Biomonitoring und Umweltprobenbank

Beitragsserien Biomonitoring und Umweltprobenbank

Beitragsserie: Biomonitoring und Umweltprobenbank

Hrsg.: Dr. M. Paulus, Dr. R. Klein, Dr. G. Wagner, Prof. Dr. Dr. h.c. mult. P. Müller, Universität des Saarlandes, Institutfür Biogeographie, Zentrum für Umweltforschung, Postfach 15 11 50, D-66041 Saarbrücken

Teil I: Das ökologische Rahmenkonzept zur Qualitätssicherung in der Umweltprobenbank des BundesTeil II: Aufbau flächenrepräsentativer Probenahmen von Umweltproben zur Schadstoffanalytik am Beispiel der

Regenwürmer in landwirtschaftlich genutzten RäumenTeil III: Die Abhängigkeit des Informationsgehaltes limnischer Akkumulationsindikatoren vom Zeitpunkt der

ProbenahmeTeil IV: Die Rolle der biometrischen Probencharakterisierung in der Umweltanalytik am Beispiel der Fichte

(Picea abies)Teil V: Ein Beitrag zur Qualitätssicherung in der Umweltanalytik: Homogenität von ReferenzmaterialienTeil VI: Anwendung von UPB-Strategien zur Qualitätssicherung in der Umweltüberwachung

Präambel

Die Umweltprobenbank des Bundes ist eine Daueraufgabedes Bundes unter der Gesamtverantwortung des Bundesmi-nisteriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheitund der administrativen Koordinierung des Umweltbundes-amtes. Sie befindet sich seit 1985 im Aufbau, nachdem ineiner fünfjährigen vom Bundesministerium für Forschungund Technologie geförderten Pilotphase die technische Mach-barkeit untersucht und als erfolgreich beurteilt wurde.Während der Aufbauphase wurden im Rahmen begleiten-der Forschungsarbeiten wissenschaftliche Ergebnisse erzielt,die nicht nur für die Umweltprobenbank selbst, sondern dar-über hinaus für den gesamten Bereich der Umweltüberwa-chung und -beobachtung als wesentliche Parameter zur Qua-litätssicherung genutzt werden können.

In der Beitragsserie werden in erster Linie Aspekte der Qua-litätssicherung im Bereich der Freilandarbeiten einschließlichder Planung und Durchführung von Probenahmen sowie derProbencharakterisierung dargestellt. Die Qualität von Um-weltproben stellt hier eine unkorrigierbare Eingangsgröße indie Laboratorien dar und somit die Voraussetzung zur Er-füllung der hohen Standards im Laboratorium, die zuneh-mend Gegenstand von Akkreditierungs- und Zertifizierungs-verfahren sind.Ergänzend dazu wird die Bedeutung der Homogenität vonReferenzmaterialien, einem weiteren Schwerpunkt der obengenannten Forschungsaktivitäten, im Rahmen der Qualitäts-sicherung für die Schadstoffanalytik diskutiert.

Biomonitoring und UmweltprobenbankI. Das ökologische Rahmenkonzept zur Qualitätssicherung in der Umweltprobenbank des Bundes

Roland Klein, Martin Paulus, Gerhard Wagner, Paul Müller

Universität des Saarlandes, Institut für Biogeographie, Zentrum für Umweltforschung, Postfach 15 11 50, D-66041 Saarbrücken

ZusammenfassungDie Umweltprobenbank des Bundes ist als eine Sammlung von ver

-änderungsfrei gelagerten Umweltproben aus repräsentativen Gebietender Bundesrepublik Deutschland für spätere Analysen ein wichtigerBaustein der Ökologischen Umweltbeobachtung. Ihr ökologischesKonzept wird als Rahmen des Gesamtprogrammes vorgestellt. Esbasiert auf der Auswahl von Probenahmegebieten und Umweltpro-ben, deren ökologische Repräsentativität definiert und erläutert wird.Darauf aufbauend werden Probenahmerichtlinien (Standard Oper-ating Procedures, SOPs), Probencharakterisierung und gebietsbe-zogene Probenahmepläne als weitere Bausteine des Rahmenkonzepteszur Qualitätssicherung im Gesamtkomplex der Gewinnung aussa-gefähiger Umweltproben beschrieben.

UWSF — Z.Umweltchem. Ökotox. 6 (4) 223-231 (1994)© ecomed verlagsgesellschaft AG & Co.KG Landsberg

1 Einleitung

Unter der „Umweltprobenbank des Bundes" wird die Samm-lung und chemisch veränderungsfreie Langzeitlagerung re-präsentativer biotischer und abiotischer Umweltproben übereinen Zeitraum von wenigstens mehreren Jahrzehnten fürspätere, retrospektive Analysen verstanden.Ihre Aufgaben und Ziele sind (UMWELTBUNDESAMT1993):— Bestimmung der Konzentrationen von Stoffen, welche zur

Zeit der Einlagerung noch nicht als Schadstoffe erkanntwurden oder nicht mit ausreichender Genauigkeit analy-siert werden konnten (retrospektives Monitoring);

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Biomonitoring und Umweltprobenbank

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— Erfolgskontrolle von gegenwärtigen und zukünftigenVerbots- und Beschränkungsmaßnahmen im Umweltbe-reich;

— Laufende Überwachung der Konzentrationen gegenwär-tig bereits bekannter Schadstoffe durch systematischeCharakterisierung der gewonnenen Proben vor der Ar-chivierung;

— Trendaussagen über lokale, regionale und globale Ent-wicklungen der Schadstoffbelastung;

— Standardisierte Methodenbeschreibung für Probenahme,Aufarbeitung, Charakterisierung und Lagerung als not-wendige Voraussetzung zur Gewinnung von vergleichba-ren Ergebnissen;

— Überprüfung früher ermittelter Monitoring-Ergebnisse;— Verwendung als Referenzproben zur Dokumentation der

analytischen Leistungsverbesserung.

Damit ist die Umweltprobenbank des Bundes ein wichtigerBaustein der Ökologischen Umweltbeobachtung (ÖUB)(RAT VON SACHVERSTÄNDIGEN FÜR UMWELT-FRAGEN 1991). Die ÖUB soll im Sinne eines koordinier-ten Frühwarn- und Kontrollsystems rechtzeitig die Grenzender Belastbarkeit von Ökosystemen erkennbar machen.Durch die veränderungsfrei gelagerten Proben wird ein Aus-schnitt aller an einer bestimmten Fläche der BundesrepublikDeutschland vorhandenen Chemikalien und Chemikalienge-mische „festgelegt", und damit eine Sicherung des Status quogewährleistet, der zur Zeit durch die chemische Analytik al-lein nur mit erheblichem Kostenaufwand und sicherlich nurunzureichend möglich wäre. In diesem Rahmen soll die Um-weltprobenbank zugleich der erste Schritt für eine synöko-logische Erfassung und Bewertung der Umweltbelastung so-wie der Umweltgefährlichkeit von Schadstoffen sein. Einederartige Erweiterung der bisher stark sektoral ausgerichte-ten Umweltbeobachtung vermag die großen Kenntnisdefiziteüber das Verhalten und die Wirkung der in der Umwelt be-findlichen chemischen Stoffe zu verringern, deren Zahl sichnach dem European Inventory of Existing Commercial Sub-stances EINECS (GDCh/BUA 1987) auf über 100 000 Ver-bindungen beläuft.

Zur Erreichung der genannten Ziele ist ein ökologisches Rah-menkonzept notwendig, um aus repräsentativen Gebieten derBundesrepublik Deutschland repräsentative Umweltprobennach hohen Qualitätsstandards zu sammeln und zu lagern.Dabei werden die Proben nach ihrer biometrischen undökologisch-biogeographischen Charakterisierung bereits amOrt der Probenahme in der Gasphase über flüssigem Stick-stoff tiefgefroren. Die hier begonnene Tiefkältekette wird biszur endgültigen Lagerung nicht mehr unterbrochen. Nachdem Transport werden die Proben tiefkalt zu einem feinpuly-rigen Homogenat vermahlen und in 10 g Portionen abge-packt. Pro Probenahme werden etwa 250 solcher Teilpro-ben hergestellt. Der Großteil davon wird in der Gasphaseüber flüssigem Stickstoff bei mindestens —1 50 °C gelagert.Je sechs Teilproben werden im Rahmen der chemischen Pro-bencharakterisierung auf anorganische Stoffe, Chlorkohlen

-wasserstoffe und polyzyklische Aromate analysiert.

Der hier nur kurz beschriebene Weg der Proben vom Probe-nahmegebiet bis zur Lagerung stellt auf allen Teilstrecken

hohe Anforderungen an die Qualitätssicherung, die zuneh-mend in Wirtschaft und Wissenschaft an Bedeutung gewinntund eine wichtige Voraussetzung für die Verläßlichkeit undVergleichbarkeit von Ergebnissen der Umweltforschung und-beobachtung ist.

Während allerdings für den Bereich der Analytik und Wir-kungsforschung im Labor bereits praxisreife und erprobteKonzepte, Instrumente und Managementsysteme Gegenstandvon Akkreditierungs- und Zertifizierungsverfahren sind (z.B.nach GLP, ISO 9000 ff. u.a.), trifft dies für die Freilandfor-schung einschließlich der Probenahme bisher nicht zu. DieseTatsache stellt jedoch den Erfolg aller Bemühungen im chro-nologisch nachgeordneten Bereich der Probenbearbeitung,Lagerung und Analytik in Frage, da mangelnde Repräsen-tativität, Ungenauigkeiten oder Fehler im Bereich der Vor-bereitung und Durchführung der Probenahme später nichtmehr korrigierbar und allenfalls mit langer Verzögerung undgroßem Aufwand erkennbar sind.Die ökologischen Beiträge zur Methodik und Konzeption derUmweltprobenbank des Bundes waren aus diesen Gründenvon vorneherein darauf ausgerichtet, Bausteine einesQualitätssicherungssystems für die gesamte Breite der mit derProbenahme im Gelände verbundenen Aufgaben zu ent-wickeln und zu implementieren. Die im folgenden beschrie-benen Verfahrensschritte sind nach entsprechender Anpas-sung auch auf andere Bereiche der Umweltforschung,-überwachung und des -managements anwendbar (vgl.KLEIN & PAULUS 1993 a; PAULUS & SPRENGART 1993;

SPRENGART & KLEIN 1993; WAGNER 1993 a).

2 Probenahmegebiete

Die Probenahmegebiete der Umweltprobenbank wurden sofestgelegt, daß die Hauptökosystemtypen in der Bundesre-publik Deutschland unter Berücksichtigung unterschiedlicherIntensität anthropogener Beeinflussung und Flächennutzungvertreten und die Gebiete dadurch in ihrer Gesamtheit fürdie Umweltsituation in der Bundesrepublik Deutschland weit-gehend repräsentativ sind.

Der Auswahlprozeß, der zu den in Abb. 1 dargestellten Pro-benahmegebieten führte, ist u.a. in LEWIS et al. (1989), PAU -

Lus et al. (1990, 1992) und PAULUS & KLEIN (1994) detail-liert beschrieben. Neben den Anforderungen an ökologischeRepräsentativität wurden auch pragmatische Aspekte berück-sichtigt, um die Realisierung eines derart umfassenden Pro-grammes zu ermöglichen. Ökologische Repräsentativität isthier definiert als Synthese von regionaler Repräsentativität,in dem Sinne, daß jedes Probenahmegebiet mit möglichst vie-len statischen und funktionalen Biotop- und Biozönosen-strukturen mit dem weiteren Umland seiner jeweiligen Groß

-landschaft vergleichbar ist (vgl. auch ELLENBERG et al. 1978)und nationaler Repräsentativität als Querschnitt der Haupt-ökosystemtypen bzw. Hauptökosystemkomplexe der Bun-desrepublik, die in ihrer Gesamtheit durch räumliche Ver-teilung und gegenseitige Ergänzung funktioneller System-strukturen eine möglichst hohe Aussagefähigkeit bezüglichdes Zustandes und der Entwicklung der Umwelt in der Bun-desrepublik besitzen.

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Gegenüber einem mehr oder weniger flächendeckenden An-satz, bei dem von zahlreichen Probenahmestellen wenige,weit verbreitete Arten beprobt werden, bietet die Einrich-tung derartiger Schwerpunkträume den Vorteil, in ein unddem selben Gebiet zahlreiche unterschiedliche Akkumulations-indikatoren gemeinsam nutzen zu können. Dadurch kön-nen sowohl breitere Schadstoffspektren erfaßt als auchSystem-Level-Phänomene (u.a. Nahrungsketteneffekte undStofftransfers) berücksichtigt werden (^ Kapitel 3). Zudembesteht die Möglichkeit zur ausreichenden Erfassung von In-

formationen, die zur Interpretation rückstandsanalytisch ge-wonnener Daten zwingend erforderlich sind (vgl. u.a.GREEN 1979 ; MÜLLER 1980 ; LEWIS 1985; BIGNERT et al.1993).Hierzu wurden innerhalb der Probenahmegebiete nach demKonzept der Wassereinzugsgebiete (vgl. u.a. NATIONALBOARD OF WATERS AND ENVIRONMENT 1989;BRÁKENHIELM 1990) Teilökosysteme abgegrenzt, in denendie Probenahmen an den einzelnen Probenarten flächen-repräsentativ durchgeführt werden.

PROBENAHMEGEBIETENP Vorpommersche der

BR/NP Schleswig- BoddenlandschaftHolsteinisches und UmweltprobenbankNP Niedersächsisches •

des BundesWattenmeer

BornhövederSeengebiet

ElbeÖkosystemtypen Probenarten

Elbe Naturnahe - FichteÖkosysteme - Buche

- Regenwurm*

c:s1 - Reh- Boden

Elbe . Forst- - FichteNP Hoch- Ökosysteme - Buche

Rhein harz - Regenwurm

Soiling - Reh- Boden

ElbeAgrar- - FichteÖkosysteme - Buche

übener Heide - Regenwurm- Reh

Eibe - Stadttaube- Boden- Dreikantmuschel*- Brassen*- Sediment*

RheinV . Urbane - Fichte/Kiefer

Ökosysteme - Buche/Pappel- Regenwurm

BR Pfäl- - Rehzer Wald - Stadttaube

S - Boden

Saarländischer - Dreikantmuschel*

Verdichtungsraum - Brassen

RheinBR/NP Bayeri- - Sediment

scher WaldLimnische - Dreikantmuschel. Ökosysteme - Brassen

- Sediment

Bayerisches • Marine - Braunalge*Ökosysteme - Wattwurm*

Rhein Tertiärhügeiland - Miesmuschel- Aalmutter- Silbermöwe

BR/NP Berchtesgaden

* nicht In allen Gebieten

Bearbeitung: M. Paulus, 15.04.1994

Abb. 1: Probenahmegebiete der Umweltprobenbank des Bundes (verändert nach PAULUS & KLEIN 1994).

3 Probenarten und Probenahmerichtlinien

Repräsentative biologische Probenarten besitzen für die Um-weltprobenbank wesentliche Bedeutung als zeitlich undräumlich integrierende Akkumulatoren potentieller Umwelt-schadstoffe. In ihrer ökosystemaren Einbindung stellen siegleichzeitig integrale „Bewertungsmodelle" für die Bioverfüg-

barkeit und das Gefährdungspotential von Umweltchemika-lien dar.

Die Chance, die bestmöglichen Indikatoren für den Nach-weis früherer, gegenwärtiger oder zukünftiger Belastungssi-tuationen durch noch unbekannte Schadstoffe zur Verfügungzu haben und Vergleiche zwischen verschiedenen Gebieten

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durchführen zu können, wächst mit der Anzahl, der Diver-sität und vor allem der Repräsentativität der ausgewähltenProbenarten, die sich in ihrem Informationsgehalt gegensei-tig ergänzen, da sie sich nicht zwangsläufig durch „gleich-mäßiges" Akkumulationsverhalten für alle Umweltschad-stoffe auszeichnen (z.B. polyzyklische Aromate, Metalle,chlorierte Kohlenwasserstoffe). Deshalb wurden für jedesProbenahmegebiet ökologisch und biogeographisch reprä-sentative Probenartensets ausgewählt.Ökologische Repräsentativität bedeutet hierbei, daß die ver-schiedenen trophischen Niveaus und die wichtigen Funktio-nen in einem Ökosystem durch geeignete Probenarten ver-treten sind. Aus pragmatischen Gründen (z.B. Naturschutz-gesetzgebung) können Endglieder von Nahrunsgketten, diesich oftmals durch besonders hohe Akkumulationsraten aus-zeichnen, nur unzureichend berücksichtigt werden.Biogeographische Repräsentativität ist definiert als die Ver-tretung der für die Fläche der Bundesrepublik Deutschlandtypischen, heute vorkommenden Floren- und Faunenelementedurch wenige Probenarten.Auch wenn beide Kriterien für das Konzept zentral sind, müs-sen sie durch eine Reihe weiterer Anforderungen ergänzt undrelativiert werden. Ausführliche Kriterienkataloge dazu fin-den sich z.B. in LUEPKE (1979), LEWIS et al. (1984), MÜL-LER & WAGNER (1986, 1988) und PAULUS & KLEIN (1994).Es war aus ökologischen, biogeographischen oder prakti-schen Gründen nicht immer möglich, in allen vergleichba-ren Ökosystemtypen genau identische Probenartensets auf-zustellen. Deshalb wurden zusätzlich Arten mit komplemen-tärem Informationsgehalt integriert, d.h. Arten, die bezüg-lich ihrer Stellung und Funktion im Okosystem vergleichbarsind (s.u.).

Unter den Beschränkungen der verfügbaren Kapazität wur-den für die Umweltprobenbank des Bundes die nachfolgendkurz beschriebenen Probenarten ausgewählt, deren Zuord-nung zu den Probenahmegebieten der Abb. 1 zu entnehmenist.

Die Auswahl der Buche (Fagus sylvatica) trägt deren domi-nierender Stellung in den meisten naturnahen und anthro-pogen beeinflußten Waldökosystemen Mitteleuropas Rech-nung. Die in den letzten Jahren verstärkt auch die Buche be-treffenden Waldschäden verlangen eine kontinuierliche Be-obachtung gerade der typischen und dominierendenPrimärproduzenten (WAGNER 1993 b).Ähnliches gilt für die Fichte (Picea abies), die als bevorzugteForstbaumart eine weite Verbreitung und hohe Abundanzmit wirtschaftlicher und ökologischer Bedeutung sowie ei-nem hohen Kenntnisstand bezüglich ihrer Ökologie, ihrer Po-pulationsgenetik, ihrer Empfindlichkeit und ihrem Akkumu-lationsverhalten gegenüber vielen Schadstoffen verbindet.Diese hervorgehobene Stellung wird in Teilen Mitteleuropasmit nach Osten zunehmender Tendenz von der Kiefer (Pi-nus sylvestris) als Probenart mit komplementärem Informa-tionsgehalt eingenommen (WAGNER et al. 1993).Urban-industrielle Verdichtungsräume weisen erheblicheökologische Unterschiede in den Wuchsbedingungen im Ver-gleich zu naturnahen Ökosystemen auf, so daß als typischerLaubbaum die Pyramidenpappel (Populus nigra ,Italica`) aus-gewählt wurde. Insbesondere durch ihre genetische Einheit-

lichkeit und ihre Immissionsresistenz erfüllt sie die hohen An-forderungen, die an die Wiederholbarkeit von Probenahmenund die räumliche Vergleichbarkeit der Ergebnisse gestelltwerden (WAGNER 1987 und 1993 c).Als Probenmaterial werden analog zu Biomonitoring-Richtlinien (z.B. KNABE 1981) bei allen genannten Baumar-ten jeweils die Assimilationsorgane festgelegter Kronenbe-reiche gewonnen. Die spezielle Zweckbestimmung verlangtteilweise jedoch umweltprobenbankspezifische Lösungen, soz.B. die Verwendung der ganzen einjährigen Triebe bei Fichteund Kiefer, die als sinnvolle Ergänzung zu den im Spätsommer als Repräsentanten der Hauptvegetationsperiode beprob-

-

ten Laubbaumarten Buche und Pyramidenpappel im Vor-frühling am Ende der Heizperiode gesammelt werden.

Als Vertreter besiedelter Gebiete (sowohl urban-industrielleVerdichtungsräume als auch Agrargebiete) auf der Stufe derGranivoren wurde die Stadttaube (Columba livia f. dome-stica) ausgewählt. Die Eignung der Stadttaube als Bioindi-kator ist gut untersucht (ALTMEYER 1993). Als Kosmopolitbietet sie sich für die vergleichende Betrachtung der Schad-stoffbelastung ihrer Lebensräume an. Für langfristige Unter-suchungsprogramme empfiehlt sich die gezielte Installationgeeigneter Nistgelegenheiten (Taubentürme) zur Absicherungeiner reproduzierbaren, langfristigen Probengewinnung. Ge-sammelt werden die frisch gelegten Eier, von denen die Ei-inhalte zu einer Mischprobe über die gesamte Brutperiodeverarbeitet werden (ALTMEYER 1993; ALTMEYER & PAULUS1993).

Das Reh (Capreolus capreolus) ist der häufigste freilebendegrößere Pflanzenfresser in Europa und eignet sich als gut un-tersuchter Bioindikator sowohl in naturnahen als auch inforstlich und agrarisch genutzten Ökosystemen. Für die Um-weltprobenbank des Bundes werden Lebern und Nieren vonjeweils 10 —15 einjährigen Stücken im Frühsommer und10 — 15 Kitzen im Winter gesammelt (KLEIN & NENTWICH1993). Die Probenahme muß so durchgeführt werden, daßeine kontaminationsfreie Entnahme der Organe und eine di-rekte Überführung in die Kühlkette gewährleistet wird.

Tiefgrabende Regenwürmer (Lumbricidae) stellen einen Zu-sammenhang zwischen der zumeist organischen Boden-auflage und den darunterliegenden Bodenhorizonten her undzeigen den bioverfügbaren Teil der Belastung des gesamtenMediums Boden auf. Zudem sind sie als Destruenten zen-tral an den Nährstoffkreisläufen und dem Energiefluß imOkosystem beteiligt und dadurch hervorragend gegenüberSchadstoffen exponiert. Für die Umweltprobenbank des Bun-des werden die tiefgrabenden (anektischen oder anaökischen)Regenwurmarten Lumbricus terrestris und Aporrectodealonga in räumlicher Koordination mit Bodenproben gesam-melt (s.u.). Dafür wurde eine effektive und kontaminations-freie elektrische Extraktionsmethode sowie eine Methode zurweitestgehenden Trennung von Regenwurmkörper und Darm-inhalt entwickelt (KLEIN 1993 a; KLEIN 1993 b).

Die Böden stellen aufgrund ihrer Funktionen als wirtschaft-liche Produktionsbasis, Lebensraum, Filter-, Transforma-tions- und Speichermedium eine wichtige Probenart dar. An-dererseits erscheinen sie aufgrund ihrer ausgeprägten struk-

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turellen und funktionalen Unterschiedlichkeit und räumli-chen Variabilität als problematisch bezüglich ihrer räumli-chen und zeitlichen Vergleichbarkeit. Gegenüber der Viel-zahl bekannter Probenahmerichtlinien (z.B. ISO 10381,IWE, BDF u.a.) mußten für die besonderen Anforderungender Umweltprobenbank in manchen Punkten abweichendeLösungen gefunden werden, die allerdings für die in zuneh-mendem Maße auftretenden ähnlich komplexen Fragestel-lungen Beispielcharakter haben dürften (SPRENGART & WAG-

NER 1993).

Die Dreikantmuschel (Dreissena polymorpha) repräsentiertdie limnischen Konsumenten erster Ordnung in langsam flie-ßenden und stehenden Gewässern (MÜLLER & WAGNER

1988; KLEIN & ALTMEYER 1992). Als Filtrierer mit seden-tärer Lebensweise und weiter ökologischer Valenz ist sie ge-genüber gelösten und partikelgebundenen Schadstoffen ex-poniert und eignet sich für aktives Biomonitoring sowieToxizitäts- und Wirkungstests (NEUMANN & JENNER 1992).Zur Sicherung der Verfügbarkeit ausreichender Probenmen-gen, leichter Zugänglichkeit und besserer Reproduzierbar-keit wurde ein Expositionssystem aus kontaminationsfreienBesiedlungskörpern entwickelt, auf denen sich Larven an-siedeln und zu adulten Tieren heranwachsen können (WAG-NER 1994). Nach einer entsprechenden Expositionsdauerkönnen die adulten Muscheln von den Platten leicht abge-sammelt, unter Reinluftbedingungen seziert und die Weich-körper in der Bank eingelagert werden (KLEIN & WAGNER

1993).

Für die trophische Stufe der Konsumenten höherer Ordnungin limnischen Ökosystemen wurde mit dem Brassen (Abra-mis brama) eine Fischart ausgewählt, die wegen ihrer Häu-figkeit und weiten Verbreitung, ihrer weiten ökologischenValenz und großen verfügbaren Biomasse für die Umwelt

-probenbank des Bundes besonders geeignet ist. Gemäß derProbenahmerichtlinie werden nur acht- bis zwölfjährige Bras-sen gefangen, für kurze Zeit in einem Netzgehege gehältert,einzeln daraus entnommen und vor Ort in einem Laborwa-gen mit Reinluftbedingungen seziert. Muskulatur, Leber- undNierenproben werden als Zielorgane in der Bank konserviert(KLEIN & PAULUS 1993 b).

a

Das Sediment in Flüssen und Seen stellt für viele Schadstoffeeine Senke dar (z.B. PRORSI & MÜLLER 1987) und ist daherfür eine umfassende Bewertung der Gewässerbelastung un-verzichtbar. Ähnlich wie beim Boden bestehen bei der Ge-winnung räumlich und zeitlich repräsentativer Proben erheb-liche Probleme. Ein für die „Umweltprobenbank des Bun-des" geeignetes Probenahmeverfahren befindet sich derzeitin Vorbereitung.

Der Blasentang (Fucus vesiculosus) wurde als Repräsentantder Primärproduzenten in den Wattenmeerökosystemen derNordseeküste ausgewählt. Er zählt zur Gruppe der makro-phytischen Algen, die schon seit langem als Akkumulations-indikatoren in Monitoringprogrammen eingesetzt werden.Die ubiquitäre Lebensweise der Braunalgen, insbesondere derFamilie der Fucaceae, empfiehlt sie zu vergleichenden Ana-lysen der Schadstoffbelastung von Küstengewässern. Inner-halb der Familie ist Fucus vesiculosus eine der am weitestenverbreiteten Arten in der nördlichen Hemisphäre, die auf-

grund ihres euryhalinen Charakters auch in Brackwasserbe-reichen vorkommt (u.a. PHILLIPS 1979; STEINHAGEN-SCHNEIDER 1981).Nach der Probenahmerichtlinie der Umweltprobenbank fürBlasentang soll die Probenahme an mindestens zwei Probe-nahmeterminen im Jahr (Frühjahr und Herbst) erfolgen, andenen die Thalli ohne Pflanzenfuß beprobt und zu einer ge-meinsamen Jahressammelprobe verarbeitet werden (vgl.SCHLADOT & BACKHAUS 1993 a).

Entsprechend der Dreikantmuschel im limnischen Bereichwurde die Miesmuschel (Mytilus edulis) als Vertreter derKonsumenten erster Ordnung in Küstengewässern ausge-wählt. Sie ist einer der bedeutendsten Biomassenproduzen-ten im Wattenmeer, der durch seine Ernährungsweise als Fil-trierer gelöste und an die organisch und anorganisch parti-kuläre Substanz gebundene Schadstoffe aus dem Wasser auf-nimmt. Ihre wichtige Systemfunktion im Wattenmeer, ihregute Aufnahme- und Akkumulationsrate für zahlreicheSchadstoffe bei ausreichender Schadstoffresistenz, ihre seden-täre Lebensweise und damit große Standorttreue der adul-ten Tiere, ihre ausreichende Verfügbarkeit, ihre weite Ver-breitung und nicht zuletzt ihre vielfache Nutzung als Nah-rung für den Menschen haben dazu geführt, daß die Mies-muschel in nationalen und internationalen Überwachungs-programmen seit langen Jahren als Indikator von Belastun-gen der Küstengewässer durch Schadstoffe eingesetzt und dieGattung Mytilus sogar für ein weltweites Monitoring-Programm („mussel watch") empfohlen wird (vgl. u.a.FISCHER 1986; INTERNATIONAL COUNCIL FOR THEEXPLORATION OF THE SEA 1991; O'CONNOR 1991).Nach der Probenahmerichtlinie der Umweltprobenbank fürMiesmuscheln (SCHLADOT & BACKHAUS 1993 b) sollen nacheinem festgelegten Rhythmus an mindestens zwei Probenah-meterminen im Jahr (Frühjahr und Herbst) die Weichkörper von insgesamt ca. 3 000 Miesmuscheln pro Probenah -

-

mestelle gewonnen und eingelagert werden.

Die Aalmutter (Zoarces viviparus) als Konsument höhererOrdnung lebt im küstennahen Bereich der Nord- und Ost-see als standorttreuer Bodenfisch. JACOBSSON et al. (1986)zeigten, daß sie sich aus einer Reihe von Gründen als Bioin-dikator für die Überwachung der marinen Umwelt anbietet,was durch die neueren Arbeiten von JACOBSSON et al. (1993)und THORESSON (1993) unterstrichen wird. Erste Probenah-men zur Erstellung einer Verfahrensrichtlinie wurden imRahmen des Umweltprobenbank-Projektes 1992 und 1993durchgeführt.

Die Silbermöwe (Larus argentatus) wurde als ein Mitgliedder carnivoren Trophiestufe im Wattenmeerbereich ausge-wählt. Ihre holarktische Verbreitung, ihre sowohl hinsicht-lich der Abundanz als auch der Erreichbarkeit ausreichendgute Verfügbarkeit, ihre Stabilität bezüglich der Populations-dynamik und ihre leichte Identifizierbarkeit zeichnen sie alsgeeignete Probenart aus. Die Silbermöwe unterliegt keinemgesetzlichen Schutz und ihre Ernährungsweise ist gut unter-sucht. Die Eier der Silbermöwe, die nach einer genauen Vor

-schrift gesammelt werden (SCHLADOT et al. 1993), repräsen-tieren als hervorragende Akkumulationsindikatoren (ELLIOTet al. 1989) die Schadstoffbelastungen des direkten Umfel-des der Brutkolonie (BECKER et al. 1989).

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Der Watt- oder Pierwurm (Arenicola marina) vertritt dieStufe der Destruenten. Als Sedimentfresser, der sich Sauer-stoff und zusätzliche Nahrung ständig aus dem Wasser her-beistrudelt („deposit feeder"), stellt er eine ideale Verbindungzwischen den verschiedenen Medien des Watts und deren to-ten organischen Komponenten her. Er ist aufgrund seiner ho-hen Biomasse, seiner Körpergröße, seiner Standorttreue, sei-ner intensiven Beteiligung an den Stoffumsätzen und Ener-gieflüssen im Watt und seiner Akkumulationsfähigkeit vonSchadstoffen aus dem Wasser und dem Sediment als Proben-art der Umweltprobenbank geeignet (z.B. BRYAN et al.1985; LoRCH et al. 1990). Derzeit wird ein geeignetes Pro-benahmeverfahren entwickelt, indem unter anderem derFrage der Darmentleerung nachgegangen wird.

Die für diese Probenarten aus Gründen der Qualitätssiche-rung entwickelten und kurz erwähnten Richtlinien gewähr-leisten ein hohes Maß an Standardisierung bezüglich der Aus-wahl und Abgrenzung der Probenahmeflächen, der Anzahlund Auswahl der Probenindividuen, der Probenahmetermine,des Probenahmerhythmus, der Probenahmehäufigkeit, dertechnischen Ausrüstung, der Probenverpackung und derenReinigung, der Sammel- und Fangmethoden, der Probenbe-handlung, der Probenbeschreibung und des Probentranspor-tes. Im dritten Beitrag dieser Serie „Die Abhängigkeit des In-formationsgehaltes limnischer Akkumulationsindikatorenvom Zeitpunkt der Probenahme" wird am Beispiel "Probe-nahmetermine” gezeigt, wie wichtig sorgfältige Überlegun-gen zu den genannten Punkten sind, um zu qualitativ abge-sicherten und damit aussagefähigen Proben zu gelangen.

4 Probencharakterisierung

Die umfassende Charakterisierung der in der Umweltproben-bank gelagerten Proben stellt einen wesentlichen Bestandteildes Gesamtprogrammes dar. Insbesondere die Kenntnis öko-logischer Parameter ist für das ausreichende Verständnisrückstandsanalytisch erhobener Daten unverzichtbar (vgl.MÜLLER 1980; BIGNERT et al. 1993). GIEGE et al. (1993) un-terstreichen diese Aussage, wenn sie schreiben (S. 27): „Eco-toxicological research is not all chemical analysis. An ana-lysis result must always be put in its biological perspective".Diesem wichtigen Sachverhalt wird in dieser Serie durch denvierten Beitrag „Die Rolle der biometrischen Probencharak-terisierung in der Umweltanalytik am Beispiel der Fichte"Rechnung getragen.

Die Probencharakterisierung in der Umweltprobenbank desBundes teilt sich in drei Bereiche auf:

(1) Dokumentation der Probenbehandlung(2) Biometrische Charakterisierung(3) Ökologisch-biogeographische Charakterisierung.

Die Dokumentation der Probenbehandlung umfaßt jeden Ar-beitsschritt von der Probenahme bis zur endgültigen Lage

-rung der Proben. Eine EDV-mäßige Speicherung sichert einelückenlose Ablaufüberwachung. Dadurch wird der für dieQualitätssicherung der Proben unabdingbaren Forderung derNachvollziehbarkeit Rechnung getragen.

Die biometrische Probencharakterisierung geschieht durchErhebungen bei der Probenahme anhand von standardisier-ten und EDV-gerechten Datenblättern, wie sie in Abb. 2exemplarisch für Brassen wiedergegeben sind. Die biometri-schen Daten bilden die Grundlage für die Entscheidung, wel-che Proben in welcher Art und Weise bezüglich der Stoffge-halte vergleichbar sind und wie groß die biologische Varia-bilität der genommenen Proben ist. BIGNERT et al. (1993)konnten eindrucksvoll zeigen, daß der Kenntnis der biolo-gischen Variabilität in bezug auf z.B. Alter, Länge, Gewichtetc. für eine korrekte Interpretation der Chemikalienrück-stände in biologischen Proben — insbesondere bei der Un-tersuchung von Homogenaten — große Bedeutung zukommt.Biometrische Erhebungen liefern darüber hinaus unwieder-bringliche Daten zur Wirkung der Schadstoffe auf die gesam-melten Umweltproben, indem sich am gezeigten Beispiel derAbb. 2 aus den erhobenen Daten unter anderem Konditions-faktoren oder Organ / Körpergewichts-Quotienten berechnenlassen (PAULUS & KLEIN 1994). Damit besteht die Möglich-keit, auch bei Akkumulationsindikatoren, die spezifisch aufSchadstoffeinflüsse reagieren, ihre Funktion als Reaktionsin-dikatoren zu nutzen.Mittelfristig müssen die biometrischen Daten durch Parame-ter ergänzt werden, die den physiologischen Zustand und diegenetische Struktur der Umweltproben zum Zeitpunkt derProbenahme dokumentieren.Die ökologisch-biogeographische Charakterisierung bedeu-tet, daß zusätzlich zu den genannten direkten Daten über dieUmweltproben auch „indirekte" Daten zur Herkunft der Pro-ben erfaßt werden. Sie erstreckt sich zum einen auf die geo-graphische, ökologische und biogeographische Beschreibungder Probenahmefläche, von der die Proben stammen, undzum anderen auf die Sichtung, Filterung und Auswertung vonsogenannten externen Umfelddaten, also Daten, die außer-halb der Umweltprobenbank erfaßt werden. Wichtiges Hilfs-mittel dafür ist ein Geo-Informationssystem, das die exter-nen Daten mit den internen zu einer umfassenden ökologisch -biogeographischen Charakterisierung verknüpft.Ihre Bedeutung soll wiederum durch ein einfaches Beispielunterstrichen werden. TREMP (1992) zeigte, daß mit zuneh-mendem pH-Wert des Gewässers der Aluminiumgehalt derSproßspitzen des Lebermooses Scapania undulata, bedingtdurch Ausfällungen der Aluminiumhydroxide an den Moos-blättchen, ansteigt und somit keine Akkumulation im Moosselbst darstellt. Ohne die Kenntnis des pH-Wertes lassen sichfolglich keine korrekten Aussagen über die ökologisch wirk-samen Aluminiumbelastungen machen.

5 Gebietsbezogene Probenahmepläne

Das Ziel jeder Probenahme für die Umweltprobenbank desBundes ist eine geschichtete, flächenrepräsentative Zufalls-stichprobe, die sowohl räumliche Vergleiche zwischen deneinzelnen Probenahmegebieten wie auch langfristige Trend-aussagen auf der Grundlage jährlicher Probenahmerhyth-men innerhalb der einzelnen Gebiete ermöglicht. Um den An-forderungen an Repräsentativität und Reproduzierbarkeit derProben in einem derart großräumig und langfristig angeleg-ten Programm gerecht werden zu können, ist es erforderlich,

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UMWELTPROBENBANK DES BUNDESProbenbeschreibung

Brassen

Identifikation: Datum:

I [ IJ/L1/I I 1/LILI i: :1/riProbenart:I _____________________________________

Probenzustand:I _____________________________________

Entnahmedatum (Monat/Jahr):

Probenahmegebiet:

L____ Gebietsausschnitt:

Probenahmefläche:

Zusatzangabe:

Ifd. Nr. der Probe:

Gewicht des Fisches: 9 9 9 ri g

Gesamtlänge in cm: q^ q Jq I q Lq I q fJ I q

Alter in Jahren: EEI:1 ii::ii Ei LLIGewichte der Organe:

linke Muskulatur: l ,Eig I I I , q 9 I 9 I q 9rechte Muskulatur: I q 9 q I I ng ^ ng (L. !J Lig Leber:

Eq i q g EI [11 LI Li g ELI Li gNiere: El EI 9 Li g ILi g Lq 1 Eig

Milz: q I q g q I q g Li Li g qrestl. Innereien:

qq 1 q 9 !!_.1J 1 q 9 t! 1 q 9 q^1J i q 9Bemerkungen:

Abb. 2: Auszug aus dem Datenblatt zur Erfassung biometrischer Kenngrößen von Brassen

auf der Grundlage der Probenahmerichtlinien für jede Pro-benart in jedem Probenahmegebiet spezielle „gebietsbezogeneProbenahmepläne" festzulegen.

Zur Erstellung dieser Probenahmepläne wird vor der Ein-leitung der langfristigen Routineprobenahme jeweils einScreening (Voruntersuchung) durchgeführt, in dem durcheine vergleichsweise hohe Stichprobenzahl und anschließendebiometrische und analytische Einzelcharakterisierung Infor-mationen erhoben werden zur

— Beschreibung der räumlichen Verteilung und Variabili-tät von Umweltchemikalien und ggf. Nährstoffen inner-halb der Probenahmegebiete,

— Beschreibung der zu beprobenden Grundgesamtheit(i.d.R. Populationen) hinsichtlich ihrer natürlichen Aus-prägung (u.a. Alterszusammensetzung, Raum-Zeit-Ver-halten, Populationsgenetik) und Verteilung der individuel-len Schadstoffkonzentrationen,

— Festlegung der für eine repräsentative Zufallsstichprobeerforderlichen Mindeststichprobenzahl.

Aufbauend auf diesen Screenings und den Festlegungen inden Probenahmerichtlinien werden in den gebietsbezogenen

Probenahmeplänen die Probenahmestrategien festgehalten,die in jedem Gebiet die erforderlichen flächenrepräsentativenZufallsstichproben langfristig ermöglichen (vgl. GREEN1979 ; LEWIS 1985; LEWIS et al. 1989; PAULUS et al. 1992,1993).

Wie bereits oben und in Kapitel 4 erwähnt, kommt derSchichtung bei der Erstellung von Probenahmeplänen einezentrale Bedeutung zu. Sie ist hierbei als die Unterteilung derzu beprobenden Grundgesamtheiten in eine bestimmte An-zahl von Untereinheiten oder Schichten auf der Grundlageder aus den Screenings bekannten Varianten zu verstehen.Innerhalb einer nach bestimmten Kriterien (z.B. Alter, Grö-ßenklasse, Raummuster) definierten Schicht kann dann eineZufallsprobenahme (random sampling) durchgeführt wer-den. Dadurch kann bei großer Heterogenität der Grundge-samtheit auch langfristig eine vergleichbare und ausreichendrepräsentative Umweltprobe gewonnen werden. Diese Vor-gehensweise ist insbesondere dann erforderlich, wenn nichtdie Analyse von Einzelproben, sondern die Anfertigung vonHomogenaten durch Poolen zahlreicher Einzelproben ange-strebt wird. Hierbei ist zu bedenken, daß eine gepoolte Probeimmer einen gewichteten Mittelwert der Einzelproben wie-

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Beitragsserien

dergibt, der erst durch eine Schichtung und damit Reduk-tion der Variabilität der Einzelproben einen akzeptablen Pa-rameter darstellt (vgl. GREEN 1979; LEWIS 1985; BIGNERT etal. 1993).Die exakte Vorgehensweise zur Gewinnung geschichteter, flä-chenrepräsentativer Zufallsstichproben wird in dem Artikel„Aufbau flächenrepräsentativer Probenahmen von Umwelt-proben zur Schadstoffanalytik am Beispiel der Regenwürmerin landwirtschaftlich genutzten Räumen" im Rahmen der vor-liegenden Beitragsserie exemplarisch vorgestellt.

Zusätzlich zu den Probenahmestrategien sind in den gebiets-bezogenen Probenahmeplänen Protokollvordrucke, Informa-tionen zu Genehmigungsbehörden, zur entsprechend den spe-ziellen standörtlichen Gegebenheiten notwendigen Probenah

-meausrüstung, zum Personalbedarf etc. angegeben, um eineschnelle und reibungslose Probenahme zu ermöglichen.

Danksagung

Wir danken an dieser Stelle unseren Zuwendungsgebern im Bundesmi-nisterium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) undim Umweltbundesamt (UBA) für die finanzielle, administrative und fach-liche Unterstützung. Unser Dank gilt auch allen Kollegen in den betei-ligten Instituten der „Umweltprobenbank des Bundes", insbesondere imInstitut für Angewandte Physikalische Chemie des ForschungszentrumsJülich (KFA), im Biochemischen Institut für Umweltcarcinogene (BIU)in Großhansdorf, im Institut für Ökologische Chemie des GSF-Forschungszentrums in Neuherberg und in der Westfälischen Wilhelms-Universität in Münster für die gute Zusammenarbeit und die anregendeDiskussion über den eigenen Fachbereich hinaus.

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