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Umweltatlas Berlin

03.07 Bioindikatoren

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Problemstellung

Als Bioindikatoren werden Organismen oder Organismengemeinschaften bezeichnet, die auf Schadstoffbelastungen mit Veränderungen ihrer Lebensfunktionen reagieren bzw. Schadstoffe akkumulieren (Arndt et al. 1987). Durch ihre spezifische biologische Wirkung werden Erkenntnisse gewonnen, die technisch-analytisch ermittelte Immissionsdaten ergänzen können. Die wichtigsten Gründe, Bioindikatoren einzusetzen, sind:

  • direkte Ermittlung biologischer Wirkungen,
  • Feststellung synergistischer und antagonistischer Wirkungen durch mehrere Schadstoffe im Organismus,
  • Früherkennung von Pflanzenschäden, von ökosystemaren Belastungen oder von humantoxischen Gefährdungen und
  • vergleichsweise geringe Kosten im Vergleich zu technischen Meßverfahren.

Den erheblichen Möglichkeiten bei der Umweltüberwachung mit Bioindikatoren stehen oft methodische Schwierigkeiten gegenüber, die sich aus der Verwendung "lebender Meßinstrumente" ergeben. So können die Wirkungen von Umweltbelastungen nicht immer eindeutig von natürlichen Streßfaktoren unterschieden werden. Auch erschwert die teilweise noch geringe Praxiserfahrung bei bestimmten Indikatoren eine sichere Interpretation von Befunden, insbesondere wenn keine vergleichenden Immissionsmessungen zur Verfügung stehen.

Infolge intensiver Forschungen in den letzten Jahrzehnten stehen heute jedoch zahlreiche Bioindikatoren zur Verfügung, die den Anforderungen an leichte Handhabung, Standardisierbarkeit, Kosten und Auswertbarkeit weitgehend entsprechen (vgl. Arndt 1987, Zimmermann u. Umlauff-Zimmermann 1994).

Unterschieden werden Akkumulationsindikatoren, die Schadstoffe anreichern, ohne mit nachweisbaren Veränderungen im Stoffwechsel zu reagieren, und Reaktionsindikatoren, die bereits nach Aufnahme geringer Schadstoffmengen Zellveränderungen oder sichtbare Schadsymptome aufweisen.

Wenn zur Bioindikation Organismen, Organismengemeinschaften oder Teile von Organismen verwendet werden, die einen natürlichen Bestandteil von Ökosystemen bilden und spontan dort vorkommen, wird dieses Verfahren als passives Biomonitoring bezeichnet. Unter dem Begriff aktives Biomonitoring werden alle Methoden verstanden, die das Ausbringen von Organismen unter kontrollierten Bedingungen an einen Untersuchungsort beinhalten.

Immissionsökologisches Wirkungskataster

Die Senatsverwaltung für Stadtentwicklung, Umweltschutz und Technologie führt seit 1991 umfangreiche Untersuchungen zur Erfassung von Immissionswirkungen durch, wobei das Schwergewicht auf den für Ballungsgebiete typischen Schadstoffkomplexen liegt (SenStadtUm 1993a). Alle eingesetzten Bioindikationsverfahren verfügen über Vor- und Nachteile, so daß in der Praxis entsprechend der jeweiligen Fragestellung nicht nur einzelne Bioindikatoren, sondern möglichst aufeinander abgestimmte Fächer von Indikatororganismen eingesetzt werden. Dieser systematische Einsatz von Bioindikatoren ist Gegenstand des immissionsökologischen Wirkungskatasters im Rahmen des Monitoringprogramms Naturhaushalt in Berlin. Die so gewonnenen Ergebnisse stellen wichtige Ergänzungen zu den Daten der Luftüberwachung dar, wie sie vor allem mit dem Berliner Luftgüte-Meßnetz (BLUME) nach dem Stichprobenmeßprogramm seit Jahren erfolgt.

Der erhebliche Umfang der bisher im Rahmen des immissionsökologischen Wirkungskatasters gewonnenen Daten und Erkenntnisse erfordert bei der Darstellung im Umweltatlas eine Beschränkung auf Ergebnisse, die eine Differenzierung von Belastungsbereichen zulassen, die bereits hinreichend abgesichert sind und die als Planungsgrundlagen von besonderer Bedeutung sein können.

Die Darstellung im Umweltatlas berücksichtigt in nahezu gleichem Maße aktive und passive Bioindikationsverfahren sowie Akkumulations- und Reaktionsindikatoren (vgl. Abb. 1). Die ausgewählten Ergebnisse ermöglichen sowohl einen Überblick über die allgemeine Immissionssituation in Berlin, wie sie durch Wirkungen auf natürlich vorkommende und exponierte Flechten deutlich wird, als auch auf spezielle regionale Belastungsmuster, wie sie durch die Akkumulation bestimmter Stoffe in Kiefernnadeln, Weidelgras und Grünkohl indiziert werden.

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Abb. 1: Bioindikationsverfahren des immissionsökologischen Wirkungskatasters

Weitere Ergebnisse der Untersuchungen des Wirkungskatasters, die hier nicht vorgestellt werden (vgl. Abb. 1) sind den entsprechenden Gutachten und Veröffentlichungen zu entnehmen (vgl. Literatur).

Bei der Bewertung von Untersuchungsbefunden kann in einigen Fällen auf frühere Forschungsarbeiten zurückgegriffen werden, durch die ein zeitlicher Vergleich allgemeiner Immissionswirkungen und bestimmter stofflicher Belastungen ermöglicht wird (vgl. Cornelius et al. 1984). Derartige Referenzdaten stellen für die Bewertung der Belastungssituation in Berlin heute wertvolle Maßstäbe dar, da so auch Veränderungen der Luftqualität während des letzten Jahrzehnts dokumentiert werden können.

Untersuchte Schadstoffe

Die Auswahl der analysierten Schadstoffe berücksichtigt human- und phytotoxische sowie ökosystemare Aspekte. Die gewonnenen Informationen können somit zu einer übergeordneten Betrachtung der Umweltbelastung im Berliner Raum genutzt werden. Im Mittelpunkt des immissionsökologischen Wirkungskatasters stehen die folgenden Schadstoffe:

Verhältnismäßig hohe Schwefeldioxid- und Staubimmissionen kennzeichneten die Berliner Luft besonders während der Wintermonate bei austauscharmen Wetterlagen noch bis zum Ende der 80er Jahre. Hierfür war insbesondere der erhebliche Anteil schwefelhaltiger Braunkohle bei der Wärmeerzeugung in Altbauwohngebieten verantwortlich (vgl. Karte 03.01, SenStadtUm 1994).

Hohe SO2-Gehalte in der Luft, die als Gas oder in wässriger Lösung in die Pflanzenzelle eindringen, können pflanzenschädigende Wirkungen hervorrufen. Durch weitere Reaktionen von SO2 entstehen Säuren, die als Niederschlag in den Boden eingetragen werden und indirekte Schäden, wie Nährstoffmangel und Säurestreß, auslösen können. Die Konzentrationsgrenzen für eine direkt schädigende Wirkung liegen für Pflanzen deutlich unter denen für Menschen und Tiere. Hohe Schwefeldioxidkonzentrationen führen zu den als Rauchschäden bekannten Schadsymptomen an Nadelbäumen, die sich durch unspezifische Chlorosen, Nekrosen, Wachstumsdepressionen und Beeinträchtigungen der Reproduktion bemerkbar machen.

Das Schwermetall Blei ist aufgrund seiner Toxizität von besonderer Umweltrelevanz. Hauptquelle ist immer noch das verbleite Benzin. Da Bleipartikel fast vollständig auf der Oberfläche von Blättern verbleiben, kann nur ein geringer Anteil physiologisch wirksam werden und Pflanzen schädigen. Allerdings kann auf diesem Wege eine Anreicherung des Stoffes in der Nahrungskette erfolgen, so daß toxische Auswirkungen bei Weidetieren oder beim Menschen nicht auszuschließen sind.

Fluor wird bei verschiedenen industriellen Prozessen, bei der Abfallverbrennung sowie bei der Energieerzeugung aus fossilen Brennstoffen freigesetzt. Fluorwasserstoffschädigungen bei Pflanzen treten vornehmlich an Blatträndern und -spitzen als Nekrosen auf. Fluoride werden in Pflanzen akkumuliert und führen zu Blattschäden und Wachstumshemmung.

Polycyclische Aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) werden hauptsächlich bei unvollständiger Verbrennung (u.a. in Verbrennungsmotoren und Heizungsanlagen) emittiert, gelangen jedoch auch durch Abwaschungen von teer- und bitumengedeckten Flächen in die Umwelt. Die Aufnahme in den menschlichen Organismus erfolgt vorwiegend über Atmung, aber auch über Nahrung und Hautkontakt. Aufgrund der erheblichen kanzerogenen und mutagenen Potenz der Stoffgruppe stehen humantoxikologische Aspekte gegenüber phytotoxischen Wirkungen im Vordergrund. Hierbei gilt insbesondere Benz(a)pyren (BaP) als wesentliche Leitkomponente von PAK-Gemischen.

Polychlorierte Biphenyle (PCB) sind in der Umwelt heute ubiquitär verbreitet. Trotz der Einstellung der Produktion des Stoffes in Deutschland im Jahr 1983 erfolgen weiterhin erhebliche diffuse Emissionen aus Mülldeponien, der Altöl- und Abfallverbrennung sowie aus Leckagen. Durch Anreicherung in der Nahrungskette gelangen PCB vorzugsweise durch tierische Nahrung in den menschlichen Organismus. Während die Akkumulation in Pflanzen von geringer phytotoxischer Bedeutung zu sein scheint, muß der Exposition der Bevölkerung angesichts fruchtschädigender und des begründeten Verdachts auf kanzerogene Wirkungen große Beachtung geschenkt werden.

Polychlorierte Dibenzodioxine (PCDD) und Polychlorierte Dibenzofurane (PCDF) sind unerwünschte Nebenprodukte, die bei chemischen und thermischen Prozessen unter Beteiligung von Chlor und seinen Verbindungen entstehen und in die Umwelt gelangen. Hauptemissionsquellen in Berlin sind Industriebetriebe, Müllverbrennungsanlagen, Kraftwerke, Metallrecyclinganlagen, Kfz-Verkehr, Hausfeuerungen und kontaminierte Flächen als Sekundärquellen. Die als "Dioxine" bekannt gewordene Stoffgruppe reichert sich in der Nahrungskette an und gelangt vorwiegend über fetthaltige Lebensmittel tierischer Herkunft in den menschlichen Organismus. Insgesamt ist sowohl das Verhalten dieser Stoffe in der Umwelt als auch die Toxizität für den Menschen noch ungenügend bekannt. Die im Rahmen des immissionsökologischen Wirkungskatasters durchgeführten Untersuchungen stellen deshalb einen wichtigen Beitrag zur Umweltrelevanz dieser Stoffe in Berlin dar.

Darüber hinaus wurden die Wirkungen Leichtflüchtiger chlorierter Kohlenwasserstoffe sowie von Photooxidantien (Ozon) und Stickoxiden mit Hilfe von Bioindikatoren untersucht. Diese Ergebnisse werden nicht dargestellt, sondern können den entsprechenden Fachgutachten entnommen werden.

Bioindikationsverfahren

Die Karten 03.07.1 bis 4 enthalten Erkenntnisse, die seit 1991 mit Hilfe von Bioindikatoren über Immissionswirkungen in Berlin gewonnen werden konnten. Hierbei ist zwischen der Feststellung biologischer Effekte durch einen Komplex allgemeiner, summativ wirkender Luftbelastungsfaktoren und dem analytischen Nachweis spezifischer Schadstoffe zu unterscheiden.

So können schadstoffbedingte Reaktionen des Flechtenorganismus im Rahmen eines "screening" als erste Hinweise auf das Vorliegen einer Belastungssituation genutzt werden (Karte 03.07.1). Zur Differenzierung kleinräumiger Belastungsmuster in Gebieten, in denen eine artenreiche natürliche Flechtenvegetation nicht mehr existieren kann, wird die Exponierung von Hypogymnia physodes eingesetzt (Karte 03.07.2). Neben diesen Befunden können relevante Schadstoffe mit geeigneten Akkumulationsindikatoren isoliert und im Hinblick auf human- und phytotoxische sowie ökosystemare Wirkungen bewertet werden (Karten 03.07.3/4).

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