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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:luen4-opus-141513
URL: http://opus.uni-lueneburg.de/opus/volltexte/2008/14151/


Ökologische Risikoabschätzung von Pestiziden in kleinen Fließgewässern anhand von Felduntersuchungen in Mittel- und Nordeuropa

Ecological risk assessment for pesticides in streams using field studies in Central and North Europe

Schäfer, Ralf B.

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SWD-Schlagwörter: Pestizid , Feldversuch , Makroinvertebraten , Umweltanalytik , Fließgewässer
Freie Schlagwörter (Englisch): pesticides , field study , macroinvertebrates , streams , analytics
Institut: Chemie
Fakultät: Fak 3 - Umwelt und Technik (alt)
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Ruck, Wolfgang (Prof. Dr.)
ISBN: 1860-0387
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 19.02.2008
Erstellungsjahr: 2008
Publikationsdatum: 14.03.2008
Kurzfassung auf Deutsch: Süßwasserökosysteme stellen für menschliche Gesellschaften verschiedene Ökosystemdienstleistungen wie zum Beispiel Trinkwasser oder Fischressourcen bereit. In der modernen Landwirtschaft kommen große Mengen von Agrochemikalien zum Einsatz, die in die Fließgewässer gelangen und dort zur Schädigung des Ökosystems führen können. Die vorliegende Arbeit trägt wichtige Erkenntnisse zur Abschätzung von Exposition und Effekten bei, die aus dem Eintrag von Pestiziden in Fließgewässerökosysteme resultieren können. Dabei wird eine der umfangreichsten Feldstudien zu den Auswirkungen der Pestizidbelastung in kleinen landwirtschaftlichen Fließgewässern vorgestellt. Die Feldstudie wurde an 29 Bächen in zwei Gebieten Finnlands und Frankreichs durchgeführt und umfaßte die Aufnahme der Zusammensetzung der Invertebratengemeinschaften und eines wichtigen Ökosystemprozesses, dem Blattabbau. Des Weiteren wurde ein Pestizidmonitoring für Verbindungen durchgeführt, die nach den Ergebnissen behördlicher Untersuchungen in ökotoxikologisch relevanten Konzentrationen in den Gewässern vorkommen. Nach der Einleitung (Kapitel 1), werden in den Kapiteln 2-4 neue Methoden zur Erfassung der Pestizidbelastung von Fließgewässern vorgestellt und bewertet. Die Ergebnisse aus der Feldstudie zu den Auswirkungen von Pestiziden werden im Kapitel 5 präsentiert. Im 2. Kapitel wird eine neue Methode zur Erfassung von schwebstoffadsorbierten Pestiziden vorgestellt, bei der die Extraktion mit der beschleunigten Lösemittelextraktion (ASE) durchgeführt wurde. Die Methode zeigte gute Ergebnisse bezüglich Exaktheit und Genauigkeit der Wiederfindung bei der Extraktion 10 polarer und semi-polarer Pestizide verschiedener chemischer Klassen. Bei der Anwendung der Methode auf Schwebstoffproben aus den französischen Bächen wurden Konzentrationen gefunden, die auf Invertebraten toxisch wirken könnten. Zusätzlich wurde in dieser Studie die Geeignetheit von deuterierten Standards der Analyten zur Verwendung als interne Standards während der Extraktion, Aufreinigung und Analytik untersucht. Dabei zeigte sich, daß bei deuterierten Standards mit weniger als 10 Deuteriumatomen Unterschiede im Verhalten zur nicht-deuterierten Verbindung auftreten können. Das folgende Kapitel stellt ein Kalibrationsexperiment zur Ermittlung von Sammelraten für den Chemcatcher® Passivsammler mit polarer Empfängerphase vor. Sammelraten für Passivsammler werden benötigt, um nach der Ausbringung in Gewässern zeitlich-gewichtete Durchschnittskonzentrationen (engl. TWA) berechnen zu können. Für den Chemcatcher® bewegten sich die Sammelraten im Bereich von 0.1 bis 0.5 L pro Tag. Das Kalibrationsexperiment ergab zudem, daß der Chemcatcher® ohne diffusionslimitierende Membran für Felduntersuchungen mit bis zu 14 Tagen Expositionszeit geeignet ist. Die ermittelten Sammelraten werden im 4. Kapitel verwendet, um TWAs für die Freilandexposition des Chemcatchers® in den französischen Bächen zu berechnen. Ferner wird die Leistungsfähigkeit des Chemcatchers® mit zwei weiteren Verfahren zur Erfassung von gewässerbezogener Pestizidbelastung verglichen. Dabei zeigte sich, daß die Probenahme der Wasserphase mit dem Chemcatcher® oder einem ereignisbezogenen Wasserprobenehmer bei polaren und semipolaren Pestiziden ein angemesseneres Bild der Belastung liefert als die Probenahme der Schwebstoffphase. Das 5. Kapitel ist den Auswirkungen von Pestiziden gewidmet und präsentiert eine Risikoabschätzung für die Auswirkungen der Pestizideinträge in die französischen und finnischen Gewässer. Zusätzlich werden potentielle Effekte auf den Blattabbau untersucht und die Anwendbarkeit des „Gefährdete Arten“ (SPEcies At Risk - SPEAR) Index für das länderübergreifende Biomonitoring beurteilt. Das Hauptergebnis der Studie ist, daß Pestizide selbst in Konzentrationen, die bisher als unbedeutend angesehen wurden, sowohl die Struktur der Invertebratengemeinschaften verändern als auch den Blattabbau hemmen können. Des Weiteren war der SPEAR Indikator geeignet, Effekte von Pestiziden über verschiedene Regionen hinweg nachzuweisen. Zusammenfassend weist diese Arbeit nach, daß Pestizide einen wichtigen Störfaktor für Fließgewässerökosysteme darstellen können und liefert Methoden zur Expositions- und Effektabschätzung die in zukünftigen Studien Anwendung finden könnten.
Kurzfassung auf Englisch: Freshwater ecosystems deliver various goods and services for human societies such as provisioning of water and fish resources. Modern agriculture is associated with the release of a large amount of agrochemicals that may enter into streams and result in deterioration of freshwater ecosystems. The present thesis contributes to the assessment of exposure and effects resulting from pesticide input into stream ecosystems and presents one of the largest field studies on the impacts of pesticide contamination in agricultural streams. The field study was conducted in 29 streams of two regions in France and Finland and comprised monitoring of invertebrate community composition and of an important ecosystem process, the leaf-litter breakdown. Furthermore, pesticide monitoring was performed for selected compounds that were previously found at ecotoxicologically relevant concentrations in streams of the study area according to information from local authorities. After the general introduction (Chapter 1), Chapters 2-4 introduce and evaluate sampling and determination methods for pesticide exposure. The results concerning the effects of pesticides in the field studies are presented in Chapter 5. In Chapter 2, a new method for the determination of 10 particle-bound pesticides using accelerated solvent extraction (ASE) is presented. The method developed here showed good results in terms of accuracy and precision in the extraction of polar and semi-polar pesticides belonging to different chemical classes. When applied to the extraction of field samples from streams, the detected concentrations reached levels that may have toxic effects on invertebrate species. In addition, the use of 6 deuterated analogues of the target compounds as internal standards during extraction, cleanup and analysis was examined. The study demonstrates that dissimilarities may occur in the behaviour of target compounds and deuterated analogues for analogues with less than 10 deuterium atoms. The following chapter describes a calibration approach to derive sampling rates for the Chemcatcher® passive sampler equipped with a receiving phase for polar and semi-polar pesticides. Sampling rates are needed to estimate time-weighted average water concentrations from field deployments of non-equilibrium passive samplers. The sampling rates obtained in the experiment were in the range of 0.1 to 0.5 L/day for the study compounds. In general, the experiment demonstrated that the Chemcatcher® passive sampler is suitable for field deployments up to 14 days in the configuration without a diffusion-limiting membrane. In Chapter 4 the provided sampling rates are used to compute time-weighted average water concentrations for the field deployment of the Chemcatcher® in the French streams. Furthermore, this chapter compares the performance of the Chemcatcher® to the performance of two other sampling systems when used to detect pesticide exposure in streams. The study suggests that sampling waterborne exposure with the Chemcatcher® or an event-driven water sampler gives a more appropriate picture of the contamination with polar and semi-polar pesticides than sampling suspended particles. Chapter 5 is devoted to the effect side, where the risk assessment of the pesticide input in the French and Finnish streams for invertebrate communities is presented. In addition, the impact of pesticides on leaf-litter breakdown was investigated and the applicability of the trait-based Species At Risk (SPEAR) index to detect pesticide stress in large-scale biomonitoring was evaluated. The results of this chapter show that pesticides may alter invertebrate community composition and lead to an impairment of the leaf-litter breakdown at levels that were considered to be protective previously. Moreover, the study demonstrates the suitability of the SPEAR index to detect effects of pesticides when used on biomonitoring data including different biogeographical regions. In conclusion, the thesis adds to the growing evidence that pesticides present an important stressor for aquatic ecosystems and provides tools that can be applied in future studies on the exposure and the effects of pesticides in aquatic systems.


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Letzte Änderung: 10.11.16