Effectgerichte beoordeling van de. waterkwaliteit in de Jeker, Geleenbeek, Dieze en Maas

Transcriptie

1 Ministerie van Verkeer en Waterstaat opq Effectgerichte beoordeling van de waterkwaliteit in de Jeker, Geleenbeek, Dieze en Maas Een onderzoek naar de effecten van geconcentreerd oppervlaktewater december 04 Werkdocument: X Auteur: Serge Rotteveel

2 Ministerie van Verkeer en Waterstaat opq

3 Dankwoord De totstandkoming van dit onderzoek is alleen mogelijk geweest door de enthousiaste bijdrage van een aantal betrokkenen. De bemonstering en een deel van de toxiciteitsmetingen zijn uitgevoerd door Albert Espeldoorn. Arthur de Groot (RIVM) heeft de XAD concentratie van de onderzochte oppervlaktewatermonsters verzorgd. De PAM test is uitgevoerd door Marja Wouterse (RIVM). Hannie Maas (RIZA) heeft de eerdere versie van dit rapport gecorrigeerd en aangevuld. Ik wil de genoemde personen hartelijk danken voor de geleverde bijdrage. Serge Rotteveel, december Effectgerichte beoordeling van de waterkwaliteit in de Jeker, Geleenbeek, Dieze en Maas

4 4 Effectgerichte beoordeling van de waterkwaliteit in de Jeker, Geleenbeek, Dieze en Maas

5 Samenvatting Bioanalyses zijn goedkope snelle testen met organismen van verschillende taxonomische groepen of testen die een specifiek werkingsmechanisme kunnen detecteren. Veelal worden deze testen in waterige concentraten uitgevoerd. De respons van een bioanalyse kan gezien worden als een somparameter, waarbij effecten van zowel bekende als onbekende stoffen worden gemeten. Daarmee dekken bioanalyses een breder veld aan stoffen af dan op basis van chemische analyses alleen kan worden aangetoond. Belangrijk doel van dit onderzoek is om de techniek bioanalyse in een praktijk situatie uit te proberen en beheerders kennis te laten nemen van de methode. Om dit doel te realiseren zijn in dit onderzoek bioanalyses uitgevoerd op oppervlaktewatermonsters uit de Jeker, de Dieze, de Geleenbeek en de Maas. Tevens is door het gebruik van bioanalyses in deze studie inzicht verkregen in de toxicologische kwaliteit van het water in de Jeker, de Geleenbeek, de Dieze en de Maas. In deze studie is voor het meten van effecten gebruik gemaakt van de Microtox (bacterie), de Daphnia IQ-test (watervlo) en de PAM-test (algen). Voorafgaand aan het testen zijn de monsters 1000x geconcentreerd met XAD-adsorptie en extractie. Concentraten van de onderzochte locaties zijn in dit onderzoek, toxisch voor de gebruikte bioassays. In volgorde van afnemende toxiciteit zijn de onderzochte locaties als volgt te rangschikken: Jeker, Geleenbeek, Dieze en Maas. De toxiciteit van het monster uit de Jeker benadert het Maximaal Toelaatbaar Effect (MTE). In het veld dragen metalen ook bij aan de toxiciteit. Hierdoor vindt in het veld waarschijnlijk een hogere toxische belasting plaats dan op basis van de uitgevoerde metingen is te verwachten. Een overschrijding van het MTE voor de Jeker is daarom niet onwaarschijnlijk. Het herhalen van de uitgevoerde experimenten is noodzakelijk om inzicht te verkrijgen in het optreden van eventuele seizoensgebonden fluctuaties in de gemeten toxiciteit. Tevens is onderzoek naar de oorzaken van de gevonden effecten aan te bevelen. Indien de verantwoordelijke stoffen bekend zijn, kunnen immers gerichter maatregelen genomen worden om de gevonden effecten te verlagen. Dit onderzoek is met name van belang voor de Jeker omdat hier hoge toxiciteit is vastgesteld. 5 Effectgerichte beoordeling van de waterkwaliteit in de Jeker, Geleenbeek, Dieze en Maas

6 6 Effectgerichte beoordeling van de waterkwaliteit in de Jeker, Geleenbeek, Dieze en Maas

7 Inhoudsopgave Inleiding 9 2. Materiaal en methoden Monsters Opwerking monsters Bioassay Microtox Daphnia IQ test PAM-test Resultaten Microtox Daphnia IQ PAM-test Discussie Conclusie Literatuur 23 7 Effectgerichte beoordeling van de waterkwaliteit in de Jeker, Geleenbeek, Dieze en Maas

8 8 Effectgerichte beoordeling van de waterkwaliteit in de Jeker, Geleenbeek, Dieze en Maas

9 1. Inleiding In aanvulling op de stofgerichte aanpak wordt in het waterbeheer steeds vaker gebruik gemaakt van een effectgerichte beoordeling. Voor het beoordelen van oppervlaktewaterkwaliteit is hiervoor de methode bioanalyse in ontwikkeling (Maas et al, Penders & Hoogenboezem, Groot et al, 2000). Bioanalyses zijn goedkope en snelle testen met organismen van verschillende taxonomische groepen of testen die een specifiek werkingsmechanisme kunnen detecteren. Veelal worden deze testen in waterige concentraten of met sediment extracten uitgevoerd. De respons van een bioanalyse kan gezien worden als een somparameter, waarbij effecten van zowel bekende als onbekende stoffen worden gemeten. Daarmee dekken bioanalyses een breder veld aan stoffen af dan op basis van chemische analyses alleen kan worden aangetoond. Belangrijk doel van dit onderzoek is om de techniek bioanalyse in een praktijk situatie uit te proberen en beheerders kennis te laten nemen van de methode. Om dit doel te realiseren zijn in dit onderzoek bioanalyses uitgevoerd op oppervlaktewatermonsters uit de Jeker, de Dieze, de Geleenbeek en de Maas. Het bemonsterde water is opgewerkt tot een concentraat (1000x). Deze extracten zijn op toxiciteit beoordeeld met drie verschillende bioassays. Hiervoor is gebruik gemaakt van de Microtox (bacterie), de Daphnia IQ-test (watervlo) en een test met algen (PAM-test). Met de gebruikte extractiemethoden worden geen metalen geëxtraheerd. Toxiciteit die veroorzaakt wordt door metalen blijft in deze studie daarom buiten beschouwing. In het volgende hoofdstuk staat beschreven welke materialen en methoden zijn gebruikt. 9 Effectgerichte beoordeling van de waterkwaliteit in de Jeker, Geleenbeek, Dieze en Maas

10 10 Effectgerichte beoordeling van de waterkwaliteit in de Jeker, Geleenbeek, Dieze en Maas

11 2. Materiaal en methoden 2.1 Monsters Voor dit onderzoek is op 5 oktober 2004 bemonsterd. In tabel 1 staat een overzicht van de bemonsterde locaties. Tabel 1: bemonsterde locaties Monster Coördinaten x y Jeker Geleenbeek Dieze Maas De watermonsters zijn vervoerd in RVS vaten (Vrumona) en dezelfde dag opgewerkt bij het RIVM. 2.2 Opwerking monsters De oppervlaktewatermonsters zijn geconcentreerd bij het RIVM volgens voorschrift LER/303/03. In deze procedure worden organische stoffen uit het watermonster geëxtraheerd met een mengsel van XAD-4 en XAD-8. De organische stoffen worden vervolgens van de hars geëlueerd met aceton. Voordat bioassays met het extract worden uitgevoerd, wordt de aceton m.b.v. een Kuderna Dänisch destillatieopstelling zoveel mogelijk verwijderd. De organische verontreinigen in het extract worden uiteindelijk naar EPA medium overgebracht. De gevolgde procedure staat beschreven in standaardvoorschrift LER/310/02. De uiteindelijke concentratie factor bedraagt 1000x. 2.3 Bioassay Voor het beoordelen van de oppervlaktewaterconcentraten is gebruik gemaakt van vier verschillende bioassays. De gemeten toxiciteit is steeds uitgedrukt in Toxic Units (TU-waarden). Deze TU-waarden geven aan hoe vaak het oppervlaktewater verdund (waarden > 1) of geconcentreerd (waarde <1) moet worden om 50% effect te krijgen. 11 Effectgerichte beoordeling van de waterkwaliteit in de Jeker, Geleenbeek, Dieze en Maas

12 Microtox In de Microtox wordt gebruik gemaakt van de bacterie Vibrio fischeri. Dit is een mariene bacterie die een deel van de energie die bij zijn stofwisseling vrijkomt, uitzendt als licht. Stoffen en milieuomstandigheden kunnen het metabolisme en de hiermee verbonden lichtproduktie beïnvloeden. Een door toxische stoffen veroorzaakte verandering in de stofwisselingsreactie heeft een gelijktijdige verandering in de lichtemissie tot gevolg. In deze toets wordt remming van de bioluminescentie als toxisch effect beschouwd. De mate van bioluminescentie is te meten met een lichtmeter (Microtox ). In de gebruikte test wordt de afname van bioluminescentie na 5, 15 en 30 minuten gemeten nadat de bacteriën zijn blootgesteld aan een verdunning van het concentraat. Uit de resultaten met de hoogste lichtremming zijn TU-waarden berekend. Hiervoor is gebruik gemaakt van het computer programma behorende bij de Microtox. Het toxische effect dat met de Microtox wordt gemeten, is waarschijnlijk alleen de aspecifieke minimum toxiciteit. Dit betekent dat de Microtox alleen een soort basis toxiciteit weergeeft en niet het extra effect meet van specifiek werkende verbindingen. Zo is bijv. aangetoond dat van de specifiek werkende verbinding lindaan alleen de basis toxiciteit met de Microtox wordt gemeten (Hermens et al. 1985) Daphnia IQ test In deze test worden niet gevoerde, jonge watervlooien (Daphnia magna), blootgesteld aan een verdunningsreeks van het te testen monster. Na 1 uur incubatie, wordt een tracer verbinding toegediend (4-methyl-umbelliferyl-ß -D-galactoside). Na 15 minuten incubatie, wordt bepaald of de blootgestelde organismen onder UV-licht fluoresceren. De toxiciteit wordt bepaald uit de enzymatische splitsing van de galactoside uit de tracer. Hoe minder organismen fluoresceren onder UV-licht hoe toxischer het monster is. Uit de gegevens zijn TU-waarden berekend PAM-test Deze test maakt ook gebruik van de alg Pseudokirchneriella subcapitata. De organismen worden 4,5 uur blootgesteld aan verdunningen van het te testen monster. De fotosynthese van de algen wordt door middel van een lichtpuls met een grotere intensiteit extra gestimuleerd. Normaal wordt het ontvangen licht omgezet in een chemisch energierijke verbinding die vervolgens wordt gebruikt voor het vormen van glucose. Wanneer de energie vanwege een toxische belasting niet kan worden gebruikt 12 Effectgerichte beoordeling van de waterkwaliteit in de Jeker, Geleenbeek, Dieze en Maas

13 voor de fotosynthese zal de chemische energieopslag terugvallen naar zijn uitgangspositie. Dit heeft tot gevolg dat de cel licht met een andere frequentie zal uitzenden. Deze fotochemische efficiëntie of fotonen opbrengst wordt bepaald met een Puls- Amplitude-Modulatie (PAM) fluorometer. De uitgezonden lichtintensiteit is een maat voor het disfunctioneren van het fotosynthese proces. De concentratie waarbij 50% van de lichtintensiteit wordt gemeten ten opzichte van een controle wordt gebruikt als maat voor het effect. Uit de test resultaten worden TU-waarden berekend. De test wordt uitgevoerd bij het RIVM in Bilthoven. De PAM-test is vooral gevoelig voor verbindingen die het fotosynthese systeem in de alg ontregelen. Diuron en een aantal andere herbiciden geven bij lage concentraties effecten in deze test te zien. In onderzoek naar de toxiciteit van de Rijn en Maas bleek de PAM-test de gevoeligste test te zijn (Penders & Hoogenboezem, 2001). 13 Effectgerichte beoordeling van de waterkwaliteit in de Jeker, Geleenbeek, Dieze en Maas

14 14 Effectgerichte beoordeling van de waterkwaliteit in de Jeker, Geleenbeek, Dieze en Maas

15 3. Resultaten Dit hoofdstuk beschrijft de resultaten van de experimenten die zijn uitgevoerd met de verschillende oppervlaktewaterconcentraten. 3.1 Microtox Figuur 1 geeft een overzicht van de toxiciteit die met de Microtox in de oppervlaktewaterconcentraten is vastgesteld. 0,03 0,025 Toxic Unit 0,02 0,015 0,01 0,005 0 Jeker Geleenbeek Dieze Maas Figuur 1: Gemeten effect waarden met de Microtox De foutbalken geven het 95% betrouwbaarheidsinterval weer. In de oppervlakteconcentraten van de onderzochte locaties is toxiciteit vastgesteld. Het concentraat van de Jeker geeft het meeste effect, terwijl het geconcentreerde maaswater het laagste effect te zien geeft. Tevens is het concentraat van de Geleenbeek toxischer dan het concentraat uit de Dieze. 15 Effectgerichte beoordeling van de waterkwaliteit in de Jeker, Geleenbeek, Dieze en Maas

16 3.2 Daphnia IQ Figuur 2 toont de resultaten van de metingen met de Daphnia IQ test. 0,04 0,035 0,03 Toxic Unit 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 0 Jeker Geleenbeek Dieze Maas Figuur 2: Gemeten effect waarden met de Daphnia IQ-test De foutbalken geven het 95% betrouwbaarheidsinterval weer. De toxiciteit van de concentraten uit de Maas en Dieze is vergelijkbaar. Het concentraat van water uit de Geleenbeek en Jeker veroorzaken meer toxiciteit. Het concentraat van de Jeker is het meest toxisch. 3.3 PAM-test Het resultaat van de PAM testen staat in figuur 3. Toxic Units 0,1000 0,0900 0,0800 0,0700 0,0600 0,0500 0,0400 0,0300 0,0200 0,0100 0,0000 Jeker Geleenbeek Dieze Maas Figuur 3: Gemeten effect waarden (TU) met de PAM-test. De foutbalken geven het 95% betrouwbaarheidsinterval weer. De toxiciteit van de Geleenbeek, Dieze en Maas is vergelijkbaar. De Jeker veroorzaakt veel meer toxiciteit. 16 Effectgerichte beoordeling van de waterkwaliteit in de Jeker, Geleenbeek, Dieze en Maas

17 4. Discussie Van de onderzochte locaties geeft het concentraat van de Jeker in alle testen het meeste effect. De toxiciteit gemeten met de PAM-test van de overige concentraten (Dieze, Geleenbeek en Maas) is vergelijkbaar. De betrouwbaarheidsintervallen overlappen elkaar. De toxiciteit die is gemeten met de Daphnia IQ test geeft een vergelijkbaar beeld te zien. Het concentraat van de Jeker geeft het meeste effect, terwijl de toxiciteit van de concentraten uit de Dieze en Maas vergelijkbaar is. Het concentraat van water uit de Geleenbeek geeft meer effect, maar is duidelijk minder toxisch dan het concentraat van water uit de Jeker. Bij de Microtox geeft het concentraat uit water van de Jeker ook het meeste effect te zien. Vervolgens neemt de toxiciteit toe in de volgorde: Geleenbeek, Dieze en Maas. De berekende TU-waarden zijn voor alle testen lager dan 1. Dit betekent dat de monsters alleen effect geven indien geconcentreerd wordt. Wel dient rekening gehouden te worden met het feit dat de toxiciteit is gemeten met acute toxiciteitstesten, terwijl in het veld, door de lage toxicant concentraties, met name chronische effecten kunnen optreden. In het rapport normstelling voor bioassays (Maas et al, 2003) is een beoordelingscriterium voorgesteld voor de toxiciteit in oppervlaktewater. Het Maximaal Toelaatbaar Effect (MTE) voor oppervlaktewater is op 0.1 TU voor acute toxiciteit gesteld. In dit onderzoek is met de PAM test 0.08 TU aan effect in het Jeker monster gemeten. Deze waarde benadert het MTE. In het veld dragen metalen ook bij aan de toxiciteit. Hierdoor vindt in het veld waarschijnlijk een hogere toxische belasting plaats dan op basis van de uitgevoerde metingen is te verwachten. Een overschrijding van het MTE voor de Jeker is daarom niet onwaarschijnlijk. Voor dit onderzoek is slechts op één moment oppervlaktewater bemonsterd en geconcentreerd op toxiciteit beoordeeld. Het verdient aanbeveling de metingen te herhalen. Uit eerder onderzoek is namelijk bekend dat de toxiciteit van oppervlaktewaterconcentraten verandert gedurende de seizoenen (Groot et al, 2000, Maas et al, 2004). Op basis van de hoge toxiciteit die is aangetoond in de Jeker, is het aan te bevelen inzicht te verkrijgen in de oorzaken van het gemeten effect. Indien de oorzaken immers bekend zijn, kunnen de bronnen van de veroorzakende verbindingen gerichter worden aangepakt. Voor het ophelderen van de oorzaken van de gemeten toxiciteit kan gebruik gemaakt worden van Effect Directed Analyses (EDA)(Rotteveel, 2004). Globaal komt deze methode er op neer dat d.m.v. fractioneren de niet toxische componenten zoveel mogelijk uit het uitgangsmonster worden 17 Effectgerichte beoordeling van de waterkwaliteit in de Jeker, Geleenbeek, Dieze en Maas

18 verwijderd. M.b.v. bioassays is vervolgens aan te geven welke fractie toxisch is en dus de toxicanten bevat. De complexiteit van het monster neemt door het fractioneren sterk af. Hierdoor is de chemische identificatie van stoffen beter uitvoerbaar en hoeven minder verbindingen beoordeeld te worden op het mogelijk veroorzaken van toxiciteit. 18 Effectgerichte beoordeling van de waterkwaliteit in de Jeker, Geleenbeek, Dieze en Maas

19 5. Conclusie Op basis van dit onderzoek kan het volgende geconcludeerd worden: Oppervlaktewaterconcentraten uit de Maas, de Geleenbeek, de Dieze en de Jeker zijn toxisch in de Microtox, Daphnia IQ test en de PAM-test; De toxiciteit van de Jeker benadert het MTE voor acute toxiciteit. 19 Effectgerichte beoordeling van de waterkwaliteit in de Jeker, Geleenbeek, Dieze en Maas

20 20 Effectgerichte beoordeling van de waterkwaliteit in de Jeker, Geleenbeek, Dieze en Maas

21 6. Aanbevelingen Voor eventueel vervolgonderzoek zijn de onderstaande aanbevelingen van belang: Het ophelderen van de oorzaken van de gemeten toxiciteit in het monster uit de Jeker is aan te bevelen om gerichter acties te kunnen ondernemen om de waterkwaliteit verder te verbeteren; Er dient een inschatting gemaakt te worden van de bijdrage in toxiciteit die metalen veroorzaken; Om een beter inzicht te verkrijgen in de toxiciteit van de onderzochte watersystemen is het noodzakelijk de metingen een aantal keer per jaar uit te voeren. Eventuele seizoensinvloeden op de toxiciteit worden hierdoor zichtbaar. 21 Effectgerichte beoordeling van de waterkwaliteit in de Jeker, Geleenbeek, Dieze en Maas

22 22 Effectgerichte beoordeling van de waterkwaliteit in de Jeker, Geleenbeek, Dieze en Maas

23 6. Literatuur Groot de AC, Maas H, Wouterse MJ, van Dijk B Kartering Toxische Stress Rijkswateren RIVM ECO notitie 02/03. Hermens J, Busser F, Leeuwangh P, Musch A Quantitative Structure-Activity Relationships and Mixture Toxicity of Organic Chemicals in Photobacterium phosphoreum: the Microtox test. Ecotoxicology and Environmental safety 9, Maas JL, van de Plassche EJ, Straetmans A, Vethaak AD, Belfroid AC Normstelling voor bioasays. RIZA rapport /RIKZ rapport Maas JL, van den Heuvel-Greve MJ Opportunities for Bioanalysis in WFD chemical monitoring using bioassays. RIZA/RIKZ (In voorbereiding). Penders EJM, Hoogenboezem W Biotesten, een bruikbaar instrument voor de kwaliteitsbewaking van oppervlaktewater? RIWA. Rotteveel S Toxische oppervlaktewaterconcentraten nader bekeken. RIZA werkdocument X. 23 Effectgerichte beoordeling van de waterkwaliteit in de Jeker, Geleenbeek, Dieze en Maas