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Marc Brüning
Der Einfluss des Klimawandels auf die Ausbreitung von
FSME in Deutschland am Beispiel Bayerns
Diplom.de
Diplomarbeit
Marc Brüning
Der Einfluss des Klimawandels
auf die Ausbreitung von FSME in
Deutschland am Beispiel Bayerns
Diplom.de
Marc Brüning
Der Einfluss des Klimawandels auf die Ausbreitung von FSME in Deutschland am
Beispiel Bayerns
ISBN: 978-3-8366-3998-9
Herstellung: Diplomica® Verlag GmbH, Hamburg, 2010
Zugl. Georg-August-Universität Göttingen, Göttingen, Deutschland, Diplomarbeit, 2009
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Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis.........................................................................................................v
Tabellenverzeichnis ...........................................................................................................vii
1. Einleitung..........................................................................................................................9
2. Frühsommer-Meningoenzephalitis (FSME)................................................................10
2.1 Epidemiologie der Frühsommermeningoenzephalitis................................................11
2.1.1 FSME in Europa ..................................................................................................11
2.1.2 FSME in Deutschland..........................................................................................12
2.1.3 FSME in Bayern ..................................................................................................15
2.2 Das FSME-Virus........................................................................................................16
2.3 Die Übertragung des FSME-Virus auf den Menschen ..............................................18
2.4 Der Krankheitsverlauf der FSME beim Menschen....................................................20
2.5 Diagnostik und Risikogebiete ....................................................................................21
2.6 FSME-Impfung ..........................................................................................................23
3. Zecken .............................................................................................................................24
3.1 Ixodes ricinus .............................................................................................................27
3.2 Vorkommen von Ixodes ricinus .................................................................................28
3.3 Von Zecken aufgesuchte Wirte..................................................................................29
3.4 Zeckenstich ................................................................................................................30
3.5 FSME-Übertragung auf Zecken.................................................................................31
3.6 FSME-Virus-Prävalenz von Zecken ..........................................................................32
3.7 Klimaeinfluss auf Lebensraum und -rhythmus von Zecken ......................................33
3.8 Aktivitätsphasen von Zecken .....................................................................................35
4. Der Klimawandel ...........................................................................................................37
4.1 Definition von Klima und Klimawandel....................................................................37
4.2 Ursachen des Klimawandels ......................................................................................39
4.3 Globale Klimaveränderungen ....................................................................................40
ii
4.4 Klimaänderungen in Deutschland ..............................................................................42
4.5 Das Klima in Bayern..................................................................................................44
4.5.1 Einflussgrößen auf das Klima in Bayern.............................................................44
4.5.2 Durchschnittstemperaturen und -niederschläge in der Referenzperiode.............45
4.5.3 Klimaänderungen in Bayern................................................................................48
5. Stand der Forschung .....................................................................................................51
5.1 Auswirkungen von Klimaänderungen auf I. ricinus und FSME-Fallzahlen..............52
5.1.1 Lebensraum, saisonale Aktivität und Populationsdichte von I. ricinus in
Abhängigkeit von Klima- / Wetterelementen...............................................................52
5.1.1.1 Effekte des Klimawandels auf die Verteilung von I. ricinus.......................53
5.1.1.1.1 Ausbreitung von I. ricinus nach Norden...............................................53
5.1.1.1.2 Ausbreitung von I. ricinus in höhere Regionen ....................................54
5.1.1.2 Auswirkungen des Klimawandels auf die saisonale Aktivität von I. ricinus
.................................................................................................................................59
5.1.1.3 Der Effekt des Klimawandels auf die Dichte der Zeckenpopulation ..........64
5.1.2 Die Auswirkungen eines wärmeren Klimas auf den FSME-Naturherd ..............66
5.1.3 Klima und FSME-Fallzahlen...............................................................................68
5.1.3.1 Klimawandel und Veränderungen der Verbreiterung von FSME in
Tschechien ...............................................................................................................69
5.1.3.1.1 Statistische Zusammenhänge von FSME und Klimaelementen ...........69
5.1.3.1.2 Ausbreitung von FSME in höhere Lagen .............................................73
5.1.3.1.3 Der Einfluss des Klimas im Winter auf die Epidemiologie von FSME76
5.1.3.2 Klimawandel und FSME-Fallzahlen in den baltischen Staaten...................78
5.1.3.3 Erkenntnisse zum Zusammenhang von kurzfristigen Klimaänderungen und
den FSME-Anzahlen am Beispiel einer 8-Länder übergreifenden Studie ..............81
5.2 Szenarien der Klimaänderungen in der Zukunft ........................................................84
5.2.1 Zukünftige globale Klimaprognosen...................................................................84
5.2.2 Zukünftige Klimaänderungen in Bayern .............................................................86
iii
5.2.2.1 Regionale Klimamodelle .............................................................................86
5.2.2.2 Prognosen der Klimaentwicklung für Bayern .............................................87
5.3 Auswirkungen des Klimawandels auf die Vegetation ...............................................90
6. Material und Methoden.................................................................................................92
6.1 Zugrunde liegendes Datenmaterial ............................................................................93
6.2 Methoden der durchgeführten Untersuchungen.........................................................95
7. Ergebnisse der Untersuchungen...................................................................................97
7. 1 Saisonale Verteilung der FSME-Fälle ......................................................................98
7.2 Überprüfung der Abhängigkeiten der FSME-Fälle von einzelnen Klimaelementen.99
7.2.1 Ergebnisse zur Abhängigkeit der jährlichen FSME-Fallzahlen von 1991-2007
von den Klimaelementen Temperatur und Niederschlag ...........................................100
7.2.2 Ergebnisse der Untersuchungen zur Abhängigkeit der monatlichen FSMEFallzahlen von den mittleren Monatstemperaturen im Zeitraum 2001-2007.............102
7.2.3 Ergebnisse der Analyse des Einflusses der Strenge des Winters auf die FSMEFallzahlen des nachfolgenden Jahres zwischen 1995 und 2008.................................104
7.3 Ergebnisse der Analyse der Entwicklung von Tmax als Einflussfaktor auf den FSMENaturherd in den einzelnen Dekaden im Februar-April von 1961-2008 .......................107
7.4 Ergebnisse zur Entwicklung der mittleren Jahrestemperatur in Höhenlagen von 5001.200 m über NN in Bayern von 1961-2007..................................................................112
7.5 Ergebnisse der Analyse der Gefährdung des Nadelwaldes durch wärmere
Temperaturen .................................................................................................................114
8. Diskussion der Ergebnisse...........................................................................................119
9. Schlussbetrachtung......................................................................................................126
Literaturverzeichnis ........................................................................................................129
iv
Abbildungsverzeichnis
Abb. 1: Einflussfaktoren der Übertragung des FSME-Virus auf den Menschen ............................................... 9
Abb. 2: FSME-Fälle in Europa von 1990-2008 ............................................................................................... 12
Abb. 3: FSME-Fälle in Deutschland von 1969-2008....................................................................................... 13
Abb. 4: FSME-Fälle in Deutschland 2001-2008 nach Landkreisen ................................................................ 14
Abb. 5: Jährliche FSME-Fälle in Bayern von 1976-2008................................................................................ 15
Abb. 6: Räumliche Verteilung der FSME-Fälle in Bayern von 2001-2008..................................................... 16
Abb. 7: Das Dreieck der Erreger-Vektor-Wirt Interaktionen .......................................................................... 17
Abb. 8: FSME-Risikogebiete in Deutschland 1998......................................................................................... 21
Abb. 9: FSME-Risikogebiete in Deutschland 2009......................................................................................... 22
Abb. 10: Schild- (Ixodes ricinus) und Lederzecke (Argas reflexus) im Vergleich.......................................... 25
Abb. 11: Der Entwicklungszyklus des gemeinen Holzbocks (Ixodes ricinus) ................................................ 25
Abb. 12: Die verschiedenen Entwicklungsstufen von Ixodes ricinus .............................................................. 27
Abb. 13: Schema eines Zeckenstichs............................................................................................................... 30
Abb. 14: Temperaturabhängigkeit der täglichen transstadialen Entwicklung von Ixodes ricinus ................... 34
Abb. 15: Schema saisonaler Zeckenaktivität ................................................................................................... 36
Abb. 16: Veränderungen der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion der Klimaparameter infolge des Klimawandels ............................................................................................................................................................. 38
Abb. 17: Veränderungen der Konzentrationen der Treibhausgase Kohlendioxid, Methan und Stickstoffoxid
während der letzten 20.000 Jahre bis 2005 ................................................................................................ 40
Abb. 18: Veränderungen der Temperatur, der Höhe des Meeresspiegels und der Schneebedeckung der Nordhalbkugel in den letzten ca. 160 Jahren...................................................................................................... 41
Abb. 19: Deutschland-Temperatur, Jahresanomalien von 1761-2007 ............................................................. 42
Abb. 20: Deutschland-Temperatur, Sommeranomalien 1761-2007 ................................................................ 43
Abb. 21: Deutschland-Temperatur, Winteranomalien 1761-2008................................................................... 44
Abb. 22: Topographische Karte Bayern .......................................................................................................... 45
Abb. 23: Mittlerer Jahresniederschlag von 1961-1990 in Bayern.................................................................... 47
Abb. 24: Mittlere Jahrestemperatur von 1961-1990 in Bayern........................................................................ 48
Abb. 25: Mittlere Jahrestemperaturen in Bayern 1961-1990........................................................................... 49
Abb. 26: Räumliche Verteilung der Differenz der mittleren Jahrestemperatur der Periode 1991-2007 und der
Referenzperiode 1961-1990 in Bayern....................................................................................................... 50
v
Abb. 27: Mittlerer Jahresniederschlag in Bayern 1961-2007 .......................................................................... 51
Abb. 28: Veränderung der Verbreitung von I. ricinus in Schweden................................................................ 53
Abb. 29: Jährliche (a) und monatliche (für Mai) (b) Entwicklung von Tmit auf 1.000 m über NN im Riesengebirge von 1961-2005 .................................................................................................................................. 57
Abb. 30: Abweichungen von Tmit der Jahre 2004-2006 vom langjährigen Mittel von 1961-1990 in 816 m über NN (Wetterstation Pec pod Sněžkou) .................................................................................................. 58
Abb. 31: Aktivität von Ixodes ricinus im Herbst und Winter 2006/2007 in Feldarealen in einem Berliner
Wald........................................................................................................................................................... 59
Abb. 32: Aktivität von Nymphen in 1977 in Wicklow.................................................................................... 61
Abb. 33: Monatliche Mittel der täglichen Tmax und des täglichen Niederschlags für München ...................... 62
Abb. 34: Monat des Beginns der Aktivität von I. ricinus Nymphen in Abhängigkeit der mittleren monatlichen
Maximumtemperatur.................................................................................................................................. 63
Abb. 35: Monatliche Populationsdichten der Zecken in Bayern...................................................................... 66
Abb. 36: Niederschlag (%) und Temperatur (°C) in Abweichung vom langjährigen Mittel (1961-1990) im
Jahr 2000 in Tschechien............................................................................................................................. 70
Abb. 37: Klimagramm von März bis Oktober 2006 in Tschechien ................................................................. 72
Abb. 38: Wöchentliche Verteilung der FSME-Fälle 2006 in Tschechien........................................................ 72
Abb. 39: FSME-Infektionsorte in Tschechien von 1971-2000 ........................................................................ 74
Abb. 40: Variationen in der vertikalen Verteilung von FSME-Fällen in Tschechien von 1971-2000............. 75
Abb. 41: FSME-Anzahlen und Frost-Index des vorherigen Winters der Jahre 1995-2004 in Böhmen........... 77
Abb. 42: FSME-Anzahlen und Tmin des vorherigen Winters der Jahre 1995-2004 in Böhmen....................... 78
Abb. 43: Die beobachtete und vorhergesagte Verteilung der FSME-Fälle (pro 100.000 Einwohner) in den
baltischen Staaten von 1993-1998.............................................................................................................. 79
Abb. 44: Jährlicher Verlauf der Tmax in den 4 Dekaden von Ende März bis Ende April ................................. 80
Abb. 45: Monatliche FSME-Anzahlen für Slowenien und Bayern in den Jahren 2005-2007 ......................... 81
Abb. 46: Beziehungen zwischen monatlichen Zecken- (Monat n) und FSME-Anzahlen (Monat n+1) in Bayern und Slowenien...................................................................................................................................... 83
Abb. 47: Szenarien der mittleren globalen Erwärmung bis zum Ende des 21. Jahrhunderts........................... 85
Abb. 48: Differenzen des Jahresmittels der Temperaturprognosen der Szenarien B1, A2 und A1B des REMO
-Modells der Jahre 2071-2100 mit der Periode 1961-1990........................................................................ 89
Abb. 49: Differenzen des Jahresmittels der Temperaturprognosen der Szenarien B1, A2 und A1B des WETTREG-Modells der Jahre 2071-2100 mit dem Kontrolllauf der Periode 1961-1990.................................... 90
Abb. 50: Klimahülle der Fichte in Europa....................................................................................................... 91
Abb. 51: Aufwärtsbewegung von aktuellen Vegetationszonen im Gebirge .................................................... 92
vi
Abb. 52: Mittelwerte und Spannweiten der FSME-Fallzahlen in den einzelnen Monaten von 2001-2008 in
Bayern ........................................................................................................................................................ 98
Abb. 53: Saisonaler Verlauf der FSME-Fälle in den Jahren 2001-2008 in Bayern ......................................... 99
Abb. 54: Lineare Regression der mittleren April-Oktober-Temperaturen und der FSME-Fälle von 1991-2007
................................................................................................................................................................. 101
Abb. 55: FSME-Fälle und mittlere Jahres-, Herbst- und April-Oktober-Temperaturen von 1991-2007....... 101
Abb. 56: Mittlere monatliche Temperaturen und FSME-Fallzahlen von 2001-2007 .................................... 103
Abb. 57: Monatliche Niederschläge und FSME-Fallzahlen von 2001-2007 ................................................. 104
Abb. 58: FSME-Fälle (1995-2008) und Niederschlagssummen (1994/1995-2007/2008) ............................. 105
Abb. 59: Anzahl der Eistage und FSME-Fallzahlen von 1995-2008 (ohne die Jahre 2005 und 2006) ......... 107
Abb. 60: Tmax-Verlauf in Hohenpeißenberg von 1961-2008 in April II und III............................................. 109
Abb. 61: Tmax-Verlauf in Würzburg von 1961-2008 in den Dekaden Februar II bis März II ........................ 111
Abb. 62: Mittlere Jahrestemperaturen in 500-800 m über NN von 1961-2007 ............................................. 113
Abb. 63: Bodenbedeckung und Landnutzung in Bayern ............................................................................... 115
Abb. 64: Verbreitungsgebiet des Nadelwaldes in Bayern.............................................................................. 116
Abb. 65: Durch die Klimaerwärmung gefährdete Gebiete des Nadelwaldes in Bayern ................................ 118
Abb. 66: Vergleich der Temperaturentwicklung auf 1.000 m über NN von 1961-2005 im Riesengebirge (a)
und auf 1.200 m über NN von 1961-2007 in Bayern (b) ......................................................................... 124
Tabellenverzeichnis
Tab. 1: Charakteristika der Entwicklungsstadien von I. ricinus....................................................................... 28
Tab. 2: FSME-Virus Prävalenz in frei lebenden Zecken von 1997-2000 im Raum Passau............................. 33
Tab. 3: Gesammelte I. ricinus in verschiedenen Höhen im Riesengebirge...................................................... 56
Tab. 4: Monatliche Mitteltemperatur im Winter 2006/2007 in Potsdam ......................................................... 59
Tab. 5: Monatlicher Hochpunkt der Zeckenaktivität in Bayern 2006/2007..................................................... 63
Tab. 6: Gesamtanzahl der gesammelten Nymphen pro Jahr in Bayern und Slowenien................................... 65
Tab. 7: Monatliche FSME-Fälle in Tschechien von 1994-2001 ...................................................................... 70
Tab. 8: Monatsmittelwerte von drei Arealen für gesammelte Zecken (Nymphen und Adulte) im Jahr 2006 . 72
Tab. 9: Auftreten des FSME-Virus in I. ricinus in den Höhen des Riesengebirges......................................... 76
vii
Tab. 10: Minimale und maximale Temperaturänderung der drei Szenarien A1B, A2 und B1 des REMO-Modells im Vergleich zur Periode 1961-1990 in Bayern [°C] ........................................................................ 88
Tab. 11: Minimale und maximale Temperaturänderung der drei Szenarien A1B, A2 und B1 des WETTREGModells im Vergleich zur Periode 1961-1990 (a) und 1981-1990 (b) in Bayern [°C]............................... 88
Tab. 12: Übersicht der neun bayerischen Klimastationen................................................................................ 94
Tab. 13: Regressionskennziffern der Abhängigkeit der FSME-Fallzahlen von den Kennzahlen für die Strenge
des Winters im Zeitraum 1995 bis 2008 .................................................................................................. 105
Tab. 14: FSME-Fallzahlen und Kennzahlen für die Strenge des Winters im Zeitraum 1995-2004 und 20072008.......................................................................................................................................................... 106
Tab. 15: Mittelwerte von 1961-1990 und 1991-2008 von Tmax in April III in den sechs Stationen............... 108
Tab. 16: Vergleich der Mittelwerte von Tmax in den Perioden 1961-1990 und 1991-2008 in Würzburg und
Kempten ................................................................................................................................................... 110
Tab. 17: Übersicht über die mittleren Jahrestemperaturen in Höhen von 500-1.200 m über NN in Bayern . 112
Tab. 18: Flächenanteile des potentiellen Lebensraums der Zecken und des Nadelwaldes an der gesamten Fläche in Bayern ........................................................................................................................................... 114
Tab. 19: Flächen und Flächenanteile von potentiell gefährdeten Nadelwaldgebieten bei einer Temperaturerwärmung von 0,6 - 4,2 °C ........................................................................................................................ 117
Verwendete Abkürzungen
B
=
Bestimmtheitsmaß
FSME
=
Frühsommermeningoenzephalitis
h
=
Stunde
I.
=
Ixodes
m
=
Meter
NN
=
Normalnull
R0
=
Reproduktionsfaktor
T
=
Temperatur
Tmit
=
Mitteltemperatur
Tmin
=
Minimumtemperatur
Tmax
=
Maximumtemperatur
viii
1. Einleitung
Gegen Ende der 20er Jahre des vergangenen Jahrhunderts traten in Mitteleuropa erstmals
Erkrankungen der Frühsommermeningoenzephalitis (FSME) auf. Seitdem wurden im Bereich der Erforschung des Virus, der präventiven Impfung, der Analyse des Übertragungszyklus des Erregers und hier speziell zu den Aktivitätszeiten und zum Vorkommen des
Vektors Zecke große Fortschritte erzielt. Dennoch gab es vor allem seit Beginn der 1990er
Jahre flächendeckend in weiten Teilen Mittel- und Osteuropas einen enormen Anstieg der
FSME-Fallzahlen. Auch in Deutschland vollzog sich diese Entwicklung und so wurde im
Jahr 2006 mit 546 Fällen ein absoluter Höchststand der FSME-Fallzahlen erreicht (ROBERT
KOCH-INSTITUT 2009). Im Jahr 2008 wurde in Vorarlberg in den österreichischen
Alpen erstmals ein in 1500 m über NN erworbener FSME-Fall bekannt (MEDIZINISCHE
UNIVERSITÄT WIEN 2008) und im Jahr 2009 wurden mit den Landkreisen Oberallgäu und
Unterallgäu sowie dem Stadtkreis Memmingen drei Regionen in Bayern neu als Risikogebiet eingestuft (ROBERT KOCH-INSTITUT 2009a). Deshalb erfolgten einhergehend mit dem
Beginn des Anstiegs der FSME-Fallzahlen im letzten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts erste
Forschungsansätze, welche Zusammenhänge mit einem signifikant veränderten Klima und
hier vor allem mit einem Anstieg der Temperaturen untersuchten.
Abb. 1: Einflussfaktoren der Übertragung des FSME-Virus auf den Menschen
Quelle: eigene Darstellung
9
Abbildung 1 zeigt ein Schema der Einflussfaktoren, welche zu einer FSME-Erkrankung
des Menschen führen können. Deutlich wird, dass der Faktor Klima einen direkten Einfluss
auf die Verbreitung, die Aktivitätszeiten und die Populationsdichte der Zecken und deren
Wirtstiere hat. Über die Vegetation wirkt sich das Klima zudem auch indirekt auf Zecken
und Wirte aus. Das FSME-Virus zirkuliert zwischen den Zecken und deren Wirtstieren und
gelangt auf direktem Wege ausschließlich über den Vektor Zecke zum Menschen. Der
Mensch seinerseits hat einen direkten Einfluss auf das Klima u.a. durch Treibhausgasemissionen, welche zu einer Erwärmung des Klimas führen. Er ist aber z.B. in seinem Freizeitverhalten auch vom Klima abhängig. Indirekt kann sein Einwirken auf die Vegetation u.a.
durch das Abholzen des Regenwaldes ebenfalls das Klima beeinflussen.
Nachdem sich die Forschungen bzgl. der Abhängigkeiten der FSME-Fallzahlen vom Klimawandel in den vergangenen Jahren vermehrt auf andere europäische Staaten bezogen,
sollen in dieser Arbeit die Auswirkungen zurückliegender und zukünftiger Klimaänderungen auf die Ausbreitung von FSME in Deutschland und hier speziell im Bundesland Bayern untersucht werden. Hierzu werden zunächst die Faktoren FSME, Zecken und Klima
grundlegend erläutert. Anschließend wird der aktuelle Forschungsstand zunächst zum Einfluss des Klimawandels auf die Ausbreitung von Zecken und FSME dargestellt. Des Weiteren werden die aktuellen wissenschaftlichen Erkenntnisse zur zukünftigen Entwicklung
des Klimas und abschließend zur Veränderung der Vegetation als grundlegendem Einflussfaktor auf die Habitate der Zecken infolge des Klimawandels beschrieben. Danach werden
die Materialien und Methoden der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen erläutert und im Anschluss deren Ergebnisse vorgestellt. Diese werden weiterführend
vor dem Hintergrund des zuvor geschilderten Forschungsstands kritisch diskutiert. Schließlich werden in der Schlussbetrachtung die wesentlichen Erkenntnisse dieser Arbeit zusammengefasst und ein Ausblick auf zukünftig zu erforschende Aspekte dieser Thematik
gegeben.
2. Frühsommer-Meningoenzephalitis (FSME)
Die FSME-Erkrankung ist die in Europa bedeutendste Viruserkrankung, welche von Zecken übertragen wird. Es handelt sich hierbei um eine virale Zoonose, eine Erkrankung, die
vom Tier auf den Menschen übertragen wird. Sie kann in Ausnahmefällen zum Tod führen
oder häufiger auch lebenseinschränkende Folgeschäden bedingen (SÜSS 2008). Der Name
10