Inhaltsspalte

Bioindikatoren 1991

Einleitung

Als Bioindikatoren werden Organismen oder Organismengemeinschaften bezeichnet, die auf Schadstoffbelastungen mit Veränderungen ihrer Lebensfunktionen reagieren bzw. Schadstoffe akkumulieren (Arndt et al. 1987). Durch ihre spezifische biologische Wirkung werden Erkenntnisse gewonnen, die technisch-analytisch ermittelte Immissionsdaten ergänzen können. Die wichtigsten Gründe, Bioindikatoren einzusetzen, sind:

  • direkte Ermittlung biologischer Wirkungen,
  • Feststellung synergistischer und antagonistischer Wirkungen durch mehrere Schadstoffe im Organismus,
  • Früherkennung von Pflanzenschäden, von ökosystemaren Belastungen oder von humantoxischen Gefährdungen und
  • vergleichsweise geringe Kosten im Vergleich zu technischen Meßverfahren.

Den erheblichen Möglichkeiten bei der Umweltüberwachung mit Bioindikatoren stehen oft methodische Schwierigkeiten gegenüber, die sich aus der Verwendung “lebender Meßinstrumente” ergeben. So können die Wirkungen von Umweltbelastungen nicht immer eindeutig von natürlichen Streßfaktoren unterschieden werden. Auch erschwert die teilweise noch geringe Praxiserfahrung bei bestimmten Indikatoren eine sichere Interpretation von Befunden, insbesondere wenn keine vergleichenden Immissionsmessungen zur Verfügung stehen.

Infolge intensiver Forschungen in den letzten Jahrzehnten stehen heute jedoch zahlreiche Bioindikatoren zur Verfügung, die den Anforderungen an leichte Handhabung, Standardisierbarkeit, Kosten und Auswertbarkeit weitgehend entsprechen (vgl. Arndt 1987, Zimmermann u. Umlauff-Zimmermann 1994).

Unterschieden werden Akkumulationsindikatoren, die Schadstoffe anreichern, ohne mit nachweisbaren Veränderungen im Stoffwechsel zu reagieren, und Reaktionsindikatoren, die bereits nach Aufnahme geringer Schadstoffmengen Zellveränderungen oder sichtbare Schadsymptome aufweisen.

Wenn zur Bioindikation Organismen, Organismengemeinschaften oder Teile von Organismen verwendet werden, die einen natürlichen Bestandteil von Ökosystemen bilden und spontan dort vorkommen, wird dieses Verfahren als passives Biomonitoring bezeichnet. Unter dem Begriff aktives Biomonitoring werden alle Methoden verstanden, die das Ausbringen von Organismen unter kontrollierten Bedingungen an einen Untersuchungsort beinhalten.

Immissionsökologisches Wirkungskataster

Die Senatsverwaltung für Stadtentwicklung, Umweltschutz und Technologie führt seit 1991 umfangreiche Untersuchungen zur Erfassung von Immissionswirkungen durch, wobei das Schwergewicht auf den für Ballungsgebiete typischen Schadstoffkomplexen liegt (SenStadtUm 1993a). Alle eingesetzten Bioindikationsverfahren verfügen über Vor- und Nachteile, so daß in der Praxis entsprechend der jeweiligen Fragestellung nicht nur einzelne Bioindikatoren, sondern möglichst aufeinander abgestimmte Fächer von Indikatororganismen eingesetzt werden. Dieser systematische Einsatz von Bioindikatoren ist Gegenstand des immissionsökologischen Wirkungskatasters im Rahmen des Monitoringprogramms Naturhaushalt in Berlin. Die so gewonnenen Ergebnisse stellen wichtige Ergänzungen zu den Daten der Luftüberwachung dar, wie sie vor allem mit dem Berliner Luftgüte-Meßnetz (BLUME) nach dem Stichprobenmeßprogramm seit Jahren erfolgt.

Der erhebliche Umfang der bisher im Rahmen des immissionsökologischen Wirkungskatasters gewonnenen Daten und Erkenntnisse erfordert bei der Darstellung im Umweltatlas eine Beschränkung auf Ergebnisse, die eine Differenzierung von Belastungsbereichen zulassen, die bereits hinreichend abgesichert sind und die als Planungsgrundlagen von besonderer Bedeutung sein können.

Die Darstellung im Umweltatlas berücksichtigt in nahezu gleichem Maße aktive und passive Bioindikationsverfahren sowie Akkumulations- und Reaktionsindikatoren (vgl. Abb. 1). Die ausgewählten Ergebnisse ermöglichen sowohl einen Überblick über die allgemeine Immissionssituation in Berlin, wie sie durch Wirkungen auf natürlich vorkommende und exponierte Flechten deutlich wird, als auch auf spezielle regionale Belastungsmuster, wie sie durch die Akkumulation bestimmter Stoffe in Kiefernnadeln, Weidelgras und Grünkohl indiziert werden.

Link zu: Vergrößern
Abb. 1: Bioindikationsverfahren des immissionsökologischen Wirkungskatasters
Bild: Umweltatlas Berlin

Weitere Ergebnisse der Untersuchungen des Wirkungskatasters, die hier nicht vorgestellt werden (vgl. Abb. 1) sind den entsprechenden Gutachten und Veröffentlichungen zu entnehmen (vgl. Literatur).

Bei der Bewertung von Untersuchungsbefunden kann in einigen Fällen auf frühere Forschungsarbeiten zurückgegriffen werden, durch die ein zeitlicher Vergleich allgemeiner Immissionswirkungen und bestimmter stofflicher Belastungen ermöglicht wird (vgl. Cornelius et al. 1984). Derartige Referenzdaten stellen für die Bewertung der Belastungssituation in Berlin heute wertvolle Maßstäbe dar, da so auch Veränderungen der Luftqualität während des letzten Jahrzehnts dokumentiert werden können.

Untersuchte Schadstoffe

Die Auswahl der analysierten Schadstoffe berücksichtigt human- und phytotoxische sowie ökosystemare Aspekte. Die gewonnenen Informationen können somit zu einer übergeordneten Betrachtung der Umweltbelastung im Berliner Raum genutzt werden. Im Mittelpunkt des immissionsökologischen Wirkungskatasters stehen die folgenden Schadstoffe:

Verhältnismäßig hohe Schwefeldioxid- und Staubimmissionen kennzeichneten die Berliner Luft besonders während der Wintermonate bei austauscharmen Wetterlagen noch bis zum Ende der 80er Jahre. Hierfür war insbesondere der erhebliche Anteil schwefelhaltiger Braunkohle bei der Wärmeerzeugung in Altbauwohngebieten verantwortlich (vgl. Karte 03.01, SenStadtUm 1994).

Hohe SO2-Gehalte in der Luft, die als Gas oder in wässriger Lösung in die Pflanzenzelle eindringen, können pflanzenschädigende Wirkungen hervorrufen. Durch weitere Reaktionen von SO2 entstehen Säuren, die als Niederschlag in den Boden eingetragen werden und indirekte Schäden, wie Nährstoffmangel und Säurestreß, auslösen können. Die Konzentrationsgrenzen für eine direkt schädigende Wirkung liegen für Pflanzen deutlich unter denen für Menschen und Tiere. Hohe Schwefeldioxidkonzentrationen führen zu den als Rauchschäden bekannten Schadsymptomen an Nadelbäumen, die sich durch unspezifische Chlorosen, Nekrosen, Wachstumsdepressionen und Beeinträchtigungen der Reproduktion bemerkbar machen.

Das Schwermetall Blei ist aufgrund seiner Toxizität von besonderer Umweltrelevanz. Hauptquelle ist immer noch das verbleite Benzin. Da Bleipartikel fast vollständig auf der Oberfläche von Blättern verbleiben, kann nur ein geringer Anteil physiologisch wirksam werden und Pflanzen schädigen. Allerdings kann auf diesem Wege eine Anreicherung des Stoffes in der Nahrungskette erfolgen, so daß toxische Auswirkungen bei Weidetieren oder beim Menschen nicht auszuschließen sind.

Fluor wird bei verschiedenen industriellen Prozessen, bei der Abfallverbrennung sowie bei der Energieerzeugung aus fossilen Brennstoffen freigesetzt. Fluorwasserstoffschädigungen bei Pflanzen treten vornehmlich an Blatträndern und -spitzen als Nekrosen auf. Fluoride werden in Pflanzen akkumuliert und führen zu Blattschäden und Wachstumshemmung.

Polycyclische Aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) werden hauptsächlich bei unvollständiger Verbrennung (u.a. in Verbrennungsmotoren und Heizungsanlagen) emittiert, gelangen jedoch auch durch Abwaschungen von teer- und bitumengedeckten Flächen in die Umwelt. Die Aufnahme in den menschlichen Organismus erfolgt vorwiegend über Atmung, aber auch über Nahrung und Hautkontakt. Aufgrund der erheblichen kanzerogenen und mutagenen Potenz der Stoffgruppe stehen humantoxikologische Aspekte gegenüber phytotoxischen Wirkungen im Vordergrund. Hierbei gilt insbesondere Benz(a)pyren (BaP) als wesentliche Leitkomponente von PAK-Gemischen.

Polychlorierte Biphenyle (PCB) sind in der Umwelt heute ubiquitär verbreitet. Trotz der Einstellung der Produktion des Stoffes in Deutschland im Jahr 1983 erfolgen weiterhin erhebliche diffuse Emissionen aus Mülldeponien, der Altöl- und Abfallverbrennung sowie aus Leckagen. Durch Anreicherung in der Nahrungskette gelangen PCB vorzugsweise durch tierische Nahrung in den menschlichen Organismus. Während die Akkumulation in Pflanzen von geringer phytotoxischer Bedeutung zu sein scheint, muß der Exposition der Bevölkerung angesichts fruchtschädigender und des begründeten Verdachts auf kanzerogene Wirkungen große Beachtung geschenkt werden.

Polychlorierte Dibenzodioxine (PCDD) und Polychlorierte Dibenzofurane (PCDF) sind unerwünschte Nebenprodukte, die bei chemischen und thermischen Prozessen unter Beteiligung von Chlor und seinen Verbindungen entstehen und in die Umwelt gelangen. Hauptemissionsquellen in Berlin sind Industriebetriebe, Müllverbrennungsanlagen, Kraftwerke, Metallrecyclinganlagen, Kfz-Verkehr, Hausfeuerungen und kontaminierte Flächen als Sekundärquellen. Die als “Dioxine” bekannt gewordene Stoffgruppe reichert sich in der Nahrungskette an und gelangt vorwiegend über fetthaltige Lebensmittel tierischer Herkunft in den menschlichen Organismus. Insgesamt ist sowohl das Verhalten dieser Stoffe in der Umwelt als auch die Toxizität für den Menschen noch ungenügend bekannt. Die im Rahmen des immissionsökologischen Wirkungskatasters durchgeführten Untersuchungen stellen deshalb einen wichtigen Beitrag zur Umweltrelevanz dieser Stoffe in Berlin dar.

Darüber hinaus wurden die Wirkungen Leichtflüchtiger chlorierter Kohlenwasserstoffe sowie von Photooxidantien (Ozon) und Stickoxiden mit Hilfe von Bioindikatoren untersucht. Diese Ergebnisse werden nicht dargestellt, sondern können den entsprechenden Fachgutachten entnommen werden.

Bioindikationsverfahren

Die Karten 03.07.1 bis 4 enthalten Erkenntnisse, die seit 1991 mit Hilfe von Bioindikatoren über Immissionswirkungen in Berlin gewonnen werden konnten. Hierbei ist zwischen der Feststellung biologischer Effekte durch einen Komplex allgemeiner, summativ wirkender Luftbelastungsfaktoren und dem analytischen Nachweis spezifischer Schadstoffe zu unterscheiden.

So können schadstoffbedingte Reaktionen des Flechtenorganismus im Rahmen eines “screening” als erste Hinweise auf das Vorliegen einer Belastungssituation genutzt werden (Karte 03.07.1). Zur Differenzierung kleinräumiger Belastungsmuster in Gebieten, in denen eine artenreiche natürliche Flechtenvegetation nicht mehr existieren kann, wird die Exponierung von Hypogymnia physodes eingesetzt (Karte 03.07.2). Neben diesen Befunden können relevante Schadstoffe mit geeigneten Akkumulationsindikatoren isoliert und im Hinblick auf human- und phytotoxische sowie ökosystemare Wirkungen bewertet werden (Karten 03.07.3/4).

Flechtenkartierung

Dieses Verfahren läßt integrierende Aussagen über die allgemeine Immissionsbelastung innerhalb längerfristiger Zeiträume zu. Wenn auch urbane Schadstoffkomponenten, wie Schwefeldioxid und Stäube, in der Vergangenheit die wesentlichen Streßfaktoren für die Flechtenvegetation waren, müssen heute auch Abgase des Kfz-Verkehrs, die Ozon-Belastung und Nährstoffeinträge als relevante Einflußgrößen gesehen werden, deren Umfang durch Flechten indiziert werden kann.

Je nach Höhe der Luftschadstoffbelastung kann eine spezifische Flechtenvegetation nachgewiesen werden. In Reinluftgebieten herrschen artenreiche Bestände in großer Häufigkeit vor, während in stark belasteten Gebieten Artenzahl und Deckungsgrad stark abnehmen bzw. weitgehend flechtenfreie Räume entstehen. In stärker belasteten Gebieten sind die Möglichkeiten zur räumlichen Differenzierung von Schadstoffwirkungen aufgrund des Fehlens natürlich vorkommender Flechten begrenzt, daher werden Exponierungsverfahren eingesetzt.

Die Durchführung von Flechtenkartierungen zur Ermittlung der Luftgüte wird in der VDI-Richtlinie 3799 Blatt 1 geregelt, so daß eine weitgehende Vergleichbarkeit der ermittelten Daten gewährleistet ist. Die Auswertung von Untersuchungsergebnissen läßt keine unmittelbaren Rückschlüsse auf phyto- oder humantoxische Einflüsse zu, sondern kann nur orientierende Hinweise über die allgemeine Immissionsbelastung erbringen, insbesondere wenn gegenüber früheren Kartierungen eine Zu- oder Abnahme von Flechtenbeständen festgestellt wurde. Ein dringender Bedarf zur Verbesserung der lufthygienischen Situation ist in Bereichen gegeben, in denen eine “extrem hohe” Belastung ermittelt wurde. Derartige Bereiche sind durch Vorkommen der toxitoleranten Krustenflechte Lecanora conizaeoides gekennzeichnet. In “stark belasteten” Gebieten, die durch diese Flechte indiziert werden, besteht für die Bewohner ein erhöhtes Risiko zu Atemwegserkrankungen (Rabe u. Beckelmann 1987).

Flechtenexponierung

In Untersuchungsgebieten, die keine ausgeprägte natürliche Flechtenvegetation aufweisen, dient die Exponierung der Blattflechte Hypogymnia physodes zur Ermittlung der Gesamtwirkung von Immissionsfaktoren. Als Wirkungsmaßstab wird in der betreffenden VDI-Richtlinie 3799 Blatt 2 der Absterbegrad des Thallus, d.h. des Flechtenkörpers, am Ende der Exponierungszeit bestimmt. Ein unmittelbarer Rückschluß auf die Höhe von Schadstoffeinträgen ist anhand der Untersuchungsbefunde in der Regel nicht sicher möglich, da neben SO2 auch andere Faktoren auf den Flechtenorganismus einwirken. Allgemein ist aus den ermittelten Absterbegraden abzuleiten, daß sich mit Zunahme der beobachteten Wirkungen auch Schädigungen bei anderen Pflanzenarten verstärken und in Ökosystemen Artenausfälle zu erwarten sind.

Analyse von Kiefernnadeln

Die Waldkiefer ist eine in Berlin und Brandenburg heimische und weit verbreitete Baumart, die als immergrüner Baum für Untersuchungen mit langen Zeitreihen im passiven Monitoring sehr gut geeignet ist. Im Rahmen des immissionsökologischen Wirkungskatasters wurden Kiefernnadeln beprobt, da sie sich durch gute Akkumulations- und Reaktionseigenschaften auszeichnen. Anders als das in 14tägigen Intervallen ausgewechselte Weidelgras sind die Kiefernnadeln den herrschenden Immissionen das ganze Jahr über ausgesetzt. Entsprechend repräsentieren die analysierten Elementgehalte einen längeren Zeitraum und integrieren damit saisonale Schwankungen von Immissionen zu einem mittleren Belastungsniveau. Besonders die hohe winterliche SO2-Belastung kann durch die Bestimmung der Schwefelgehalte in Kiefernnadeln untersucht werden, die über eine sommerliche Weidelgrasexponierung nicht erfaßt wird.

Da keine verbindlichen Bewertungsgrundlagen für die Elementkonzentrationen in Kiefernnadeln vorliegen, erfolgte eine umfassende Sichtung vorliegender Vergleichsuntersuchungen, so daß Klassengrenzen für “geringe”, “mittlere” und “erhöhte” Konzentrationen für den Berliner Raum abgeleitet werden konnten. Diese Konzentrationsbereiche kennzeichnen das vorherrschende ökosystemare Belastungsniveau durch Einträge über den Luftpfad sowie bodenbürtige Faktoren. Sie geben daher Hinweise für die Belastung der natürlichen Umwelt (z.B. von Wäldern), sind aber nicht mit Schwellenwerten zum Schutz von Nutzpflanzen oder der menschlichen Gesundheit gleichzusetzen.

Standardisierte Weidelgraskultur

Weidelgras (Lolium multiflorum) ist eine im landwirtschaftlichen Futterbau häufig verwendete Pflanze und steht als Akkumulationsindikator repräsentativ für andere Nahrungs- und Futterpflanzen, wird aber auch für die Einschätzung der Belastung der natürlichen Vegetation eingesetzt. Das Gras wird innerhalb der Vegetationszeit exponiert, um eine Schadstoffanreicherung über den Luftpfad zu erfassen. Die Elementgehalte im Weidelgras zeigen an, ob eine Kontaminationsgefahr durch den Verzehr von Pflanzen aus dem Untersuchungsgebiet besteht.

Da kein bundeseinheitliches Bewertungsverfahren vorliegt, wurden auf Basis von Vergleichsuntersuchungen Toleranzwerte bestimmt, die toxische Wirkungen kontaminierter Pflanzen über die Nahrungskette auf Weidetiere und Menschen (vgl. BGA 1986, FMV 1990) oder bei der natürlichen Vegetation (vgl. Scholl 1974) nicht erwarten lassen.

Grünkohlexponierung

Grünkohl ist als Standardpflanze zur wirkungsbezogenen Ermittlung von organischen Luftschadstoffen anerkannt und wird auch im Routinebetrieb eingesetzt. Aufgrund seiner hohen Frosttoleranz kann Grünkohl (Brassica oleracea acephala) im aktiven Monitoring im Herbst und im Winter eingesetzt werden, wenn andere Expositionspflanzen nicht zur Verfügung stehen und die Belastung mit Luftschadstoffen ansteigt. Besonders geeignet ist Grünkohl zum Nachweis organischer Schadstoffe, da diese meist lipophilen (fettlöslichen) Substanzen von der Wachsschicht der Blätter stark angereichert werden.

Das Verfahren zur Anzucht des Pflanzenmaterials, die Exponierung sowie Ernte, Bonitierung und Analyse der Testpflanzen ist weitgehend festgelegt und erprobt (vgl. Arndt et al. 1987, Rademacher u. Rudolph 1994, TÜV-Umwelt Berlin-Brandenburg 1995). Da keine bundesweit gültigen Grenz- und Richtwerte für organische Verbindungen in pflanzlichen Lebens- und Futtermitteln existieren, wurde zur Definition der Belastungsstufen “gering”, “mittel” und “hoch” auf Erfahrungswerte anderer Grünkohl-Untersuchungen in der Bundesrepublik zurückgegriffen. Die definierten Abstufungen sind ein empirisches Hilfsmittel, die toxikologische Gesichtspunkte überwiegend nicht berücksichtigen, sondern nur allgemeine Hinweise auf das Belastungsniveau im Hinblick auf die menschliche Gesundheit zulassen.