Umweltindikatoren fiir Immissionswirkungen

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Richtlinien und Empfehlungen . . . I

Umweltindikatoren fiir Immissionswirkungen

Berechnung yon Indizes

L u d w i g Peichl

Korrespondenzadresse: Dr. Ludwig Peichl, Bayerisches Landesamt fiir Umweltschutz, Bfirgermeister Ulrich Straf~e 160, D-86177 Augsburg; e-maih Ludwig.Peichl@lfu.bayern.de

DOh http://dx.doi.org/10.1065/uwsf2001.02.042

Zusammenfassung. "Im Gegensatz zu anderen Politikberei- chen fehlt es der Umweltpolitik an einigen wenigen Messgr6t~en (Indikatoren), die die Beurteilung der Umweltsituation erm6g- lichen und damit eine Leitfunktion fiir die politische Diskussi- on fibernehmen k6nnen" (BMU 1998). Es gibt eine VMzahl von Vorschliigen ffir solche Umweltindikatoren auf nationaler und internationaler Ebene. Darunter sind jedoch bisher keine, mit denen die 6koIogische Wirkung yon Stoffeintr~igen in die Biosph~ire beurteilt werden kann.

Diese Arbeit zeigt an zwei Beispielen auf, wie Biomonitoring- Daten zu Umweltindikatoren aggregiert werden k6nnen. 0ber die Ermittlung yon Bezugswerten auf der Basis von Hinter- grundkonzentrationen einer Vielzahl yon Schwermetallen und yon Dioxinen/Furanen in zwei verschiedenen Bioindikatoren (standardisierte Graskultur und Grfinkohl) werden Einzelstoff- indizes berechnet, die zu themenbezogenen Indikatoren zusammengefasst werden. Ergebnis sind Indikatoren fiir Immissions- wirkungen verkehrsbezogener Emissionen, Immissionswirkun- gen durch Emissionen fossiler Brennstoffe und tmmissions- wirkungen durch Dioxine und Furane. Diese Indikatoren sind mit den beschrieben Rechenmethoden noch welter zusammen- fassbar.

Als problematisch stellte sich die methodische Weiterentwick- lung der Bioindikatoren heraus. Es k6nnen nur Daten zu Indi- katoren verrechnet werden, deren Erhebungsmethoden soweit standardisiert sind, dass die Ergebnisse auch fiber l~ingere Zeir- spannen miteinander vergleichbar sin& eine unabdingbare Voraussetzung ffir die Darstellung yon Trends.

Schlagw6rter: Bioindikatoren, standardisierte; Biomonitoring;

Graskultur, standardisierte; Nachhaltigkeit; Umweltbericht- erstattung; Umweltindikatoren

Problemstellung

In bisher vorliegenden nationalen und internationalen Kon- zepten zu Indikatoren fiir 6kologisch nachhaltiges Verhal- ten werden keine Umweltindikatoren vorgeschlagen, mit denen die Wirkungen yon Stoffeintrfigen auf die Biosphfire beurteilt werden k6nnen. Will m a n den 6kologischen Erfolg umweltpolitischer Mat~nahmen zur Reduzierung yon Schad- stoffemissionen messbar machen, so sind solche Indikato- ren notwendig. Wirkungen y o n Stoffimmissionen in Form yon physiologischen oder morphologischen Ver~inderungen von Organismen mit kausaler Z u o r d n u n g zu den verursa- chenden Substanzen sind jedoch im Okosystem mit all sei- nen Einflussfaktoren sehr schwer zu erheben. Einfacher ist

Abstract. Environmental Indicators for Pollution Effects (Guidelines)

"In contrast to other fields of politics, a few, minor measure- ments (indicators) are still lacking in the environmental poli- cies which enable one to evaluate the environmental situation and to consequently take over a major role in political discus- sions" (BMU 1998). There are a multitude of suggestions for such environmental indicators on both a national and an inter- national level. To date, however, there are still no indicators through which the ecological effects of biosphere pollution c a n

be evaluated.

This work provides two examples how biomonitoring data can be connected to environmental indicators. Based on the back- ground concentrations of a multitude of heavy metals and dioxins/filrans in two individual bioindicators (standardized grass and kale cultures), which have been combined to act as indicators for the topic in question, indices have been calculated through the determination of reference values. The results are indicators for the pollution effects of traffic-related emissions, the pollution effects from the emissions of fossil fuels and the pollution effects of dioxins and furanes. These indicators may still be combined further through the methods of calculation which are described.

The further, methodical development of bioindicators, however, turned out to be problematic. Only data whose survey methods have been standardized to such an extent that the results are comparable with each other over longer periods of time can be combined to represent indicators: an inalienable requirement for the presentation of trends.

Keywords: Bioindicators; biomonitoring; environmental indi- cators; environmental reporting; grass culture, standardized;

kale culture, standardized; pollution effects; sustainability

die Bestimmung von Konzentrationen potentielI scMdlicher Stoffe in Organismen. Da in vielen F~illen als erster Schritt zur Wirkung deren Anreicherung (Akkumulation) yon Be- deutung ist und teilweise auch bereits yon physiologischen W i r k u n g s m e c h a n i s m e n gesteuert wird, wird sie bei der Bioindikation als Wirkung an sich angesehen.

In der Praxis werden eine Vielfalt von A k k u m u l a t i o n s - indikatoren eingesetzt. Die A n w e n d u n g solcher indikatoren bedarf grundlegender Fachkenntnisse und ist yon der Hand- h a b u n g der Untersuchungsobjekte bis hin zur chemischen Analytik aufwendig. Z u r D a t e n e r h e b u n g fiir Umwelt- indikatoren diirfte sie deshalb flit K o m m u n e n nur in Aus- nahmef~illen praktikabel sein. Auf Linderebene bestehen

1 3 0 UWSF - Z Umweltchem Qkotox 13 (3) 130-138 (20011

9 ecomed verlagsgesellschaft AG & Co. KG. D-86899 Landsberg und Ft. Worth/q3X, USA ~ Tokyo, Japan ~ Mumbai, India * Seout, Korea

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Richtlinien und Empfehlungen Umweltindikatoren

jedoch z.T. ausgedehnte und langjfihrige Biomonitoring- Messnetze. Das Bayerische Landesamt fiir Umweltschutz (LfU) betreibt seit 1977 Messnetze mit Akkumulations- indikatoren. 1993 wurden diese mit Dauerbeobachtungs- stationen (DBS), mittlerweile 6 in 1/indlichen und 2 in st/idtischen Bereichen, erg/inzt. Andere Bundeslfinder, allen voran Baden-Wiirttemberg und Nordrhein-Westfalen, fiihren ver- gleichbare Untersuchungen durch. 1997 ver6ffentlichte der Arbeitskreis Bioindikation/Wirkungsermittlung der Landes- /imter und -anstalten fiir Umweltschutz eine Empfehlung zur landesweiten Erhebung yon Immissionswirkungen mit Bio- indikatoren (AKBW 1997), mit der die methodische Harmo- nisierung zwischen den Bundeslfindern angestrebt wird. Das LfU setzt diese Empfehlung durch Anwendung aller dort auf- gefiihrten Methoden vollst/indig um und erhebt damit eine Vielzahl verschiedener Einzelparameter. Dazu geh6ren die ganze Schwermetallpalette, Dioxine/Furane, polyaromatische Kohlenwassertoffe (PAK) und polychlorierte Biphenyle (PCB) in den Indikatoren standardisierte Graskultur (VDI 1978), standardisierte Griinkohlkultur (VDI 1999), Moos und Fich- tennadeln (LfU 1998 und 2001).

An Umweltindikatoren ist die Anforderung zu stellen, dass sie zu ausgew/ihlten Themen Informationen fiber die Nach- haltigkeit unseres Umgangs mit unserer Umwelt liefern. Sie miissen Riickschliisse erm6glichen tiber die Ursachen m6g- licher Fehlentwicklungen und die notwendigen Gegenma~-

nahmen. Zur Bildung m6glichst weniger, aber aussagekr~if- tiger Umwe|tindikatoren miissen Einzelergebnisse der Viel- zahl der oben genannten Parameter und Methoden zusammengefasst werden. Dazu ist es notwendig durch mathema- tische Transformation ausgew/ihlter Messergebnisse ein ge- meinsames Bezugssystem zu schaffen. Die Auswahl zu aggregierender Daten kann sich an bekannten 6kologischen oder toxikologischen Problemfeldern oder an Vorsorge- absichten orientieren und dabei wiederum nach Verursacher- (Quellen) oder Wirkungsgesichtspunkten gliedern.

1 Bisherige Berichtsformen

Die Biomonitoring-Ergebnisse werden bisher methoden- und einzelstoffbezogen ausgewertet und dargestellt. Abb. 1 gibt ein Beispiel fiir Akkumulationsdaten der 14-t/igig exponier- ten standardisierten Graskultur (VDI 1978) eines Jahres von 8 DBS wieder. Um mehrere Elemente in einer Grafik zusam- menfassen zu k6nnen, miissen sie nach Konzentrations- bereichen geordnet werden. Diese Einteilung geschieht zwangsl'aufig ohne Rticksicht auf Wirkungs- oder Quellen- zusammenh/inge. Dabei werden zum Beispiel die Elemente Titan, Arsen und Vanadium, die durch Verbrennung fossiler Brennstoffe in die Umwelt gelangen, in verschiedenen Gra- fiken dargestellt, da sich ihre Konzentrationbereiche sehr stark unterscheiden. Eine problembezogene Interpretation der Ergebnisse wird dadurch sehr erschwert.

1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00

0,25

0,20"

0,15

0,10-

0,05 -

0,00

I

^{l l}[~Blei ^Chrom Vanadium

7

i / I /

9 - - B B , f t ' - - - " - - /

B B , / t /

==/1 /

B L / i /

1 . 1 - ' - - ' - - /

m . , /

- I b - - 5

n . q /

IF~q

r

[ ] E i s e n

[ ] Mangan 1"-] Zink

[

,,q / t

/ 1 I I /]

/ i i i

/ I I i

/-1

Wbb Wgs Ein Shy Gra Bid (!) Aug (!) Mfin

0,25

0,20-

0,15

0,10-

[ ] Arsen [ ] CadmiL [ ] Antimoi

0,05-

0,00

Wbb WBs Ein Shy Gra

16 9 Kobalt ~ Kupfer 14

12 10

8

6 4 2 0

...J

Bid (!) Aug (T) MLin

Wbb WSs Ein Shy Gra Bid (!) Aug (!) MOn

A b b . 1: Mittlere Metaltgehalte (mg/kg TS) der standardisierten Graskultur an 8 DBS (Wbb, WSs, etc.) 1998, g e m e s s e n in 10 Expositionsserien (! nur 2 Expositionsserien)

U W S F - Z Umwettchem Okotox 13 (3) 2001 131

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Stellt man Zeitverl~iufe dar, die Voraussetzung ftir die Aus- sagef/ihigkeit von Umweltindikatoren sind, versch/irft sich die Problematik einer iibersichtlichen und interpretierbaren Darstellung.

Es werden zudem nicht nur viele Stoffe mit einer Methode erhoben, sondern die gleiche Stoffpalette wird auch mit anderen Methoden untersucht und mit zus~itzlichen Stoff- gruppen erg~inzt. So werden Dioxin- und Furananreiche- rungen yon Mai bis Oktober mit der standardisierten Gras- kultur und, um auch die lufhygienisch wichtige Zeit der Heizperiode zu beobachten, im Oktober und November mit Griinkohl-Exponaten (VD11999) erfasst. Die Erstellung von Jahreszeitverl~iufen oder Bildung yon Jahresmittelwerten als Grundlage fiir mehrj~ihrige Tendenzdarstellungen ist mit den Rohdaten nicht m6glich, da beide Pflanzenarten auf unter- schiedlichem Konzentrationsniveau akkumulieren.

2 L 6 s u n g s a n s a t z

Die vielf~iltigen Einzelergebnisse k6nnen nur dann zu Um- wehindikatoren zusammengefasst werden, wenn sie derart transformiert werden, dass verschiedene Stoffe unterschiedlicher Konzentrationsbereiche und mit unterschiedlichen Methoden erhoben ohne Gewichtungsverzerrung addierbar sind. Ist diese Transfomation geschehen, k6nnen beliebige thematisch begriindete Stoffgruppen zu aggregierten Indi- katoren verrechnet werden.

Transformation bedeutet hier: Umrechnung der Messergeb- nisse in relative Einheiten = Indizes. Diese miissen sich auf stoff- und methodenabh~ingige Festwerte = Bezugswerte be- ziehen, damit Trendaussagen m(Sglich sind. Als Bezugswerte bieten sich sog. Normalwerte an, das sind Werte wie sie in Gebieten ohne unmittelbare Belastung durch Emittenten fest- gestelh und als 'Hintergrund-Immissionswirkungen' bezeich- net werden. Zur Berechnung der Einzelstoff-Bezugswerte werden Ergebnisse der Jahre 1996-1998 herangezogen. Die Ergebnisse von zwei Bioindikationsmethoden werden so aufgearbeitet, dass ihre grunds/itzliche Eignung als Umwelt- indikator erkennbar wird. Als Methoden werden dazu die Untersuchung

- der Schwermetall- und Dioxin/Furan-Anreicherung mit der standardisierten Graskultur und

o der Dioxin/Furan-Anreicherung mit Griinkohl

ausgew~ihlt. Die Methodendurchfiihrung erfolgte in Anleh- nung an die VDI Richtlinen (VDI 1978 und 1999) und ist in den immissions6kologischen Jabresberichten des LfU (LfU 1998 und 2001) beschrieben.

2.1 Zusammenfassung verschiedener Parameter, die mit einer Methode ermittelt werden - Schwermetallanreicherung in der standardisierten Graskultur

2.1.1 Ermittlung der Bezugswerte

Bei der standardisierten Graskultur gibt es zwei grunds/itzlich unterschiedliche Varianten: die 14-t/igige und die 28-t/igige Exposition. Da beide zu unterschiedlichen Akkumulations-

ergebnissen fiihren (Peichl et al. 1996) und die 28-t~igige Exposition in der kommenden Uberarbeitung der VDI-Richt- linie VD13957 BI.2 (VDI 1978) empfohlen werden wird (AG Wirkungsermittlung an H6heren Pflanzen - Bioindikation, VDI, pers. Mitteil.), wird diese Variante hier ausgewertet.

In die Berechnungen sind folgende Elemente einbezogen:

Antimon, Arsen, Blei, Cadmium, Chrom, Eisen, Kobah, Kupfer, Mangan, Nickel, Titan, Vanadium und Zink. Fiir jede l~indliche DBS wurden die elementspezifischen Jahres- mittelwerte (Expositionszeitraum Mai bis Oktober) der Jahre 1996 bis 1998 errechnet und diese zu bayernweiten 'Hinter- grund'-Mittelwerten zusammengefasst. Gerundet stellen diese die Stoff-Bezugswerte fiir die weiteren Metall-Index- Berechnungen dar und werden gleich '1' gesetzt (Tab. 1).

Die Indizes sind mit zwei Kommastellen angegeben, damit Ver/inderungen im Prozentbereich dargestellt werden k6n- nen.

2.1.2 Relativer Zeitverlauf der bayerischen Hintergrund- Immissionswirkungen durch Einzelelemente

Auf Grundlage der Bezugswerte in Tabelle 1 k6nnen pro Jahr die einzelnen Indizes der untersuchten Elemente berechnet (Tab. 2) und in einer einzigen Grafik (Abb. 2) zur Be- schreibung des relativen Zeitverlaufs der bayernweiten-Hin- tergrund-Immissionswirkungen dargestellt werden.

2.1.3 Elementbezogener Vergleich eines Untersuchungs- gebietes mit den Hintergrundwerten

Durch die Umrechnung von Einzelstoffkonzentrationen in Indizes auf Basis der Bezugswerte (Tab. 1) k6nnen die rela- riven Immissionswirkungen beliebiger Untersuchungsgebiete beschrieben werden, wobei alle Elemente in einer Grafik darstellbar sind.

Abb. 3 zeigt die Indizes der st/idtischen Dauerbeobachungs- station Miinchen. Die Station liegt im Stadtgebiet aber au- tgerhalb unmittelbarer Emittenteneinfliisse. Auf einen Blick

Tabelle 1: Einzelstoff-Sezu.qswerteffJr die 28-t&gige standardisierte Graskultur in mg/kg Trockensubstanz errechnet aus den Jahresmittel- werten 1996-98 I&ndlicher Dauerbeobachtungsstationen

Sb Pb Cu Cr As V Ti Ni Co Zn Cd Fe

1996 1996-1998

0,043 1,34 10,7 1,8 0,12 0,204 3,7 9,3 1,8 43 0,07

148

I 1997 I 1998 Hintergrund-Mittel

(mg/kg)

0,020 0,028

0,89 0,77

8,1 10,3

0,9 0,6

0,16 0,09

0,087 0,078

2,6 3,1

12,8 10,8

2,0 1,2

39 44

0,05 0,08

150 147

Bezugswerte Indizes (mg/icg)

0,03 1,00

1,0 1,00

10 1,00

1,0 1,00

0,10 1,00

OrlO 1tO0

3,0 1,00

11 1,00

1,5 1,00

40 1,00

0,10 1,00

150 1,00

1 3 2 UWSF - Z Umweltchem Okotox 13 (3) 2001

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Tabelle 2: Mittlere Einzelstoff-lndizes fi3r die 28-t&gige Graskultur der dahre 1996-98 der Ifndlichen Dauerbeobachlungsstationen zur Beschreibung des relativen Zeitverlaufs der Hintergrund-lmmissionswirkungen

1996 1997 1998

Stoffgehalte Indizes Stoffgehalte Indizes Stoffgehalte lndizes

MW* (mg/kg) MW* (mg/kg) MW* (mg/kg)

V 0,204 2,04 0.087 0,87 0,078 0,78

Co 1,8 1,18 2,0 1,33 1,2 0,77

C'u 10,7 1,07 8,1 0,81 10,3 1,03

As 0,12 1,15 0,16 1,61 0,09 0,94

Sb 0,043 1,43 0,020 0,68 0,028 0,94

Pb 1,34 1,34 0,89 0,89 0,77 0.77

Ti 3,7 1,23 2,6 0,87 3,1 1,03

Cr 1,8 1,79 0,9 0,89 0,6 0,59

Fe 148 0,98 150 1,00 147 0,98

Ni 9,3 0,85 12,8 1,16 10,8 0,98

Zn 43 1,09 39 0,98 44 1,10

Cd 0,07 0,73 0,05 0,51 0,08 0,79

2,50

2,00

[ ] 1996 [ ] 1997 [ ] 1998 ! - -

1,50 I

.ii i 't

0,50 J i

0,00

V Co Cu AS Sb Pb "[3 Cr Fe Ni Zn Cd

Abb. 2: Elementbezogener relativer Zeitverlauf der Indizes f0r die bayerischen Hintergrund-lmmissionswirkungen

6,00

5,00

4.00

3,00

2.00-

1,00

0,00

i

V Co Cu AS Sb Pb ~ Or Fe Ni Zn Cd Abb. 3:Wirkungsindizes der Dauerbeobachtungsstation M0nchen 1996

und 1998

wird deutlich, dass die Immissionswirkungen, auf dem all- gemeinen bayerischen Niveau der Jahre 1996-1998, also um '1', liegen - mit einer Ausnahme: Antimon. Die Antimon-

akkumulation ist in den beiden Jahren 1996 und 1998 um das 5-6-fache erh6ht, was mit den Erkenntnissen friiherer Untersuchungen (Peichl et al. 1994) tibereinstimmt.

2.1.4 Zusammenfassung yon Indizes zu Themengruppen Die Umrechnung von Stoffkonzentrationen in Einzelstoff- Indizes erm6glicht zwar den unmittelbaren Vergleich verschiedener Elemente untereinander, reicht abet nicht aus, um die eingangs genannten Anforderungen an Umweltindika- toren zum Zweck yon Nachhahigkeitsbetrachtungen zu er- fiillen. Es ist notwendig die Einzelstoff-Indizes zu themen- bzw. problembezogenen Gruppen zusammenzufassen. Da- fiir bieten sich sowohl der Quellenbezug, als auch der Wirkungsbezug an. Hier werden beispielhaft quellenbezogene Stoffgruppen gebildet.

Acht Elemente der Tabelle 1 werden in zwei Gruppen unter- teilt. Als Verkehrsemissionen bekannt sind Antimon, Blei, Kupfer und Chrom (Died et al. 1998). Emissionen fossiler Brennstoffe beinhalten die Stoffe Arsen, Vanadium, Titan und Nickel (Siewers et al. 1998). Zwei Balkendiagramme zeigen die Indizes der einzelnen Stoffe iiber einen dreijiihri- gen Untersuchungszeitraum (Abb. 4).

In Abb. 5 sind die Gruppenkomponenten dutch Mittelwert- bildung zu Umweltindikatoren for Immissionswirkungen 9 durch Verkehrsemissionen und

9 Emissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe verrechnet.

Aus diesen Darstellungen ist leicht ablesbar, dass sich

* die verkehrsbedingten Immissionwirkungen von 1996 nach 1997 verringert haben und

| yon 1997 bis 1998 gleich geblieben sind und

die Wirkungen dutch Emissionen fossiier Brennstoffe kon- tinuierlich abgenommen haben.

Die themadsche Zusammenfassung erm6glicht einfache Ver- gleiche yon Gebieten untereinander, in denen bestimmte

UWSF - Z Umwettchem Okotox 13 (3) 2001 133

(5)

2,50

Zeitverlauf der bayernweiten Immissionswirkungen verkehrsbedingter Einzelkomponenten

2,50

2,00

1,50

1,00

0,50

0,00 2,00 -

1,50

1,00

819961ndex t t2119971ndex l119981ndexi

i ]

ⁱ

0,50-

0 , 0 0 i r ~1~, ~ 1 1 , 4 i

Sb Pb Cu Cr

Abb. 4: Zeitverlauf der Indizes quetlenbezogen zusammengefasster Stoffgruppen

i Zeitvertauf der bayernweiten lmmissionswirkungen [ ] 1996 Index ' durch Komponenten fossiler Brennstoffe [] 1997 Index I ~mL

[[] 1998 Index ! i

AS V "i3 Ni

2,50

2,00

1,50

' I /

^0,50^1,00

0,00

1996 1997

Abbo 5: Themenbezogene Umweltindikatoren

Verkehrsbedingte Immissionswirkungen Bayernweite verkehrsbedingte Immissionswirkungen

B

₁₉₉₈

2

2,50

2,00

1,50

1,00

0,50

0,00

Bayernweite lmmissionswirkungen durch fossile Brennstoffe

n i M

|W

1996 1997 1998

2,50 2,50

! I I L~indliche

DB~

2,00 [ ] M[]nchen I 2,00

m

1,50 ~ 1,50

J

o

1,oo ~ 1,oo

o, o M 0,5o

0,00 0,00

1996 1997 1998

Immissionswirkungen durch Komponenten fossiler Brennstoffe

I

l l L~lndliche DBS I L~. MI3nchen ~.]

i

1996 ⁾1997

, 71

1998

Abb. 6: Umweltindikator fl3r Immissionswirkungen - Vergleich der Immissionswirkungen in MLinchen mit dem bayerischen Hintergrund

Emissionstypen erwartet werden. So werden in Abb. 6 die bayernweiten den Miinchener Immissionswirkungen durch Verkehr und fossile Brennstoffe gegeniibergestellt. Demnach sind die verkehrsbedingten Wirkungen in Miinchen 1998 doppelt so hoch, wie im bayerischen Hintergrund, die Wir- kungen durch fossile Brennstoffe auf gleichem Niveau. Die Ursache flit die h6heren verkehrsbedingten Wirkungen ist dutch den Riickgriff auf Abb. 3 klar erkennbar: Antimon mit Index 5-6. Damit ist auch der Weg zu Minderungs-

maflnahmen - Reduzierung oder Ersatz von Antimon in Bremsbel~igen - ableitbar.

Letztendlich k/~nnen alle Elemente von Tabelle 1 zu einem Umweltindikator fiir Hintergrund-Immissionswirkungen von Metallen zusammengefasst werden (Abb. 7).

Die Lage der l~indlichen Dauerbeobachtungsstationen ist so ausgew~ihlt, dass sie nicht nur ihren Beitrag zur Ermittlung der bayernweiten Hintergrundbelastung liefern, sondern

1 3 4 UWSF - Z Umweltchem Okotox 13 3} 2001

(6)

2,50

2,00

1.50

-- 1,00

0,50

0,00

1996 1997 1998

A b b . 7: Umweltindikator for Immissionswirkungen yon Metallemissionen

2,50

[~ MQnchen ;~

2,00 [ ] Eining

1.50

1,00

0,50

0,00

1996 t 998

A b b . 8: Umweltindikator for Immissionswirkungen fossiler Brennstoffe - Vergleich M 0 n c h e n mit GroBraum Ingolstadt (Eining)

Vergleich Indices Eining und MQnchen 1996 Index

5,00 4,00 3,00 2,00 1.00 0,00

Index

1"3

I

⁰^M~nche.~

i i l Eining i

V Mn Co Cu As Sb Pb Ti Cr Fe Ni Zn Cd Vergleich indices Eining und M0.nchen 1998

5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00

V Mn Co Cu As Sb Pb 7] Cr Fe Ni Z~ Cd A b b . 9: Einzelstoffindizes for M 0 n c h e n und den Raum Ingolstadt

auch Einzelaussagen zu gebietstypischen Belastungen. Abb. 8 bietet den Vergleich zwischen den Immissionswirkungen durch fossile Brennstoffe an den DBS Mtinchen und Eining.

Eining liegt ca. 30 km 6stlich bis nord6stlich yon Ingolstadt und damit im Einflussgebiet der dortigen petrochemischen Aniagen.

Die Ausloser fi~r die etwas h6heren Immissionswirkungen im Raum Ingolstadt sind auch hier durch den Riickgriff auf die Einzelstoffindizies aufzuspiiren (Abb. 9).

Die Auflistung der Einzelstoffindizes 1996 und 1998 zeigt, dass yon den vier Elementen Vanadium, Arsen, Titan und Nickel, die im Indikator for fossile Brennstoffe zusamen- gefasst sind, nur die ersten drei an der DBS Eining h6her als in Miinchen sind. Gehen nur diese in einen Index fiir 'fossile Brennstoffe im Raum Ingolstadt' ein, f~illt der Vergleich zu ungunsten Ingolstadts noch deutlicher aus (Abb. 10).

2.2 Z u s a m m e n f a s s u n g v o n Ergebnissen verschiedener M e t h o d e n zum gleichen Parameter - Anreicherung organisch c h e m i s c h e r Stoffe in standardisierter Graskultur und GriJnkohl

Die Anreicherung von Organika in der Vegetation wird mit zwei verschiedenen Bioindikationsmethoden ermittelt: Von Mitte Mai bis Oktober mit der standardisierten Graskultur und yon August bis Dezember mit Grtinkohlexponaten. Wie bei den Metallen miissen organische Verbindungen, die in unterschiedlichen Umweltkonzentrationen auftreten miteinander vergleichbar und verrechenbar sein. Dartiberhinaus miissen die Egebnisse unterschiedlich akkumulierender Pflan- zen in das Indikationssystem integriert werden k6nnen. Diese Ziele sind auch hier, wie in Kapitel 2.1 beschrieben, durch Festlegung stoff- und methodenspezifischer

Bezugswerte

er- reichbar. Von den in den immissions6kologischen Messnetzen Bayerns erhobenen Stoffen Dioxine/Furane, polychlorierte Biphenyle (PCB) und polyaromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) werden hier nur die Dioxine und Furane, bestimmt als internationale Toxizidits~iquivalente (I-TEL beispielhaft bearbeitet. Die Bildung von Gruppenindikatoren mit den genannten Stoffen ist damit bier nicht m6glich, k6nnte abet unter Einbeziehung anderer Organica analog zu den Metal- len erfolgen. Am Beispiel der I-TE-Werte wird der Weg aufgezeigt, wie Erhebungen mit unterschiedlichen Methoden zu einem Indikator zusammengefasst werden k6nnen.

2,50 2,00 1,50

Vergleich der Immissionswirkungen dutch die Komponenten fossiter Brennstoffe Vanadium, Arsen und Titan - Menchen und Eining

I [ ] M0nchen i I m Eining }

u 1,00

0,50 0,00

1996 1998

A b b . 10: Umweltindikator for Immissionswirkungen fossiler Brennstoffe - Vergleich M 0 n c h e n rnit GroBraum Ingotstadt (Eining)

UWSF - Z Umweltchem 0 k o t o x 13 (3) 2001 135

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Voraussetzung da fiir ist die Ermittlung methodenspezifischer

Bezugswerte

aus Konzentrationwerten, die in zeitgleichen Exponaten bestimmt werden. Die I-TE-Werte der standardisierten Graskultur, die in fiinf vierw6chigen Serien von Mai bis Ende September exponiert wird, weisen einen deutlichen Jahresverlauf auf (LfU 1998 und 2001). Er ist vor allem durch die niedrigen I-TE-Werte im Sommer (Juni/Juli) und deren deutlichen Anstieg im August bis Ende September gepr/igt.

Die zwei achtw6chigen Griinkohl-Expositionen - August/

September und Oktober/November - zeigen die gleiche Ten- denz: in der 2. Expositionsserie sind die Dioxin/Furan-Ge- hahe deutlich h6her als in der 1. Expositionsserie. Fiir die Berechnung der

Bezugswerte

kommen damit nur die Ergeb- nisse aus dem Zeitraum gemeinsamer Exposition, also Au- gust/September (4. und 5. vierw6chige Serie mit Gras und 1.

achtw6chige Serien mit Griinkohl), in Frage {Tab. 3). Zur Berechnung wird analog zu den Metallen der Zeitraum 1996-t998 herangezogen, wobei 1997 wegen vorfiberge- hender .A.nderungen in der Expositionsmethodik nicht be- riicksichtigt wird.

Die

Bezugswerte

ffir I-TE der Graskultur mit

0,50 ng/kg

^und

des Griinkohls mit 0,16

ng/kg

erhahen, analog zum Vorge- hen bei den Metallen, jeweils den Index '1'. Der Vergleich der

Bezugswerte

zeigt, dass die Graskuhur das dreifache des Grfinkohls bei zeitsynchroner Exposition anreichert. Damit wird deutlich, wie wichtig die Index-Bildung ist, um mit

Daten, die mit unterschiedlichen Methoden erhoben werden, einen durchg/ingigen Jahresverlauf darstellen zu k6n- nen und diesen auch als Jahresmittel zu pr/isentieren. Tabel- le 4 erkliirt dieses Vorgehen. Die zeitliche Entwicklung der so errechneten Indizes ist in einer Grafik iibersichtlich darstellbar (Abb. 11).

Bei Verzicht auf die Information fiber die jahreszeitliche Abh/ingigkeit der I-TE-Immissionswirkungen und die damit verbundene M6glichkeit der Quellenzuordnung (Verkehr im ganzen Jahr, Hausbrandfiberlagerung im Sp/itherbst verbun- den mit vermehrten Inversionswetterlagen) k6nnen zur ver- einfachten Darstellung trotz unterschiedlicher Erhebungs- methoden nun auch Jahresmittelwerte abgebildet werden (Abb. 12).

Zun/ichst ist eine Abnahme der I-TE-Immissionswirkungen von 1994 bis 1996 zu verzeichnen. Die Erkl/irung fiir den leichten Anstieg von 1996 nach 1998 kann durch Rfickgriff auf die jahreszeitliche Aufschliisselung in Abb. 11 gefunden werden: Er ist allein auf eine Zunahme des 'Sp~itherbst-In- dex' zurfickzufiihren. Da nur Ergebnisse aus drei Jahren vor- liegen, k6nnen witterungsbedingte Ursachen nicht ausge- schlossen werden. Best~itigt sich dieser saisongebundene Anstieg jedoch in den Folgejahren, k6nnte z. B. eine bayernweite Zunahme 'privater Mfillverbrennung' vermutet werden, was Konsequenzen fiir die Mfillentsorgungsstraregien haben miisste.

Tabelle 3: Bezugswerte for Dioxin/Furan-lmmissionswirkungen auf Basis der internationalen Toxizitb.ts&quivalentwerte (I-TE, ng/kg Trockensubstanz) 8-wTchige Gr~nkohtexposition August/September

I-TE (ng/kg) 1996 I-TE (ng/kg) 1998

Eining 0,102 0,185

Scheyern 0,208 0,231

Grassau 0,132 0,174

Weibersbrunn 0,113 0,202

Wei 8enstadt 0,176

Bidingen 0,169

Jahresmittel 0,139 0,190

Bezugswert (gerundetes Mittel aus Jahresmittel): 0,16 ng/kg

2x4-wSchige Grase~ )osition August/September

I-TE (ng/kg) 1996 I-TE (ng/kg) 1998

Mittel Mittel

Eining 0,353 0,432

Scheyern 0,777 0,357

Grassau 0,815 0,392

Weibersbrunn 0,631 0,275

Wei 8enstadt 0,397

4. Serie 5. Serie

0,272 0,435

0,546 1,009

0,666 0,964

0,430 0,833

Bidingen

Jahresmitte| 0,644

~ n ~ g

4. Serie 5. Serie

0,350 0,515

0,252 0,462

0,372 0,413

0,239 0,311

0,315 0,480

0,224 0,415

Bezugswert (gerundetes Mittel aus Jahresmlttel):

0,319 0,362

136 OWSF - Z Umweltchem Okotox 13 (3) 2001

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Richtlinien und Empfehlungen Umwe]tindikatoren

Tabelle 4: Berechnung von Indizes for die I-TE-Immissionswirkung, ermittelt mit den Bioindikatoren standardisierte Graskultur und Gr0nkohl

Gras

GrL)nkohl

Mittelwert 1 .-3. Serie Mai-Juli

I-TE-Indizes for Gra Analysenwerte dividiert durch Bezuc 1994

0,46 4. Sede

August 0,97

5. Serie

September 1,75 1. Serie

Aug./Sept. 2,29 2. Serie

Okt./Nov. 10,23

1995 1

0,72 2,08 2,45

1,68 I

7,27

und Gr(Jnkohl =

swede 0,50 ng/kg bzw. 0,16 ng/kg 1996

0,86 0,98 1,61 1,06

1997

0,71

1998

0,46 0,65 0,92 1,27

2,62 3,39 3,91

Zusammenfassung der zeitgleichen Messungen 4. Und 5. Grasserie mit

1. GrQnkohlserie (Mittel aus 1. Grk.serie und aus Mittel 4./5. Grasserie) zu "AugusUSeptember-lndex"

1994 1995 1996 1997 1998

Gras Mai-Juli 0,46 0,72 0,86 0,46

"Gras/ August/ nicht

GriJnkohl September 1,82 1,97 1,18 m{}glich 1,03

Gr0nkohl Oktober/

November 10,23 7,27 2,62 3,39 3,91

10 8 6

4

2 0

f m Mai--Juli ~-

! [] August]September i I Ft Oktober/November .~

1994 1995 1996 1997 1998

Abb 11: Zeitvedauf der Indizes for bayernweite I-TE-Immissionswirkungen

5,00

4,00 j ~

3,00 !

2,00 1.00

o,oo

1994 1995 1996 1997 1998

Abb. 12: Umwettindikator for Dioxin- und Furan-lmmissionswirkungen I

t

3 D i s k u s s i o n u n d A u s b l i c k

Es wurde an Beispielen aufgezeigt, wie Daten des Biomonitorings dutch Berechnung von einzelstoff- und methodenbezogenen Indizes auf der Basis yon festen Bezugs- werten zu Umweltindikatoren zusammengefasst werden k6nnen, die Themenschwerpunkte beschreiben. Es war beabsichigt, ffir die bier bearbeiteten Beispiele zur Berech- hung der Bezugswerte, Daten aus dem Ftinfjahreszeitraum 1995 bis 1999 zu verwenden. Die eingehende Prtifung der vorhandenen Daten ergab jedoch, dass dies nicht in diesem

Umfang m6glich war, da die Erhebungsmethoden in diesem Zeitraum weiterentwickeh, also ver~indert wurden. Ver~,n- derungen von Monitoringmethoden w~ihrend eines zu be- trachtenden Zeitraums stellen ein Kernproblem ftir die Er- arbeitung yon Umwehindikatoren dar. Daten sind nut dann fiir Indikatoren brauchbar, soweit A-nderungen der Mess- methoden keine wesentlichen Einfliisse auf die Messergeb- nisse haben.

Letztlich konnten zur Berechnung der Bezugswerte inner- halb der geplanten Zeitspanne nur die Daten von 3 bzw. 2 Jahren verwendet werden. Die Methoden des aktiven Biomonitorings, wie sie bier ausgewertet wurden, unterla- gen durch die Bestrebungen bundesweiter Harmonosierung in den letzten Jahren h~iufig Detail~inderungen, deren Aus- wirkungen auf die Messergebnisse nur schwer absch~itzbar sin& Diese Harmonisierungsbestrebungen fiihrten zu Ent- wiirfen for neue VDI-Richtlinien zur standardisierten Gras- kuhur und Griinkohlexposition und sind damit wohl ftir i~ingere Zeit abgeschlossen.

Werden Indizes berechnet und aggregiert, die ausschliet~lich auf Daten beruhen, die mit der gleichen Methode erhoben werden, so kann die Festlegung der einzelstoffspezifischen Bezugswerte auch nur mit Ergebnissen eines beliebigen einzelnen Jahres erfolgen. Werden jedoch Ergebnisse unterschiedlicher Methoden zu Indizes verrechnet, miissen Ergeb- nisse mehrerer Jahre aus zeitgleichen Anwendungen der be- troffenen Methoden zur Ermittlung der Bezugswerte herangezogen werden. Durch die rnethodenspezifischen Bezugs- werte werden die Wirkungsaussagen der Methoden in ein festes Verh~iltnis zueinander gesetzt, was Voraussetzung fiir die Verrechnung der Indizes untereinander ist. So kommt das hier bearbeitete Beispiel zu dem Ergebnis, class der Ge- halt von 0,16 ng/kg I-TE Dioxine/Furane des Griinkohls das

UWSF -Z Umweltcnem Okotox 13 (3) 2001 137

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gteiche Wirkungsausmaf~ beschreibt, wie 0,50 ng/kg I-TE der standardisierten Graskultur (Tab. 3). Das Konzentra- tionsverh~iltnis von rund 1:3 bestimmt bei der Umrechnung der Konzentrationen in Indizes den relativen Jahresverlauf und muss deshatb auf Basis mehrer Jahre abgesichert sein.

Das Verh~ilmis der mittleren I-TE-Werte beider Methoden zueinander war 1996 1:4,6 und 1998 1:1,9. Eine Mittelwert- bildung aus mittleren I-TE-Werten yon 2 Jahren zur Bezugs- wertberechnung reicht also nicht aus, um darauf basierend zuktinftig Jahresverl/iufe yon Indizes, kombiniert aus beiden Biomonitoringmethoden, darzustellen und zum Umwelt- indikator zu verrechnen.

Um die Anzahl yon Umweltindikatoren einzuschr/inken, mtissen Einzelindizes zu Themenbereichen zusammengefasst werden. Dies kann auf der Basis bekannter 6kologischer Problembereiche oder anhand yon Vorsorgemodellen geschehen. In beiden F~illen ist eine quellen- oder wirkungsbezogene Datenauswahl m6glich. Hier wurden der Problembereich der Schadstoffimmissionen tiber den Luftpfad aufgegriffen und quellenbezogen Metalle, die aus Kfz-Emissionen bzw. der Verbrennung fossiler Stoffe (Kohle, Erd61) stammen, zu Gruppen zusammengefasst. Die wirkungsbezogene Auswahl zu Themen der menschlichen Gesundheit oder Okotoxi- kologie sind ebenfalls denkbar. Da mit den hier ausgewerte- ten Monitoringmethoden jedoch die Stoffanreicherung in Pflanzen gemessen wird, sind nur indirekte, kaum human- to• quantifizierbare Schliisse m6glich. Als 6ko- toxikologische Wirkung yon Kombinationen der betrachte- ten Stoffgruppen k~ime nur die Anreicherung in der Nah- rungskette in Frage, direkte toxische Wirkungen sind in den vorliegenden Konzentrationen nicht zu erwarten. Mit der quellenbezogenen Zusammenfassung wird eine zentrale Anforderung an Umweltindikatoren, Schlussfolgerungen ftir Minderungsmaflnahmen zu erm/Sglichen, unmittelbar erfiillt.

In Anlehnung an das 'Driving force-Pressure-State-Impact- Response-ModeU' der Europ~iischen Umwehagentur hat man damit einen 'Zustandsindikator' (State), der die Qualit~it des Umweltmediums Biota beschreibt, die durch Umweh- belastungen ver~indert wird. Gleichzeitig werden Informa- tionen tiber die 'Wirkung' (Impact) dieser Qualit/its~inderung bereitgestellt. Die Verfinderungen k6nnen dartiberhinaus unmittelbar auf die 'Verursacher' (Driving force) zurtick- geftihrt werden.

Da es notwendig ist, auch die Medien Luft, Boden und Was- ser in das Indikatoren-System einzubeziehen, liegt es nahe, letztlich eine medientibergreifende themenbezogene Zusam- menfassung von Einzelstoffindizes anzustreben. Dies kann nur tiber die quellenbezogene Betrachtung erfolgen, da

Wirkungsbetrachtungen nur medienspezifisch sein k6nnen:

eine bestimmte Stoffkombination, die z.B. fiir die Wirkung auf Wasserorganismen relevant ist diirfte ftir Ktima- verfinderungen wenig aussagekrfiftig sein. Ftir die medien- i~bergreifende Zusammenfassung ist die fachiibergreifende Zusammenarbeit alter 'Umweltbeobachtungs-Institutionen' notwendig.

Danksagung. Besonderer Dank gilt Evelyn Bach for ihre konstruktive technische Mitarbeit, die durch finanzielle Unterst~Jtzung des Bayeri- [~

schen Staatsministeriums for Landesentwicklung und Umweltfragen erm~go2icht wurde. ,

L i t e r a t u r

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Eingang: 13. 12. 2000 Akzeptiert: 16. 01. 2001 OnlineFirst: 07. 02. 2001

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