ESF8-Toxiciteit. Rapport t.b.v. -test periode (dd 28-10-2015) Pagina 1 van 57 1 2 3 4 5 Handreiking systeemanalyse met behulp van de Ecologische Sleutelfactoren Toxiciteit (ESF 8) VERSIE VOOR DE BETA TEST* 6 7 Leo Posthuma (RIVM), Dick de Zwart (RIVM, DdZ Ecotox), Leonard Osté (Deltares), Ron van 8 der Oost (Waternet), Jaap Postma (Ecofide) 9 10 STOWA rapportnummer: *** 11 RIVM rapportnummer: *** 12 Deltares rapportnummer: 1210758 13 Ecofide rapportnummer: *** 14 Waternet rapportnummer: 15.125832 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 * Disclaimer: Dit rapport is het product van het project Ontwikkeling ESF8-Toxiciteit. Het project heeft geleid tot een aanpak voor de beoordeling van toxiciteit van watersystemen, gesteund door tools: de rekentool voor toxische druk bepaling, en het bioassay-model SIMONI. De rekentool wordt in de periode 10/2015 tot en met 3/2016 getoetst door potentiële gebruikers ( test). Daarna wordt aan de hand van de suggesties uit de toetsperiode een mogelijk een aantal wijzigingen doorgevoerd, die betrekking kunnen hebben op de tool, op de tekst over de tool, en/of over de interpretatie van de resultaten die verkregen worden met de tool. Deze versie van het rapport rondt het ontwikkeltraject af. Na de -test wordt besloten op welke wijze de resultaten van de test wordt verwerkt. Dit kan leiden tot aanpassingen in de ESF8-tools en de rapportage. 1
ESF8-Toxiciteit. Rapport t.b.v. -test periode (dd 28-10-2015) Pagina 2 van 57 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 Inhoudsopgave Inhoudsopgave 2 Samenvatting 2 1 Inleiding 3 1.1 Ecologische Sleutelfactoren 3 1.2 ESF8: de Ecologische Sleutelfactor Toxiciteit 3 1.3 De twee sporen van de ESF8 4 1.4 Doelen, leeswijzer en beperkingen 5 2 Hoofdlijnen van het ESF8 ontwerp 6 2.1 Randvoorwaarden 6 2.2 Het twee sporen ontwerp 6 2.3 De beoordeling van toxiciteit 8 3 Spoor 1, Chemie: bepalen van toxische druk uit concentraties 11 3.1 Principes 11 3.2 Ontwikkeling van het spoor Chemie 12 3.2.1 Selectie van stoffen voor de ESF8 spoor Chemie 12 3.2.2 Verzamelen van toxiciteitsgegevens van deze relevante stoffen 13 3.2.3 Van toxiciteitsgegevens via SSD s en hun kwaliteit 13 3.2.4 Via SSD s naar uitvoervarianten van de toxische druk 15 3.3 Rekentool voor het kwantificeren van toxische druk 15 3.4 Toelichting bij de interpretatie van toxische druk resultaten 17 3.4.1 Relatieve of absolute interpretatie 17 3.4.2 Beperkingen 17 3.4.3 Specifieke werkingsmechanismen en nieuwe stoffen 18 3.5 Praktijkvoorbeelden ESF8 Chemie 18 4 Spoor 2, Toxicologie: effectmetingen met bioassays 23 4.1 Principes 23 4.2 Ontwikkeling van het spoor Toxicologie 23 4.2.1 Selectie van relevante bioassays 23 4.2.2 Ontwikkelen van signaalwaarden voor ecologische risico s 25 4.3 SIMONI 1.1: model om de ecologische risico s te kwantificeren 28 4.4 Praktijkvoorbeeld ESF8 Toxicologie 30 5 Evaluatie en aanbevelingen 33 5.1 Stand van zaken 33 5.2 Verdere ontwikkeling 33 5.3 De watersysteemanalyse en de richting van maatregelen 36 5.4 Stand van zaken en aanbevelingen 37 6 Literatuur 39 Bijlage 1: Technische aspecten van het Chemie-spoor 41 Bijlage 2: Waternet benchmark data Toxicologie-spoor 54 Samenvatting De systematiek van de Ecologische Sleutel Factoren (ESF s) wordt door STOWA ontwikkeld om inzichtelijk te maken wat de huidige ecologische toestand van een watersysteem is en waar de belangrijke stuurknoppen zitten voor herstel. Dit overzichtsrapport beschrijft de Ecologische Sleutel Factor 8, Toxiciteit. Er wordt uiteengezet wat de opzet van de ESF8 is (twee elkaar aanvullende sporen), wat op hoofdlijnen de technisch wetenschappelijke onderbouwing is, welke typen resultaten er verkregen worden, en hoe deze resultaten 2
ESF8-Toxiciteit. Rapport t.b.v. -test periode (dd 28-10-2015) Pagina 3 van 57 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 inzicht geven in de effecten van toxiciteit op watersystemen. Voor beide sporen van de ESF8 zijn toepassingsgerichte tools ontwikkeld, in de vorm van (a) een software applicatie, die uit beschikbare concentraties van stoffen de acute toxische druk afleidt, en (b) het SIMONImodel (Slimme Integrale Monitoring) waarmee uit de resultaten van een geoptimaliseerd pakket biologische effectmetingen (bioassays) afgeleid wordt wat de aard en omvang van ecologische risico s is. De ESF8 aanpak is bedoeld om de toxische stress van microverontreinigingen in het watersysteem te bepalen. Voor een watersysteemanalyse, waarin alle stressfactoren worden meegenomen die invloed hebben op de ecologie, is het belangrijk dat ook de overige ecologische sleutelfactoren worden onderzocht. De ESF8 beoordeling is aansluitend en aanvullend op de beoordelingen die volgens de geldende regelgeving moeten worden uitgevoerd. Toepassing van de ESF8 tools leidt tot inzichten in bedreigingen van het watersysteem door stoffen. Bij een hoge toxische stress door bepaalde stoffen of stofgroepen, kan ESF8 helpen bij het afleiden van (kosten)effectieve maatregelen om de kwaliteit van het watersysteem te verbeteren. Dit rapport beschrijft het prototype van de ESF8. 1 Inleiding 1.1 Ecologische Sleutelfactoren Het concept van ecologische sleutelfactoren (ESF s) is door STOWA vormgegeven om inzichtelijk te maken wat de huidige ecologische staat van een watersysteem is en waar de belangrijke stuurknoppen zitten voor herstel (Stowa, 2014). Met de negen verschillende factoren (zie Figuur 1) worden stap voor stap de bepalende factoren voor een ecologisch goed functionerend watersysteem doorgenomen. Hierbij kan voor iedere factor afzonderlijk worden bepaald of deze groen is: het waterlichaam voldoet aan de voorwaarde waar de sleutelfactor voor staat, of rood : het waterlichaam voldoet niet aan de voorwaarde waar de sleutelfactor voor staat. Figuur 1. De ecologische sleutelfactoren die worden ontwikkeld voor het beheer van watersystemen (zie STOWA (2014)). 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 1.2 ESF8: de Ecologische Sleutelfactor Toxiciteit Om toxische effecten in het oppervlaktewater te beoordelen zijn er in Nederland voor een groot aantal stoffen waterkwaliteitsnormen beschikbaar. Deze zijn in Europese (KRW) of Nederlandse regelgeving vastgelegd en vormen een goede eerstelijns basis voor bescherming en beoordeling van de waterkwaliteit: zolang de concentratie van een bepaalde stof aan de norm voldoet, kan men er vanuit gaan dat die stof niet tot problemen in het waterbeheer leidt. Tegelijkertijd kent dit systeem ook haar beperkingen. Dit leidt tot diverse vragen in beleid en beheer: 1. Hoe groot zijn de risico s voor de aquatische ecologie als deze chemische normen in het watersysteem worden overschreden voor één of meer stoffen? 2. Hoe groot zijn de risico s voor de aquatische ecologie van een mengsel van stoffen? 3
ESF8-Toxiciteit. Rapport t.b.v. -test periode (dd 28-10-2015) Pagina 4 van 57 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 3. Er zijn nieuwe stoffen, die volop in de belangstelling staan maar die niet gemeten en/of genormeerd zijn; kunnen deze stoffen risico s veroorzaken voor de ecologie? Met de ecologische sleutelfactor Toxiciteit (ESF8) moet een waterbeheerder beide vragen kunnen beantwoorden. Bovendien moet de waterbeheerder in het kader van een watersysteemanalyse inzicht kunnen krijgen in een aantal van de onderstaande deelvragen: - Hoe erg? Bij een overschrijding van normen is niet iedere situatie even ernstig, door verschillen in duur en mate van de normoverschrijding. Daarnaast gaat het om het totale effect van het aanwezige mengsel. De ESF8 moet daarom een kwantitatieve maat voor ecologische risico s van stoffen en hun mengsels kunnen geven. - Welke stoffen? Toxiciteit kan in potentie door een enorm aantal stoffen worden veroorzaakt. De ESF8 moet inzicht geven in de stoffen (stofgroepen) die het hoogste risico voor de ecologie vormen. - Soort impact? Stoffen kunnen een aspecifiek of juist een specifiek werkingsmechanisme (zoals pesticiden en hormoon verstorende stoffen) hebben. Door kennis over dit werkingsmechanisme te combineren met inzicht in daadwerkelijke effecten geeft de ESF8 richting aan de organismegroep(en) waar effecten als eerste zichtbaar kunnen worden. - Noodzaak en prioriteren van maatregelen? Als de ESF8 een hoog ecologisch risico door chemische verontreiniging aangeeft, kunnen gerichte maatregelen worden genomen die leiden tot het terugdringen van de toxische druk. Met de informatie uit de ESF8 kan worden voorkomen dat er onnodige maatregelen worden genomen. De inzichten die met de ESF8 verkregen kunnen worden zijn daarbij aanvullend en aansluitend op de in de regelgeving vastgelegde manieren (normtoetsing en beoordeling van biologische kwaliteitselementen) om inzicht te krijgen in de waterkwaliteit. Geconsulteerde waterbeheerders bleken positief te zijn over de inzichten die met de ESF8 aanpak verkregen kunnen worden over het belang van toxiciteit in watersystemen (zie daarvoor onder meer de 3.5 en 4.4). 1.3 De twee sporen van de ESF8 De ESF8 dient op eenvoudige en begrijpelijke manier inzichten te geven in de betekenis van toxiciteit als stuurfactor in een watersysteem. Tegelijkertijd zijn de eerder genoemde hoofdvragen wezenlijk verschillend. De ESF8 biedt daarom de mogelijkheid om de vraagstelling via twee verschillende beoordelingsmethoden aan te pakken. Deze worden aangeduid als twee ESF8 sporen: Spoor 1; Chemie Gegevens over de concentraties van aanwezige en vaak routinematig gemonitorde stoffen wordt gebruikt om de verwachtte ecologische effecten via modellering te kwantificeren Spoor 2; Toxicologie De effecten van alle aanwezige extraheerbare organische stoffen, ook de onbekende en niet geanalyseerde, worden gezamenlijk vastgesteld via bioassays De beginselen en principes van beide sporen hebben internationaal een brede kennisbasis, die is toegelicht bij de uitleg van het ontwerp van beide sporen (Hoofdstukken 2, 3 en 4). Ook in het EU project SOLUTIONS (2013 2017) is deze twee sporen aanpak de basis om beleidsmatige vragen over de effecten van stoffen in het Europese waterbeheer te kunnen beantwoorden (Brack et al. (2015), www.solutions project.eu). 4
ESF8-Toxiciteit. Rapport t.b.v. -test periode (dd 28-10-2015) Pagina 5 van 57 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 1.4 Doelen, leeswijzer en beperkingen Het doel van dit rapport is om de ESF8 te introduceren, de onderbouwing ervan te beschrijven, en de toepassing (als handreiking) te illustreren. Dit rapport omvat daartoe de volgende hoofdstukken: Hoofdstuk 2, Hoofdlijnen van het ESF8 ontwerp beschrijft het integrale ontwerp van de ESF8. Hoofdstuk 3, Spoor 1, Chemie: bepalen van toxische druk uit concentraties beschrijft hoe het Chemie spoor van de ESF8 is ontworpen en ingevuld. Hoofdstuk 4, Spoor 2, Toxicologie: effectmetingen met bioassays beschrijft hoe het Toxiciteit spoor van de ESF8 is ontworpen en ingevuld. Hoofdstuk 5, Evaluatie en aanbevelingen beschrijft wat er wel en (nog) niet bereikt is met de ESF8 aanpak die in dit rapport wordt beschreven. De ESF8 is in dit rapport als prototype beschreven. Dat betekent dat geselecteerde testers met de huidige versie een test uit gaan voeren om het prototype voor gebruikers te vervolmaken. De uitkomsten die een test opleveren worden omgewerkt tot verbeteringen. Die kunnen betrekking hebben op de ESF8 tools in technische zin, maar ook op nadere uitleg van de tool of de interpretatie van de uitkomsten. In het huidige rapport wordt de hoofdtekst zo veel mogelijk gebruikt voor uitleg van het ontwerp en het gebruik bij watersysteemanalyses, en worden details over de technische details van het ontwerp in Bijlagen gegeven. De verbeteringen die via de test gesuggereerd worden kunnen uitgewerkt worden in de tool (technisch beter of handiger) of tekst, bijvoorbeeld doelgerichte teksten over (a) een korte toelichting op het ESF8 ontwerp en de relatie met de andere ESF s, (b) een handleiding voor het praktijkgebruik van de tools, of (c) onderbouwende teksten over de details van het ontwerp. In de toekomst zal de ESF8 zich verder inhoudelijk kunnen ontwikkelen, zoals onder meer via het toevoegen van ecotoxicologische informatie over nieuwe stoffen (spoor Chemie), nieuwe bioassays (spoor Toxiciteit), en ecologische informatie (validatie van beide sporen). 5
ESF8-Toxiciteit. Rapport t.b.v. -test periode (dd 28-10-2015) Pagina 6 van 57 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 2 Hoofdlijnen van het ESF8 ontwerp 2.1 Randvoorwaarden De ESF systematiek kent een aantal randvoorwaarden. Zo is het voor iedere sleutelfactor belangrijk dat ESF uitslagen inzicht geven in de toestand van het watersysteem (stoplicht functie). Daarnaast dient de directe link met stuurknoppen een waterbeheerder handvatten te bieden om de toestand van de sleutelfactor te beïnvloeden (stuurbaar). Verder moeten de ESF s toekomstbestendig zijn. Kennis over de aanwezigheid of effecten van nieuwe stoffen moet eenvoudig aan de ESF8 kunnen worden toegevoegd. Ook is het wenselijk dat de sleutelfactor kan worden ingevuld op basis van bestaande gegevens of op basis van een kostenefficiënt alternatief (beperking van nieuwe onderzoekbehoeften) en dat dit waar mogelijk moet aansluiten bij de wijze waarop andere nationale en internationale beleidskaders met toxiciteit omgaan (draagvlak). 2.2 Het twee sporen ontwerp De twee samenhangende sporen van het ESF8 ontwerp zijn weergegeven in Figuur 2. Het ene spoor (Chemie) sluit aan bij de huidige monitoring van stoffen. Dit spoor werkt via modellen. Chemische monitoring gegevens (concentraties) zijn hierbij de invoer. Het andere spoor (Toxicologie) is gebaseerd op het meten van effecten in biologische testen (bioassays), zonder dat bekend hoeft te zijn welke stoffen er aanwezig zijn. Doordat er twee sporen nodig zijn voor de beoordeling van toxiciteit is er zoals bij de andere sleutelfactoren niet alleen sprake van groen of rood als mogelijk uitkomsten, maar ook van oranje. Er is in dat geval sprake van een mogelijk risico als de uitkomsten van beide sporen voor een situatie gebied verschillen. Eén van beide sporen geeft dan signaal. Het onderzoeken van de betekenis en mogelijke oorzaak daarvan vraagt dan om verdiepend onderzoek. Figuur 2. Schematisch overzicht van de ESF8, met links het screening onderdeel van de ESF8 dat in dit rapport wordt beschreven. De verdieping valt buiten het huidige ESF8 ontwerp. Voor afkortingen: zie tekst. 228 229 6
ESF8-Toxiciteit. Rapport t.b.v. -test periode (dd 28-10-2015) Pagina 7 van 57 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 Wat betreft uitvoeringskosten maakt het Chemie spoor zoveel mogelijk gebruik van bestaande monitoringsgegevens. Het Toxicologie spoor kan kosteneffectief worden uitgevoerd met een geoptimaliseerde batterij van bioassays. Hiermee is het mogelijk om inzicht te krijgen in de algemene én specifieke effecten (en mogelijke risico s) van bijna alle aanwezige stoffen. Daarnaast illustreert Figuur 2 dat er bij de ESF8, net als bij de andere sleutelfactoren, sprake is van een oriënterende aanpak ( screening via beide sporen), zo nodig gevolgd door een verfijnde analyse ( verdieping ). De verdieping is maatwerk dat vooralsnog buiten het huidige ESF8 ontwerp valt. Tabel 1. Voor en nadelen en complementariteit van beide ESF8 sporen (compilatie uit internationale ervaringen). Eenduidige interpretatie. (Nog) niet eenduidige interpretatie Aspect Spoor Chemie (stoffen) Spoor Toxicologie (effecten) Effecten van mengsels Kan voor de geselecteerde stoffen worden Met bioassays wordt het gecombineerde (combinatietoxiciteit) berekend op basis van additiviteit effect van grote groepen stoffen integraal bepaald Biobeschikbaarheid Langdurige blootstelling in het veld Bioaccumulatie Wat zegt het resultaat? Specifieke effecten Relatie met werkelijke effecten in het veld Aansluiting op huidige normkaders Volledigheid t.a.v. stoffen Mogelijkheid tot afleiden mitigerende maatregelen Kan worden berekend als het milieuchemische gedrag van de stof bekend is Indien chronische toxiciteitstesten beschikbaar zijn, kunnen deze worden meegenomen Wordt momenteel nog niet beoordeeld maar zou in de toekomst kunnen worden toegevoegd, via modellering Uitslag Geen effect sluit niet uit dat onbekende stoffen een effect kunnen geven Uitslag Wel effect geeft meteen aan welke stof(fen) het effect mogelijk veroorzaken. Nader onderzoek of dit effect daadwerkelijk optreedt. Thans heeft de bepaling van de toxische druk betekenis voor directe biodiversiteitseffecten. Specifieke effecten (zoals enerzijds doorvergiftiging en anderzijds op specifieke biologische receptoren vanwege specifieke werkingsmechanismen van stoffen) worden niet beschouwd. De modellen waarmee de lokale toxische druk wordt afgeleid zijn geaccepteerd voor het afleiden van normen voor individuele stoffen, maar de relatie tussen de (mengsel) toxische druk en veldeffecten is beperkt onderbouwd. IJking op absolute effecten wordt in de ESF8 aanpak later uitgewerkt. Methode kan locatiespecifieker worden gemaakt door biobeschikbaarheidscorrecties o.b.v. omgevingscondities mee te nemen. Sluit goed aan en is aanvullend op bestaande normen en de monitoring van stoffen Beperkt: selectie van stoffen is weliswaar o.b.v. gebruik, toxiciteit en waargenomen effecten, maar het aantal stoffen blijft een fractie van het geheel en nieuwe stoffen worden niet meegenomen. Direct mogelijk, omdat bijdrage van individuele stoffen inzichtelijk is Wordt impliciet gemeten in de in vivo bioassays Bij de screening wordt acute toxiciteit gemeten, die in 20x geconcentreerde monsters indicatief kan zijn voor chronische toxiciteit Wordt voor een belangrijk deel meegenomen als de bemonstering wordt uitgevoerd met passive samplers Uitslag Geen effect geeft een redelijke mate van zekerheid dat stoffen een laag risico voor de ecologie vormen Uitslag Wel effect vraagt nader onderzoek of stoffen daadwerkelijk een probleem zijn. Bioassays kunnen gericht worden ingezet bij vermoedens van specifiek werkende stoffen. Uitvoering is locatiespecifiek, ontwerp van signaalwaarden (referentiekader) op basis van ecotoxicologische data en modellen (zie spoor Chemie) kan een indicatie geven van mogelijk nadelige effecten in het veld. Referentiekader nog niet geaccepteerd. Thans beperkt, al verkent de EU momenteel de mogelijkheden voor inzet bioassays, vanwege de voordelen Groot: gericht op werkingsmechanismen of niet specifieke werking van stoffen. De meeste onbekende organische stoffen en omzettingsproducten worden meegenomen in niet specifieke assays Indirect, nadat op basis van effect is achterhaald om welke stof(fen) het gaat. 7
ESF8-Toxiciteit. Rapport t.b.v. -test periode (dd 28-10-2015) Pagina 8 van 57 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 De keuze voor de twee sporen is ingegeven door de hoofdvragen over toxiciteit ( 1.2). Beide sporen zijn echter ook bewust aanvullend op elkaar, waarbij de voordelen van het ene spoor de nadelen van het andere spoor ondervangen (Tabel 1). Hierdoor biedt de ESF8 de waterbeheerder een optimaal inzicht in de mogelijke toxiciteit en de richting waarin de eventuele maatregelen gezocht kunnen worden. 2.3 De beoordeling van toxiciteit In de beoordeling zijn de twee sporen complementair aan elkaar. Waar het Chemie spoor de nadruk legt op de vertaling van aangetroffen concentraties naar de omvang van de verwachte effecten, ligt de nadruk in het Toxicologie spoor op de beoordeling van daadwerkelijke effecten en de relevantie voor de veldsituatie. Chemie spoor Het Chemie spoor maakt inzichtelijk wat de mogelijke ecologische effecten van de aangetroffen stoffen en hun mengsels kunnen zijn. Er wordt gekwantificeerd welke stoffen welke effecten kunnen hebben. Dit gebeurt via het begrip toxische druk. Dit begrip wordt als standaard werkwijze gebruikt bij de afleiding van waterkwaliteitsnormen uit laboratoriumgegevens (ECHA 2008, EC 2011). Bij het vaststellen van waterkwaliteitsnormen is namelijk de operationele beschermingsdoelstelling gedefinieerd als de concentratie van een stof waarbij 95% van de mogelijk voorkomende soorten beschermd wordt tegen enig nadelig effect. Die concentratie wordt afgeleid via een soorten gevoeligheidsverdeling, in het Engels: Species Sensitivity Distribution, SSD (zie Figuur 3, met X=concentratie, en Y=toxische druk, uitgedrukt als Potentieel Aangetaste Fractie, PAF). De chronische toxische druk die bij de afleiding van normen een rol speelt is daarbij gelijk aan 5%. Aan de hand deze beleidsmatig gekozen maximale chronische toxische druk (Y as) kan voor iedere stof een bijbehorende normconcentratie worden afgeleid (X as), waarbij geldt: hoe toxischer de stof, hoe lager de kritische concentratie, zie Figuur 3) 1. 271 272 273 274 275 276 277 278 Figuur 3. Toepassing van soorten gevoeligheidsverdelingen (SSDs afgeleid van chronische NOECs) bij het afleiden van waterkwaliteitsnormen van stoffen, waarbij voor drie stoffen met sterk verschillende toxiciteit (ligging van de curve) getoond wordt hoe het beleidsmatig gekozen beschermingsniveau (maximaal 5% van de soorten blootgesteld boven hun NOEC, ofwel 95% beschermd tegen enig effect) leidt tot verschillende kritische concentraties die bij dat beschermingsniveau horen. Slechts voor één van de stoffen, de meest toxische, worden de gebruikte ecotoxiciteitsdata getoond. 1 Op basis van de hoeveelheid en kwaliteit van de beschikbare gegevens kan aanvullend ook een extra veiligheidsfactor worden toegepast. 8
ESF8-Toxiciteit. Rapport t.b.v. -test periode (dd 28-10-2015) Pagina 9 van 57 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 293 294 295 296 297 298 299 300 301 302 303 304 305 306 307 308 309 310 311 312 313 314 315 316 317 318 319 320 321 322 323 324 325 326 327 328 329 330 331 In de ESF8 wordt het begrip toxische druk de andere kant op gebruikt. Nu is de concentratie van een stof bekend of via modellen voorspeld (X), en leidt men juist af welk deel van de mogelijk aanwezige soorten een negatief effect zal ondervinden (PAF, Y). Die fractie varieert van 0 tot 1 (0 tot 100%), en wordt aangeduid als de Potentieel Aangetaste Fractie (PAF). De toxische druk wordt in de ESF8 voor iedere afzonderlijke stof uitgerekend en vervolgens wordt het effect van alle aanwezige stoffen samen gecombineerd tot een mengsel toxische druk (meer stoffen PAF ofwel: mspaf). Deze mspaf van een groep stoffen, of zelfs een heel monster, varieert (dus) ook van 0 tot 1. Voor zowel de normstelling als de ESF8 toepassing wordt de beoordeling van toxiciteit in het Chemie spoor uiteindelijk gebaseerd op toxiciteitsgegevens uit het laboratorium. Die worden verkregen door het testen van iedere stof afzonderlijk op verschillende soorten. De testen kunnen acuut of chronisch zijn. Om deze reden kan er ook onderscheid gemaakt worden tussen de acute en de chronische toxische druk van een stof, die dan ook gebaseerd zijn op acute resp. chronische SSDs. Bij de ESF8 is gekozen om de toxische druk te baseren op acute (snel werkende) toxiciteit. Hier zijn twee redenen voor. Allereerst wordt verwacht dat de relatie met werkelijke (meetbare) ecologische effecten in het veld hierdoor verbetert. Daarnaast is de betrouwbaarheid en volledigheid van de benodigde toxiciteitsgegevens groter dan voor chronische effecten. Als basis voor de bepaling van de toxische druk wordt bij de modellering daarom gebruik gemaakt van zogenaamde acute EC 50 waarden. Dit zijn concentraties waarbij de testorganismen tijdens een korte blootstelling (veelal <1 week) meer dan 50% effect op de overleving, groei of reproductie ondervinden. In de ESF8 wordt de toxische druk daarom uitgedrukt als fractie van de soorten voor welke de acute EC 50 wordt overschreden. In een studie met verontreinigde sedimenten in het benedenrivierengebied is aangetoond dat deze acute toxische druk een goede en directe relatie vertoont met daadwerkelijke effecten op de biodiversiteit van de aanwezige macrofauna (Posthuma en De Zwart 2012a). Overigens wil deze keuze voor het kwantificeren van de acute toxische druk niet zeggen dat er met deze sleutelfactor niet ook een indruk over chronische (langzaam werkende) toxiciteit kan ontstaan. Hiervoor gelden alleen andere maatstreepjes op dezelfde maatlat. Als de acute toxische druk bijvoorbeeld 0,2 is (de acute EC 50 zou voor 20% van de geteste soorten overschreden worden) dan kan de fractie soorten met chronische effecten bijvoorbeeld 64% zijn. Deze verhouding is hier slechts een voorbeeld. De werkelijke verhouding tussen de waardes van een acute en een chronische toxische druk van een monster worden bepaald door de ligging en de hellingen van de SSDs curves, en kan per stof verschillen (zie 3.1). Toxicologie spoor Het Toxicologie spoor maakt met effectmetingen inzichtelijk of het gehele mengsel aan stoffen een nadelig effect kan hebben op waterorganismen. Hierbij wordt zowel de algemene toxiciteit (testen met organismen) als de specifieke toxiciteit (testen met cellijnen, gericht op een bepaald werkingsmechanisme) bepaald. In dit spoor wordt het nadelige effect van een zeer grote groep stoffen beoordeeld. De effectmetingen worden uitgevoerd met bioassays waarin de organismen of cellen worden blootgesteld aan extracten van geconcentreerde watermonsters met een onbekend stoffenmengsel. Om een indicatie van de chronische toxiciteit te geven (die in ongeconcentreerd water moeilijk meetbaar is) is het nodig om het water te concentreren. Dit kan met vaste fase extractie (solid phase extraction, SPE) van een groot volume water of met behulp van passieve bemonstering (passive samplers, PS). Het voordeel van passive sampling is dat er in ca. 6 weken een tijdgeïntegreerd monster wordt genomen van de biologisch beschikbare stoffen. Er worden alleen organische stoffen geconcentreerd, zodat voor metalen een chemische analyse (met een bepaling van de toxische druk in het Chemiespoor) nodig blijft. 9
ESF8-Toxiciteit. Rapport t.b.v. -test periode (dd 28-10-2015) Pagina 10 van 57 332 333 334 335 336 337 338 339 340 341 342 343 344 345 346 347 348 349 Bioassays zijn toxiciteitstesten met levende dieren, planten, weefsels of cellen. Met een goed gekozen testbatterij worden de mogelijke risico s van het gehele mengsel van in het water aanwezige stoffen (ook afbraakproducten en onbekende stoffen) geanalyseerd. Hiermee wordt een meer volledig beeld van de risico s van chemische verontreinigingen verkregen dan mogelijk is met de chemische analyses van een beperkte groep stoffen. Het is bij een bioassay echter niet bekend welke stoffen de waargenomen effecten veroorzaken. Combinatie van beide sporen De combinatie van beide sporen in de ESF8 methode (volgens Figuur 2) leidt vervolgens tot één oordeel per locatie in de watersysteem analyse. Als beide methoden hetzelfde resultaat geven is het oordeel duidelijk: laag risico als beide goed signaleren (groen), en hoog risico als beide slecht signaleren (rood). Een nader onderzoek is nodig als de ene methode een goed en de andere een slecht resultaat geeft. In het geval van een hoog risico (rood) wordt aanbevolen om bij het overwegen van maatregelen eerst na te gaan wat de oorzaak en omvang van het probleem is. Hiervoor worden de gegevens van verschillende monsters gezamenlijk geïnterpreteerd. Hoe complexer of duurder de maatregelen, hoe meer aanleiding er is om verdiepend onderzoek te doen. 10
ESF8-Toxiciteit. Rapport t.b.v. -test periode (dd 28-10-2015) Pagina 11 van 57 350 351 352 353 354 355 356 357 358 359 360 361 362 363 364 365 366 367 368 369 370 371 372 373 374 375 376 377 378 379 380 381 3 Spoor 1, Chemie: bepalen van toxische druk uit concentraties 3.1 Principes Het Chemie spoor van de ESF8 is gebaseerd op drie wetmatigheden: - De (biobeschikbare) concentratie van een stof bepaalt de mate van effect - De mate van effect van een stof is afhankelijk van de gevoeligheden van de soorten in een watersysteem voor die stof - De uiteindelijke effecten van stoffen op soorten worden bepaald door de samenstelling en concentraties van alle stoffen in het lokaal aanwezige mengsel Om een voorspelling van de toxiciteit in oppervlaktewater te kunnen maken moet men dus beschikken over (1) gemeten concentraties en de biobeschikbaarheid ervan, en over inzichten in (2) de soort specifieke gevoeligheden van soorten voor stoffen en (3) hun mengseleffecten. Gegevens over (1) de concentraties van stoffen in watersystemen zijn als invoer van het Chemie spoor op ruime schaal voorhanden via de routinematige en projectgerichte monitoring van oppervlaktewater. Ook zijn er veel gegevens die het mogelijk maken om uit totaalconcentraties af te leiden wat bij de gegeven lokale condities de biobeschikbare concentratie is. Inzicht in (2) de gevoeligheden van soorten wordt wereldwijd vastgelegd in databases, zoals database van de U.S. EPA (http://cfpub.epa.gov/ecotox) of de RIVM e toxbase (Wintersen et al. 2004). Deze databases bevatten toxiciteitsgegevens voor veel stoffen en veel soorten. Inzichten in (3) de wijze waarop de mengseleffecten geaggregeerd moeten worden voor het afleiden van de mengsel toxische druk zijn ook beschikbaar (De Zwart en Posthuma 2005). De toxische druk van een stof kan vervolgens worden afgeleid zoals wordt getoond in Figuur 4. In de Bijlage wordt de methode verder toegelicht, inclusief de afleiding van de lokale toxische druk van een mengsel. In de voorbeeld figuur is de toxische druk van het mengsel van de twee getoonde stoffen gelijk aan 0,65. Dat wordt uitgedrukt als: mspaf = 65%. 382 383 384 385 386 387 388 Figuur 4. Toepassing van soorten gevoeligheidsverdelingen (SSDs) bij het afleiden van de toxische druk die veroorzaakt wordt door een mengsel van twee stoffen. De punten zijn toxiciteitsgegevens van testen met de verschillende stoffen en verschillende soorten waterorganismen, de curves de beide SSD s. Bij een milieuconcentratie (X) van een stof wordt de toxische druk (Y) van die stof afgelezen en uitgedrukt als toxische druk van die stof (PAF). Die waarden worden geaggregeerd tot de totale mengsel toxische druk (mspaf, zie Bijlage). 11
ESF8-Toxiciteit. Rapport t.b.v. -test periode (dd 28-10-2015) Pagina 12 van 57 389 390 391 392 393 394 395 396 397 398 399 400 401 402 403 404 405 406 407 408 409 410 411 412 413 414 415 416 417 418 3.2 Ontwikkeling van het spoor Chemie Zoals hierboven kort toegelicht, zijn er bij het ontwikkelen van het Chemie spoor verschillende stappen te onderscheiden: 1. Selectie van stoffen die in de ESF8 spoor Chemie worden opgenomen 2. Verzamelen van toxiciteitsgegevens van deze stoffen 3. Afleiden van SSD parameters per stof 4. Maken van software om met de SSD s de gemeten concentraties van stoffen om te rekenen in (mengsel) toxische druk Bij elke stap zijn keuzes gemaakt. Deze keuzes zijn onderbouwd in de Bijlage, en ze worden hieronder kort toegelicht. 3.2.1 Selectie van stoffen voor de ESF8 spoor Chemie Er bestaan meer dan 100 miljoen stoffen met een uniek CAS 2 nummer. Een gedeelte daarvan geschat wordt ongeveer 100.000 kan daadwerkelijk in de watercyclus terecht komen (Maugh 1978, Steiner 2015). Het Chemie spoor richt zich op een deel van deze stoffen. Enerzijds omdat slechts een deel van deze stoffen regelmatig wordt aangetroffen en daardoor beleidsrelevant is. Anderzijds omdat niet van alle stoffen voldoende toxiciteitsgegevens beschikbaar zijn om een SSD af te kunnen leiden. ESF8 besteedt daarbij ook aandacht aan stoffen waarvoor (nog) geen normen zijn afgeleid, wat mogelijk is door de keuze voor het gebruik van acute toxiciteitsgegevens. Overigens blijft het aantal toxiciteitsgegevens toenemen, waardoor in de loop der tijd voor meer stoffen een SSD kan worden bepaald. Tegelijkertijd neemt het totaal aantal stoffen ook steeds toe. Er zijn in deze studie verschillende criteria gebruikt om stoffen te selecteren die beleidsrelevant worden geacht. Deze selectieprocedure is samengevat in Bijlage 1. Het resultaat is samengevat in Tabel 2. Het proces van selectie van stoffen heeft geresulteerd in een basislijst van 6020 stoffen voor het Chemie spoor van het ESF8 prototype. Tabel 2. Categorieën stoffen, en aantal stoffen per categorie, zoals gebruikt bij voor de ESF8- Chemie. Categorie Aantal Criteria stoffen A 143 Alle KRW prioritaire stoffen, aangevuld met alle stoffen die in Nederland de waterkwaliteitsnorm frequent overschrijden of in de top 5 van de Nederlandse Watchlist staan. B 711 Alle stoffen die incidenteel de norm overschrijden, lager op de Nederlandse Watchlist staan of stoffen die niet normoverschrijdend zijn, maar vaak door waterbeheerders gemeten worden. C 230 Alle stoffen die in andere beleidskaders (bodem, emissiebeheer) aandacht hebben, maar in het oppervlaktewater de geldende norm niet overschrijden, echter soms wel worden aangetroffen met een concentratie boven de detectielimiet. D 1601 Alle overige stoffen, die ergens in Nederland geanalyseerd worden, in overzichten zijn opgenomen of waaraan al standaard parameter codes zijn toegekend (ruim 60%). E 178 Som variabelen die in het Nederlandse milieubeleid zijn gecategoriseerd: bijvoorbeeld som 2,4' DDT, 4,4' DDT, 4,4' DDD 2 Chemical Abstracts System, https://www.cas.org/ 12
ESF8-Toxiciteit. Rapport t.b.v. -test periode (dd 28-10-2015) Pagina 13 van 57 en 4,4' DDE dat binnen de KRW is aangemerkt als prioritaire stofgroep. F 2969 Niet gecategoriseerde toxicanten. G 58 Stoffen die niet zijn aan te merken als toxicant: bijvoorbeeld Zuurstof (niet opgenomen in ESF8 Chemie). H 130 Elementaire isotopen (bijv. Pb206)(niet opgenomen in ESF8 Chemie), behalve de meest voorkomende stabiele vorm (Pb207) Totaal 6020 Initieel beschouwde stoffen 419 420 421 422 423 424 425 426 427 428 429 430 431 432 433 434 435 436 437 438 439 440 441 442 443 444 445 446 447 448 449 3.2.2 Verzamelen van toxiciteitsgegevens van deze relevante stoffen Voor alle bovengenoemde stoffen van de categorieën A tot en met F is in de (internationaal) beschikbare databases gezocht naar ecotoxiciteitsgegevens. Voor stoffen uit categorie A en B, die niet in deze databases aanwezig waren (of met een te beperkte hoeveelheid gegevens), is aanvullend ook in de internationale literatuur naar toxiciteitsgegevens gezocht, zodat deze stoffen alsnog konden worden meegenomen. In totaal zijn bijna 95.000 testgegevens (verdeeld over 4436 stoffen resp. 2257 soorten, met soms dus meer testgegevens per stof soort combinatie) verzameld, gestandaardiseerd en verwerkt. Een belangrijk element in deze standaardisatie was het onderscheid tussen acute en chronische toxiciteitsgegevens. Dit onderscheid is per soort verschillend, waarbij een blootstelling pas als chronisch is bestempeld indien een significant deel van de levensduur van de soort in de test is betrokken. Voor een alg kan dat criterium al binnen een dag gehaald worden, terwijl er voor een vis eerder weken nodig zijn. Van de bijna 95.000 beschikbare testgegevens had uiteindelijk 50% betrekking op acute EC 50 waarden, die direct voor het afleiden van SSD s gebruikt konden worden. De andere gegevens hadden betrekking op acute NOEC s (±21%), chronische EC 50 waarden (±2%) of chronische NOEC waarden (±26%). 3.2.3 Van toxiciteitsgegevens via SSD s en hun kwaliteit Voor iedere stof is de hoeveelheid en de aard van de beschikbare gegevens bepaald. Daaruit zijn kwaliteitsscores afgeleid die aangeven wat de kwaliteit van de SSD van een stof is (voor definitie van de scores zie Tabel 3). Bij de interpretatie van de uitvoer van de rekentool is de kwaliteit van de SSD van belang. De kwaliteit van de SSD van een stof is weergegeven in tabel "Acute SSD moments and MoA extrapolated optimally" van de rekentool en is ook opgenomen in het Excel invoerbestand ConcentrationData werkblad Toxdata. Onder de kop "QualityScore" wordt de kwaliteit van de SSD aangegeven. Deze score is opgebouwd uit tientallen en eenheden. De tientallen geven aan of en hoe er is geëxtrapoleerd. Extrapolatie leidt niet per definitie tot een SSD met een ontoereikende kwaliteit. De eenheden hebben betrekking op het aantal soorten organismen die zijn meegewogen. In de eenheden betekent een lagere waarde (meer soorten) een meer betrouwbare SSD. 13
ESF8-Toxiciteit. Rapport t.b.v. -test periode (dd 28-10-2015) Pagina 14 van 57 450 Tabel 3. Overzicht van het aantal stoffen dat in de ESF8 tool zijn opgenomen, per kwaliteitsscores van de SSDs die konden afgeleid. 451 14
ESF8-Toxiciteit. Rapport t.b.v. -test periode (dd 28-10-2015) Pagina 15 van 57 452 453 454 455 456 457 458 459 460 461 462 463 464 465 466 467 468 469 470 471 472 473 474 475 476 477 478 479 480 481 482 483 484 485 486 487 488 489 490 491 492 493 494 495 496 497 498 499 500 501 3.2.4 Via SSD s naar uitvoervarianten van de toxische druk Naast gegevens over de toxiciteit en het werkingsmechanisme van iedere stof zijn er ook gegevens over stofeigenschappen verzameld die de biologische beschikbaarheid bepalen (Kd, Koc), alsmede gegevens over stoftypen (organisch, zware metalen, anorganisch), typen gebruik en emissie situaties. Dit laatste is vooral van belang voor het afleiden van de richting van mogelijke maatregelen. De analyse van de toxische druk van een watermonster levert daardoor op meerdere niveaus inzicht op: 1. de totale toxische druk 2. de individuele toxische druk van vijf stoffen die relatief de belangrijkste bijdrage aan de toxische druk in een monster bepalen 3. de toxische druk door subgroepen van stoffen: zware metalen, andere anorganische stoffen (zoals nitriet en ammoniak) of organische stoffen 4. de afzonderlijke toxische druk die gerelateerd is aan bepaalde vormen van gebruik en emissies van stoffen, met als indeling het onderscheiden van emissies door/van: verbranding, voedselproductie, geurstoffen, huishoudelijke producten, industriële producten, natuurlijke producten, producten voor persoonlijke hygiëne, pesticiden en farmaceutica Alle voor de berekening van (mengsel)toxische druk benodigde gegevens zijn vastgelegd in de rekentool voor het Chemie spoor. Ten slotte wordt in de afleiding van de (mengsel)toxische druk rekening gehouden met biologische beschikbaarheid van stoffen. De daadwerkelijke blootstelling van soorten in een watersysteem wordt namelijk niet bepaald door de totaal concentraties, maar door de fractie die beschikbaar is voor blootstelling en opname. Om die fractie te berekenen zijn milieuchemische rekenregels toegepast (zie detailuitwerking hieronder). 3.3 Rekentool voor het kwantificeren van toxische druk Alle berekeningen binnen het Chemie spoor kunnen worden uitgevoerd met een softwaretool ontwikkeld voor het ESF8 Chemie spoor. Deze tool is geprogrammeerd in MS Access (2007&2010) en is via STOWA vrij beschikbaar via een ZIP bestand (zie toelichting over Beschikbaarheid en gebruik van de tool in Bijlage 1). Het ZIP bestand bevat in en uitvoer bestanden (via MS Excel), een aantal toelichtende bestanden, en de MS Access rekentool. De rekentool bevat zelf ook een aantal tabellen met daarin uitgeschreven de gedetailleerde uitleg van rekenstappen en procesverduidelijking in de vorm van een gecondenseerde handleiding. De tekst hieronder geeft van alle stappen slechts een samengevat overzicht, en de Bijlage geeft waar nodig details. De tool bevat een groot aantal gegevens over de ecotoxiciteit van stoffen, hun gebruik, hun werkingsmechanisme en eigenschappen die de biologische beschikbaarheid bepalen. Die gegevens maken het mogelijk om concentratie gegevens (monitoring) te corrigeren voor de invloed van diverse waterparameters op de biologische beschikbaarheid, en om de beschikbare concentraties vervolgens om te rekenen in toxische druk (PAF en mspaf). De tool is geschikt voor een watersysteemanalyse: de tool kan de gegevens van grote aantallen monsters verwerken, na het inlezen van een (in MS Excel geformatteerd en bijgeleverd) standaard invoerbestand. Voor een watersysteemanalyse wordt het invoer Excelbestand door de gebruiker gevuld met de relevante concentratiegegevens van een watersysteem. De invoerstandaard is het bestand ConcentrationData.xlsx. De uitvoer is wederom een MS Excel bestand (ieder 15
ESF8-Toxiciteit. Rapport t.b.v. -test periode (dd 28-10-2015) Pagina 16 van 57 502 503 504 505 506 507 508 509 510 511 512 513 514 515 516 517 518 519 520 521 522 523 524 525 526 527 528 529 530 531 532 533 534 535 536 537 538 539 540 541 542 543 544 545 546 547 548 549 550 551 552 553 554 monster één regel, de invoergegevens worden in de uitvoer ook getoond). Door de uitvoer in de vorm van een Exceltabel (1 regel per monster) kan de gebruiker de resultaten (totale toxische druk, toxische druk van metalen, gemiddelde toxische druk van een serie monsters, enz.) eenvoudig verder analyseren (door het berekenen van gemiddelden, trends in de tijd, enz.). Voor de duidelijkheid bevat de uitvoertabel ook de bijbehorende invoergegevens (tabblad WaterConcentrationData ) en de beschrijving van de uitgevoerde rekenstappen (tabblad ExplanationOfOutput ). Goede invoergegevens zijn cruciaal. Dit betreft enerzijds een controle op eenheden (let op: de ESF tool kent voor chemische stoffen alleen g/l), codes etc., zoals altijd van belang is. Daarnaast moeten er voor deze specifieke rekentool in meerdere gevallen keuzes worden gemaakt, voordat gegevens op een zinvolle manier door de tool kunnen worden verwerkt. De belangrijkste keuzes en de noodzakelijke bewerkingen worden in Bijlage 1 toegelicht, en zijn ook vastgelegd op een tabblad in de standaardfile voor invoergegevens. In theorie is elke stof giftig, als organismen er maar genoeg aan worden blootgesteld. Dit betekent dat er een keuze is gemaakt over welke stoffen wel en welke stoffen niet worden meegenomen. Deze keuzes hebben vooral betrekking op anorganische stoffen. Zo zijn Ca, Mg niet opgenomen als toxische stof (wel als ondersteunende parameter), maar sporenelementen als Cu, Zn en Co wel. Ook bij de nutriënt parameters is sprake van een overgangsgebied. Fosfaat en nitraat zijn stoffen die niet in de rekentool zijn opgenomen, terwijl nitriet juist wel is meegenomen. De totale stoffenlijst is voor de gebruiker eenvoudig in te zien in het invoerbestand (werkblad Chemical Names and codes ). Het resultaat van de berekeningen die de tool uitvoert bestaat uit waarden voor de mengseltoxische druk (mspaf waarde) voor het monster als geheel. Als voorbeeld: Een mspaf van 32% betekent dat bij 32% van de getoetste soorten de acute EC 50 (50% effecten of meer) zou zijn overschreden, indien zij aan dit monster zouden worden blootgesteld. Het uitvoerbestand bevat eerst de gegevens om de getoetste monsters te identificeren (zoals monstercode, beheerder, datum en jaar; één regel per monster. Daarna de kwantitatieve resultaten over mengsel toxische druk van alle stoffen in het totale monster: aantal stoffen in de berekening, en de mspaf totaal, daarna de top 5 van stoffen die in een monster het meest bijdragen aan de mengsel toxische druk, gevolgd door de bijdrage van bepaalde stofgroepen aan de toxische druk, in diverse uitsnedes. De uitsnedes geven onder meer de toxische druk van specifieke subgroepen van stoffen (de toxische druk bijdrage van metalen, anorganische stoffen en organische stoffen), of de toxische druk bijdrage van bepaalde vormen van gebruik van stoffen, zoals verbranding, gebruik van huishoudchemicaliën of pesticiden. Inzicht in ruimte of tijd patronen in de totale toxische druk van alle stoffen, en/of van bepaalde stofgroepen, en/of van bepaalde gebruiks gerelateerde redenen van emissies kunnen allen behulpzaam zijn bij de analyse van de toxiciteit van een watersysteem, en bij het identificeren van mogelijke oplossingsrichtingen. Als bijvoorbeeld een watersysteem voornamelijk wordt belast door huishoudchemicaliën zal een effectief maatregelenpakket anders zijn dan bij verbranding of industriële chemicaliën. ESF8 Chemie spoor en watersysteemanalyse Als de tool wordt gebruikt bij een volledige watersysteemanalyse hebben de resultaten betrekking op een groot aantal monsters. Door de uitvoer in MS Excel kunnen verdere (statistische) analyses voor een (gedeelte van een) watersysteem eenvoudig worden uitgevoerd. Hierbij valt te denken aan het berekenen van een gebiedsgemiddelde toxische druk (en standaarddeviaties ervan) om te beoordelen of bepaalde gebiedsdelen zwaarder zijn belast dan andere, of aan het beoordelen van eventuele veranderingen in de tijd. De 16
ESF8-Toxiciteit. Rapport t.b.v. -test periode (dd 28-10-2015) Pagina 17 van 57 555 556 557 558 559 560 561 562 563 564 565 566 567 568 569 570 571 572 573 574 575 576 577 578 579 580 581 582 583 584 585 586 587 588 589 590 591 592 593 594 595 596 597 598 599 600 601 uitvoer per monster is dus een basis voor de interpretatie; het is niet de interpretatie van de watersysteemanalyse zelf. 3.4 Toelichting bij de interpretatie van toxische druk resultaten 3.4.1 Relatieve of absolute interpretatie Een verhoogde toxische druk in een watersysteem betekent dat de kans op effecten en de omvang van deze effecten (in principe) op de geteste soorten verhoogd zal zijn, namelijk: wanneer die soorten in het watermonster getest zouden worden. Omdat er geen aanwijzingen zijn dat de gevoeligheid van in het laboratorium geteste soorten systematisch afwijkt van de soorten in het veld is de toxische druk minstens een relatieve maat voor de te verwachten verschillen in effecten van toxische stoffen voor de in het veld aanwezige soorten tussen locaties. De conclusies die getrokken kunnen worden uit vergelijkingen tussen situaties zijn hierbij logischer en betrouwbaarder als de monsters en systemen die vergeleken worden van nature meer vergelijkbaar zijn. Anders gezegd: als er feitelijk twee typen monsters zijn (bv. de ene uit stromend, de ander uit stilstaand water), dan is de onderlinge vergelijking het meest robuust en betekenisvol tussen de monsters binnen beide systemen. De toxische druk kan echter ook een meer absolute betekenis krijgen door een relatie te leggen met in het veld waargenomen effecten. Dit is gedaan door een relatie te leggen met de sterfte van de watervlo in veldtesten en door een relatie te leggen met macrofaunainventarisaties. Ook deze twee praktijkvoorbeelden zijn in 3.5 uitgewerkt. 3.4.2 Beperkingen Doordat de toxische druk is gebaseerd op toxiciteitstesten met individuele soorten in een laboratorium kent het begrip ook enkele beperkingen. In een ecosysteem bestaan er allerlei interacties tussen soorten. Een nadelig effect op bijvoorbeeld de overleving van soort A kan daardoor leiden tot een indirect extra effect op soort B. Dat kan positief zijn, wat bijvoorbeeld optreedt als de toxische stof een concurrerende soort benadeelt, waardoor de andere soort in dichtheid toe kan nemen. Het effect kan ook negatief zijn, als door toxiciteit een prooisoort wegvalt, waarna ook de predator indirect wordt beïnvloed. Dergelijke indirecte effecten worden niet gekwantificeerd met de SSD modellen; wel geldt op basis van logische redenering dat indirecte effecten alleen kunnen voorkomen als er directe effecten zijn, en dat indirecte effecten groter zullen worden als de directe effecten groter zijn. Verder is het voor de interpretatie belangrijk om de verschillen tussen toxische druk en het niet voldoen aan waterkwaliteitsdoelen toe te lichten. Allereerst worden bij de afleiding van normen veiligheidsfactoren gebruikt ten opzichte van de beschikbare toxiciteitsgegevens, waarbij de grootte van de factor afhankelijk is van de beschikbaarheid van betrouwbare data. Dat kan er toe leiden dat de norm meer dan een factor 10 lager wordt. In de ESF tool wordt de toxische druk berekend zonder de toepassing van veiligheidsfactoren. Verder wordt in de normstelling niet alleen gekeken naar de directe effecten op blootgestelde soorten (zoals in de ESF8), maar wordt ook gekeken naar de risico s voor organismen hogerop in de voedselketen en naar de eventuele humane risico s bij de consumptie van bijvoorbeeld vis of schelpdieren. Het sterkste risico op deze 17
ESF8-Toxiciteit. Rapport t.b.v. -test periode (dd 28-10-2015) Pagina 18 van 57 602 603 604 605 606 607 608 609 610 611 612 613 614 615 616 617 618 619 620 621 622 623 624 625 626 627 628 629 630 631 632 633 634 635 636 637 638 639 640 641 beschermingsdoelen bepaalt de hoogte van de uiteindelijke waterkwaliteitsdoelstelling 3. Als men in de monitoring een normoverschrijding vaststelt voor een stof, waarbij de norm op humane consumptierisico s of doorvergiftiging is gebaseerd, kan het zo zijn dat dit niet of nauwelijks leidt tot een verhoogde toxische druk voor de waterorganismen. Tegelijkertijd wil dit niet zeggen dat er geen risico s zijn: bij blootstelling van mensen (door het drinken van water of het eten van vis) kunnen er dan wel degelijk risico s zijn en als vogels en zoogdieren effecten ondervinden betekent dat ook een risico voor het ecosysteem. 3.4.3 Specifieke werkingsmechanismen en nieuwe stoffen Tot slot gaat speciale aandacht uit naar specifieke werkingsmechanismen en enkele nieuwe stoffen, zoals geneesmiddelen. Sommige van deze stoffen hebben zeer specifieke effecten op bijvoorbeeld de hormoonhuishouding of het gedrag. Dergelijke specifieke effecten worden niet standaard in de normstelling opgenomen (alleen als er voldoende kennis en inzicht in bestaat) en zijn ook niet altijd in voldoende mate in de databases met toxiciteitsgegevens opgenomen. Deze risico s worden vooralsnog dus onvolledig in het Chemie spoor meegenomen (juist daarom zijn er specifieke bioassays in het Toxicologiespoor opgenomen). Een lage score voor de toxische druk van mengsels betekent dus niet dat er geen specifieke toxiciteit is: de interpretatie van de acute toxische druk van mengsels is beperkt tot het afleiden van de fractie soorten die aangetast zal worden wat betreft de directe effecten van stoffen op groei, reproductie en overleving, en leidt niet tot inzicht in specifiekere effecten. In de toekomst komt er door lopend onderzoek meer kennis beschikbaar en kunnen de berekeningen van de toxische druk ook voor deze stoffen worden aangepast. Daarnaast leveren de specifieke bioassays in het spoor Toxicologie nu al een goede manier om deze effecten inzichtelijk te maken. Het is vanwege deze uitleg belangrijk om bij de interpretatie van de gegevens over een watersysteem de beperkingen van de ESF8 methodiek te kennen en mee te wegen. 3.5 Praktijkvoorbeelden ESF8 Chemie In deze paragraaf worden twee voorbeelden gegeven van de toepassing van de ESF8 Chemie rekentool op een aantal bestaande monitoring gegevens. Het eerste voorbeeld illustreert de analyse van een grote dataset en evalueert de uitkomsten daarvan. Deze database is doorgerekend met de voorlaatste ESF applicatie, waardoor voor sommige stofgroepen de biobeschikbaarheidscorrectie nog niet was doorgevoerd. In de laatste versie van de applicatie (die in de beta test gebruikt wordt) is de DOC correctie doorgevoerd, waardoor de potentiele impacts van Cu en Zn waarschijnlijk minder dominant worden. Dat houdt in dat de resultaten vooral als voorbeeld gezien moeten worden van de aard van de uitkomsten van de tool, en dat er dus geen absolute conclusies uit getrokken moeten worden. Het tweede voorbeeld gaat in op de betekenis van de toxische druk voor soorten in het watersysteem (in dit geval: vergelijking tussen voorspelde toxische druk en gemeten respons met een bioassay). 3 Dit is één van de redenen waarom de analyse via de toxische druk (m.b.v. de ESF8) meer inzicht geeft in aard en omvang van de te verwachten effecten. Normoverschrijding constateert een beleidsmatig probleem, maar duidt niet op aard (humaan of ecologisch) en omvang van de effecten (normoverschrijding of kwantitatieve toxische druk). 18
ESF8-Toxiciteit. Rapport t.b.v. -test periode (dd 28-10-2015) Pagina 19 van 57 642 643 644 645 646 647 648 649 650 651 652 653 654 655 656 657 658 659 660 661 662 663 664 665 666 667 668 669 670 671 672 673 674 675 676 677 678 679 680 681 682 a) Toxische druk op basis van de chemische monitoring van de waterschappen in 2013 Doel. Bij gebruik van de rekentool voor het Chemie spoor kan een groot aantal concentratiegegevens in ruimte en/of tijd worden samengevat. Aanpak. Het samenvatten van een zeer groot aantal gegevens is als voorbeeld gedaan voor landelijke waterkwaliteitsdatabase van 2013, zoals beschikbaar op het waterkwaliteitsportaal (https://www.waterkwaliteitsportaal.nl/). De voor de berekeningen benodigde concentratiegegevens en de benodigde biobeschikbaarheids bepalende parameters zijn daar voor het nationale niveau beschikbaar. Vervolgens is gekeken naar de uitkomsten en is een aantal aanvullende bewerkingen uitgevoerd: De meetwaarden voor NH 4 zijn verwijderd, omdat NH 4 vooral een indicator is voor NH 3, maar de berekening van NH 4 in NH 3 (o.b.v. ph en T, zie paragraaf 3.3) moet de gebruiker zelf uitvoeren en vervolgens als NH 3 invoeren in de invoerdatabase. Dat is voor de landelijke database niet gedaan. De meetwaarden voor Fe en Al zijn eveneens verwijderd, omdat vooral de gefiltreerde monsters toxische concentraties bevatten. Vermoedelijk betreft een groot deel van de concentratie colloïdale deeltjes die door 0,45 µm filters heen gaan. Alle monsters waarin minder dan 5 stoffen zijn gemeten zijn verwijderd. Vaak gaat het om specifieke metingen van bijvoorbeeld ammoniak of andere specifieke stoffen. Vervolgens bleven er 3260 monsters over. De voor die monsters getoonde resultaten zijn illustratief voor de aard van de vergelijkingen die met de ESF8 Chemie rekentool kunnen worden verkregen, maar ze zijn niet definitief. Daarom zijn de uitkomsten geanonimiseerd, en niet gekoppeld aan de namen van waterschappen. Resultaten. (1) Meting en detectie. Figuur 5 geeft de frequentieverdeling weer van het aantal stoffen dat is gemeten en het aantal stoffen dat boven de rapportagegrens ligt. Na verwijdering van de monsters met minder dan 5 geanalyseerde stoffen werden de mediane waarden berekend als 20 stoffen (gemeten) en 6 (boven de rapportagegrens). Voor een aanzienlijk aantal stoffen ligt de concentratie dus onder de rapportagegrens. Dit verschil tussen meetinspanning en aangetroffen stoffen betekent dat in deze data set een beperkt aantal stoffen daadwerkelijk bijdraagt aan de toxische druk. Naast variatie in (het aantal) gemeten stoffen, kunnen monsters van verschillende watersystemen (waterschappen) systematisch verschillen door de aard van de lokale systemen, of door systematische verschillen in bemonstering en voorbehandeling en analyse. In een watersysteemanalyse van de Nederlandse waterschappen gericht op de rol van de te verwachten effecten van metaalmengsels moeten dergelijke systematische verschillen dan uiteraard ook vastgesteld worden, om de watersysteemanalyse te vervolmaken. 1500 1500 Frequency 1000 500 Frequency 1000 500 683 684 685 686 0 0 5 10 25 50 100 200 300 More 1 2 5 10 25 More aantal gemeten stoffen aantal gemeten stoffen boven de rapportagegrens Figuur 5. Histogrammen van het aantal gemeten stoffen (links) en het aantal stoffen boven de rapportagegrens. Op de x as is de bovengrens van de frequentie weergeven. 19
ESF8-Toxiciteit. Rapport t.b.v. -test periode (dd 28-10-2015) Pagina 20 van 57 687 688 689 690 691 (2) Focus: toxische druk metalen. De resultaten van de geselecteerde monsters worden samengevat in Figuur 6 voor de toxische druk van metalen. De uitslag toont de gemiddeld hoogste toxisch druk voor waterschappen waarvan bekend is dat er relatief hoge metaalconcentraties voorkomen. 0.12 0.1 mspaf (fractie) 0.08 0.06 0.04 0.02 692 693 694 695 696 697 698 699 700 701 702 703 704 705 706 0 Figuur 6. Voorbeeld van de resultaten van een ESF8 Chemie analyse voor een groot aantal monsters, afkomstig van verschillende Nederlandse waterschappen en RWS. De Y as geeft de acute toxische druk van specifiek de lokale metaalmengsels (mspaf EC50, metalen ). De waterschappen zijn op de X as gerangschikt naar toenemende toxische druk van metalen, en geanonimiseerd vanwege de voorlopige resultaten. (3) Focus: Bijdragen van verschillende stofgroepen. Figuur 7 vergelijkt de relatieve bijdragen van metalen en organische contaminanten aan de totale toxiciteit. In de meeste waterschappen zorgen metalen voor het overgrote deel van de toxiciteit. In enkele waterschappen leveren organische contaminanten een duidelijke bijdrage. Op basis van praktijkervaring met de toepassing van (mengsel) toxische druk bij bepaling van toxiciteit wordt voor een goede interpretatie vaak onderscheid gemaakt tussen de toxische druk van metalen en van organische stoffen. 0.12 mspaframix 0.1 mspaframix HeavyMetal 0.08 mspaframix Organic 0.06 0.04 0.02 707 708 709 710 711 712 713 714 715 0 Figuur 7. Als Figuur 6. Bijdrage van de metalen en de organische stoffen aan de mspaf. Noot: in WSS vormen de metalen en organische contaminanten opgeteld niet helemaal de totale mspaf. De tool berekent hier ook enige sulfaattoxiciteit. (4) Focus: meest bijdragende, afzonderlijke stoffen. De rekentool maakt het mogelijk om verder in te zoomen op de bijdragen van individuele stoffen. Door dat te doen bleek dat in de 3260 monsters 2450 keer koper en 500 keer zink de hoogste bijdrage levert (Tabel 4). Er waren ook 3 bestrijdingsmiddelen die frequent als hoogste scoren, waaronder imidacloprid. 20