Grenzen der Möglichkeiten des Biologischen Effekt Monitoring

Zusammenfassung

Es wird heute immer deutlicher, daß ohne Erkenntnisse über die Wirkung der in die Umwelt entlassenen Schadstoffe, die Überwachung der Meere unvollständig bleibt. Folgerichtig werden erst seit einigen Jahren systematische Untersuchungen schadstoffbedingter biologischer Effekte nicht nur im aquatischen Milieu durchgeführt.

Der theoretische Ausgangspunkt, daß Schadstoffe, in bestimmten Konzentrationen und über längere Zeiträume appliziert, negative Auswirkungen auf Organismen haben, wird allgemein akzeptiert. Der Nachweis eines solchen Zusammenhanges in situ fällt außerordentlich schwer.

In der Vergangenenheit ging man bei Erklärungen von Ursachen für Veränderungen in der Umwelt von monokausalen Einflußnahmen aus. Inzwischen weiß man, daß solche Phänomene multifaktoriell bedingt sind, wobei hinzukommt, daß nicht nur anthropogene Einflüsse, sondern auch natürliche Ursachen eine Rolle spielen können. Am Beispiel der Fischkrankheiten wurde gefordert, daß immer dort, wo hohe Krankheitshäufigkeiten angetroffen wurden, auch hohe Schadstoffkonzentrationen in allen daraufhin untersuchten Kompartimenten auzutreffen sein müßten und vice versa.

Zu den Annahmen, die in den frühen Tagen der Diskussion eine Rolle gespielt haben, gehörte, daß Schadstoffkonzentrationen in Küstennähe hoch sind und mit zunehmender Entfernung von der Küste abnehmen. Heute kennen wir eine ganze Reihe von sehr komplexen Schadstoffgradienten. Des weiteren wissen wir, daß die Organismen keineswegs so stationär sind, wie wir ursprünglich angenommen haben. Auch ist heute klarer als früher, daß eine Vielzahl von Faktoren biologische, Beeinträchtigungen an Organismen hervorrufen können. Zu diesen gehören nicht nur die wenigen Schadstoffe, die wir heute analysieren können, sondern auch natürliche Einflußgrößen, wie beispielsweise die Nahrung und hydrographische, Bedingungen.

Es ist daher die Frage zur stellen, ob wir es nicht, wie schon in der Vergangenheit, bei einem chemischen Monitoring bewenden lassen sollten. Diese Frage ist mit einem klaren Nein zu beantworten. Es gibt nicht nur in der Nordsee, sondern in allen belasteten aquatischen Ökosystemen, an einer Vielzahl von Organismen auf allen Organisationsniveaus Hinweise auf schadstoffbedingte Effekte, die in ihrer Gesamtheit als Streßsignale bewertet werden müsen. Für jeden Einzelfall mag umstritten sein, welche anthropogenen Einflußgrößen kausal an der Hervorrufung der Phänomene beteiligt gewesen sind. Häufig ist von Kritikern von Freilanduntersuchungen die Forderung zu hören gewesen, daß Arbeiten in situ stets von sorgfältig durchgeführten, Experimenten begleitet werden müssen. Das ist in der Vergangenheit wiederholt geschehen. Allerdings zeigte sich immer wieder, daß die in Experimenten gewonnenen Ergebnisse nicht auf die Freilandsituation übertragbar waren.

In jüngerer Zeit wurden Methoden entwickelt, die sich von der Beurteilung äußerlich erkennbarer Mißbildungen und Abweichungen über histologische Techniken unter Verwendung elektronenoptischer Geräte bis hin zur Betrachtung von Zellorganen bewegen. Vertreter dieser Arbeitstechniken sind der Meinung, daß sie mit ihren Methoden Fragen nach der Kausalität eindeutig beantworten könnten. Eine Reihe dieser Methoden wurde während des ICES-Workshops im März 1990 in Bremerhaven angewendet. Es zeigte sich, daß in Abhängigkeit von der Schadstoffgruppe und den individuellen Schadstoffen es sehr unterschiedliche Gradienten sowohl in Sedimenten als auch in den Organismen gab. Korrelationen zwischen den biologischen Zustandsgrößen und den Konzentrationen von Schadstoffen konnten daher auch nur für einen Teil der Schadstoffe und der biologischen Effekte errechnet werden.

Als Resultat des ICES-Workshops in Bremerhaven wurde festgehalten, daß immer eine Kombination von biologischen Zustandsgrößen untersucht werden sollte. Zu diesen gehörten sowohl biochemische als auch großpathologische, und als besonders vielversprechend wurden Biomarker für Degenerationserscheinungen in der Leber für Schadstoffexpositionen auf zellulärem Niveau angesehen. Auch diese Methoden können klare Aussagen über Kausalitäten in situ nicht ermöglichen. Es ist daher zu fordern, daß die Messung biologischer Zustandsgrößen über längere Zeiträume und in Kombination mit einer breiteren chemischen Analytik zu erfolgen hat.

Summary

It is nowadays becoming increasingly clear that monitoring of the seas is incomplete without an understanding of the effects of contaminants discharged into the environment. Systematic investigations into pollutant-induced biological effects have only been carried out for a number of years now both on land and in the marine environment.

In the theory it is generally accepted that contaminant applied in certain concentrations and over a long period of time negatively affect organisms. Proving this in situ is extremely difficult, however.

In the past, explanations for changes in the environment assumed single causes. It is now known that such phenomena are caused by a multiplicity of factors and that natural causes—in addition to anthropogenic ones—can also play a part. The example of fish diseases lead to the belief that where a high incidence of disease occurred, high concentrations of contaminants would also be found in all investigated compartments and vice versa.

At an early stage of discussions, one of the assumptions was that inshore concentrations of contaminants are high and that they decrease with increasing distance from the coast. We now know a whole series of complex contaminant gradients. We also know that organisms are not as stationary as we had initially assumed. Likewise, it is now clearer that the biological impairment of organisms is caused by many factors. Among these are not only the few contaminants which we are today able to analyse, but also the influence of natural factors such as food and hydrographic conditions.

The question is therefore raised whether chemical monitoring alone would suffice, as was felt in the past. The answer is clearly no. Pollutant-induced effects are seen in many organisms at all organizational levels-not only in the North Sea but in all polluted aquatic environments—and must be regarded as distress signals.

It may in each case be disputed which anthropogenic influences are causally involved in inducing the phenomena. Critics of field investigations have often called for in situ work always to be accompanied by carefully conducted experiments. But it has been shown time and again that results from experiments could not be applied to field situations.

Methods have recently been developed which range from the assessment of externally visible malformations and aberrations to histological techniques using electronoptical equipment and the examination of cell organs. Supporters of these techniques believe they could give clear answers to questions about causality. Some of these methods were used during the ICES workshop in Bremerhaven in March 1990. It was found that there are very different gradients both in sediments and organisms depending on contaminant groups and individual pollutants. Correlations between the biological properties and contaminant concentrations could thus only be calculated for some of the contaminants and biological effects.

The ICES workshop concluded that a combination of biological properties should always be investigated. Among these are both biochemical and gross pathological ones. Biomarkers for signs of degeneration in liver were felt to be particularly promising for future work concerning the exposure of cells to contaminants. Neither is it possible using these methods to make clear statements about causality in situ. Calls should therefore be made for biological properties to be measured over a long time scale and in combination with extensive chemical analysis.