Analyse ökotoxikologischer Testergebnisse von Hamburger Elbsedimenten in Beziehung zu Schadstoffgehalten und weiteren sedimentbezogenen Parametern

Abstract

Ziel der vorliegenden Arbeit war herauszustellen, inwieweit die ökotoxikologischen Analyseergebnisse mit einzelnen sedimentbezogenen Parametern (z.B. Schad- und Nährstoffgehalten) korreliert sind und ob dies auf Basis vorliegender Literaturdaten kausal begründbar erscheint. Dabei sollten potentiell einflussstarke Parameter herauskristallisiert werden, deren Untersuchung im Rahmen weiterer Analysen lohnenswert erscheint. Hierfür wurde ein Datensatz an chemischen, chemisch-physikalischen und ökotoxikologischen Analyseergebnissen von Hamburger Elbsedimentproben (n = 606) aus den Jahren 2005 – 2016 statistisch analysiert. Es wurde geprüft, inwieweit die ökotoxikologischen Testergebnisse (% Effekt der Sedimentkontakttests mit Arthrobacter globiformis und Corophium volutator (DIN EN ISO 16712) sowie pT-Werte und % Effekt in Verdünnungsstufe G1 der Verfahren in Porenwasser (PW) und Eluat (EL) mit Vibrio fischeri (DIN EN ISO 11348-2), Desmodesmus subspicatus (DIN 38 412-33), Daphnia magna (DIN 38 412-30) sowie Phaeodactylum tricornutum (DIN EN ISO 10253)) mit Schadstoffgehalten im Sediment (Schwermetalle in Gesamtfraktion und Fraktion < 20 μm, organische Schadstoffe in Gesamtfraktion und Fraktion < 63 μm) sowie Begleitparametern in Sediment (z.B. Körnung) und in PW und EL (z.B. Ammonium, Leitfähigkeit) nach Spearman korreliert sind. Die Anzahl der geprüften Wertepaare beträgt 34 – 757 (mehrheitlich > 400). Da wegen des Probenumfangs schon niedrige betragsmäßige Korrelationskoeffizienten |r| signifikant sind und die Signifikanzberechnung aufgrund von Bindungen ungenau ist, wurde v.a. die Höhe der Korrelationskoeffizienten betrachtet. Es zeigte sich, dass die beiden Sedimentkontakttests zu keinem Parameter sowie die im Sediment bestimmten Begleitparameter zu keinem ökotoxikologischen Verfahren |r| ≥ 0,50 aufwiesen. Bei den Testverfahren in der Wasserphase war V. fischeri mit r = 0,68 (% Hemmung G1) und r = 0,58 (pT-Wert) mit dem Gehalt an DOC (Dissolved Organic Carbon) im EL korreliert. P. tricornutum (% Hemmung G1) korrelierte in EL mit Arsen (r = 0,52), Chrom (r = 0,52), Nickel (r = 0,52), Zink (r = 0,50) und PCDD/ PCDF (Polychlorierte Dibenzo-p-Dioxine/ - Furane) (r = 0,55) in der Gesamtfraktion sowie im PW (pT-Wert) mit der Leitfähigkeit (r = 0,53). Die meisten |r| ≥ 0,50 der vorliegenden Korrelationsanalyse traten bei D. magna und D. subspicatus in Beziehung zu Schadstoffen sowie zu Begleitparametern auf. D. subspicatus (% Hemmung G1) korrelierte z.B. im PW mit der Leitfähigkeit (r = 0,67) und mit dem Ammoniumgehalt (r = 0,80) sowie im EL mit dem DOC-Gehalt (r = 0,75) und mit dem Cadmiumgehalt (Gesamtfraktion; r = 0,59). D. magna (% Schwimmfähigkeit G1) ist im PW mit Ammonium (r = -0,70), Cadmium (Feinfraktion; r = -0,61), Zink (Feinfraktion; r = -0,59) und TeBT (Tetrabutylzinn) (Gesamtfraktion; r = -0,58) sowie im EL mit DOC (r = -0,63) und PCDD/ PCDF (Gesamtfraktion; r = -0,62) korreliert. Der pT-Wert von D. magna ist u.a. im PW mit Ammonium (r = 0,70) und im EL mit PCDD/ PCDF (Gesamtfraktion; r = 0,67) korreliert. Neben den exemplarisch genannten Beziehungen, waren auch Metabolite des DDT (Dichlordiphenyltrichlorethan) in Gesamt- und Feinfraktion z.T. mit |r| ≥ 0,50 mit den Ergebnissen von D. magna und D. subspicatus korreliert. D. magna war weiterhin im PW mit dem Kupfergehalt (Feinfraktion) korreliert (pT-Wert: r = 0,51; % Schwimmfähigkeit G1: r = -0,57). Aufgrund der starken Korrelation von D. magna und D. subspicatus zum Ammonium ist unter Einbeziehung von Literaturdaten aus Laboruntersuchungen anzunehmen, dass der Gehalt am Ammonium bzw. am daraus resultierenden Ammoniak im vorliegenden PW und EL Einfluss auf die G1-Effekte und die pT-Werte der Sedimentproben haben kann. Hierbei muss berücksichtigt werden, dass auch mit dem Ammonium assoziierte Schadstoffe für die vorliegenden Korrelationen mitverantwortlich sein können. Aufgrund der vorliegenden Korrelationen und dem Vergleich der Messwerten mit dem Effects Range-Median nach Long et al. (1995) und mit dem oberen Schwellenwert nach FGG Elbe (2014) erscheinen weitere Analysen – beispielsweise hinsichtlich sedimentbezogener ökotoxikologischer Effektwerte für D. magna und D. suspicatus – v.a. für Zink, Cadmium, p,p-DDD (Dichlordiphenyldichlorethan), PCDD/ PCDF und TeBT erstrebenswert. Es bleibt zu berücksichtigen, dass die Proben diverse Substanzen – darunter auch viele nicht analysierte Schadstoffe - enthalten, die auf die ökotoxikologischen Testergebnisse einwirken können. In den Korrelationskoeffizienten spiegelt sich also keinesfalls die Wirkung eines isolierten Einzelstoffs auf einen Testorganismus wider. Auch die Bioverfügbarkeit der Schadstoffe kann von weiteren Parametern abhängig sein.

The aim of the current study was to figure out how far ecotoxicological test results correlate with sediment parameters (e.g. content of contaminants and nutrients) and whether a causal based correlation seems plausible regarding literature data. A further purpose of this study was to identify those parameters, which potentially influence the results of the bioassays particularly and therefore should be regarded in further statistics and laboratory tests. In the present study a database of chemical, physico-chemical and ecotoxicological results of sediment samples taken from the Elbe in Hamburg (n = 606), quantified from 2005 – 2016, have been analysed statistically. Hence, a correlation analyses according to Spearman has been performed to review the relationship between ecotoxicological test results (% effect of whole sediment bioassay with Arthrobacter globiformis and Corophium volutator (DIN EN ISO 16712) as well as pT-value and % effect in dilution stage G1 of bioassays in pore water (PW) and eluate (EL) performed with Vibrio fischeri (DIN EN ISO 11348-2), Desmodesmus subspicatus (DIN 38 412-33), Daphnia magna (DIN 38 412-30) and Phaeodactylum tricornutum (DIN EN ISO 10253)) and the contaminant content in sediments (heavy metals in whole fraction and fraction < 20 μm, organic contaminants in whole fraction and fraction < 63 μm) and associated parameters in sediment (e.g. grain size) and in PW and EL (e.g. ammonia, conductivity). The number of values included into the correlation analyses varied from 34 to 757 (majority > 400) due to different numbers of determination for each test and parameter. Because of the huge amount of sample results, low absolute correlation coefficients |r| are considered statistically significant. Due to ties, the calculation of significance is furthermore not totally accurate. That is why the focus of the analyses was on the correlation coefficients. The results show that both relations between the whole sediment bioassays and parameters on the one hand and the associated parameters determined in sediment samples and the ecotoxicological results on the other hand are weak (|r| < 0,50 in all cases). Though, regarding the tests performed in the water phase V. fischeri correlated with r = 0,68 (% inhibition G1) and r = 0,58 (pT-value) with the content of DOC (Dissolved Organic Carbon) in EL. P. tricornutum (% inhibition G1) in EL correlated with arsenic (r = 0,52), chrome (r = 0,52), nickel (r = 0,52), zinc (r = 0,50) and PCDD/ PCDF (Polychlorinated Dibenzo-p-Dioxins/ -Furans) (r = 0,55) in the whole fraction. Performed in PW P. tricornutum (pT-value) correlated with the conductivity (r = 0,53). The majority of |r| ≥ 0,50 has been observed in the tests with D. magna and D. subspicatus in relation to the content of contaminants and associated parameters. D. subspicatus (% inhibition G1) in PW e.g. correlated with the conductivity (r = 0,67) and the ammonia content (r = 0,80). In EL it correlated with the DOC content (r = 0,75) and the content of cadmium (whole fraction; r = 0,59). D. magna (% mobility G1) in PW correlated with the content of ammonia (r = -0,70), cadmium (fine fraction; r = -0,61), zinc (fine fraction; r = -0,59) and TeBT (Tetrabutyltin) (whole fraction; r = -0,58). In EL it is furthermore correlated with DOC (r = -0,63) and PCDD/ PCDF (whole fraction; r = -0,62). While the pT-value of Daphnia in PW correlated with the ammonia content (r = 0,70), it shows in EL a comparable correlation with the content of PCDD/ PCDF (whole fraction; r = 0,67). In addition to the shown examples, metabolites of DDT (Dichloro-Diphenyl-Trichloroethane) in whole and fine fraction correlated with the results of the bioassays of D. magna and D. subspicatus. Furthermore D. magna in PW correlated with the content of copper (fine fraction; pT-value: r = 0,51; % mobility G1: r = -0,57). Because of the strong correlation in case of D. magna and D. subspicatus with the ammonia content it could be concluded, that – regarding relevant values from former laboratory tests published in the literature – the ammonia content in the present PW and EL has likely influenced the results of the bioassays both regarding G1 effects and pT-values. However, the potential effects of toxic substances correlated with the ammonia content, which have not been measured in the samples, should be considered. Regarding the height of the correlation coefficients and the detected content of contaminants in the present samples compared to the Effects Range-Median described by Long et al. (1995) and the upper threshold value by FGG Elbe (2014) further analysis – e.g. laboratory tests for sediment based ecotoxicological values for D. magna and D. subspicatus – should especially be performed for zinc, cadmium, p,p’-DDD (Dichloro-Diphenyl-Dichloroethane), PCDD/ PCDF and TeBT. It has to be considered that all samples contain several substances – including many contaminants that have not been analysed – which may influence the ecotoxicological test results. The correlation coefficients do not represent the effect of a single substance on the test organism. Also the bioavailability of toxic substances might vary depending on other parameters.