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Wasser, Trinkwasser und Gewässerschutz

Trinkwasser

Letzte Änderung: 10.02.2012

Cylindrospermopsin

Cylindrospermopsin (abgekürzt CYN) wurde bereits vor ca. 20 Jahren im Rahmen einer Trinkwasserkalamität in Australien als Agens aus dem Cyanobakterium Cylindrospermopsis raciborskii isoliert. Es ist ein Alkaloid-Toxin, das vor allem stark lebertoxisch wirkt und als potenziell kanzerogen gilt. Australische Wissenschaftler haben aufgrund der Ergebnisse von toxikologischen Untersuchungen einen Trinkwassergrenzwert von 1 µg/L für CYN im Trinkwasser vorgeschlagen – ähnlich dem von der WHO empfohlenen Leitwert für das Cyanotoxin Microcystin.

Abb 1: Struktur von CylindrospermopsinAuch in unseren gemäßigten Breiten wird seit 20 Jahren zunehmend das Auftreten der ursprünglich tropischen Cylindrospermopsis raciborskii beobachtet. Daher stellte sich Ende der 1990er Jahre die Frage, ob auch in unseren Gewässern mit Cylindrospermopsin zu rechnen ist.

Zur Klärung dieser Frage hat das Umweltbundesamt zusammen mit der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus von 1999 - 2003 (DFG-Projekt) erstmalig in Deutschland das Vorkommen von Cylindrospermopsin sowie der Art Cylindrospermopsis raciborskii untersucht. Es konnte erstmals Cylindrospermopsin in zwei Brandenburger Gewässern nachgewiesen werden, die aus diesen Gewässern isolierten Stämme von Cylindrospermopsis raciborskii produzierten jedoch kein Cylindrospermopsin.

Diese ersten Ergebnisse warfen weitere Fragen auf: Wie verbreitet ist Cylindrospermopsin in Deutschland, welche Arten können es produzieren und wie gut können diese Arten sich in Deutschland entwickeln, und wie gut wird Cylindrospermopsin im Gewässer und im Untergrund abgebaut? An ihrer Klärung arbeitet das UBA in Kooperation mit der BTU Cottbus, dem Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei sowie der TU Berlin in verschiedenen Projekten („CYLIN “, „NOSTOTOX“, DFG-Projekt „Abbau von Cylindrospermopsin“).

Die wichtigsten Ergebnisse für die Trink- und Badewasserhygiene sind folgende:

Verbreitung und Konzentrationen von Cylindrospermopsin in Deutschland

In etwa der Hälfte von 127 in 2004 untersuchten Gewässern im Nordosten Deutschlands wurde Cylindrospermopsin nachgewiesen, womit dieses Toxin ähnlich häufig vorkommt wie das Cyanotoxin Microcystin; Weitere Daten aus 2007/08 bestätigten dieses Muster.
Die Konzentrationen in den Gewässern Berlins und Brandenburgs lagen zumeist im Bereich von < 1 bis 13 µg/l, vereinzelt wurden bis zu 40 µg/l gefunden. Dies schließt allerdings deutlich höhere Cylindrospermopsinkonzentrationen nicht aus (siehe Cylindrospermopsin-Produktion).
In den meisten Fällen lag bis zu 80 % oder mehr des gesamten Cylindrospermopsins gelöst im Wasser vor - in Extremfällen sogar nahezu das gesamte Cylindrospermopsin. Hiermit unterscheidet sich Cylindrospermopsin deutlich vom Microcystin, das überwiegend zellgebunden und kaum im Wasser gelöst vorkommt.
Gelöstes Cylindrospermopsin nimmt im Gewässer oft nur langsam ab (siehe Abbau). Daher können bei anfänglich hohen Konzentrationen (z.B. 8 µg/l) auch Wochen und Monate nach Absterben des produzierenden Organismus noch Konzentrationen > 1 µg/l vorliegen.

Cylindrospermopsin-Produktion

Abb 2: Aphanizomenon gracile (© Umweltbundesamt, FG II3.3)Aphanizomenon flos-aquae wurde als heimischer Cylindrospermopsin-Produzent identifiziert. Weitere Freilanduntersuchungen weisen jedoch auch auf Aphanizomenon gracile (Abb 2) und Anabaena als Produzenten. Die weite Verbreitung dieser Arten im heimischen Phytoplankton erklärt zum Teil die Häufigkeit des Cylindrospermopsinvorkommens.

Die Gehalte an Cylindrospermopsin pro Biomasse lagen in den Aphanizomenon Stämmen zwischen 2 und 7 mg pro g Trockenmasse und somit im ähnlichen Bereich wie die Microcystingehalte anderer Cyanobakterien-Arten. Das bedeutet, dass wesentlich höhere Cylindrospermopsin-Konzentrationen vorkommen können, falls die Biomasse von Aphanizomenon (i) hoch ist und (ii) vorwiegend aus solchen Stämmen bestehen sollte, die dieses Toxin produzieren. Im Falle der bislang untersuchten Proben waren die Mengen an Cylindrospermopsin-produzierenden Aphanizomenon (und/oder anderer Arten) in den Freilandpopulationen vermutlich eher gering.
Nach wie vor gibt es keinen Hinweis darauf, dass die in unseren Gewässern vorkommenden Stämme der Art Cylindrospermopsis raciborskii Cylindrospermopsin produzieren.

Verhalten von Cylindrospermopsin im Wasser und Sediment

Cylindropsermopsin adsorbiert nicht an sandiges Sediment, sondern lediglich an organische Substanz.
Ein in Laborsäulenversuchen ermittelter bakterieller Abbau fand erst nach einer lag-Phase von 20 Tagen statt, in der sich die Bakterienpopulation heranbildet. Ist diese einmal vorhanden wird Cylindrospermopsin unter aeroben Bedingungen und bei 20°C nach 5 Tagen vollständig abgebaut. Die Abbauraten werden im Wesentlichen durch die Anwesenheit und Beschaffung des gelösten organischen Kohlenstoff (DOC) bestimmt. Unter anaeroben Bedingungen ist der Abbau stark verlangsamt.
Unter naturnahen Versuchsbedingungen erwies sich eine langsame Fließrate (0,2 m/d) als Grundvoraussetzung für den Cylindrospermopsin-Abbau.
Ein Abbau im für die Versuche verwendeten Teichwasser konnte nicht festgestellt werden, was die Beobachtungen aus dem Freiland bestätigt.

Bedeutung für die Trink- und Badewasserhygiene

Badegewässer

Die bislang in Deutschland gemessenen Cylindrospermopsinkonzentrationen sind so gering, dass sie beim Baden keine akute Gefährdung verursachen.
Da jedoch auch hohe Konzentrationen nicht auszuschließen sind, sind die üblichen Vorsichtsmaßnahmen beim Baden in Gewässern mit Cyanobakterienvorkommen unbedingt zu beachten – d.h. insb. Vermeiden der Aufnahme von Wasser (Verschlucken; Aspiration);
- Informationsmaterial: CyanoCenter am Umweltbundesamt

Trinkwasser

Das überwiegende Auftreten von Cylindrospermopsin in der gelösten Fraktion hat für die Trinkwasseraufbereitung zur Folge, dass eine Elimination durch die Entfernung der Zellen - wie im Fall des überwiegend zellgebunden Microcystins - im Filtrationsprozess deutlich weniger wirksam ist. Jedoch ist Cylindrospermopsin bei der Trinkwasseraufbereitung durch Ozon und Chlor (weniger Chlordioxid) gut beherrschbar.

Projektpartner

Drittmittelprojekte

2008-2010: Einfluss von biotischen und abiotischen Umweltfaktoren auf Produktion, Persistenz und Abbau des cyanobakteriellen Toxins Cylindrospermopsin
Projektförderung DFG, FKZ

2007-2009: Entwicklungspotenzial toxischer nostocaler Cyanobakterien im Prozess der Trophieminderung und globalen Erwärmung (NOSTOTOX)
Projektträger: KompetenzZentrum Wasser Berlin; Förderung BMBF, Veolia Water und Berliner Wasserbetriebe

2003 – 2006: Cylindrospermopsis raciborskii und Cylindrospermopsin in Gewässern der Berliner Region – Vorkommen, Ursachen, Auswirkungen.
Projektträger: KompetenzZentrum Wasser Berlin ; Förderung Veolia Water und Berliner Wasserbetriebe

1999 – 2003: „Ökologie und Toxinproduktion des Neophyten Cylindrospermopsis raciborskii (Woloszynska) Seenayya et Subba Raju (Cyanobacteria) in Deutschland“
Projektförderung DFG; FKZ CH 113 / 1-1:

Publikationen

(Unterstrichen: Autor/innnen aus dem UBA)

Welker, M., H. Bickel, and J. Fastner (2002): HPLC-PDA detection of cylindrospermopsin – opportunities and limits. Water Research 36:4659-4663.

Neilan, B., M. Saker, J. Fastner, A. Törökné and P. B. Burns (2003): Phylogeography of the invasive cyanobacterium Cylindrospermopsis raciborskii. Mol Ecol. 12:133-140.

Fastner, J., R. Heinze, A.R. Humpage, U. Mischke, G.K. Eaglesham and I. Chorus (2003). Cylindrospermopsin occurrence in two German lakes and preliminary assessment of toxicity and toxin production of Cylindrospermopsis raciborskii (Cyanobacteria) isolates. Toxicon 42:313-321.

Törökne A, Asztalos M, Bankine M, Bickel H, Borbely G, Carmeli S, Codd GA, Fastner J, Huang Q, Humpage A, Metcalf JS, Rabai E, Sukenik A, Suranyi G, Vasas G, Weiszfeiler V. (2004): Interlaboratory comparison trial on cylindrospermopsin measurement. Anal Biochem. 332:280-4.

Preußel, K. A. Stüken, C. Wiedner, I. Chorus and J. Fastner (2006): First report on cylindrospermopsin producing Aphanizomenon flos-aquae (Cyanobacteria) isolated from two German lakes. Toxicon. 47:156-162.

Fastner, J., J. Rücker, A. Stüken, K. Preussel, B. Nixdorf, I. Chorus, A. Köhler, C. Wiedner (2007): Occurrence of the cyanobacterial hepatotoxin cylindrospermopsin in Northeast Germany. Env. Toxicol. 22:26-32

Rücker, J., Stüken, A., Nixdorf, B., Fastner, J., Chorus, I., Wiedner, C. (2007): Concentrations of particulate and dissolved cylindrospermopsin (CYN) in 21 Aphanizomenon dominated lakes of North East Germany. Toxicon.50(6): 800-809.

Wiedner C, Rücker J, Fastner J, Chorus I, Nixdorf B.(2008): Seasonal dynamics of cylindrospermopsin and cyanobacteria in two German lakes. Toxicon 52:677-86.

Preussel, K., Wessel, G., Fastner, J., Chorus, I. (2009): Response of cylindrospermopsin production and release in Aphanizomenon flos-aquae (Cyanobacteria) to varying light and temperature conditions. Harmful Algae 8(5):645-650.

Klitzke S, Apelt S, Weiler C, Fastner J, Chorus I. (2010): Retention and degradation of the cyanobacterial toxin cylindrospermopsin in sediments - The role of sediment preconditioning and DOM composition. Toxicon. 55(5):999-1007.

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