Ökotoxikologie

Okotoxikologie GDCh-Sektion: Chemie und Umwelt :k Okotoxikologie - Wirkungserfassung und Bewertung yon Schadstoffen in der Umwelt A. Kettrup, C. Steinberg, D. Freitag Prof. Dr. A. Kettrup, Dr. C. Steinberg, Dr. D. Freitag, GSF - Institut for Okologische Chemie, Ingolst~dter Landstr. 1, D-W-8042 Neuherberg Okotoxikologie Zusammenfassung. An Standard-Okotoxizit~itstest werden zu hohe Erwartungen gestellt, da sie nur Wirkpotentiale, aber keine konkreten Wirkungen im Okosystem erfassen. Dieser Beitrag beschreibt Perspektiven f(ir kiinftige 6kotoxik01ogische Arbeiten, die durch h6here 6kosystemare Relevanz als die bisherigen Tests gekennzeichnet sind. Diese Perspektiven betreffen: Untersuchungen zum MatrixEinflufl, Ersatz von Tierversuchen, Uberwindung summarischer Toxizit/itsendpunkte, Freiland-Paralleluntersuchungen zur Absch~itzung des 6kotoxikologischen Risikos aus einfachen Tests (scaling up), Ans/itze zur Bewertung der Gemischproblematik sowie die Entwicklung von Bewertungsstrategien nach in situWirkungstests (Biomarker). 1 I Beurteilungder potentlellen1 ~kologischen Schadwirkung Stbrung chemlscher[ Kommunikations- | signale / J " Kanzerogenit&t Cl~ronische Einleitung I " / ~Chemische Spezies-~---"~ Abb. 1 zeigt die hierarchische Struktur, ausgehend vonder Ermittlung von Analysendaten bis hin zur Bewertung von Chemikalien-Wirkungen. Die Umweltanalytik kann demnach nur der erste Schritt ~ r die Bewertung von Chemikalien in der Umwelt sein. Abbildung und Aussage sind in sich schlOssig und logisch aufgebaut, so daf~ein in sich geschlossenes Konzept for die 6kotoxikologische Erfassung und Bewertung von Chemikalien in der Umwelt vorhanden zu sein scheint. 2 Das ,,Dilemma" der Okotoxikologie Zwischen Anspruch und Wirklichkeit der Okotoxikologie klafft jedoch eine LOcke, die in der Fachmeinung als das ,,Dilemma" der Okotoxikologie bezeichnet wird und nut partiell, ~ber nie vollkommen geschlossen werden kann; denn wenn die Okotoxikologie nicht nur die Toxikologie for die eine oder andere Pflanzen- oder Tierart sein soil, hat 370 Chemische Spezies t GruPo'no'r'me'~ Kollektive ] I [ " .... | Interdependenz I Nach einer allgemein akzeptierten Definition ist die Okotoxikologie die Lehre vonder Sch~dlichkeit chemischer Stoffe (anthropogener und natOrlicher Substanzen) und physikalischer Einwirkungen for lebende Organismen, Populationen und ganze Lebensgemeinschaften. Kreisl~iufeder Stoffe und ihre Wechselwirkungen mit der Umwelt sind ebenfalls Gegenstand der Okotoxikologie (GOTTINGER & STUMM 1990). ] Bioakkumulation ~ I Verteilung '---'--1 t0-1s~1 I -- =" I )~ 10-12g/i r~ l --J ] ln-Sn/I I I Umweltanalytik Abb. 1: Beziehung zwischen Umweltanalytikund Okotoxikologie (aus'STUMM et al., 1983) sie stets die Grundlagen der Okologie zu berOcksichtigen. Okologie sollte nach dem Vorschlag yon LIKENS(1991) definiert werden als ,die wissenschaftliche Studie yon Prozessen, die die Verteilung und Hdufigkeit yon Organismen, die Interaktionen zwischen Organismen und die Interaktionen yon Organismen bei der Transformation und dem Fluff yon Energie und Stoffen beeinflussen ~. Die Okotoxikologie hat sich diesem Anspruch anzupassen. Auch for sie wird somit ein holistischer 1 Ansatz gefordert, um die Schadwirkungen aller durch den Menschen hervorgerufenen und beschleunigten Umweltverfinderungen messen und bewerten zu k6nnen, wofOr ein inter- und nicht nur multi-disziplin~ires Denken und Arbeiten n6tig ist. 1 Holismus von gr. holos = ganz. Eine zwischen Vitalismus und Mechanismus vermittelnde Lehre, nach der die Grunds~itze der Physik aus denen der Biologie ableitbar sein sollen. u w s F - z. Umweltchem. Okotox. 3 (6) 370- 377 (1991) 9 ecomed verlagsgesellschaft mbh, Landsberg . Zfirich GDCh-Sektion: Chemie und Umweh C)kotoxikologie Okosysteme selbst haben eine Geschichte, da sich ihre Strukturen und Funktionen mit der Zeit ~indern. Folglich iindern sich auch die Inhahe der C)kologie selbst und damit auch die der 0kotoxikologie. Zum anderen ist es definitionsgem~if ein Kennzeichen von 0kosystemen, daft sie mehr oder weniger flexibel auf natiirliche und k~nstliche (anthropogen verursachte) Stressoren reagieren k6nnen (Resilienz). Insofern werden for die 6kotoxikologische Bewertung yon Kontaminationen stets Referenz-Zustiinde von Okosystemen ben6tigt; jedoch welches sind die Basis-Strukturen und -Funktionen von C)kosystemen, - in welchen Grenzen schwankt der Grundzustand unserer C)kosysteme, auf welchem Ast der Hysteresis-Kurve befindet sich das zu bewertende System gerade, wenn zuvor ein Stressor gewirkt hat? - Eintrag (Austrag) in die Umwelt Verteilungstendenz (Dispersionstendenz) - Persistenz/Abbaubarkeit (biotisch/abiotisch) Akkumulation - toxische Wirkung (direkt/indirekt). - - ~n I..al~r - d I m w l I Rlslkoabschatzung Dies sind einige der Fragen, die zu dem ,,Dilemma" der ()kotoxikologie beigetragen haben. Es sind dies aber auch gleichzeitig Fragen, auf welche die Okologie selbst noch keine ausreichenden Antworten bereith~ilt. Abb. 3: Allgemeine 6kotoxikologische Bewertungsstrategie Abgesehen davon, daft die Okotoxikologie nicht nur - wie die Human-Toxikologie - auf einen Organismus, sondern theoretisch auf eine nicht bezifferbare Anzahl von Organismen ausgerichtet ist, liegt eine weitere Schwierigkeit for die ()kotoxikologie darin, daft sich auch die Zeitskala fOr Schadstoffwirkungen im C)kosystem wesentlich weiter erstreckt als in der Humantoxikologie (-~ Abb. 2). Das wissenschaftliche R/istzeug, Schadereignisse vorherzusagen oder auch nur deren Eintrittswahrscheinlichkeit anzugeben, ist nicht nur innerhalb der ()kotoxikologie optimierungsbediirftig. I SchadstoffelntrlttI Zeitskala soforteinige Tage Stunden Wochen Tags Woehen I I Verhaltens=SrungenI [Physiolog|scheVer~i~ . ~L-- -:1~ Mon~e Jah~eh~e I Morphologlsche I Vedtnderungen/ l Ver~inderungenIm IndlvlduellenLebenscyclus I Mon=e dah~ I.,oo.~176 ReaktlonI l Vedtnderungenin der Population ] 1 1 I (~kOlOglscheKOnsequenzen I Abb. 2: Chronologie von Schadstoffwirkungen in Biosystemen 3 Stand der Okotoxikologie Zur gegenw~irtigen6kotoxikologischen Bewertung und Risikoabschiitzung von Stoffen, die in die Umwelt abgegeben werden, wird die in Abb. 3 skizzierte Strategie angewendet. Dazu werden u.a. folgende Parameter herangezogen: UWSF-Z. Umwehchem. 0kotox. 3 (6)1991 Am Anfang steht die Erfassung und Charakterisierung der stofflichen Belastung (Belastungsanalyse) verschiedener Biosysteme vor Ort und im Labor. Weiterhin sind Daten zum Umwehverhahen der Chemikalien zu erheben. Neben ihrer physikalisch-chemischen Charakterisierung sind Untersuchungen zur Exposition (Bioverffigbarkeit) und zur 6kotoxischen Wirkung der emittierten Chemikalien von wesentlicher Bedeutung. Belastungen der Umweh stellen in der fiberwiegenden Zahl der F/ille solche in Form von Chemikaliengemischen dar. Untersuchungen zur Kombinationswirkung von simuhan einwirkenden oder auch nacheinander (...truncated)