Binnengewässer: UQN-Überprüfung

Die Studie zielt auf die Überprüfung der Gefährlichkeit neuer und prioritärer Substanzen für Binnengewässer im Kontext der Wasserrahmenrichtlinie (WRRL, 2000/60/EG) ab. Ein zentrales Anliegen ist die Ableitung von Umweltqualitätsnormen (UQN/EQS) für diese Stoffe, insbesondere Spurenstoffe. Die Ableitung realitätsnaher UQN gestaltet sich oft schwierig, da valide Testergebnisse fehlen. Um dieses Problem zu adressieren, kombiniert die Forschung die Überprüfung der Validität bestehender Daten mit der Durchführung von Biotests zur Schließung von Datenlücken. Teilvorhaben A konzentriert sich auf die Erarbeitung valider Daten für ausgewählte umweltrelevante Schadstoffe mittels Literaturrecherchen und ökotoxikologischer Standardtests (Algen-, Daphnien- und Fischetests). Hierbei werden Vorschläge für Umweltqualitätsstandards (EQS) abgeleitet. Als Beispiele für Stoffe, für die EQS vorgeschlagen wurden, wird 4-Aminoantipyrin (ein Metabolit von Metamizol) genannt. Weitere potenziell gewässergefährdende Stoffe, wie Venlafaxin, Clindamycin, N-Desmethylclindamycin, Metformin und Desethylterbutryn, werden identifiziert, wobei eine Schädigung der aquatischen Biozönose nicht ausgeschlossen werden kann.

Lamotrigin (CAS-Nr. 84057-84-1), ein Antiepileptikum, wird als weiterer potenziell gewässergefährdender Stoff betrachtet. Gemessene Konzentrationen in Oberflächengewässern betragen bis zu 1,0 µg/L, liegen also im Bereich des abgeleiteten AA-QS von 8 µg/L. Eine Beeinträchtigung der Gewässerbiozönose ist daher nicht auszuschließen. Aufgrund stark steigender Verordnungsmengen in den letzten Jahren empfiehlt die Studie ein kontinuierliches Monitoring der Lamotrigin-Belastung in Oberflächengewässern, um die Umweltauswirkungen besser einschätzen zu können. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung des Monitorings von Pharmazeutika in der aquatischen Umwelt und die Notwendigkeit, die Auswirkungen auf die Biozönose zu bewerten, um fundierte Entscheidungen für Umweltqualitätsstandards treffen zu können.

Die Studie führt detaillierte ökotoxikologische Untersuchungen durch, insbesondere chronische Biotests mit Metformin und Guanylurea an Regenbogenforellen. Das Versuchsdesign orientiert sich an der OECD Guideline 204. Subadulte Regenbogenforellen wurden über 28 Tage verschiedenen Konzentrationen ausgesetzt. Die Auswertung umfasst die Bestimmung von Biomarkern und klinisch-chemischen Parametern sowie hämatologische und histopathologische Untersuchungen, um subletale Effekte zu erfassen. Ein besonderes Augenmerk liegt auf der Erfassung endokriner Wirkungen. Vitellogenin (VTG) wird als spezifischer Biomarker für estrogene Wirkungen eingesetzt. Die Studie zeigt, dass weder Metformin noch Guanylurea zu eindeutigen pathologischen Veränderungen führten, jedoch Hinweise auf eine negative Beeinflussung der Fischgesundheit bestehen. Die Veränderungen der Vitellogenin-Konzentrationen bei männlichen Regenbogenforellen wurden zur Ableitung eines ökotoxikologischen Schwellenwertes für Metformin herangezogen. Die NOEC (No Observed Effect Concentration) für die Vitellogenin-Induktion liegt bei 50 µg/L.

Die Studie betont, dass die Parameter Letalität und Reproduktion in Standardtests nicht immer ausreichend sensitiv sind, um die spezifischen Auswirkungen von Stoffen, insbesondere pharmazeutischer Wirkstoffe und endokriner Disruptoren, zu bestimmen. Daher wurden die ökotoxikologischen Standardtests für Metformin und Guanylurea durch chronische, nicht-standardisierte Bioassays ergänzt. Die Ergebnisse dieser Bioassays, inklusive Daten zu subletalen Effekten wie endokrinen Effekten oder histopathologischen Veränderungen, werden in die ökotoxikologische Bewertung einbezogen. Moderne Methoden der Morphometrie und Stereologie ermöglichen die Quantifizierung histopathologischer Veränderungen und die Ableitung ökotoxikologischer Schwellenwerte wie NOEC und LOEC. Die Kombination von Standard- und Nicht-Standardtests liefert umfangreichere Daten für die Ableitung belastbarer Umweltqualitätsziele. Die Studie diskutiert die Sensitivität verschiedener Fischarten auf die untersuchten Substanzen und verweist auf bereits bestehende Studien, z.B. zu Metformin an amerikanischen Dickkopfelritzen und Medakas, um die Ergebnisse in einen breiteren Kontext einzuordnen.

Teilvorhaben B der Studie untersuchte die chronischen, subletalen Wirkungen des Antidiabetikums Metformin und seiner Tochtersubstanz Guanylurea auf Regenbogenforellen (Oncorhynchus mykiss). In zwei separaten Versuchsansätzen wurden subadulte Regenbogenforellen über 28 Tage Konzentrationen von 0,1 bis 1000 µg/L der jeweiligen Testsubstanz ausgesetzt. Das Versuchsdesign orientierte sich an der OECD Guideline 204. Nach der Exposition wurden verschiedene Parameter erhoben, um den allgemeinen Gesundheitszustand der Fische zu erfassen. Dies beinhaltete die Bestimmung von Biomarkern und klinisch-chemischen Parametern sowie hämatologische Untersuchungen. Ausgewählte Organe wurden histopathologisch untersucht, um mögliche Organschäden zu identifizieren. Zusätzlich erfolgte eine semiquantitative (Guanylurea) bzw. stereologische (Metformin) Bestimmung der Reife der männlichen Gonaden zur Erfassung möglicher endokriner Effekte. Die umfassende Untersuchung umfasste biochemische, hämatologische und histopathologische Analysen, um ein möglichst vollständiges Bild der Auswirkungen der Substanzen auf die Fische zu erhalten.

Die Metformin-Exposition führte weder zu pathologischen Veränderungen der Fischorgane noch zu eindeutigen, auf die Testsubstanz zurückzuführenden hämatologischen und klinisch-chemischen Veränderungen. Die Studie fand jedoch Hinweise auf eine negative Beeinflussung der Fischgesundheit durch Metformin und Guanylurea. Für die Ableitung eines ökotoxikologischen Schwellenwertes für Metformin wurden die Veränderungen der Vitellogenin-Konzentrationen bei männlichen Regenbogenforellen herangezogen. Die NOEC (No Observed Effect Concentration) für die Vitellogenin-Induktion lag bei 50 µg/L, was im Bereich der maximal in Oberflächengewässern gemessenen Metformin-Konzentrationen liegt. Auch nach 94-tägiger Exposition juveniler Lebensstadien zeigte sich kein eindeutiger Einfluss auf die Geschlechtsdifferenzierung und Gonadenentwicklung. Die histopathologische Untersuchung der Hoden ergab keine Anzeichen von endokrin disruptiven Effekten. Stereologische Untersuchungen zeigten keine signifikanten Veränderungen der Anteile männlicher Keimzellen unterschiedlichen Reifegrades. Trotz der geringen, aber relevanten VTG-Induktion bei höheren Konzentrationen, fehlten signifikante Auswirkungen auf biometrische Daten oder biologische Indices (Körpergewicht, Gesamtlänge, Hoden- und Lebergewicht, Korpulenzfaktor, HSI, GSI).

Ähnlich wie bei Metformin, führte Guanylurea nicht zu pathologischen Veränderungen der Fischorgane oder eindeutigen hämatologischen und klinisch-chemischen Veränderungen. Allerdings zeigten sich signifikante, aber nicht dosisabhängige Veränderungen der Sexualhormone bei Regenbogenforellen beiderlei Geschlechts. Ein endokriner Effekt von Guanylurea kann aufgrund der Ergebnisse nicht vollständig ausgeschlossen werden, die Daten sind jedoch für die Ableitung eines PNECs (Predicted No Effect Concentration) nicht ausreichend. Die Studie vergleicht die Ergebnisse mit anderen Studien an verschiedenen Fischarten. So führte eine einjährige Metformin-Exposition bei amerikanischen Dickkopfelritzen zu Intersex-Hoden, ein Effekt, der in der vorliegenden Studie nicht beobachtet wurde. Studien an Medakas zeigten nach Guanylurea-Exposition keine Veränderungen im GSI oder Reproduktionserfolg, was die Ergebnisse der vorliegenden Studie teilweise unterstützt. Die unterschiedlichen Ergebnisse betonen die Spezies- und Expositionsdauer-Abhängigkeit der Wirkung von Metformin und Guanylurea.

Ein wichtiger Aspekt der Studie ist die Ableitung von Umweltqualitätsstandards (EQS) für verschiedene Stoffe. Im Teilvorhaben A wurden anhand von Literaturrecherchen und ökotoxikologischen Standardtests (Algen-, Daphnien- und Fischetests) valide Daten für ausgewählte, umweltrelevante Schadstoffe erarbeitet. Für 4-Aminoantipyrin (Metabolit von Metamizol) wurden konkrete EQS-Vorschläge abgeleitet. Die Studie unterstreicht die Herausforderung der realitätsnahen Ableitung von Umweltqualitätsnormen (UQN), insbesondere für Spurenstoffe, aufgrund von oft fehlenden validen Testergebnissen. Die Notwendigkeit einer umfassenden Datenbasis, bestehend aus Literaturrecherchen und verschiedenen Biotests, wird hervorgehoben, um belastbare Qualitätsziele zu definieren und den Schutz der aquatischen Ökosysteme zu gewährleisten. Die Ergebnisse liefern wichtige Grundlagen für die Festlegung von Umweltstandards und tragen zur Umsetzung der Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) bei.

Die Studie bewertet die Gewässerrelevanz weiterer Substanzen, wobei eine Schädigung der aquatischen Biozönose nicht ausgeschlossen wird. Venlafaxin, Clindamycin, N-Desmethylclindamycin, Metformin und Desethylterbutryn werden als potenziell gewässerrelevante Stoffe eingestuft. Für Lamotrigin werden die in Oberflächengewässern gemessenen Konzentrationen (bis 1,0 µg/L) mit dem abgeleiteten AA-QS von 8 µg/L verglichen. Eine Beeinträchtigung der Gewässerbiozönose kann nicht ausgeschlossen werden, weshalb ein kontinuierliches Monitoring der Belastung empfohlen wird. Die Studie unterstreicht, dass die Bewertung der Umweltrelevanz von Substanzen eine umfassende Betrachtung erfordert und die Berücksichtigung subletaler Effekte bei der Ableitung von Umweltqualitätsstandards essentiell ist. Die Berücksichtigung von sowohl akuten als auch chronischen Effekten und der Einsatz verschiedener Testmethoden sind entscheidend für eine valide Risikobewertung.

Die Studie verdeutlicht, dass die in Standardtests berücksichtigten Parameter Letalität und Reproduktion nicht immer ausreichend sensitiv sind, um die spezifischen Wirkungen bestimmter Substanzen, wie z.B. pharmazeutische Wirkstoffe und endokrine Disruptoren, zu erfassen. Für Stoffe wie Gabapentin, für die keine Daten aus chronischen Fischtests vorliegen, wird auf die Ableitung eines EQS verzichtet. Die Notwendigkeit von chronischen, nicht-standardisierten Bioassays wird betont, um subletale Effekte wie endokrine Wirkungen oder histopathologische Veränderungen zu berücksichtigen. Die Ableitung von PNECs (Predicted No Effect Concentrations) erfolgt unter Einbezug der Veränderungen der Vitellogenin-Konzentrationen, einem von der OECD etablierten Parameter. Für Metformin wird eine PNEC von 5 µg/L abgeleitet, basierend auf einer NOEC von 50 µg/L und einem Sicherheitsfaktor von 10. Diese Werte werden im Kontext der maximal in deutschen Oberflächengewässern gemessenen Metformin-Konzentrationen diskutiert (35 µg/L, LANUV 2015; 39 µg/L, LUBW 2014).

Die Studie zeigt, dass sowohl Metformin als auch Guanylurea, trotz des Fehlens eindeutiger pathologischer Veränderungen an den Fischorganen, Hinweise auf eine negative Beeinflussung der Fischgesundheit liefern. Es wurden keine klaren dosisabhängigen Effekte beobachtet, was die Interpretation der Ergebnisse erschwert. Bei Metformin wurde eine VTG-Induktion bei männlichen Regenbogenforellen festgestellt, die jedoch im Bereich physiologischer Werte lag. Die NOEC (No Observed Effect Concentration) für die Vitellogenin-Induktion lag bei 50 µg/L, was im Bereich der in Oberflächengewässern gemessenen Konzentrationen liegt. Für Guanylurea wurden signifikante, aber nicht dosisabhängige Veränderungen der Sexualhormone beobachtet, ein eindeutiger endokriner Effekt kann aber nicht bestätigt werden. Die Ergebnisse betonen die Notwendigkeit, neben letalen auch subletale Effekte in der ökotoxikologischen Bewertung zu berücksichtigen, um ein umfassendes Bild der Umweltrisiken zu erhalten. Die komplexen Wechselwirkungen der Substanzen mit dem endokrinen System der Fische erfordern weitere Untersuchungen.

Die Studie verwendet neben Standard-Biotests auch chronische, nicht-standardisierte Bioassays, um die Sensitivität der Risikobewertung zu erhöhen, insbesondere für endokrine Disruptoren. Die Anwendung moderner Methoden wie Stereologie und Bildanalyse ermöglichte die Quantifizierung histologischer Veränderungen und die Ableitung ökotoxikologischer Schwellenwerte. Die Ergebnisse werden mit Literaturdaten verglichen, wobei die unterschiedlichen Ergebnisse bei verschiedenen Fischarten (amerikanische Dickkopfelritzen, Medakas, Zebrafische) hervorgehoben werden. Die Studie diskutiert die Unterschiede in der Sensitivität verschiedener Fischarten und die Abhängigkeit der Effekte von der Expositionsdauer und -konzentration. Die Diskrepanzen in den Ergebnissen unterstreichen die Notwendigkeit weiterer Forschung, um die Wirkmechanismen und die Umweltrelevanz der untersuchten Substanzen besser zu verstehen und verlässliche Umweltqualitätsnormen (UQN/EQS) abzuleiten.

Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse der Studie, dass Metformin und Guanylurea potenziell negative Auswirkungen auf die Fischgesundheit haben können, insbesondere im Hinblick auf subletale und endokrine Effekte. Die Ableitung von ökotoxikologischen Schwellenwerten wie NOEC und PNEC erfordert eine umfassende Datenbasis und die Berücksichtigung verschiedener Parameter und Methoden. Die Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit von weiterführenden Untersuchungen, um die Wirkmechanismen der Substanzen und ihre langfristigen Auswirkungen auf aquatische Ökosysteme vollständig zu verstehen. Die Studie betont die Bedeutung des Monitorings von Spurenstoffen in Oberflächengewässern, um die tatsächliche Belastung und die Auswirkungen auf die aquatische Biozönose zu erfassen. Weiteres Forschungsbedarfs besteht insbesondere in der Klärung des Wirkmechanismus von Metformin und Guanylurea im Kontext des endokrinen Systems von Fischen. Die gewonnenen Daten liefern wichtige Grundlagen für die zukünftige Festlegung von Umweltqualitätsnormen und den Schutz der aquatischen Umwelt.