Untersuchung und Bewertung von Sedimenten: Ökotoxikologische und chemische Testmethoden

552 Pages·2001·23.535 MB·German

by  Priv.-Doz. Dr. habil. W. Ahlf, Prof. Dr-Ing. W. Calmano (auth.), Professor Dr. Wolfgang Calmano (eds.)

Untersuchung und Bewertung von Sedimenten
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Wolfgang Calmano (Hrsg.)
Untersuchung und
Bewertung
von Sedimenten
Ökotoxikologische und
chemische Testmethoden
Mit 92 Abbildungen und 87 Tabellen
, Springer
HERAUSGEBER
Professor Dr. Wolfg ang Calmano
Technische Universität Hamburg-Harburg
Umweltschutztechnik
Eißendorfer Str. 40
21073 Hamburg
E-mail: [email protected]
ISBN 978-3-642-62661-6
Die Deutsche Bibliothek -CIP-Einheitsaufnahme
Untersuchung und Bewertung von Sedimenten: ökotoxikologische und chemische Testmethoden / Hrsg.:
Wolfgang Calmano. -Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Hongkong; London; Mailand; Paris;
Singapur;Tokio:Springer2001
ISBN 978-3-642-62661-6 ISBN 978-3-642-56483-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-56483-3
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2001
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg NewYork 2001
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Vorwort
SeitdieSedimente in den70erJahrenals integrierendes AbbildeinerGewasser
belastungdurchChemikalien erkanntworden, habensichUberwachungsaktivita
tenvorallemaufdenNachweis unddieQuantifiziernngvonUmweltchemikalien
in ihrer zeitlichenund raumlichenVerteilung konzentriert. Jnzwischen hat sich
zunehmenddieErkenntnisdurchgesetzt, da6 esnichtgenugtBewertungskriterien
ausschlielilich an den Schadstoffkonzentrationen auszurichten, denndieTotalge
halte sagen wenig fiber das toxische Potentialoder die Bioverfiigbarkeit eines
Schadstoffesaus.
Schadstoffe wie Schwermetallverbindungen, Pestizide, halogenierte Kohlen
wasserstoffe oderpolycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe, dieausdenun
terschiedlichstenQuellenindieGewassergelangen, werdendemWasserzunachst
dadurchentzogen, da6 siesichanSchwebstoffeund Sedimenteanlagem. Sokann
sich langfristigin den Sed.imenten ein Schadstoffpotential aufbauen. Viele der
Schadstoffe sind jedoch nicht auf Dauer an die Sedimente gebunden, sondem
konnenremobilisiertwerdenundwiederinLosunggehen,wennsichdiephysiko
chemischen Bedingungen (pH-Wert, Redoxpotential, Salinitat, Temperatur, Hu
minstoffgehalt) verandern. Da Sedimente sowohl Senken als auch potentielle
Quellenfur Schadstoffe sind,konnensieauchdieQualitatdesGrnndwassers oder
dieGutelandwirtschaftlicherProduktebeeintrachtigen, wennsieanLandabgela
gertwerden.
DieBioverfiigbarkeittoxischeChemikalienhangtinhohemMillevon solchen
Parametemundvon derArt desSchadstoffbindung andenSedimentpartikelnabo
Sedimentgebundene Schadstoffekonnenz.B.aquatischeOrganismeninstarkerem
MalleschadigenalsgelosteChemikalien,fallsderenKonzentrationeninderWas
serphasegeringsind.Akutundchronischtoxische Schadeffekte - etwafiber die
Anreichernng in derbenthischen Nahrungskette - an sedimentbewohnenden Or
ganismender unterschiedlichsten trophischen StufenvomPhytoplankton bis bin
zuSpeisefischensindhinreichendbelegt.
DieUntersuchung undAufklarung derProzesseist sehrkomplex, daLebewe
senbetroffensind, die Interaktionen mitihrerUmwelteingehenund auf chemi
schenStref urndesUberlebens willenreagierenmussen. DieReaktionenaufphy
siko-ehemische Einflu6parameter hangen deshalb ebenso von den Organismen
selbstabundkonnenje nachArt, Lipidgehalt, Alter, GroBe, Gewicht, Geschlecht
physiologischer Zustand, Interaktionen verschiedener Chemikalien, Speichernng
und/oderExkretionsehrunterschiedlich sein.EineEntwicklung von chemischen
und okotoxikologischen Testmethoden erfordert daher, sowohl die chemische
SeitedesMonitorings unterLabor-undFeldbedingungensehrgenauzustudieren
alsauchdieTestorganismensehrsorgfaltigauszuwahlen,
ZurZeitsindetwa70.000synthetische, meistorganische Chemikalien, imtag
lichenGebrauch,wovonsicheingroherTeilindenFliengewassernundAstuarien
wiederfinden diirfte.DiesegroneZahlvon Umweltchemikalien kannmitvertret
barenKostendurchdie chemische Analytik routinemahig nichtkontrolliert wer-
VI W.Calmano
den.SelbstwennmanheuteeineVielzahlvon StoffenanalysierenundihreKon
zentrationenbestimmenkann,reichtdiesinderRegelnichtaus,urnihreokotoxi
scheWirkungabzuschatzen.Oft wirdnurnachbestimmtenEinzelstoffengesucht.
Metabolite oder andere Abbauprodukte werden nicht inuner berucksichtigt, ob
wohl sie haufig okotoxischwirksam sind. Kombinationswirkungen aller mogli
chenKontaminantenkonnennicht abgeschatztwerden,undBeziehungenzu Mi
lieubedingungenund -veranderungen wie z.B. Salinitat,Komplexierungskapazi
taten,pH-WertundRedoxpotentiallassensichnurschwerherstellen.
ChemischeAnalysendaten sinddahervoneingeschranktem Wertfur die Beur
teilungeinerUmweltbeeintrachtigung,Dieshatdazu gefiihrt, sogenannteZielvor
gabenzu entwickeln,diein Ermangelungvon DatenausbiologischenSediment
testsaufOkotoxizitatsdatenaquatischerOrganismenausder Wasserphase basier
en. Anzustreben fur eine sinnvolle Beurteilung von Sedimenten ist aber eine
Kombination sedimentbezogener, biologischer und chemischer Methoden. Eine
Bestimmung schadlicher biologischer Effekte in Verbindung mit detaillierten
chemischen Analysenerlaubtin vielen Fallendie Identiftkationvon wirksamen
Stoffen. Eine gezieltechemischeIdentifikationkann sich dann anschlieBen und
zielgerichteter und kostengunstiger eingesetzt werden. Dieser letzte Schritt ist
notwendig,urndie Resultateder Sedimentbewertungen, z.B. fur Sanierungsman
nahmen,zuverwerten.
Okotoxikologische Untersuchungen mit entsprechendenTestverfahrenwerden
bereitsseitlangemanAbwassernundGewasserndurchgefuhrt, wahrendbisherin
Deutschlandfur SedimentenochkeinenormiertenVerfahrenentwickeltund eta
bliert sind. DerHauptgrund,weshalbbiologischeTestverfahrenbei Bewertungs
aufgaben einbezogenwerden solIten, ist die integraleErfassungvon Schadwir
kungen,auchbisheranalytischnichterfaBterKontaminanten.Biologischein-situ
MethodenkonnenzusatzlichdiezeitlicheFluktuationderSchadstoffe integrieren.
EinechemischeAnalysekanndieseFunktionenalleinenichtubernehmen,
Angesichtsdes aufgezeigtenGefahrdungspotentials kontaminierterGewasser
sedimenteistdieNotwendigkeitunurnstritten, dieSedimentqualitat- ahnlichder
Wasserqualitat- einemBewertungsverfahrenzuunterziehen.SeiteinigerZeitbe
schaftigensichverschiedeneGruppenmitdieserFragestellung.EineistderBund
/Lander-Arbeitskreis, dersichmit der .Ableitungvon Qualitatszielenurn Schutz
oberirdischerBinnengewasservor gefahrlichenStoffen" befaBt. Zurneinen wird
diskutiert,wiedie QualitatderSedimentebeschaffenseinmuB, urna) die in den
SedimentenlebendenOrganismenund b) die auf Uberschwemrnungsflachen Ie
bendenTiere undPflanzenzu schutzen,und urnc) die dortbetriebenelandwirt
schaftlicheNutzungzu gewahrleisten. Zurnanderen stellen sich Fragenzur Be
schaffenheit der Sedimente, urn das Baggergut zur Bodenverbesserung zu
verwenden - sicher ein sehr hoher Standard- oder zumindest zur Aufhohung
landwirtschaftlichgenutzterFlachenbzw. zulandschaftsbaulichen Zwecken. Der
Arbeitskreiswill aber auch Qualitatszielefur die Durchfiihrbarkeit wasserbauli
cherMalmahmenableiten. Auchder ATVIBDEIVKS-FachausschuB 3.7"Bagger
gut aus der Gewasserbehandlung und Schlammeaus Bodenwaschverfahren" ist
dabei, eine Handlungsempfehlung tiber den Umgang mit Baggergutund Rest
schlammen zu erstellen, die neben der rechtlichen Einordnung, Vorkommen/-
Vorwort VII
Istzustand, Moglichkeiten der Unterbringung von Baggergut, Verfahrensablauf
auch Fragen der Bewertungenthalt. Der Fachausschuf "Gewassersedimente"in
der Wasserchemischen Gesellschaftder GDChhat sichzur Aufgabegestellt,vor
allemdiebisherexistierenden,okotoxikologischenSedimentbewertungsansatzezu
evaluierenunddiese- mitchemischenMethodenverknupft- zueinerintegrierten
Bewertungsstrategieweiterzuentwickeln.
Der Einsatz biologischer und chemischer Testmethodenzur Beurteilung von
Sedimentensetzt ein umfassendesVerstandnisder Prozesseund Veranderungen
voraus,denenGewassersedimenteunterliegen.IndemvorliegendenBuchwerden
daherzunachstderLebensraumdes Sedimentesfurdie Biozonosesowiediebio
logischenundchemisch-physikalischen Aspektebeschrieben, welchedie Biover
fugbarkeitvon Schadstoffen steuem. DermethodischeTellbehandeltausfiihrlich
die vorbereitendenSchrittevon Probenahme, -transportund -lagerungsowiedie
physikalischen, chemischenund biologischen Untersuchungsmethoden zur Cha
rakterisierungder Sedimentmatrix. Zwei weitere Abschnitte geben einen Uber
blicktiberaktuelleEntwicklungenchemischerundbiologischerTestmethodenzur
AbschatzungdesUmweltverhaltenskontaminierterSedimente.
InFlussen,Astuarienund Hafenmussen Sedimentebeseitigtwerden,weil sie
die SchifffahrtunddenHochwasserabfluss beeintrachtigen.Der zweitenTeildes
Buchesbehandelt deshalb die Rolle des Sedimentesals Baggergutund die sich
darausergebendenProblemeder Grenzwertfindung, die Entwicklungvon Hand
lungskriterien, Zielvorgabenund Klassifizierungfur eine Umlagerung. An einer
ReihevonFallbeispielenwerdenLosungs-undBewertungsansatzeaufgezeigt.
1mdrittenTeildesBucheswerdenschlieBlichvonFachausschussGewasserse
dimentein der Wasserchemischen Gesellschaftder GDChHandlungsempfehlun
genabgeleitetundeineintegrierteBewertungsstrategiefur Sedimentevorgeschla
gen, die biologische und okologische Merkmale mit chemischen Bewertungs
kriterienverknupft.FUrdenEinsatzinderPraxisbestehtnochvielErprobungsbe
darf. Dennoch laBt sich bereits heute feststellen, daf die vorgeschlagene inte
grierte Strategieals der geeignetsteund fortschrittliche Weg einer Sedimentbe
wertungerscheint.SiegibtdengegenwartigenStanddesWissenswieder.
1mSinne einer Vorsorgeund gerade im Zusammenhang mit den dringenden
Fragen bei der Baggergutproblematik solI diesesBuch Hilfestellungliefem und
eine Diskussionsgrundlage sein fur aIle,die in Behorden,Industrie, Wasserwirt
schaftundanUniversitatenfurdieUmweltVerantwortungtragen.
IchmochtemichbeiallenAutorinnenund Autoren,diezum GelingendiesesBu
chesbeigetragenhaben,ganzherzlichbedanken.MeinbesondererDankgiltFrau
BarbaraEckhardt,diemitvielEngagementdasManuskriptbearbeitetund in die
vorliegendeFormgebrachthat.DerWasserchemischen Gesellschaft inder GDCh
dankeichfurdiefinanzielleUntersttitzung.
Hamburg,imMarz200I WolfgangCalmano
Inhaltsverzeichnis
Teill Untersuchungvon Sedimenten
L1Anwendungsbereicbe.••••••..•....•.......•••...••.........•.••..••••..•••••••••.••.••..•••••••••••••••3
W.Ahlf,W.Calmano
L2SedimentealsLebensraum....•••••••••••••••••••••.•••.•.•.•.•.•.•••.....•.......•..••.•...........7
W.Ahlf,H.-C.Flemming,R.Gotz,M.Hupfer,H.Leucbs,D.Lorch, W.
Petersen& W.Traunspurger
1.2.1Biologie 7
1.2.2Cbemiscb-physikalischeAspekte 27
I.3.3Bioverfiigbarkeit 51
L3Entnahmeund VorbereitungvonProben•••••••••.•••.••••••............•••••••••••••••••67
M.Hupfer,1.Tiemann,P.Tippmann,W.Petersen
1.3.1Entnahme,TransportundLagerungvonSedimenten 67
1.3.2GewinnungvonSedimentporenwasser 71
1.3.3EluateundExtrakte 75
L4Physikalisch-chemiseheund biologiscbeMetbodenzurCbarakterisierung
derSedimentmatrix••••••••••.•••••..........................•...•••.•...•.•....••.•••••••......••••••••.•.85
W.Calmano, G.Grabe,Th.Griebe,B.Stachel,H.Heinrich
1.4.1MethodenzurBestimmungderKomgronenverteilung 85
1.4.2pH-WertundRedoxpotential 93
1.4.3 Wassergehalt,Gliihverlust,TOC 96
1.4.4MikrobiologischeCharakterisierung 100
L5Cbemiscb/biologischeTestmethodenzurAbschitzungdes
Umweltverhaltens 117
W.Cahnano,G.Grabe,M.Hupfer,A.Kleeberg, D.MOller
1.5.1 SaurebildungsvermogenundPufferkapazitat 117
1.5.2Komplexierungskapazitat..............................................................121
1.5.3PhasenspezifischeBindungsformen 126
1.5.4 SauerstoffzehrungsuspendierterSedimente 143
X Inhaltsverzeichnis
L6OkotoxikologischeTestmethoden 149
W.Ahlf, P.D.Hansen,D.Lorch,P.Tipprnann, W.Traunspurger,A.WeBler
1.6.1NotwendigkeitverschiedenerTestverfahrenundTestphasen 149
1.6.2Bakterien 152
1.6.3A1gen 162
1.6.4HoherePlanzen(aquatischeMakrophyten) 166
1.6.5 Invertebraten 184
1.6.6Vertebraten 197
1.6.7 SuborganismischeTestverfahren 202
1.6.8Gentoxizitat 209
1.6.9Enzymtests 230
Teilll Baggergut und Fallstudien
11.1 Sedimentund Baggergut 269
E.Golz
11.2Umgangmit Baggergut 273
W.Bertsch,B.Heinz,H.Kothe,A.Netzband
11.2.1RechtlicheGrundlagenfur denUmgangmitBaggergut 273
11.2.2UnterbringungvonBaggergut 283
11.2.3RegularienzumUmlagernvonBaggergutimBereichder
deutschenNordseekiiste 291
11.3Grenzwertfindung 305
W.Calmano,Th.Henschel,B.Rechenberg
11.3.1Chemisch-numerischeKriterienansatze 305
11.3.2BiologischeKriterienansatze 315
11.3.3Okotoxikologischabgeleitetechemisch-numerischeAnsatze 320
11.4OkotoxikologischeBaggergutuntersuchung,BaggergutklassiflZierung
und HandhabungskategorienfUrBaggergutumlagerungen 333
F.Krebs
11.4.1Einleitung 333
11.4.2OkotoxikologischeSediment-undBaggergutuntersuchung 334
11.4.3DurchfiihrungundAuswertungokotoxikol.Untersuchungen 339
11.4.4InderBundesanstaltfur GewasserkundeangewandteMethoden
zurokotoxikologischenGefahrdungsabschatzung 343
Inhaltsverzeiclmis XI
II.4.5ZielvorgabenfurSedimenteundHandhabungsrichtwertefur
Baggergut. 348
ll.5 Fallbeispiele•......................................................•..••••...•.........................•353
W.Ahlf,W.Francke,H.Gratzer,P.O.Hansen,Th.Henschel,V.MaaJl,
B.Neumann,W.Traunspurger
11.5.1FallstudieeinerokotoxikologischenUntersuchunganderElbe 353
11.5.2SedimentuntersuchungenimHamburgerHafen 371
11.5.3 FallstudieSpeicherseebeiMiinchen 399
11.5.4 GentoxizitatvonbelastetenSedimenten,MuschelnundFischen
derOstsee 414
II.5.5Biotest-geleitetechemischeAnalysevonSedimenten
unterschiedlicherBelastung 445
leillll Gefahrdungsabschatzung v. Gewassersedimenten
- Handlungsempfehlungen und Bewertungsvorschlage
llI.l UbersichtiibereingesetzteVerfahrenzurGefihrdungsabschatzung.465
Th.Henschel,W.Ahlf,W.Calmano,F.Krebs,V.Maafi
111.1.1 BewertungsverfahrenimBodenschutzundbeiAltlasten 466
III.1.2GefahrdungsabschatzungvonGewassersedimenten 475
III.1.3GefahrdungsabschatzungvonBaggergut... 484
111.1.4ZusammenfassendeUbersichtderokotoxikologischenVerfahren
zurSediment-undBodenbewertung 490
llI.2 Gefiihrdungsabschatzungvon Gewassersedimenten-
Anforderungenund Eignungsbewertung...............................•.•••.......•.493
Th.Henschel,W.Ahlf,W.Calmano,F.Krebs,V. MaaJl
III.2.1AnforderungenanMethodenundBewertungsverfahren
fur Gewassersedimente 493
111.2.2EignungsbewertungvorhandenerVerfahrenzu
Gefahrdungsabschatzung 495
llI.3 Handlungsempfehlungenund BewertungsvorschlagefUreine
integrierteSedimentbewertung...•.................................•..••.••...............497
Th.Henschel,W.Ahlf,W.Calmano,F.Krebs,V.Maaf
111.3.1LeitprinzipienzurUntersuchungundBewertung 497
III.3.2SedimentgiiteklassifIkation(Sedimentmonitoring) 497
III.3.3UmgangmitBaggergut... 536