Potenzial und Einsatzmöglichkeiten

DGL-Mitteilungen I / 2006: 49-57 (Berlin)
Chironomiden: Potential und Einsatzmöglichkeiten im Biomonitoring von
Gewässern – ein Überblick
Gerhardt, A., Orendt C., Dettinger-Klemm, A., Janssens de Bisthoven, L.,
Michiels, S., Otto, C.-J., Vogt, C. (DGL-AK "Chironomiden als
Bioindikatoren")
Einleitung
700 Arten in Deutschland, artenreichste Diptera, arten- und oft auch
individuenreichste Makrozoobenthosgruppe!
Chironomiden sind mit ihren zahlreichen Arten praktisch in jedem Lebensraum
anzutreffen, in allen Arten von Fließ- und Stillgewässern, sogar Gletschereis,
heißen Quellen, Phytotelmen, auch Böden, Tierkot, bis hin zu Pilzen. Alle
Nahrungsgilden sind vertreten. Die Plastizität der Lebenszyklen ist hoch.
Manche, oft allgemein als „rote Zuckmücken“ bezeichnete Formen können als
Larven in Dichten bis zu 100.000 Individuen pro m² leben und spielen als
sekundäre Produzenten, Detritus-Verarbeiter und Fischnahrung eine wichtige
ökologische Rolle. Insofern wären sie für eine Beurteilung von Gewässern
besonders geeignet. Das beschreibt auch schon Thienemann (1925).
In der Praxis jedoch werden die Chironomiden im Biomonitoring verhalten
verwendet, teils wegen mangelnder Kenntnis, teils wegen schwieriger
Taxonomie. Dagegen nimmt die Verwendung in der Ökotoxikologie zu, aus
paläo-ökologischen Untersuchungen zu historischen Klimazuständen sind sie
nicht mehr wegzudenken.
Traditionell wird im Trendbiomonitoring von Gewässern selten auf Chironomiden
zurückgegriffen. In Fliessgewässern gehen sie entweder in der Gesamtgruppe
des Makrozoobenthos unter oder sie werden als "% EPT/Chironomidae" oder als
"% Chironomidae/Makrozoobenthos", manchmal auch etwas detaillierter als
"%Tanytarsini/Chironomidae" in der ökologischen Bewertung berücksichtigt. Das
Sediment als essentielles Habitat in Gewässern sowie als Puffer für die
Schadstoffverfügbarkeit wird jedoch in der Gewässerqualitätsbewertung nicht
besonders betont, auch nach der neuen EU-WRRL, nur als Ausschnitt eines
Gewässers. Auch Toxizitätstests finden in der Praxis der Gewässerbewertung
keine Routineanwendung. Dies ist bedauerlich, da z.B. der häufig verwendete
Saprobienindex zwar Aussagen über die Sauerstoffzehrungsverhältnisse im
Gewässer erlaubt, nicht jedoch über die Belastung durch chemische Schadstoffe.
1
In diesem Artikel skizzieren wir wichtige Anwendungsgebiete von Chironomiden
in der Ökotoxikologie, Gewässeruntersuchung und –überwachung, auch als
Ergänzung zur sogenannten „TRIAD-basierten integrierten Gewässerbewertung“
(Toxikologie, Ökologie, Chemie), ursprünglich vorgeschlagen von Chapman
(1987). Die Idee hinter dem "sediment quality triade" ist es, einen kombinierten
Index zur Bewertung der Sedimentqualität zu entwickeln, bestehend aus
chemischen Felddaten, toxikologischen Labordaten und biologischen Felddaten.
In Abb. 1 wird die Integration der verschiedenen Methoden zur
Gewässerbewertung mit Chironomiden zusammengefasst. Detaillierte
Ausführungen zu den einzelnen Methoden sind bei den Autoren zu erfragen bzw.
folgen an anderer Stelle.
1) Toxizitätstests mit Chironomiden
1.1) Standardtests
Chironomiden werden in der Ökotoxikolgie für die Testung von Substanzen auf
toxische Effekte bei Invertebraten im größerem Umfang seit Mitte der
Neunzigerjahre des letzten Jahrhunderts eingesetzt (bes. Chironomus riparius, C.
tentans, C. yoshimatsui ). Um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse gewährleisten
zu können, wurden die ökotoxikologische Experimente hauptsächlich für die
Chemikalientestung, Chemikalienexposition und Wasserexposition (OECD,
2004b) durch die OECD standardisiert. Es gibt allerdings auch weitere
Standardisierungen z.B. durch die US-EPA (1996). Chironomiden sind für die
Chemikalientestung und deren Bewertung besonders geeignet auf Grund der
folgenden Eigenschaften:
─
Chironomiden der oben genannten Arten lassen sich leicht in Laboratorien
unter standardisierten Bedingungen züchten. Weiterhin positiv ist die
permanente Verfügbarkeit von Tieren für Experimente. Die leichte Hälterung
hat aber auch noch einen marktwirtschaftlichen Vorteil, da Kosten für
aufwendige Geräte und Testsysteme eingespart werden können und somit
eine kostengünstige Chemikalientestung möglich ist.
─
Aufgrund ihrer Lebensweise und ihrer ubiquitären Verbreitung stellen diese
Zuckmücken außerdem einen wichtigen Stellvertreterorganismus für eine
Vielzahl von Sedimentbewohnern dar. Dadurch kann in den Experimenten
von einer direkten Exposition der Tiere gegenüber Schadstoffen und deren
Aufnahme über die Cutikula oder die Nahrung ausgegangen werden.
Außerdem haben Chironomiden bei milden Temperaturen einen relativ
kurzen Lebenszyklus von ca. 21 - 28 Tagen. Deshalb können Experimente
über eine gesamte Generation durchgeführt werden, bei dem alle
Entwicklungsstadien auf Effekte gegenüber Schadstoffen getestet werden
können.
─
Ein weiterer Vorteil ist, dass über das Hormonsystem der Insekten sehr viel
bekannt ist, weil viele Organismen dieser Klasse wichtige Schadorganismen
2
─
für die Landwirtschaft darstellen (insektizide Pflanzenschutzmittel (z.B.
Häutungshemmer bei der Kastanienminimiermotte).
Für den Einsatz von Chironomiden in der Ökotoxikologie stehen viele
Publikationen und somit Vergleichsdaten für diese Tiergruppe zur Verfügung
stehen. Dadurch wird es möglich, erhobene Daten in den Gesamtkontext
einzuordnen und zu bewerten. Es können - um diesen wichtigen Aspekt zu
verdeutlichen - zum heutigen Zeitpunkt im Web of Science ca. 2500
Publikationen zum Themenkreis „Chironomidae im weiteren Sinn“ abgerufen
werden.
All diese genannten Vorteile machen heute den Einsatz von Chironomiden in der
Ökotoxikologie unerlässlich, und es sollte weiterhin das Risikopotential von
Substanzen anhand dieser Tiergruppe kritisch abgeschätzt werden.
Im Gegensatz zu den bisher beschriebenen standardmäßigen Einsätzen jedoch
eignet sich der Standard-OECD-Sedimentkontakttest (Überleben, Wachstum,
Emergenz) z.Z. nicht für eine kosteneffektive Bewertung der Sedimenttoxizität, da
er als "whole life-cycle test" lange (bis 28 Tage) dauert und die Ergebnisse –
neben methodischen Problemen im Labor - nicht direkt auf das Freiland
übertragbar sind (Standardsediment statt natürlichem Sediment).
1.2) Verhaltenstest
Kürzlich wurde ein neuer Sedimenttoxizitätstests basierend auf den Parametern
Verhalten und Überleben von benthischen Insekten und Crustaceen
vorgeschlagen (Gerhardt & Schmidt 2002, Kirkpatrick et al. 2005), da er 1)
schnell und einfach anzuwenden ist, 2) vollautomatisiert kontinuierlich
quantitative Daten in Realzeit übermittelt, 3) es erlaubt, die Sedimentbewohner
direkt in ihrem natürlichen Substrat zu betrachten und somit ihre Exposition
realistisch einzuschätzen, 4) sich mit den Testparametern des Standardtestes gut
kombinieren lässt und 5) alle Entwicklungsstadien, also auch die Emergenz
automatisiert messen kann. Dieser Test kann über mehrere Stunden bis
Tage/Wochen erfolgen und ist sowohl im Labor als auch im Freiland
gleichermaßen einsetzbar, welches die Extrapolation Labor-Feld erleichtert.
Dieser Verhaltens-Test läßt sich auch gut mit anderen gegenwärtigen und
innovativen Ansätzen kombinieren, z.B. Exposition der Larven im Feld und
anschliessender Messung von Parametern wie "post-exposure feeding",
Wachstum, Bioakkumulation, etc. im Labor. Der neue Sedimentbiotest erfolgt im
sog. Multispecies Freshwater Biomonitor® (MFB) (Gerhardt 1999, 2000).
3
2) Bioassessment-Methoden
2.1) Gewässerbewertung I: Larven
Die Anwendung von Chironomiden-Larven bei der biologischen Gütebewertung
von Gewässern ist generell nicht besonders fest verankert. In der Praxis wird
dies durch schwierige Taxonomie und teils ungeklärte ökologische Ansprüche
begründet.
Dazu einige Anmerkungen:
Die Bestimmbarkeit ist nicht geringer als vergleichsweise z.B. bei
Nemouriden, Leuctriden usw. aus dem Mittelgebirge und Bergland oder
bestimmte Trichopterengruppen. Für Chironomidenexuvien gibt es
hervorragende Bestimmungsschlüssel. Die Larven sind i.d.R. bis zur Gattung,
z.T. auch bis zur Art bestimmbar. Für das nordwestdeutsche Tiefland liegen
Schlüssel vor. Derzeit entsteht in Deutschland ein Schlüssel, der den Einstieg in
die Larvenbestimmung deutlich erleichtern soll.
Umfassende autökologische Angaben sind bis heute für viele
Makroinvertebraten immer noch eine Rarität. Dennoch wurde in der nahen
Vergangenheit versucht, die wichtigsten ökologischen Profile möglichst vieler
bekannter Arten anzugeben (Moog 2002, Schmedtje & Colling 1996). Auch für
die Chironomiden gibt es ökologische Angaben bzw. Einstufungen (vgl. MoogG
2002, Moller Pillot & Buskens 1990, Orendt, 1999). Diese Angaben müßten ggf.
regional angepasst werden.
Für die Beurteilung der großen stehenden Gewässer sind die benthischen
Chironomiden (neben den Oligochaeten) überaus wichtig, da sie das
"ökologische Langzeitgedächtnis" eines Sees repräsentieren. Mit dieser
Erkenntnis entwickelte bereits Thienemann (1925) anhand der Profundalfauna
einen Bewertungsansatz. Aber auch für die Litoralfauna gibt es mittlerweile
Bewertungsvorschläge (z.B. Saether 1979, Bayerisches Landesamt für
Wasserwirtschaft 1992, Nyman & Korhola, 2005).
Die benthischen Chironomiden reflektieren nicht ausschließlich die Trophie,
sondern z.B. auch seemorphologische Umweltfaktoren. Hinzu kommt, daß
Profundal und Litoral nicht gleich reagieren. Die Erfassung und Beurteilung läßt
sich über bekannte Indikatortaxa des Litorals und Profundals erreichen
(Profundal: z.B. Saether 1979, Thienemann 1925, Litoral: z.B. Bayerisches
Landesamt für Wasserwirtschaft 1992, Moller Pillot & Buskens 1990). Eine
weitere Möglichkeit der Seecharakterisierung wäre die Ausdehnung von Litoralund Profundalzone über die Besiedlungspräferenzen oder Vorkommen
bestimmter Taxa im Tiefenverlauf. Allerdings setzen derartige Ansätze voraus,
daß Erfassungen in Form von Transekten über verschiedene Tiefen stattfinden,
4
wie sie – leider nur ausnahmsweise – bei den Untersuchungen zur Bewertung
nach EZ-WRRL durchgeführt werden.
2.2) Gewässerbewertung II: Puppenexuvien
Eine vielfach erprobte Methode zur Erfassung der Chironomidenfauna eines
Gewässers ist die CPET (= Chironomid pupal exuviae technique; s. Wilson &
Ruse 2005). Hierbei werden die Puppenhäute, die nach dem Schlüpfen der
Imagines an der Wasseroberfläche treiben, mit einem Handkescher oder
Driftnetz aufgesammelt. Mit dieser Sammelmethode wird die
Chironomidenemergenz erfasst, da geschlüpfte Tiere ihre Puppenhäute an der
Wasseroberfläche zurücklassen. Untersuchungen haben belegt, dass die
Puppenhäute aus dem unmittelbaren Einzugsbereich der Probestellen stammen
(Wilson & Bright 1973).
Die Probennahme für CPET-Untersuchungen ist einfach und auch von nicht
speziell ausgebildetem Personal durchführbar. Es kann davon ausgegangen
werden, dass 3-4 Probennahmen im Jahr ausreichen, um die repräsentative
Gemeinschaft eines Untersuchungsjahres zu erfassen (Wilson & Ruse 2005).
Vorteile und Einsatzmöglichkeiten:
─
Gute Bestimmbarkeit bis Artniveau, oft ohne Präparation bei 10 – 60 facher
Vergrößerung. Bei wenigen Gattungen ist zur Artunterscheidung ein
Mikropräparat nötig (z.B. Cricotopus, Chironomus, Cladotanytarsus). Mit
Langton (1991) und Langton & Visser (2003) stehen zwei
Bestimmungswerke für die gesamte europäische Fauna zur Verfügung.
─
Erfassung einer Fülle von Mikrohabitaten und damit eine weitestgehende
Erfassung des Artenspektrums.
─
Bearbeitung großer Mengen an Material bei geringem zeitlichen Aufwand.
Dadurch sind auch statistische Auswertungen möglich.
─
Anwendung auch bei schwer zugänglichen Gewässern, in denen eine
Erhebung des Makrozoobenthos nach DIN 38410 nicht möglich ist, z.B.
Kanäle (Ruse 1998). Minimale Störung auch empfindlicher Lebensräume, in
denen aus naturschutzrelevanten Gründen eine Beprobung des
Gewässergrundes nicht zuläßig ist.
─
Einsatzmöglichkeiten: Die CPET ist sicherlich die Methode der Wahl bei
allen Fragestellungen, die eine möglichst weit gehende Erfassung des
Artenbestandes der Chironomiden eines Gewässers zum Ziel haben, z.B.
Biomonitoring morphologischer und stofflicher Belastungen und
Biodiversitätsuntersuchungen.
─
Indirekte Zuordnung von Arten zu Larven aus Makrozoobenthosproben über
parallel bestimmte Exuvien (z.B. parallele Kescherfänge wie bei
Köcherfliegen- oder Steinfliegenuntersuchungen).
5
Jedoch ist eine Miterfassung der Chironomidenexuvien bei standardisierten
Untersuchungen des Makrozoobenthos nach DIN 38410 nicht möglich. Es
besteht die Notwendigkeit einer gesonderten Probennahme und Auswertung.
Die Qualität der Ergebnisse ist stark von der Schlüpfperiodik und daher von
Tageszeit und Witterung sowie Drift/Wasserführung abhängig. Die Anwendung
im Routinebetrieb muss daraufhin abgestimmt werden.
2.3) Historische Klima- und Umweltschwankungen: Chironomidenfossilien
Die Kenntnis von mittel- und langfristigen Klima- und Umweltschwankungen ist
insbesondere für die Klimaforschung von außerordentlicher Bedeutung. Die
fossilen Reste von Chironomiden (Kopfkapseln) sind über Jahrtausende
chronologisch abgelagert und in den Seesedimenten erhalten. Sie wurden in den
letzten Jahren neben den Diatomeen häufig zur quantitativen Rekonstruktion
historischer Klimaänderungen benutzt (z.B. Nyman et al. 2005). Die in den
verschiedenen Sedimenthorizonten abgelagerten Taxagemeinschaften indizieren
dabei anhand der Sauerstoff- und Temperaturansprüche oder der
vorkommenden Taxa entsprechende Umweltzustände früherer Zeiten. Die
ökologischen Ansprüche dieser Taxa können von denselben, heute noch
vorkommenden Formen, abgeleitet werden. Damit sind nicht nur Rückschlüsse
auf frühere Klimaverhältnisse, sondern auch auf Trophiezustände möglich.
Letzteres ist besonders bei der Suche und Beschreibung von Referenzzuständen
für die Bewertung nach der EU-WRRL von großer praktischer Bedeutung.
2.4) Schadstoffbelastung: Mundwerkzeug-Deformationen
Missbildungen bei Chironomidenlarven sind anhand von Freilandkorrelationen
und Laborversuchen mit Schwermetallen in Verbindung gebracht worden,
außerdem mit einer großen Anzahl Kohlenwasserstoffverbindungen (z.B.
Dioxine, Benzene, Erdöl), Pestiziden und Radionukliden. Eine Meta-Analyse von
Freilandstudien (Janssens de Bisthoven und Gerhardt 2006) hat ergeben, dass
Mundwerkzeug-Deformationen in über 45 verschiedenen Chironomidengattungen
beschrieben sind. Eine Quantifizierung (Janssens de Bisthoven 1999) anhand
von prozentualem Anteil deformierter Larven an der Gesamtlarvenzahl oder
durchschnittlicher Deformitätsintensität pro Larve lässt es zu, Dosis-WirkungsBeziehungen zu erstellen. Die Gattungen Chironomus und Procladius sind dabei
am besten untersucht. Sie eignen sich hervorragend in Tiefland-Gewässern, um
langfristige Toxizität von Schadstoffen im Sediment aufzuspüren und die
entsprechende Probestellen nach relativem chronischen Toxizitätsgrad
einzustufen. Weitere Anwendungsgebiete sind Langzeit-Biomonitoring von
Entgiftungsmassnahmen, das Erkennen von giftigen Effekten in
Abgrabungswässern oder von diffusem Pestizidaustrag auf die Toxizität von
Sedimenten in Oberflachengewässern.
6
3) Integriertes multimetrisches Biomonitoring
Chironomiden liefern wertvolle und teils essentielle Informationen, wenn
traditionelle Methoden des Bioassessment direkt mit neuen Methoden zur
ökologisch-toxikologischen Bewertung miteinander verbunden werden, wie z.B.
eine Untersuchung an Bergbauabwässern in Portugal zeigt (Gerhardt et al. 2004,
Janssens de Bisthoven et al., 2004). Diese setzte sich zusammen aus:
─
─
─
Ökologischer Bewertung der gesamten Biozönose (Makroinvertebraten incl.
Chironomiden) nach struktureller (Diversität, Ähnlichkeit, EPT-taxa) und
funktionellen Metrics (Nahrungsgilden, trophic completeness) vorgenommen,
ergänzt durch verschiedene Biotische Indices (BBI, BMWP-ASPT, SäureIndikatoren)
Multispecies Freshwater Biomonitor Toxizitätstests (in situ, ex situ)
(Chironomus, zusammen mit anderen Tier-und Pflanzenarten)
Bestimmung von ca. 10 verschiedenen Metallkonzentrationen, pH und
Salzen
Daraus wurde ein neuer Multimetrischer Index (MI) abgeleitet, welcher für saure
Bergbauwässer (Acid Mine Drainage) folgende Parameter integriert: BMWP,
EPT, %Predatoren, Bewegungsaktivität aus dem Multispecies Freshwater
Biomonitor-Test. Beziehungen zwischen Verhalten (Lokomotion,
Ventilieren/Pumpen) und morphologischen (z.B. Mundwerkzeugdeformationen)
und entwicklungsbiologischen Testparametern (z.B. Emergenz) sind bereits
beschrieben (Gerhardt & Janssens de Bisthoven 1995).
Die anhand dieser Methoden gewonnenen Ergebnisse können in eine TRIADbasierte integrierte Gewässerbewertung (Toxikologie, Ökologie, Chemie)
eingehen (Abb.1).
Abb. 1 hier plazieren
Zusammenfassung und Empfehlung
Zusammenfassend läßt sich sagen, dass die Chironomiden die Kriterien als
Bioindikatoren im Bioassessment von Seen und Fliessgewässern, als auch als
Testarten für in Toxizitätstests (in und ex situ) in einem TRIAD-basierten Ansatz
zum integrierten Biomonitoring erfüllen (Präsenz in allen Lebensräumen, hohe
Individuendichten, Bestimmbarkeit, Angaben zur Ökologie und
Schadstofftoleranzen). Sie werden in vielen Feldern der Gewässer- und
Sedimentbewertung entsprechend der Fragestellung gezielt eingesetzt. Es wäre
somit ratsam, dieses große Potential in der wasserwirtschaftlichen Praxis und
7
auch bei den Bewertungsmethoden zur Umsetzung derEU-WRRL mehr zu
berücksichtigen.
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Danksagung
Die Autoren bedanken sich herzlich bei Martin Spies, Berthold Janecek, Jörg
Schönfelder, Erik
Mauch, Matthias Brunke und Armin Zenker für wertvolle Kommentare zur
Verbesserung des Artikels.
Autorenanschrift
Dr. Almut Gerhardt
LimCo International
An der Aa 5
D-49477 Ibbenbueren
www.limco-int.com
Weitere Infos über den AK “Chironomiden als Bioindikatoren”:
www.hydro.bio.de/biochir.htm
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