuttgart)
10000000
1000000
18,0
***
IF = 144471
16,0
14,0
EEQ in ng/L
100000
10000
1000
100
***
12,0
10,0
8,0
6,0
4,0
IF = 6,8
2,0
10
0,0
1
Chemische Analytik
(ISWA, Uni Stuttgart; LW Langenau)
Begleitende chemische Analysen ergeben keine Hinweise auf die
verantwortlichen estrogen wirksamen Substanzen!
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Problematik - Ursachenermittlung
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Chemische Analysenergebnisse von Wasser- und Abwasserproben stellen eine
Momentaufnahme dar.
• Analysen umfassen nicht das gesamte Spektrum estrogen wirksamer Stoffe.
• Einleitung estrogen aktiver Stoffe erfolgt oft nicht kontinuierlich.
Beispiel Estron (E1) im
Kläranlagenablauf:
Tages-, Wochengang
(24 bzw. 6h-Mischproben)
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Problematik - Ursachenermittlung
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• Die Konzentrationen estrogen aktiver Stoffe im Vorfluter variieren in Abhängigkeit
von Frachten und Abflussraten.
E-Screen Assay:
Estrogene Aktivität im
Vorfluter vs. Abflussrate
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Vorteile des Biomarkers Vitellogenin
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• Ermittelt eine Estrogen-Rezeptor-vermittelte spezifische Wirkung.
• Reagiert schnell und empfindlich und dient deshalb als
Frühwarnsystem.
• Stellt biologische Reaktion auf die Gesamtheit aller bioverfügbarer,
estrogen wirksamer Chemikalien dar (estrogen wirksame Einzelstoffe
können sich in ihrer Wirkung z.T. aufaddieren!).
• Integriert eine Belastung über längere Zeiträume.
• „Belastungsspitzen“ werden mit erfasst.
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2015: Ermittlung der Quelle estrogener Wirkungen Bayerisches Landesamt für
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Teilstrom „Industrie“
Zulauf
Teilstrom „Klinikum“
Kläranlage
Ablauf
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Untersuchungsprogramm
• E-Screen
• Steroid-Analytik
• GC/MS-Screening
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EEQ in ng/L
Teilströme, Zulauf und Ablauf Kläranlage
E-Screen Assay: Estradiol-Äquivalente EEQ
250
240
230
220
210
200
190
180
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
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KA-Ablauf:
0,21–8,29 ng/l
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Steroid-Konzentrationen in ng/l
Teilströme, Zulauf und Ablauf Kläranlage
Steroid-Konzentrationen & Verhältnis E2 : E1
1000
950
900
850
800
750
700
650
600
550
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
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17-alpha-Ethinylestradiol (EE2)
17-alpha-Estradiol
17-beta-Estradiol (E2)
Estron (E1)
1:2
Estriol (E3)
1:3
1:26
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Teilströme, Zulauf und Ablauf Kläranlage
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4t-Octylphenol/4-Nonylphenol-Konzentrationen
15
4t-Octylphenol
14
4-Nonylphenol
4t-Octylphenol / 4-Nonylphenol in µg/L
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
KA-Ablauf:
NP-Konz.: 0,018 – 0,066 µg/l
OP-Konz.: 0,008 – 0,020 µg/l
2
1
0
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Teilströme, Zulauf und Ablauf Kläranlage
DEHP-Konzentrationen
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140
130
120
110
DEHP in µg/L
100
90
80
70
60
50
40
KA-Ablauf
DEHP-Konz. 4,8 – 6,9 µg/l
30
20
10
0
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Teilströme, Zulauf und Ablauf Kläranlage
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„Benzalkonium-Verbindung C14/Phenoxyethanol
3200,0
Benzalkonium-Verbindung C14
Benzalkonium-C14 / Phenoxyethanol in µg/L
3000,0
Phenoxyethanol
2800,0
2600,0
2400,0
2200,0
2000,0
1800,0
1600,0
1400,0
1200,0
1000,0
KA-Zulauf
Benzalkonium-Vbg. 22-64 µg/l
Phenoxyethanol 43-162 µg/l
800,0
600,0
400,0
200,0
0,0
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Fallbeispiel Kläranlage - Fazit
Wirkungsmonitoring mit Fischen und in vitro Testsystem E-Screen Assay ergeben 2012
auffällig hohe estrogene Aktivität im gereinigten Abwasser; auch im Vorfluter ist eine, wenn
auch deutlich geringere, estrogene Aktivität nachweisbar.
2015 nur 30% der estrogenen Aktivität des Jahres 2012 im gereinigten Abwasser;
I.R. weiterführender Untersuchungen im Zulauf der Kläranlage wurde der Teilstrom
„Klinikum“ als relevante Quelle für die estrogene Aktivität identifiziert:
• Relativ hohe Konzentrationen von 17ß-Estradiol (E2), Estron (E1) und Estriol (E3)
• Andere Xenoestrogene (NP, OP) ebenfalls in z.T. wirksamen Konzentrationen
nachweisbar;
• Auffällig hohe Konzentrationen von Desinfektionsmitteln (z.B. BenzalkoniumVerbindungen, Phenoxyethanol)
→ Möglichkeit der Beeinträchtigung von Belebtschlammorganismen?
Im Teilstrom „Industrie“ keine estrogene Aktivität nachweisbar.
• Konzentrationen einzelner Industriechemikalien (z.B. DEHP) unterhalb der Wirkschwelle;
DEHP-Konzentrationen variieren stark → diskontinuierlicher Eintrag.
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Kläranlagen und Vorfluter in Bayern
Beurteilung der estrogenen Wirkung
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• Die Untersuchung von gereinigten Abwässern bayerischer Kläranlagen ergab nur in
Ausnahmefällen eine sehr hohe estrogene Aktivität.
• In Gewässern/Vorflutern ist aufgrund der dort herrschenden
Verdünnungsverhältnisse in der Regel nur eine geringe estrogene Aktivität
vorhanden.
• Eine akute Gefährdung des Bestandes frei lebender Fischpopulationen ist aufgrund
der vorliegenden Daten nicht zu besorgen.
• Die vom LfU eingesetzten Testverfahren sind als „Frühwarnsystem“ zu verstehen
und lassen keine Rückschlüsse auf ökologische Auswirkungen zu.
• Bisher keine gesetzlichen Regelungen zur Begrenzung estrogener Aktivität im
Gewässer.
• EU-Ebene: estrogene Steroide auf Beobachtungsliste; Diskussion von UQN für 17ßEstradiol (0,4 ng/L),17α-Ethinylestradiol (0,035 ng/L) und Estron 3,6 ng/l.
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
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