Beitragsserien Wirkungskataster

V: Auswertung und Darstellung von MetJergebnissen aus Bioindikationsverfahren

Bewertungsverfahren Verfahren zur Bewertung von immissionsbedingten Stoffanreicherungen in standardisierten Graskulturen 1Walter Erhardt, 2Kai Achim H6pker, 1Iris Fischer

1 UMEG - Gesellschaft fiir Umweltmessungen und Umwelterhebun~en mbH, Daimlerstratge 5b, D-76185 Karlsruhe 2 Landesanstalt fiir Umweltschutz Baden-Wiirttemberg, Sachgebiet Okotoxikologie, Griesbachstraf~e 1, D-76185 Karlsruhe

Zusammenfassung Die Exposition yon standardisierten Graskulturen ist ein Standard- verfahren der Untersuchung yon immissionsbedingten Schadstoff- anreicherungen. Fhr die Bewertung der gefundenen Schadstoffge- halte ist es besonders wichtig, zwischen ,,normalen" und immis- sionsbedingt erh6hten Schadstoffgehalten sicher unterscheiden zu k6nnen. Es wird ein Verfahren vorgestellt, mit dem eine Bewer- tungsbasis ermittelt werden kann. Das Verfahren erlaubt die Be- stimmung der gebietstypischen ,,Normal"- bzw. Hintergrundbela- stung und der Schwellenwerte fi~r den Nachweis der Immissionsbe- lastung.

Auf der Datenbasis von sechs regionalen Untersuchungen konnten mit diesem Verfahren auch iiberregional anwendbare Normalge- halte bzw. Schwellenwerte fiir immissionsbedingte Schadstoffanrei- cherungen in Graskuhuren ermittelt werden.

Das beschriebene Verfahren eignet sich zur Auswertung verschie- denartigster biologiscber und 6kologischer Untersuchungen.

Schlagw6rter: Biomonitoring; Bioindikatoren; Wirkungskata- ster; Bioindikationsverfahren, Mef~ergebnisse; Graskultur, standardisierte; immissionsbedingte Stoffanreicherungen; Normalwerte; Schwellen- werte, Streuung

Abstract A Method for Evaluating the Accumulation of Air Pollutants in Standardized Grass Cultures

Standardized grass cultures are routinely used to evaluate the accu- mulation of air pollutants. For the assessment of air pollutant accu- mulation in grass cultures, it is particularly important to distinguish between "normal" concentrations and the significantly increased accumulation caused by air pollution.

This article presents a method to determine "normal" element con- centrations (background levels) and define threshold values for the significantly elevated accumulation of pollutants for individual se- ries of grass cultures.

By applying the same method for the data from six regional air qua- lity measuring programs, it was possible to derive universally applica- ble "normal" concentrations and threshold values for grass cultures.

The described method is not limited to the evaluation of data from grass cultures but is also suitable for other biological or ecological data. It allows to distinguish between "normal" element concentra- tions and unusually high or low concentrations.

Key words: Biomonitoring; bioindicators; air pollution; grass cul- ture; bioaccumulation; threshold values; assessment, accumulation of air pollutants

1 E in le i tung u n d P r o b l e m s t e l l u n g

Bei Untersuchungen von Stoffgehalten in biologischen Pro- ben stellt sich die Frage, welche Gehalte des betreffenden Stoffes , ,normal" sind. Der Normalbere ich und seine Gren- zen sind die wichtigste Beurteilungsbasis fiir das Erkennen von Besonderheiten und Abweichungen bei einzelnen Be- funden. Es ist jedoch schwierig, den Normalbere ich abzu- grenzen. Li tera turangaben helfen bei dieser Fragestellung oft nicht, well sie zu unspezifisch sind.

Fiir die In te rpre ta t ion von Schadstoffanreicherungen im Hinbl ick auf Immissionsschutzmaf~nahmen ist es besonders wichtig zu wissen, welche Stoffgehalte normal und welche immiss ionsbed ing t e rh6ht sind. N ich t zuletzt um diese Frage sicher beantworten zu k6nnen, wurde das Verfahren der s tandardisier ten Graskul tur (SCHOLL 1971) entwickelt.

Um festzustellen, wie hoch die Elementgehalte von Gras- kulturen ohne Immissionseinfluf~ sind, k6nnen Graskultu- ren in Kammern exponiert werden, in denen der Immissi- onseinflug durch Filterung der Luft ausgeschlossen wird. Die VDI-Richtl inien 3792, B1.2 und B1. 3 (VDI 3792, BI. 2 und B1. 3) empfehlen diesen Weg zur Bes t immung des ,,Blindwertes" der Graskulturen. Dabei werden jedoch die Versuchsbedingungen gegeniiber den im Untersuchungsge- biet exponierten Kulturen systematisch ver~indert, so daf~ die lDbertragbarkeit solcher Ergebnisse auf Graskul turen aus dem Frei land fraglich ist. Dieses Problem wird vermin- dert, wenn Graskul turen auf~erhalb des Untersuchungsge- bietes an Frei land-Referenzstandorten ohne direkten Emit- tenteneinfluf~ exponier t werden. Doch auch dor t k6nnen die klimatischen Bedingungen anders sein als im Untersu- chungsgebiet. Ungewit~ bleibt in diesem Fall auf~erdem die tatsfichliche H6he des Immissionseinflusses auf die Refe- renzkulturen.

Beide Vorgehensweisen sind relativ aufwendig, so daf~ auf diesem Weg meist nur wenige Graskul tu ren zur Bestim- mung der , ,Nullwerte" zur Verf/igung gestellt werden. Da auf~erdem die Elementgehal te von Grasku l tu ren je nach Substrat und Wit terungsbedingungen unterschiedlich sein k6nnen, wi rd die Datenbas i s fiir die Best immung der , ,Nullwerte" noch welter geschmfilert.

UWSF- Z. Umweltchem. 0kotox. 8 (4) 237-240 (1996) © ecomed verlagsgesellschaft AG & Co.KG Landsberg

237

Wirkungskataster Beitragsserien

Im folgenden wird ein Verfahren vorgestellt, das es erlaubt, direkt aus den Ergebnissen einer regionalen Untersuchung eine Bewertungsbasis zu ermitteln. Dieses Verfahren wird seit 1989 zur Auswertung von Wirkungsuntersuchungen mit Graskulturen in Baden-Wfirttemberg verwendet (LFU 0.5).

2 Datengrundlage fiir die Beispiele und die Ableitung der Schwellenwerte

Die Methodik, mit der die hier verwendeten Daten erarbei- tet wurden, basiert auf dem yon SCHOLL (SCHOLL 1971) entwickelten ,,Verfahren der standardisierten Graskultur", das in VDI-Richtlinie 3792 B1. 1 (VDI 3792, BI. 1) be- schrieben ist. Seit dem Erscheinen dieser Richtlinie wurde das Verfahren jedoch in Details verbessert und erg/inzt (KOSTKA-RICK & ARNDT 1987; LFU 1986). Die hier einge- setzte Methode (ERHARDT et al. 1994) wird ffir die Unter- suchungen des Landes Baden-Wfirttemberg verwendet. Da- bei werden pro Mef~punkt jeweils fiinf 28-tfigige Exposi- tionen durchgefiihrt. Das Probenmaterial wird ungewa- schen analysiert. Die Bestimmung der Schwermetalle und von Argen wurde mit ICP-MS vorgenommen. Die Schwe- felgehalte wurden nach Verbrennung der Proben im Sauer- stoffstrom mit Infrarotspektrometrie bestimmt.

Die Daten wurden in den in Tabelle 1 aufgelisteten Mef~- programmen gesammelt. Zusammen mit Referenzpunkten umfaf~t die Datenbasis bei jedem untersuchten Element, auf~er bei Arsen, mehr als 1350 Einzelwerte von 277 Mef~-

Tabelle 1:

Ael3netze

Ubersicht iiber die Met~programme, deren Ergebnisse als Beispiele und zur Ableitung der Schwellenwerte verwendet werden

~eutlingen-T0bingen ~eilbronn-Neckarsulm /lannheim-Heidelberg ~ochrhein Jim, Neu-UIm u. Umgeb. :ilstal

Untersuchungs- jahr

1991 1991 1992 1993 1993 1993

Anzahl Quelle Mel3punkte

46 UM 1992 a 33 UM 1992 b 67 UM 1995 a 52 UM 1995 b 35 UM 1995 c 26 UM 1995 d

punkten. 3 Verfahren zur Bestimmung des Normalwertes

und seiner Streuung

Das Verfahren zur Bestimmung des Normalwertes und sei- ner Streuung beruht auf der Beobachtung, daf~ es bei regio- nalen Untersuchungen viele Werte gibt, die relativ niedrig sind und innerhalb enger Grenzen liegen. Die fibrigen Megwerte verteilen sich sporadisch fiber eine grof~e Spann- breite h6herer Konzentrationen. Der 0bergang zwischen diesen Gruppen ist flieflend, jedoch ist es m6glich, die Gruppe der vieIen relativ niedrigen und nahe beieinander- liegenden Mefgwerte herauszufiltern und mit ihrem Mittel- wert und ihrer Standardabweichung den Normalbereich fiir den betreffenden Stoff, das betreffende Untersuchungs- gebiet und die jeweilige Charge von Graskulturen zu cha-

rakterisieren. Ffir die vielen relativ niedrigen und nahe bei- einanderliegenden Mef~werte kann unterstellt werden, daf~ sie ann/ihernd normalverteilt sind (zentraler Grenzwert- satz, s. u. a. LORENZ 1988). H6here Gehalte, als bei Nor- malverteilung der Metgwerte zu erwarten sind, werden als auf~erhalb des Normalbereiches liegend betrachtet. Bei ih- nen wird ein Immissionseinfluf~ unterstellt, der fiber das Grundniveau des Untersuchungsgebietes hinausgeht.

Die Entscheidung, welche Mef~werte zum Normalbereich geh6ren und welche autgerhalb liegen, wird mittels Mittel- wert und Standardabweichung der Metgserie getroffen. Bei einer Normalverteilung liegen 97,5 % der Mef~werte un- terhalb der Schwelle yon Mittelwert plus 1,96-facher Stan- dardabweichung. Mef~werte, die diese Schwelle iiberstei- gen, werden von der Bestimmung des Normalbereiches ausgeschlossen. Dann werden Mittelwert und Standardab- weichung aus den iibriggebliebenen Megwerten neu be- rechnet. Wieder werden alle Werte ausgeschieden, die das Serienmittel um die 1,96-fache Standardabweichung fiber- schreiten. Dieses Vorgehen wird wiederholt, bis kein Meflwert mehr fiber der Prfifschwelle liegt. Der Vorgang ist in Abb. 1 graphisch dargestellt. Als Ergebnis erh~ilt man ein von erh6hten Werten bereinigtes Kollektiv, dessen Mittel- weft und Streuung den Normalbereich reprfisentieren. Der Mittelwert des bereinigten Kollektivs wird als ,,Normal- wert" definiert.

Fiir die weitere Interpretation wird der Elementgehalt einer Graskultur als signifikant erh6ht gegenfiber dem Normal- wert der Met~serie betrachtet, wenn er diesen um die drei- fache Standardabweichung fibersteigt. Liegen mehrere Ex- positionsserien aus einem Untersuchungsgebiet vor, so wer- den die Normalwerte und ihre Standardabweichungen ffir jede Expositionsserie separat bestimmt und dann gemittelt (Mittelbildung bei Standardabweichungen s. u. a. LORENZ 1988). Fiir Met~punktmittelwerte gilt, daf~ sie sigifikant er- h6ht sind, wenn sie den mittleren Normalwert um den drei- fachen Standardfehler iibersteigen.

In Abb. 2 sind H/iufigkeitsverteilungen von Bid-, Cad- mium-, Arsen- und Zinkgehalten von Graskulturen einer Expositionsserie aus dem Untersuchungsgebiet Hochrhein (UM 1995 b) dargestellt. Diese Beispiele zeigen, daf~ bereits die H~iufigkeitsverteilungen der bereinigten Einzelwert- Kollektive ann/ihernd normalverteilt sind und daher die oben beschriebenen Operationen angewendet werden k6n- nen.

Mit dem vorgestellten Verfahren wurden in den sechs Mef~- gebieten die Normalwerte der Elementgehalte in Graskul- turen und ihre Streuungen ermittelt. Damit lag fiir jedes Untersuchungsgebiet ein individuell angepatgter Bewer- tungsmal~stab vor. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusam- mengestellt.

4 Ableitung von iiberregionalen Schwellenwerten zur Bewertung von Graskulturgehalten

Die sechs in Tabelle 1 genannten Untersuchungsgebiete umfassen einen reprfisentativen Querschnitt yon Immissi-

238 UWSF- Z. Umweltchem. Okotox. 8 (4) 1996

Beitragsserien Wirkungskataster

Gehalt in ng/g TS

'il 14 12 18 _

oo.nmnflllllll %np np.nn.nnn1nn.n.n.nnn.n~nn~.n.mnH~ p pH~pN 9H~ ~ ~H! ~ ~ ~ ! ~ ~ ~ ~! ~j ~! ~j ~UH~

MeBwerte, nach Gr613e geordnet

Verteilung der Me•werte in einer Probenserie. Die untere Linie stellt den Mit- telwert, die obere Linie die Prtifschwelle aus Mittelwert plus 1,96-facher Stand- ardabweichung dar. Drei Megwerte liegen tiber der Pri_ifschwelle und werden da- her als Immissionsbeeinfluf~t betrachtet. Sie werden vonder Berechnung des Normalwertes ausgeschlossen.

Gehalt in ng/g TS

Ji 12

'i nlnr l~ 4 . . . . . . ni111t II II II IIRUl Z~nn nnnnnnn nnnnnmnnrlrll] [lfllll It II II II II II II llll It It II II Inrllll Ii ii iiii ii Ii ill i i] It1111 ii u ii iiit 11111111

Me~werte, nach GrSI3e geordnet

Mittelwert und 1,96-fache Standardabweichung sind ohne die drei ausgeschlos- senen Mel~werte (schwarz) neu berechnet. Wieder liegen Megwerte tiber der Schwelle und werden ausgeschlossen. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis keine Mel~werte mehr tiber der Priifschwelle liegen.

Gehalt in nglg TS

nnnnnmnmnnnnnnnnl ~lnl,n,, H H ! n fl l l l lrff if i i i f i i i f i i i i iNi]i i i] i i i i i i i i i Mel]werte, nach GrSf3e geordnet

Nach mehreren Iterationen iibersteigt kein Mef~wert mehr die Prtifschwelle. Der Mittelwert der verbliebenen Werte wird als Normalwert bezeichnet und ist for die Graskulturen repr~isentativ, die nur der gebietstypischen Grundbelastung ausgesetzt waren.

Abb. 1: Ermittlung des Normalwertes einer Serie von Graskulturergeb- nissen und seiner Streuung

ons- und Klimaverh/iltnissen in Siidwestdeutschland und bieten eine Datenbasis zur Ableitung tiberregional anwend- barer Schwellenwerte fiir die Bewertung immissionsbeding- ter Anreicherungen in Graskulturen.

Zur Ableitung dieser Schwellenwerte wurden die Mef~- punktmittelwerte aus den sechs Mef~programmen zusam- mengefatgt und demselben Verfahren unterworfen, wie vor- her die Einzelwerte der betreffenden Untersuchungen. Dar- aus ergeben sich Normalwerte fiir Graskulturmittelwerte und ihre Standardabweichungen. Durch Addition der drei- fachen bzw. der sechsfachen Standardabweichungen zu den

absolute Haufigkeiten 2C

1

1

ol

-q

- 3 s - 2 s - l s N W ls 2s 3s 4S 5s 6s

absolute H~tufigkeiten 20

F21_

- 3 S - 2 S - l s N W "~s 2s 3s 4s 5s 6s - 3 S - Z S - l s N W l s 2s 3s 4s 5s Bs

absolute H~iufigkeiten absolute H~ufigkeiten

zn

Abb. 2:

- 3 s - 2 s - l s N W ls 2s 3s 4s 5s 6s

Blei-, Cadmium-, Arsen- und Zinkgehalte einer Serie von Gras- kulturen aus dem Untersuchungsgebiet Hochrhein: Gegeniiberstellung der H~iufigkeitsverteilungen des Gesamt- kollektivs (weif~e und dunkle S/iulen), des bereinigten Kollek- tivs (weige S/iulen) und der erwarteten H/iufigkeiten einer Nor- malvertei lung mit Normalwer t (NW) und Standardabwei- chung (s) des bereinigten Kollektivs (Linie)

Normalwerten lassen sich Schwellenwerte fiir die Einstu- fung von Graskulturgehalten in die Belastungsklassen ,,auf- f/illig erh6hter ImmissionseinflufU und ,,deutlich erh6hter Immissionseinflulg" ermitteln. Sie sind in Tabelle 3 zusam- mengestellt.

Die dreifache Standardabweichung wurde als Klassenbreite gew/ihlt, weil sich bei dieser Klassenbreite alle ,,deutlich er- h6hten" Me~werte signifikant von den Werten im Nor- malbereich unterscheiden. Diese Festlegung ist analog der in VDI-Richtlinie 3799, B1. 1 (VDI 3799, B1. 1) benutzten Klassifizierung.

5 Schlufffolgerungen

Mit diesem statistischen Verfahren kann also ein gebietsty- pischer Normalwert und seine Streuung ermittelt werden. Es l/itgt sich ein Normalbereich abgrenzen und Abweichun- gen vom Normalwert auf Signifikanz prtifen. Auf diese Weise kann ein individueller, relativer Maf~stab fiir die Be- wertung yon Ergebnissen aus regionalen Mef~netzen abge- leitet werden. Damit k6nnen Mef~punkte identifiziert wer-

Tabelle 2: Normalwerte und Standardabweichungen von Stoffgehalten in Graskulturen (im Mittel von fiinf Expositionen) aus sechs Untersuchungs- gebieten Baden-Wiirttembergs (Angaben in 12g/g TS)

Element Pb Cd As Zn Cu Ni Cr S MeBgebiet

Reutlingen-Tiibingen 1991

Heilbronn-Neckarsulm 1991

Mannheim-Heidelberg 1992

Hochrhein 1993

Ulm 1993

Filstal 1993

1,9 ± 0,2

2,6 ± 0,3

2,0 ± 0,2

1,3 ± 0,2

1,6 ± 0,3

1,1 ± 0,2

0,10 ± 0,01

0,11 ± 0,01

0,07 ± 0,0t

0,09 ± 0,01

0,09 ± 0,01

0,10 ± 0,01

0,18 ± 0

0,21 ± 0

0,22 ± 0

25,8 ± 2,0

25,8 ± 2,1

32,4 ± 3,7

30,1 ± 2,1

30,6 ± 1,8

28,4 ± 1,6

5,9 ± 0,4

5,9 ± 0,5

4,4 ± 0,4

4,6 ± 0,3

5,6 ± 0,3

4,7 ± 0,2

4,6 ±0,4

4,7 ± 0,4

5,4 ± 0,6

6,3 ± 1,2

7,1 ± 1,1

6,5 ± 0,7

1,00 ± 0,19

1,55 ± 0,27

0,81 ± 0,08

0,75 ± 0,09

1,01 ± 0,1

0,94 ± 0,1

2911 ± 167

2893 ± 142

3969 ± 182

2876 ± 187

3015 + 164

3047 ± 217

UWSF - Z. Umweltchem. Okotox. 8 (4) 1996 239

Wirkungskataster Beitragsserien

Tabelle 3: Normalwerte fur Elementgehatte (im Mittel von ffnf Expositionen) von Graskulturen und Schwellenwerte for die Einstufung von MeG punktmittelwerten in die Belastungsklassen ,,auffiillig erh6hter Immissionseinflu6" und ,,deutlich erh6hter Immissionseinflut~" (Angaben in pg/g TS)

Normalwert _+ 1 Standardabweichung)

Schwellenwert for ,,aufffillig erh6hten ImmissionseinfluS" (gerundet) Schwellenwert for ,,deutlich erh~hten Immissionseinflul]" (gerundet)

Pb

1,8

0,6 3,5

5,2

Cd

0,08 4-

0,02 0,15

0,21

As

0,22

0,04 0,35

0,45

Zn

28,9 4-

3,8 40

52

Cu

4,9 4-

0,8 7,5

10

Ni

5,6 4-

0,8 8

10,5

Cr

1,0 4-

0,22 1,7

2,3

S

2977 4-

317 4000

4900

den, an denen das Immissionsniveau gegeniiber der Grund- belastung der betreffenden Untersuchungsgebiete signifi- kant erh6ht ist. Die Bewertung beruht dabei auf einem ho- hen Prozentsatz der Mef~werte aus den betreffenden Unter- suchungsgebieten und beriicksichtigt daher neben der Grundbelastung auch die Spannbreite des Mikroklimas u n d der A n s t r 6 m b e d i n g u n g e n an den e inze lnen M e g p u n k -

ten .

Das besch r i ebene V e r f a h r e n zu r A u s w e r t u n g v o n G r a s k u l -

t u r e r g e b n i s s e n l/if~t s ich a u c h bei U n t e r s u c h u n g e n a n ande- r en b io log i schen O b j e k t e n a n w e n d e n . V o r a u s s e t z u n g hier- fiir ist nur, daf~ ein , , N o r m a l b e r e i c h " m i t v ie len f ihn l ichen

Mef~wer ten exist ier t . D as V e r f a h r e n b ie te t d a r i i b e r h i n a u s

a u c h die M 6 g l i c h k e i t , A b w e i c h u n g e n v o m N o r m a l b e r e i c h n a c h u n t e n zu erfassen. Dies k a n n bei 6 k o l o g i s c h e n ode r

b io log i schen U n t e r s u c h u n g e n in t e r e s san t sein, w e n n z. B.

M a n g e l e r s c h e i n u n g e n erfaf~t w e r d e n sol len.

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In UWSF-Ausgabe 5/96 erscheint der letzte Beitrag der Serie ,,Richtlinien zur Erstellung yon Wirkungskataster"

Zusammenfassende Auswertung und Darstellung von Mef~ergebnissen aus Bioindikationsverfahren am Beispiel des Okologischen Wirkungskatasters Baden-Wiirttemberg Kurt Kreimes Landesanstalt fiir Umweltschutz Baden-Wiirttemberg, Sachgebiet Okotoxikologie, Griesbachstr. 1, D-76185 Karslruhe

Zur 6kologischen Umweltiiberwachung stehen eine Vielzahl geeigne- tes werden die untersuchten Teilmodelle zu einer integrierenden Be- ter Bioindikationsverfahren zur Verffgung. Ein Mangel besteht aber wertung zusammengefal~t. Ziel ist dabei die Ersrellung einer ,,Okolo- immer noch in Konzepten zur Ergebnisbewertung und -darstellung. gischen Giitekarte" ffr Baden-Wi_irttemberg, mit deren Hilfe eine Im Rahmen des Okologischen Wirkungskatasters Baden-Wfrttem- r~iumliche als auch zeitliche Entwicklung der Belastungssituation un- berg werden bereits seit 1984 landesweite Bioindikationsverfahren terschiedlicher Okosysteme dokumentiert werden kann. durchgeffhrt. Mit Hilfe eines Darstellungs- und Bewertungskonzep-

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