Wissenschaftliche Perspektiven der ökotoxikologischen Bioindikation

Beitragsserien Projekt: ,,Angewandte (3kologie": Okotoxikologie

Beitragsserien

Beitragsserie: Projekt ,,Angewandte Okologie": Okotoxikologie

Hrsg. : Landesanstalt fiir Umwehschutz Baden-Wiirttemberg, Projekt ,,Angewandte Okologie" (PAO), Griesbachstrafle 3, D-7500 Karlsruhe 21

Die Beitragsserie aus den Ausgaben 5/92 und 6/92 wird hier fortgesetzt. ]

Wissenschaftliche Perspektiven der 6kotoxikologischen Bioindikation Prof. Dr. Uwe Arndt, Dr. Anette Fomin Institut 320, Fachgebiet Pflanzen6kologie und C)kotoxikologie, Universitfit Hohenheim, Postfach 700 562, D-7000 Stuttgart 70

Zusammenfassung. Die wirkungsbezogene Umweltbeob- achtung mit Hilfe der Bioindikation hat in den vergangenen zwei Jahrzehnten in Mitteleuropa stark an Bedeutung zugenommen, und Wirkungskataster sind ein routinem~tgig eingesetztes Instru- ment, um Informationen fiber den Zustand unserer Umwett zu erhalten. Die Wissenschaft ist aufgefordert, laufend neue und geeignetere Verfahren vorzuschlagen und zu entwickeln. Dies gilt sowohl im Bereich der aut6kologischen Bioindikation, wo wir fiber grotge Erfahrungen verffigen, als auch im syn6kologischen Sinne, wo noch erhebliche Anstrengungen notwendig sind, um zu ausgereiften Verfahren zu gelangen. Die in diesem Zusammenhang vorhandenen Probteme sind allerdings nicht nur wissenschaftlicher, sondern auch organisatorischer und normativer Art. Hier werden einige der Problemfelder moderner Bioindikation angesprochen und auf notwendige Arbeiten der Zukunft hingewiesen.

umfangreiche Erfahrung ffir die Entwicklung und Anwen- dung von Bioindikatoren verffigen.

Bei dieser an sich gfinstigen Situation ist aus wissenschaftlicher Sicht nach Problemfeldern und nach der zukiinftigen Entwicklung der wirkungsbezogenen Umweltbeobachtung zu fragen. So sollen hier insbesondere die Schwierigkeiten und Probleme angesprochen werden, die wissenschafflich eine Herausforderung darstellen und so zu Innovation und gezielter Forschung ffihren k6nnen. Allerdings kann, wie es bei einem sich laufend entwickelnden Arbeitsgebiet nicht anders zu erwarten ist, dabei keine Vollst/indigkeit erreicht werden.

1 Einffihrung

Der qualitativen und quantitativen Umweltbeobachtung ist in den vergangenen Jahrzehnten zunehmende Aufmerksam- keit gewidmet worden. Auch wenn man sich auf die 6ko- chemisch und 6kotoxikologisch relevanten Phfinomene beschr~nkt, sind die diesbezfglichen Anstrengungen /iu- gerst vielseitig und schwer zu fiberschauen. Eine schemati- sche Grobgliederung k6nnen die Begriffe Emissionskata- ster, Immissionskataster und Wirkungskataster geben, wenn man sie im weitesten Sinne des Wortes versteht. Obschon vom Rat ffir Umweltfragen eine isolierte Betrachtung einzelner Erhebungsebenen bzw. Umweltbereiche mit Recht kritisiert wird (RSU 1990), ist eine Behandlung aller drei Bereiche hier nicht m6glich. Es werden vielmehr nur die stofflichen Einfliisse in der Umwelt angesprochen, deren Wirkungen mit Bioindikatoren nachweisbar sind. Dabei ist zu berficksichtigen, daf~ auch Schadstoffakkumulationen in Organismen fiber ein normales Mai~ hinaus als Wirkung definiert sind (DREYHAUPT et al., 1979).

Die Bioindikation als Werkzeug der Umweltbeobachtung hat aufgrund einer darauf zielenden Gesetzgebung in den vergangenen Jahren in Deutschland grof~e Bedeutung er- langt. Ahnlich sind die Verh~ltnisse in den Niederlanden und in Osterreich, so dat~ wir in Mitteleuropa fiber eine

2 Problem- und Aufgabenfelder der Bioindikation

Um zu einer Perspektive ffir Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Bioindikation zu gelangen, ist zunfichst von dem zur Zeit herrschenden Zustand dieses Arbeitsbe- reiches auszugehen (SCHUBERT 1985; ARNDT et al., 1987). Die in diesen Monographien verwendete Nomenklatur liegt auch diesem Artikel zugrunde, und so wird unter einem Bioindikator im 6kotoxikologischen Sinne ein Organismus oder eine Organismengemeinschaft verstanden, die auf

BIOINDIKATOREN

Akkumulations- und Reaktionsindikatoren

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Abb. 1" Ubersicht zur Benennung unterschiedlicher Indikationsver- fahren

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Schadstoffe mit Ver~inderungen ihrer Lebensfunktionen reagiert oder aber den Schadstoff akkumuliert. Aus dieser Definition und dem bisherigen Sprachgebrauch leiten sich die weiteren, mit der Bioindikation unmittelbar zusammen- h~ingenden Begriffe ab (- ' Abb. 1), die heute sowohl ffir den terrestrischen als auch den aquatischen Bereich verwendet werden.

Neben den eher 6kologischen Zeigerorganismen werden in Ausfiihrung des Chemikaliengesetzes (ChemG 1980) laufend neue Testverfahren mit verschiedenen Organismen entwickelt und angewendet, und es sei ffir die damit zusam- menh~ingenden Fragen ausdrficklich auf den Artikel von NUSCH (1993) verwiesen. N/iher sollen die im Rahmen des Bundesimmissionsschutzgesetzes sowie der Umweltvertr~iglichkeitsprfifung als lnformationssysteme eingesetzten Mo- nitororganismen beleuchtet werden (BImSchG 1990; UVPG 1990).

2.1 Bio indikat ive U m w e l t b e o b a c h t u n g aut6kologischer Art

Sp/itestens seit dem Betrieb des ersten Wirkungskatasters des Landes Nordrhein-Westfalen (PRINZ 1973; PRINZ und SCHOLL 1975), also seit etwa 20 Jahren, werden Bioindika- toren systematisch in der Umgebung yon Emittenten und regional erfolgreich zur Umweltfiberwachung eingesetzt. Dabei ist die grundsiitzliche Anzeige einer Schadstoffwir- kung ihre Hauptaufgabe. Man kann hier durchaus von einem routinem/it~ig verwendeten lnformationssystem sprechen, das neben dem Emissions- und dem Immissions- kataster Daten ffir den praktischen Umweltschutz liefert (RUDOLPH 1979; ARNDT et al., 1982; CORNELIUS et al., 1984). Allerdings hat sich die Palette der verwendeten Or- ganismen in dieser Zeit nicht wesentlich ver~indert, denn wit stiitzen uns im terrestrischen Bereich nach wie vor auf die Stand ardisierte Graskultur (ScHOLL 1971 ; VDI 1982), auf gewisse Flechten (ScHONBECK 1969), die Gladiole (ADAMS et al., 1956; KOSTKA-RIcK 1987), den Grfinkohl (HETTCHE 1971) und einige andere Spezies, die sich als empfindlich und aussagekr/iftig erwiesen haben. Hierffir gibt es eine Reihe vornehmlich nicht wissenschaftlicher Gr/inde (s.u.). Obschon hier seit der Mitte des vorigen Jahrhunderts (GRINDON 1859; NYLANDER 1866) eine lange und kontinuierliche Entwicklung vorliegt, sind auch fiir das aut6kologische Monitoring yon wissenschaftlicher Seite noch dringende Probleme zu 16sen:

- Es fehlt nach wie vor an ausgereiften Bioindikationsver- fahren fiir anorganische Verunreinigungen. Beispielsweise verfiigen wir noch immer nicht fiber einen Bioindikator ffir Stickoxide, deren kraftfahrzeugbedingte Immissionskon- zentrationen trotzemissionsmindernder Mat~nahmen nach wie vor Werte aufweisen, die fiber den festgelegten Grenz- werten liegen (UBA 1989). Dariiber hinaus kann das NOx aufgrund seiner Beteiligung bei der Ozonbildung (SANHUEZA 1982) als eine der wichtigsten Verunreinigungen fiberhaupt bezeichnet werden. Hier gilt es, die bereits vorhandenen Wirkungserkenntnisse (WELLBURN 1990; BELOTTI et al., 1991) zu sammeln und auszuwerten, um danach die n6ti- gen experimentellen Erg/inzungen vorzunehmen.

- Auch fehlen zur Zeit noch Monitororganismen, die als

Reaktions- und Akkumulationsindikatoren ffir organische Luftverunreinigungen dienen k6nnen, wenn auch erste An- s/itze hierf~r vorhanden sind (HETTCHE 1971; DEBUS et al., 1989; NOBEL et al., 1992; PEAKALL 1992). Ausgegangen werden kann yon der Annahme, dat~ die Beschaffenheit der Rezeptorfl~iche for die Deposition organischer Verbindun- gen einen wesentlichen Einflut~ hat (REISCHL et al., 1989). B1/itter mit wachshaltigen oder haarigen Oberfliichen und Pflanzen mit einem hohen Gehalt von ~itherischen Glen, die zugleich Bedeutung ffir die Nahrungskette besitzen, sind in erster Linie auf ihre Eignung zur Bioindikation yon organischen Verunreinigungen zu pr~fen. Dar/iber hinaus sollten auch Testorganismen und technische Ersatzobjekte der Fragestellung angepaf~t bzw. for den Zweck entwickelt werden.

- Welter sei der Ersatz yon fremdl/indischen Bioindikato- ren durch einheimische Organismen als dringende wissenschaftliche Aufgabe genannt, soweit die Reaktion des verwendeten Bioindikators Riickschlfisse auf die umgebende Vegetation zulassen soil. So erffillt zwar die Tabaksorte BEL W 3 ihre Aufgabe vorzfiglich, indem sie auf eine Ozonbelastung rasch und deutlich reagiert (HEGGESTAD und MENSER 1962; POSTHUMUS und TONNEIICK 1982), doch besitzt sie ffir die einheimische Flora kaum eine Re- pr~isentanz. Diese w/ire also entweder zu ermitteln (s.u.) oder der Bioindikator w/ire durch eine 6kologisch wichtige einheimische Art oder eine in Mitteleuropa wirtschaftlich wichtige und st/indig angebaute Sorte zu ersetzen.

- Die Aufklfirung der Repr/isentanz yon Bioindikatoren ist aber nicht nur im Zusammenhang mit Organismen aus an- deren L/indern eine offene Frage, sondern die Obertragbar- keit von Testergebnissen und Wirkungsbefunden bei Moni- tororganismen auf andere Organismen oder gar auf eine Biozoenose bereitet grundsiitzliche Schwierigkeiten. Die Frage, was es fiir das umgebende Okosystem bedeutet, wenn z.B. in der so h~iufig verwendeten Standardisierten Graskultur gewisse Schadstoffgehalte analysiert werden, bleibt bisher weitgehend unbeantwortet, auch wenn in die- sere speziellen Falle einige Untersuchungen durchgeffihrt wurden (ScHOLL 1976). Obschon hier z.B. for Diplomar- beiten ein weites Aufgabenfeld vorhanden ist, fehlt often- sichtlich die Neigung, entsprechende Themen zu bearbei- ten. Es besteht vielmehr die Meinung, daf~ derartige Arbei- ten die wissenschaftliche Reputation nicht sonderlich erh6- hen und Forschungsmittel hierfiir nicht bereitstehen.

- Ebenfalls mut~ hier die Entwicklung und Erprobung von aut6kologischen Bioindikatoren ftir die tropischen und sub- tropischen Entwicklungsl~inder genannt werden (ELLEN- BERG Jr. 1991; ARNDT et al., 1991). Gerade dieses Instru- ment kann dort wesentliche Beitr/ige ffir die Verbesserung der Umweltbeobachtung leisten, da es relativ preiswert und leicht handhabbar ist sowie weniger Veranlassung zu Van- dalismus und Diebstahl bietet als ein physikalisches Mef~- ger/it.

- Im Zusammenhang mit der Neuentwicklung von Bioin- dikatoren muf~ auch an den Nachwe i s von mutagenen Ver- ~inderungen in Organismen gedacht werden. Hier besteht die Aufgabe, zun/ichst for den Einwirkungsbereich von Emittenten, sp/iter auch fiir den grof~fl/ichigen Einsatz, ver-

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stfirkt Verfahren mit pflanzlichen Organismen zu entwickeln, die in ihrer Aussagekraft den bisher verwendeten Tierversuchen ad~iquat sind und diese somit ersetzen k6n- nen (KNASMOLLER und MA 1992). Nach eigenen Untersu- chungen bietet sich hier u.a. der von MA in Illinois auf- gefundene hochempfindliche Tradescantia-Klon an (MA 1981; HMDER et al., 1991). Bei ibm lassen sich mutagene Verfinderungen sowohl fiber Kleinkernbildungen als auch fiber Verfiirbungen an den Staubf~iden der Blfiten nachwei- sen. Dabei sind diese Wirkungskriterien relativ leicht zu de- tektieren und zu quantifizieren. Eine Schwierigkeit liegt in der grot~en Anzahl yon Klonpflanzen, die ffir eine Untersu- chungskampagne zur Verffigung stehen mfissen. Zur Zeit wird daran gearbeitet, den im Labor erprobten Test an terrestrische Freilandverh~iltnisse zu adaptieren.

- Im Vorfeld einer Bioindikation mit syn6kologischem Aspekt ist es bedauerlich, daf~ die Entwicklung yon Bioindi- kationsverfahren mit pflanzlichen und tierischen Organis- men weitgehend getrennt voneinander verl~iuft. Hier ist auf eine gemeinsame Verwendung im Sinne eines Indikatorf~i- chers hinzuarbeiten, da Zoo-Organismen nicht immer an Pflanzen areale gebunden sind und somit u.a. deshalb andere Aussagen als Pflanzen machen k6nnen. Im fibrigen stehen sie dem Menschen niiher als Pflanzen, und Ver~inderungen im Bereich der Zoozoenose k6nnen eine stark moti- vierende Funktion ffir Umweltschutzmaf~nahmen haben.

- Grof~e M6glichkeiten zur Weiterentwicklung und gro~- fl~ichigen Verwendung der Bioindikation bieten die Off- nung der ehemaligen Ostblockl~inder und die Wiederver- einigung Deutschlands. Gerade in den neuen Bundesl~indern dfirften auch aus Kostengrfinden Wirkungskataster eine vorteilhafte Informationsquelle sein. Mit Bioindikatoren lief~e sich hier in Form eines grof~en Beweissicherungsver- fahrens die auf Emissionsminderungsmat~nahmen und Still- Legungen zurfickgehende Verbesserung der Umwelt nach- weisen.

- Schlief~lich soil bier noch das globale Biomonitoring angesprochen werden, das sowohl aut- als auch syn6kolo- gischen Charakter hat (LIETH und MARKERT 1988). Auf- grund der politischen Verfinderungen im Osten besteht heute die M6glichkeit, sein weltumspannendes Netz zu ver- dichten. Die zahlreichen Biosph~irenreservate im Bereich der ehemaligen UdSSR liegen z.T. sehr weit von Industrie- zentren entfernt und stehen zudem unter einem hohen Schutzgrad (SOKOLOV und PUZACHENKO 1985), SO daf~ hier ideale Hintergrundswerte ffir Akkumulationsindikatoren und ungest6rte Okosysteme zu erhalten sind.

Die hier angesprochenen Aufgaben im Bereich der aut6ko- logischen Bioindikation sind nicht vollst~indig; es mut~ z.B. in diesem Zusammenhang auch an die bereits seit Jahren diskutierte Festlegung yon Wirkungsgrenzwerten gedacht werden. Da es v611ig aussichtslos erscheint, ffir alle denkba- ren Wirkobjekte Grenzwerte zu bestimmen, k6nnte dies nur for solche Spezies erfolgen, die man als Risikoorganis- men bezeichnen mfit~te. Sie k6nnten dann mit Bioindikato- ren identisch sein, wenn yon diesen gewisse R/ickschlfisse auf andere Organismen m6glich wfiren. Ansfitze hierzu sind in einem vom TlDV-Sfidwest bearbeiteten F + E-Vorhaben enthalten, indem die Auswertung von Bioindikatorergeb-

nissen als Prozentsatz z.B. von Gehalten aus der Futter- mittelverordnung angegeben werden (NOBEL und MAIER- REITER 1992). Diese zunfichst relativ einfache M6glichkeit darf jedoch nicht darfiber hinwegtiiuschen, daf~ Rir eine Wirkungsbegrenzung verschiedene Bewertungskriterien herangezogen werden mfissen und ein entsprechender Kata- log bisher nicht vorhanden, - noch nicht einmal diskutiert ist.

2.2 Bioindikative Umweltbeobachtung syn6kologischer Art

Die bis hierher angesprochenen Bioindikationsverfahren sind allein nicht in der Lage, weitgehende Aussagen fiber Ver/inderungen in ganzen C)kosystemen zu machen, da dies u.a. an der relativ geringen Reprfisentanz der Einzelorga- nismen ffir das Ganze scheitert. Damit wird die Notwendig- keit einer Bioindikation mit syn6kologischem Aspekt deutlich, d.h. die Beobachtung und l]berwachung eines ganzen (~kosystems. Bevor die anstehende wissenschaftliche Auf- gabe skizziert wird, sollen zwei notwendige Bemerkungen vorangestellt werden. 1. Die prinzipiell m6gliche Bioindikation mit Okosystem- ausschnitten oder die Exposition von Modell6kosystemen soll hier nicht angesprochen werden, weil daffir weder theoretische 0berlegungen noch praktische Erfahrungen vorliegen. 2. Auch die Bioindikation mit syn6kologischem Aspekt soil allein als 6kotoxikologische Aufgabe gesehen werden und keine Okosystemstudie im Sinne grunds/itzli- cher 6kologischer Erkenntnisse sein. Vielmehr wird vor- ausgesetzt, daft das zu fiberwachende System in Aufbau und Funktion weitgehend bekannt ist. Betrachtet man ein ()kosystem als ein dem Einzelorganis- mus fibergeordnetes Ganzes, so muig man dabei stets die grofle Komplexit/it derartiger Wirkungsgeffige im Auge be- halten. Das von LARCHER (1987) ffir Einzelorganismen konzipierte Phasenmodell des Stret~geschehens ist daher auf ganze Okosysteme nicht ohne weiteres anwendbar. Die zahlreichen verschiedenen Arten werden auch auf einen Stressor wie Luftverunreinigungen unterschiedliche Reak- tionen zeigen, deren Kenntnis zwar ffir physiologisch opti- male Verh~iltnisse vorhanden sein mag, aber unter der Zwangslage z.B. des biozoenotischen Konnexes und ande- rer natfirlicher Gegebenheiten weitgehend unbekannt sind. Eine Proportionalit~it zwischen Stressordosis und Reaktion, wie sie in einem gewissen Bereich bei Einwirkung yon Schadstoffen auf standardisierte Einzelorganismen bekannt ist, darf bei der genetischen Vielfalt und den gegebenen Verknfipfungen der in einem Okosystem vorhandenen Or- ganismen nicht erwartet werden. Welcher Parameter neben dem St6rfaktor Luftverunreinigung auf das Indikationskri- terium Einfluf~ nimmt, ist somit kaum zu erfassen, wodurch eine Kausalanalyse auf~erordentlich schwer, wenn nicht unm6glich ist. Soil Bioindikation im syn6kologischen Sinne betrieben werden, wird also ein ganzes System als Bioindikator verwendet, ohne die Einzelheiten seines ,,Inne- ren" zu betrachten. So muf~ unklar bleiben, was eigentlich indiziert wird (BICK 1982). Obschon weitere grunds~itzliche Schwierigkeiten bei der Bioindikation mit syn6kologischem Aspekt diskutiert werden (ARNDT et al., 1987), sind doch verschiedene Ansfitze

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vorhanden, die gestellte Aufgabe zu 16sen (RIECKEN 1990; MATHES et al., 1991). Sie gehen grundsiitzlich yon einer m6glichst weitgehenden Kenntnis der Struktur und Funk- tionsweise des betrachteten Systems aus, da nur dann z.B. zwischen dem Vorkommen oder der H~iufigkeit einzelner Arten und dem St6rfaktor Zusammenhfinge erkannt werden k6nnen (BIcK 1982; SCHUBERT 1985).

2.2.1 Okosystemare Verfinderungen

Verfinderungen yon PflanzengeseUschaften unter dem Ein- fluf~ von Schadstoffen sind im Vergleich zu autOkologi- schen Ans~itzen wenig untersucht (GUDERIAN und KOPPERS 1980), zumal sie auf~erordentlich langsam und wenig auf- fiillig vor sich gehen kOnnen (ELLENBEV.G, Jr. 1985 in Ver- bindung mit ELLENBERG, Sen. 1979). Dennoch wird davon ausgegangen, daf~ Pflanzengesellschaften empfindlichere Indikatoren fiir Immissionswirkungen darstellen als die sie bildenden einzelnen Arten (GuDERIAN und RHDL 1982).

Ein al|gemein bekannter Fall 6kosystemarer Veriinderun- gen von grot~er Bedeutung sind die Neuartigen Waldsch~i- den in Mitteleuropa. In einem im 6kotoxikologischen Bereich bisher beispiellosen Umfang wurde hier seit 1982 intensive Forschung betrieben. Der in der Bundesrepublik Deutschland dafOr aufgebrachte Betrag von 220 Mio DM (BML 1988) hat zu einer vertieften Kenntnis der wichtigsten Forstpflanzen und des gesamten Okosystems Wald ge- fOhrt. Heute sind als wesentliche Ursache der Erkrankun- gen chronisch einwirkende Luftverunreinigungen aner- kannt und entsprechende Maf~nahmen eingeleitet worden (RSU 1983; SCHOPFER und HRADETZKY 1984; ULRICH 1986; RSU 1987). Zu den Immissionen kommen allerdings weitere Einfluf~faktoren, wie sie bis 1978 von WACHTER for das Tannensterben zusammengestellt wurden und die von den verschiedenen Autoren unterschiedlich gewichtet werden (z.B. COURTOIS 1983; KANDLER 1988; KRAUSE 1988). Insgesamt muf~ man von einem muttifaktoriellen Problem sprechen (MANION 1981; REHFUESS 1981; SCHI[ITT und COWLING 1985; HALBWACHS 1988), wodurch das Er- scheinungsbild des ()kosystems Wald unfibersichtlich und fiber l~ingere Zeit hinweg wechselhaft erscheint. So zeigten sich bisher auf Jahre verst~irkter Erkrankung auch wieder Zeiten einer gewissen Erholung (BML 1988), ein for den Einsatz bioindikativer Verfahren wesentlicher Aspekt. Au- f~erdem sind sowohl die Luftverunreinigungen als auch die Standortfaktoren in den verschiedenen Regionen unterschiedlich, so daf~ man die verschiedenen Wald6kosysteme und Stref~syndrome allenfalls typisieren kann (LAST 1989). Insgesamt kann man jedoch bestimmte Waldgebiete, wie z.B. den Soiling (ELLENBERG Sen. et al., 1986), als gut un- tersuchte ()kosysteme bezeichnen. Damit ist die bereits an- gesprochene wesentliche Forderung nach tiefgehender Kenntnis des anzusprechenden Objektes ffir eine Bioindika- tion mit synOkologischem Aspekt wenigstens in einigen F~il- len erfOllt.

2.2.2 Auswahl von Wirkungskriterien

1. SchlOsselreaktionen Der wesentliche Schritt zu einer bioindikativen, langfristigen lDberwachung unserer Wfilder ist die Auswahl geeigne-

ter Wirkungskriterien, die bei guter Handhabbarkeit ausreichende Aussagen fiber den Zustand des Gesamtsy- stems machen. Nicht mehr oder weniger zuffillig erkannte St6rungen im ()kosystem, sondern Schliisselreaktionen mOssen herangezogen und gefunden werden, die mit den dominanten Organismen zusammenhiingen und weitrei- chende Einflfisse im Okosystem haben (TRESHOW 1968; TRESHOW und STEWART 1973; NILSSEN 1980; REICHHOLF 1982). DarOber hinaus sollten die Grfinde fOr die Ausl6- sung dieser Schlfisselreaktionen bekannt sein.

Es ist trotz wiederholter Antr~ige bis heute noch nicht ge- lungen, diesen Gedanken in Form eines Forschungsvorha- bens zu realisieren und aus den zahlreichen Erkennmissen zum Waldsterben die for eine Bioindikation geeignetsten Wirkungsparameter auszuwfihlen. Aus diesem Grunde k6nnen die drei folgenden Kriteriengruppen nur der Erl~iu- terung dienen und als Denkanst6f~e verstanden werden. Sie betreffen 1. den Stoffwechsel der Waldb~iume auf der Zellebene, 2. die ~iuf~erlich sichtbaren Reaktionen auf der Ebene des Einzelorganismus, 3. die gesamte Phytozoenose und den N~ihrstoffhaushalt, der Einfluf~ auf das Gesamtsystem nimmt. Damit sind auch die 6kosystemaren Prozesse angesprochen, zu denen insbesondere die Nahrungsketten, also die Konsumenten, zu rechnen sind.

Wenn auch unsere physiologischen Kenntnisse bei B~iumen noch immer geringer sind als bei krautigen Pflanzen (BO- GER und MOHR 1987), SO lassen sich doch heute eine Reihe von Stoffwechselreaktionen zusammenstellen, die Aussage- kraft for die Vitalit~it von Waldb~iumen haben. Die Ver- wendung derartiger Ver~inderungen als diagnostische Pa- rameter wurde bereits vonder Arbeitsgruppe WELLBURN vorgeschlagen und praktiziert (WOLFENDEN et al., 1988; MEHLHORN et al., 1988). Zahlreiche weitere biochemisch-physiologische Untersu- chungen zeigen, dat~ es verschiedene Verfinderungen auf der Zellebene gibt, die sich for eine routinem~if~ige Bioindi- kation eignen k6nnten.

Auf der Ebene des Gesamtorganismus werden B~iume, wie schon erw~ihnt, bereits seit einigen Jahren in der gesamten Bundesrepublik Deutschland bioindikativ beurteilt. Dies dOrfte zur Zeit die bisher umfangreichste Anwendung eines Bioindikationsverfahrens Oberhaupt sein (ARNDT et al., 1987). Das heute angewandte Verfahren stfitzt sich unter anderem auf die Abschfitzung des Grades der Benadelung oder Belaubung als das im Hinblick auf die Vitalit~it der B~iume aussagekr~iftigste Kriterium. Die Waldsch~iden werden heute bundesweit in gleicher Weise erhoben und j~ihr- lich ver6ffentlicht (BML 1985; 1988). Damit kommt dieses allgemein anerkannte Verfahren den hier geiiut~erten Vor- stellungen bereits recht nahe. Es reicht aber allein zur Beur- teilung des Zustandes des Okosystems Wald nicht aus.

2. Standortabh~ingigkeit Auf der Ebene der gesamten Phytozoenose lassen sich z.B. Ver~inderungen der Struktur oder des Stoffhaushaltes als Kriterien zur Bioindikation heranziehen. 13ber die Ver~inderungen der Pflanzengesellschaft in mitteleurop~iischen Wald-

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gebieten liegen Informationen vor, die eine deutliche Stand- ortabhdngigkeit zeigen. So konnten verschiedene Arbeits- gruppen an der Boden- und epiphytischen Vegetation Ver~inderungen feststellen, die auf einen Sfiureeintrag zu- rtickzuRihren waren (WITTIG und NEITE •983; BALLACH et al., 1985; WITTIG et al., 1985; STEUBING und FANGMEIER 1986; STEUB1NG und MACHER 1985; BARTHOLOMESS et al., 1987). Auf verschiedenen Fl~ichen im Schwarzwald dagegen werden die auch dort zu beobachtenden Vegetations- verfinderungen mit der schadensbedingten Auflichtung der Bestfinde sowie einem tiberh6hten Stickstoffeintrag in Ver- bindung gebracht (BORGER 1988); dabei wird ein Anstieg der mittleren Artenzahlen in allen Gesellscbaftstypen fest- gestellL

3. Mineralstoffstatus von Okosystemen: Stoffbilanzen Wenn auch offensichtlich Vegetationsverfinderungen einen beachtlichen bioindikativen Wert besitzen, so laufen sie jedoch recht langsam ab, und die Ergebnisse entsprechender Aufnahmen sind schwer zu interpretieren. Von eindeutige- rer Aussagekraft ist dagegen der Status bestimmter anorga- nischer N~ihrstoffe im Okosystem. Hier haben bereits die Untersuchungen yon ULRICH in den siebziger Jahren Hin- weise auf eine bioindikative Verwendung geliefert (ULRICH 1975). Neuere Untersuchungen zeigen standortabhiingig eine charakteristische Verschiebung der Ionenverh~iltnisse in den Nadeln, der Kronentraufe, in der Bodenl6sung und im absinkenden Wasser (ULRICH 1983; ARNDT et al., 1985). Analysen bestimmter Ionen in den genannten Kom- partimenten fiihren zu Stoffbilanzen, die ein sehr empfindli- ches und relativ rasch ansprechendes Indikationskriterium darstellen. So wurde dem erh6hten Auftreten von Mangan in Pflanzenorganen und Bodenl6sung als erstes Anzeichen fiir eine Ver~inderung der Austauschereigenschaften des Bo- dens (HILDEBRANDT 1986) oder als ,,Weiserwert" ffir die Baumschfiden bei Fichte (GARTNER 1985) bioindikative Be- deutung beigemessen. In Kanada hat LEGGE bereits 1980 im Zusammenhang mit SO2-Belastungen von Kiefernarten von einem Indikator gesprochen. Aber auch die Konzentra- tionen der Mg-, Ca-, Zn- und AMonen haben sich sowohl im Freiland (ZOTTL und MIES 1983; ZOTTL 1985) als auch bei langfristigen Versuchen in Open-Top Kammern auf Ly- simetern (SEUFERT und ARNDT 1988; SEUFERT 1988) als wichtige Kriterien ffir den Mineralstoffstatus von Okosy- stemen erwiesen. Es erscheint damit sinnvoll, Stoffbilanzen dieser Elemente, ergfinzt durch die Analyse von Stickstoff und Schwefel, aufzustellen, um den Zustand yon Wald6ko- systemen zu fiberwachen.

2.2.3 Reaktionsfiicher

Aus den bisherigen Ergebnissen zum Waldsterben liif~t sich ein F~icher yon Reaktionen zusammenstellen, die gemein- sam und fiber lfingere Zeit hinweg zu praktisch verwertba- ren bioindikativen Aussagen ffihren (~ Abb. 2). Diese Vorschlfige dienen jedoch zunfichst nut als Beispiele und k6nnen und sollten erweitert oder ausgetauscht werden, wobei hier auch tierische Organismen einzusetzen sind. Je nach Art und Gr6f~e des zu beobachtenden Okosystems mtissen selbstverst~indlich auch die Gewiisseranteile bioindikativ genutzt werden. Obschon auch hierzu zahlreiche Vorschlfige vorhanden sind (zusammengestellt bei BOHMER

Okosystem

Orga- nismus

Zelle

Reaktionen nicht auf Stres- sor zur0ckf(ihr- bar oder nicht nachweisbar

Chlorosen, Nekrosen, Reaktionen des Gaswechsels

Enzym- und Membranver&n- derung, Ver&n- derung des Energie- und Redoxpotentials

Stunden- Tage

Fr0he und wenig ausgepr~igte Reaktionen, er- h6htes Auftre- ten von Mangan

~ Chlorosen, Nekrosen, morphologische Ver6nderungen, Akkumulation, erster Blattfall

Enzymver~inderung, Akkumu- lation von Zellinhalts- stoffen

Tage- Wochen

Arten- und Abun- danzverschie- bung, Ver~,nde- rung yon Mine- ralkreisl~ufen und Produktion, Akkumulation

Blattverluste, Akkumulatio- nen, Ertragsein- buBen, Ausfall von Individuen

Wechsel von ana- zu katabo- lischem Stoff- wechsel, Seneszenzer- scheinungen

Monate- Jahre

Abb. 2: Beispiel fiir einen Indikatorf~icher mit syn6kologischer Aus- sagekraft dutch Reaktionen verschiedener Ebenen im Oko- system

und RAHMANN 1993), mtissen die aussagekr~iftigen ,,Schlfis- selreaktionen" jeweils erst ausgewfihlt werden.

Ein im praktischen Umweltschutz einzusetzender Bioindi- kator oder Bioindikatorfficher hat als wiederholt verwert- bares' Instrument zu dienen (RAVERA 1975). Aus diesem Grunde ist eine Standardisierung des Verfahrens unbedingt notwendig, wobei diese sich prinzipiell an den gleichen Re- geln wie bei der aut6kologischen Indikation orientieren mutL Wie dort z.B. mit einheitlichem Saatgut oder sogar klongleichem Material gearbeitet wird, muf~ hier das Un- tersuchungsobjekt genau bekannt und festgelegt sein. Dies 1/iflt sich in Wald6kosystemen mit Dauerbeobachtungsfl/i- chen realisieren, die in verschiedenen vom Waldsterben be- troffenen Gegenden ausgewiesen und zu festgelegten Zeiten ,,abgefragt" werden. Durch eine sinnvolle geographische Verteilung und ausreichend lange Beobachtungszeit sollte sich das Okosystemverhalten einschlief~lich etwaiger Trends zur Gesundung oder Erkrankung erkennen lassen (vergl. auch PFADENHAUER et al., 1986). Erste positive Er- fahrungen fiber die Bioindikation mit syn6kologischem Be- zug liegen heute von den Dauerbeobachtungsfl~ichen des immissions6kologischen Wirkungskatasters Baden-Wfirt- temberg vor. Seit seiner Einrichtung im Jahre 1984 (LfU 1985) werden hier zahlreiche zoenotische und standort- kundliche Daten erhoben und verrechnet, die fiir die 60 Waldparzellen erste Wirkungsmodelle ergeben (LfU 1988; KREIMES 1992).

Notwendig ist selbstverstfindlich auch eine genaue Festle- gung der Arbeitsweise selbst, also jedes einzelnen Arbeits- schritts innerhalb des Bioindikatorf~ichers. Die Vorgehens- weise dabei ist ffir die Indikation auf der Zellebene bereits aus der aut6kologischen Arbeit bekannt, und die Festle- gung ffir das Verfahren zur Abschfitzung des Benadelungs- grades dfirfte ebenfalls keine Schwierigkeiten aufwerfen. Neu wfire es dagegen, solch komplizierte Arbeitsanweisun-


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gen wie die Aufstellung yon Ionenbilanzen oder die Kartie- rung der Bodenvegetation vorzuschreiben. Obschon auch dies prinzipiell m6glich ist, so besteht doch bei komplizier- ten Verfahren die Gefahr einer versteckten oder auch ge- wollten Modifikation, wodurch sich die Aussagekraft ver~indern kann.

Die praktische Einffihrung eines Bioindikatorffichers zur Abfrage yon Signalen aus Wald6kosystemen erscheint heute notwendig und m6glich. Seine Zusammenstellung ware z.B. unter Hinzuziehung der Kommission zur Reinhaltung der Luft durchffihrbar und k6nnte in einer entsprechenden Richtlinie des VDI schriftlich fixiert werden. Die Durchffih- rung der routinemfif~igen Arbeiten k6nnte in den Bundes- liindern den 6kologischen, forstlichen oder immissions6ko- logischen Landesanstalten fibertragen werden, die in entsprechenden Dauerauftriigen hinl~ingliche Erfahrung haben.

zureichend ist. Im Gemeinsamen Markt ist sie eine unabdingbare Voraussetzung; ein euroamerikanisches Ko- mitee wurde zwar vorgeschlagen, ist aber noch nicht einge- r i ch t e t (ARNDT 1992). In diesem Zusammenhang ist auch die Nomenklatur anzu- sprechen; es werden immer wieder neue Begriffe in das Ar- beitsgebiet der Bioindikation eingeffihrt, die zum Teil an- derweitig vergeben oder deren Sachverhalte bereits sprach- lich festgelegt sind. Bezeichnungen wie Biodeskriptoren, Biosonden, Biomarker, Biologische Monitore m6gen zwar bei n~iherer Betrachtung durchaus nicht falsch, in Einzelfiil- len sogar treffend sein, bringen aber nichts Neues und sind mehr oder weniger verwirrende Synonyme. Auch hier kann ein internationales Gremium wesentlich dazu beitragen, daft Sprachverwirrungen ausbleiben und die Bioindikation weiterentwickelt wird.

3 Organisatorische und normative Probleme der Bioindikation

Obschon ein Ideenfiberhang ffir neue bioindikative Wir- kungskriterien vorhanden ist, stagniert der routinem~if~ige Einsatz des Biomonitorings, weil die notwendigen Aufga- ben nicht gesehen oder nicht wahrgenommen werden. So sind in der Literatur eine F/ille z.T. brillanter Vorschl~ige zur Bioindikation ver6ffentlicht, und der im Dezember 1992 publizierte Kongref~band der Tagung fiber Ecological Bioindicators in Fort Lauerdale 1990 zeigt dies deutlich (Mc KENZIE et al., 1992), doch werden diese Innovationen nicht weiter verfolgt. Forschungsinstitute begnfigen sich im allgemeinen mit einer entsprechenden Ver6ffentlichung, dringen aber nicht zu einem vollst~indigen Verfahren durch, halten sogar die notwendige und konsequente Entwick- lungsarbeit z.T. ffir ,,unter ihrer Wfirde". Hier fehlt es offensichtlich an einer bestirnmten Arbeitsteilung (ARNDT 1991); es ist naheliegend, an Bundesforschungsanstalten, Landesanstalten und grot~e Drittmittelnehmer wie die Fraun- hofer Gesellschaft bezfiglich der weiteren Entwicklung und Erprobung zu denken. Auch sollten Richtlinien von Ein- richtungen wie der VDI-Kommission zur Reinhaltung der Luft oder der Gremien zur Festlegung der DIN erarbeitet werden.

Ffir den erfolgreichen Einsatz und Ausbau der wirkungsbezogenen Umweltbeobachtung sind nicht nur rein wissenschaftliche Aspekte von Bedeutung. Gerade die Verwen- dung von Bioindikatoren im Maflnahmenbereich des praktischen Umweltschutzes, also in den Wirkungskatastern der Bundesl~inder oder bei den Tests nach deN Chemikalienge- setz, macht gewisse Regelungen und Normungen notwendig. Wie bereits erw~ihnt, reicht f/ir die Ausarbeitung einer Richtlinie die Idee ffir eine Bioindikation nicht aus. Das Verfahren muf~ vielmehr durch eine Erprobungs- und n6ti- genfalls durch eine 0berarbeitungsphase gelaufen sein, um seine exakten Kenngr6f~en festzulegen. Hierzu ist eine Ar- beitsteilung zwischen den oben erwiihnten Einrichtungen notwendig.

Ein weiterer Aspekt ist die notwendige fibernationale Ab- stimmung derartiger Richtlinienarbeit, die heute noch un-

4 Schluflbemerkung

Die wirkungsbezogene Umweltbeobachtung mittels Bioin- dikatoren stellt sich zur Zeit als ein in starker Entwicklung begriffenes Arbeitsgebiet dar. Dabei kann man heute noch yon einem wissenschaftlichen und praktischen Vorsprung in Mitteleuropa sprechen. Es ist jedoch erfreulich, dat~ mit dem Kongrefl in Fort Lauderdale auch die USA zahlreiche Ideen und zerstreut vorliegende Erfahrungen fokussiert hat.

Bioindikatoren im hier behandelten Sinne bringen in erster Linie Aussagen fiber den Zustand der Umw.elt des Men- schen, sie sind 6kotoxikologische Instrumente. Inwieweit pflanzliche und tierische Organismen auch direkte Aussa- gen ffir den Menschen haben k6nnen, bleibt im wesentlichen eine Aufgabe der Zukunft; erfolgversprechende An- s~itze sind aber auch hier vorhanden.

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Obers icht k o m m e n d e r Beitr/ige

1. Okosystemare Umweltbewertung - Thesen zum Anforderungsprofil kfinftiger Umweltforschung

2. NO x und Folgeprodukte in der Atmosph~ire - Luftchemische und 6kotoxikologische Aspekte

3. Aufbau yon Begasungskammern Rir kleinere Forstpflanzen - Ermittlung von Ozondepositionsraten

4. Lichtabh~ingige Toxizitfit von N-Nitrosomorpholin (NMOR) auf Grfinalgen

5. Eintrag leichtfl~chtiger Chlorkohlenwasserstoffe in die Umwelt - Maf~nahmen zur Vermeidung und Verringerung

6. Flfichtige Deponie- und MVA-Emissionen - Vergleichende toxikologische und 6kotoxikologische Be-

wertung 7. PCDD/PCDF-Bodengehalte im Umfeld von Verbrennungs-

anlagen - Modellrechnung contra Messung

8. Bakterielle Mineralisierung von Dibenzofuran, Dibenzo-p- Dioxin und 1,2,4,5-Tetrachlorbenzol in B6den

9. Selbsteinkapselung von organischen Schadstoffgemischen unterschiedlich flfichtiger Komponenten - Bodenverunreinigungen

10. Adsorptionsverhalten ausgew/ihlter anionischer Azofarbstoffe an Boden- / Sediment-Bestandteilen

11. Adsorption von Blei und Cadmium an Tonen

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Wissenschaftliche Perspektiven der ökotoxikologischen Bioindikation