TerraChem Projekt

Das übergeordnete Ziel von TerraChem ist es, einen neuartigen systemischen Ansatz zur Bewertung von Schadstoffrisiken auf terrestrische Ökosysteme zu entwickeln und zu erproben. Hierbei sollen analytische Ergebnisse zum Vorkommen von Chemikalien in Wildtieren und Umweltmodellierung kombiniert werden. Dies soll uns in die Lage versetzen, die Belastung (Exposition) von an Land lebenden Wildtieren gegenüber menschengemachten (anthropogenen) Chemikalien besser zu verstehen. Dadurch soll es dann möglich werden, potenzielle negative Effekte auf die terrestrische biologische Vielfalt und Ökosystemdienstleistungen vorhersagen zu können. Dieses Verständnis wird dabei helfen, eine realitätsnähere Umweltrisikobewertung von Chemikalien – insbesondere mit Blick auf die Biodiversität in terrestrischen Lebensräumen – zu realisieren. Nur mit einem verbesserten Verständnis über Exposition und Effekte können wir negativen Auswirkungen durch Chemikalien effektiv vorbeugen, um somit in Zukunft dem Nullschadstoff-Ziel der EU (Zero Pollution Action Plan - European Commission) näherzukommen.

Biodiversität ist ein komplexer Sammelbegriff und beinhaltet verschiedene Ebenen biologischer Vielfalt. Hierzu zählen die genetische Vielfalt, die Artenvielfalt, die Diversität an Ökosystemen, die funktionale Diversität in Ökosystemen sowie die Diversität an „Dienstleistungen“ durch Ökosysteme (sogenannte Ecosystem Services).

Der globale Biodiversitätsverlust ist, zusammen mit der Klimakrise und Umweltverschmutzung, eine der schwersten Umweltkrisen unserer Zeit (vgl. triple planetary crisis – United Nations). Weltweit verzeichnen wir einen starken Rückgang an biologischer Vielfalt und den Zusammenbruch gesunder Ökosysteme. Der Klimawandel und die Zerstörung von Lebensräumen werden als die stärksten Ursachen für den Verlust der biologischen Vielfalt angesehen. Allerdings gibt es auch zahlreiche Hinweise, dass die Freisetzung von Chemikalien eine große Rolle als Treiber für den Verlust der biologischen Vielfalt spielt (Henn et al. 2024; Groh et al. 2022). Die genaue Größenordnung des Einflusses von Chemikalien auf den Rückgang der Biodiversität ist jedoch noch unbekannt. Dies liegt unter anderem daran, dass, anders als bei Klimavariablen, nur sehr selten gleichzeitig Studien zur biologischen Vielfalt und zur Belastung mit Schadstoffen durchgeführt werden (nicht zuletzt, weil solche Analysen sehr zeitaufwändig und teuer sind). Des Weiteren sind Ökosysteme hoch komplex und unterliegen einer Vielzahl an Wechselwirkungen. Dies macht es schwierig eindeutige Zusammenhänge zwischen Ursache und Effekt (z.B. die Gründe für den Verlust einer Art an einem spezifischen Ort) herzustellen und erschwert somit kausale Aussagen darüber, wie hoch der Anteil von Chemikalien am Rückgang biologischer Vielfalt ist. Unumstritten ist jedoch, dass Chemikalien allgegenwärtig sind und das Potential haben sich sowohl direkt als auch indirekt negativ auf Biodiversität auszuwirken. Direkte negative Wirkungen können von toxischen Effekten von menschengemachten Chemikalien auf empfindliche Organismen ausgehen. Diese können so stark sein, dass sie potenziell zu deren Aussterben führen und damit die biologische Vielfalt verringern. Darüber hinaus können Chemikalien auch indirekt negativ wirken. Sie können Organismen schwächen, wodurch sie weniger tolerant oder empfindlicher gegenüber anderen Stressfaktoren werden (z.B. erhöhte Temperaturen bedingt durch den Klimawandel, andere menschliche Eingriffe in den natürlichen Lebensraum). Durch Chemikalieneintrag können somit anderweitige Stressfaktoren (menschengemachte oder natürliche) noch verschärft werden. Chemikalien haben entsprechend das Potenzial, einen erheblichen Druck auf die biologische Vielfalt auszuüben. Hierzu zählt die Verschmutzung durch Pestizide, Pharmazeutika oder Substanzen aus Industrieprozessen und -produkten. Diese sogenannten „Novel Entities“, neuartige Stoffe, die in die Umwelt gelangen, gehen bereits über die planetaren Grenzen hinaus und übersteigen die bisherigen Möglichkeiten in der Sicherheitsbewertungen und im Monitoring (Persson et al. 2022).

Auf der Grundlage dieses Verständnisses hat die Europäischen Kommission die EU Biodiversitätsstrategie und den Zero Pollution Action Plan initiiert. Speziell wurde auch eine Chemikalienstrategie für Nachhaltigkeit entworfen.

Allerdings besteht auch hier weiterhin ein starker Fokus auf landwirtschaftlich genutzte Pestizide. So formuliert die Biodiversitätsstrategie in Bezug auf Chemikalien nur auf Maßnahmen zur Verringerung der Verschmutzung durch Pestizide und blendet andere Anwendungen von Chemikalien aus. Obwohl Pestizide zweifellos wichtig sind, sind sie bei weitem nicht die einzige Gruppe von anthropogenen Chemikalien, die Organismen oder Ökosysteme beinträchtigen können. Auch andere Substanzen können toxische, persistente (kaum abbaubar in Umwelt) oder hormonschädigende Eigenschaften besitzen. Anlass zur Sorge geben beispielsweise auch Schwermetalle, flüchtige Luftschadstoffe, polyaromatische Kohlenwasserstoffe, Per- und Polyfluoralkylsubstanzen und andere Industriechemikalien wie polychlorierte Biphenyle oder Arzneimittel.

Der voranschreitende Verlust an Biodiversität und der gleichzeitig steigende Eintrag von toxischen Substanzen in die Umwelt verdeutlichen den Bedarf, das gegenwärtige europäische Chemikalienmanagement für verschiedene Anwendungen kritisch zu prüfen und nach Wegen zu suchen, über verbesserte Methoden und regulatorische Ansätze Biodiversitätsverlust und Verschmutzungen vorzubeugen. Bisher existieren jedoch noch zu wenige Studien, die solche Effekte überhaupt untersucht und somit nachgewiesen haben. Hier müssen wesentliche Wissenslücken endlich geschlossen werden.

Weiterführende Literatur:

Groh, K., vom Berg, C., Schirmer, K., Tlili, A., 2022. Anthropogenic Chemicals As Underestimated Drivers of Biodiversity Loss: Scientific and Societal Implications. Environ. Sci. Technol. 56, 707–710. https://doi.org/10.1021/acs.est.1c08399

Grunewald, K., Bastian, O. 2023, Ökosystemleistungen: Konzept, Methoden, Bewertungs- und Steuerungsansätze, 2. Aufl., Springer.

Henn, E.V., Neubauer, M., Hodapp, D., Hepach, H., Hillebrand, H., Marquard, E., Seppelt, R., Settele, J., 2024. Perspektiven eines politikplanenden Biodiversitätsschutzgesetzes: Rechtsrahmen, Ausgestaltung und Forschungsbedarf. NuR. 46, 234–242.

IPBES secretariat, 2019. Global assessment report of the Intergovernmental Science-Policy Platform on Biodiversity and Ecosystem Services. Brondízio, E., Settele, J., Díaz, S., Ngo, H.T. (Eds.). https://zenodo.org/record/6417333#.Yn4DWd-xXmE 2019.

Illustration für verschiedene Treiber von Biodiversitätsverlust

Quelle: UBA

Das EU-Projekt TerraChem nimmt sich der Problematik an, dass Biodiversität, vor allem die terrestrische Biodiversität, innerhalb der europäischen Chemikalienregulation nicht bis kaum in der Umweltrisikobewertung (engl. environmental risk assessment - ERA) und dem Chemikalienmanagement berücksichtigt wird.

Durch die bisher praktizierte Form der ERA kommt es zu einer potenziellen Risikounterschätzung, was die terrestrische biologische Vielfalt betrifft. Dies hat mehrere Gründe. Zum einen basieren die gegenwärtigen ERAs von Chemikalien auf Laborstudien einzelner Arten, von denen dann auf ganze Populationen oder gar Ökosysteme rückgeschlossen wird. Diese Laborstudien bilden nur kurzfristige Effekte ab und nutzen zudem häufig Stellvertreterarten aus aquatischen Kompartimenten (aquatische Trias - Alge, Daphnie und Fisch). Landbasierte Kompartimente bleiben im bisherigen Vorgehen, außer bei der Regulation von Pestiziden, unterbeleuchtet, genauso wie langfristige oder indirekte Effekte durch die Exposition von Biota und Ökosystemen oder auch Mischungseffekte durch diverse Stoffeinträge. Bisher besteht auch noch kein Abgleich zwischen den berechneten Risikobewertungen und der dann realen Situation im Feld. Potenziale zur Verbindung prospektiver und retrospektiver Risikobewertung bleiben so ungenutzt.

Die Problematik hängt u.a. auch mit fehlenden spezifischen Schutzzielen bzgl. Biodiversität in den einzelnen Verordnungen zusammen. Und selbst wenn Biodiversität als Schutzgut benannt wird, wie etwa bei den Pflanzenschutzmitteln (vgl. Verordnung (EG) Nr. 1107/2009 – EUR-Lex) und Bioziden (vgl. Verordnung (EU) Nr. 528/2012 – EUR-Lex), bleibt der Begriff aber gesetzlich weithin unbestimmt. Daher kam es bisher zu keiner Integrierung in entsprechende Risikobewertungspraktiken oder entsprechende Risikomanagementmaßnahmen. Biodiversität bleibt so aus regulatorischer Perspektive ein blinder Fleck.

Weiterführende Literatur:

Brown, AR., Whale, G., Jackson, M. et al 2017. Toward the defnition of specifc protection goals for the environmental risk assessment of chemicals: a perspective on environmental regulation in Europe: defning Environmental protection goals for chemicals. Integr Environ Assess Manag 13, 17–37. https://doi.org/10.1002/ieam.1797

Fritsch, C., Berny, P., Crouzet, O., Le Perchec, S., Coeurdassier, M., 2024. Wildlife ecotoxicology of plant protection products: knowns and unknowns about the impacts of currently used pesticides on terrestrial vertebrate biodiversity. Environ Sci Pollut Res. https://doi.org/10.1007/s11356-024-33026-1

Johnson, T.F., Beckerman, A.P., Childs, D.Z., Webb, T.J., Evans, K.L., Griffiths, C.A., Capdevila, P., Clements, C.F., Besson, M., Gregory, R.D., Thomas, G.H., Delmas, E., Freckleton, R.P., 2024. Revealing uncertainty in the status of biodiversity change. Nature 628, 788–794. https://doi.org/10.1038/s41586-024-07236-z

Mueller, L.K., Ågerstrand, M., Backhaus, T., Diamond, M., Erdelen, W.R., Evers, D., Groh, K.J., Scheringer, M., Sigmund, G., Wang, Z., Schäffer, A., 2023. Policy options to account for multiple chemical pollutants threatening biodiversity. Environ. Sci.: Adv. 2, 151–161. https://doi.org/10.1039/D2VA00257D

Sample, B.E., Johnson, M.S., Hull, R.N., Kapustka, L., Landis, W.G., Murphy, C.A., Sorensen, M., Mann, G., Gust, K.A., Mayfield, D.B., Ludwigs, J.-D., Munns Jr., W.R., 2024. Key challenges and developments in wildlife ecological risk assessment: Problem formulation. Integrated Environmental Assessment and Management 20, 658–673. https://doi.org/10.1002/ieam.4710

Sigmund, G., Ågerstrand, M., Antonelli, A., Backhaus, T., Brodin, T., Diamond, M.L., Erdelen, W.R., Evers, D.C., Hofmann, T., Hueffer, T., Lai, A., Torres, J.P.M., Mueller, L., Perrigo, A.L., Rillig, M.C., Schaeffer, A., Scheringer, M., Schirmer, K., Tlili, A., Soehl, A., Triebskorn, R., Vlahos, P., vom Berg, C., Wang, Z., Groh, K.J., 2023. Addressing chemical pollution in biodiversity research. Global Change Biology 29, 3240–3255. https://doi.org/10.1111/gcb.16689

Sylvester, F., Weichert, F.G., Lozano, V.L., Groh, K.J., Bálint, M., Baumann, L., Bässler, C., Brack, W., Brandl, B., Curtius, J., Dierkes, P., Döll, P., Ebersberger, I., Fragkostefanakis, S., Helfrich, E.J.N., Hickler, T., Johann, S., Jourdan, J., Klimpel, S., Kminek, H., Liquin, F., Möllendorf, D., Mueller, T., Oehlmann, J., Ottermanns, R., Pauls, S.U., Piepenbring, M., Pfefferle, J., Schenk, G.J., Scheepens, J.F., Scheringer, M., Schiwy, S., Schlottmann, A., Schneider, F., Schulte, L.M., Schulze-Sylvester, M., Stelzer, E., Strobl, F., Sundermann, A., Tockner, K., Tröger, T., Vilcinskas, A., Völker, C., Winkelmann, R., Hollert, H., 2023. Better integration of chemical pollution research will further our understanding of biodiversity loss. Nat Ecol Evol 1–4. https://doi.org/10.1038/s41559-023-02117-6

Das größte Problem im Zusammenhang einer realitätsnäheren Risikobewertung und entsprechendem Risikomanagement von Chemikalienexposition sind fehlende Daten und Methoden zu deren Einordnung. Innerhalb unterschiedlicher Arbeitspakete innerhalb des TerraChem Projektes soll dieses Problem nun angegangen werden.

Im Arbeitspaket 1 zum Thema „Monitoring der Chemikalienexposition und der Auswirkungen von Gemischen in realen terrestrischen Nahrungsketten“ sollen zum Beispiel Fallstudien durchgeführt werden, bei denen sieben Nahrungsketten in verschiedenen europäischen Ländern in repräsentativen terrestrischen Ökosystemen beprobt werden. Die generierten Daten sollen dann genutzt werden, um Expositionswege gegenüber Chemikalien in der Tierwelt nachzuzeichnen, einschließlich des trophischen Transfers innerhalb ausgewählter Nahrungsketten (vom Boden über Pflanzen, Primär- und Sekundärkonsumenten bis hin zu Apex-Arten).

Arbeitspaket 2 arbeitet an verschiedenen „Modellierungen der Pfade von der chemischen Schadstoffquelle bis zur Schädigung in terrestrischen Ökosystemen (Rezeptor)“. Dabei sollen Auswirkungen (ökotoxikologische und anderweitige negative Effekte) auf verschiedene Dimensionen von Biodiversität modelliert werden: negative Effekte auf die genetische Vielfalt, die Artenvielfalt, funktionelle Vielfalt sowie Einflüsse auf Ökosystemdienstleistungen.

Die Ergebnisse dieser beiden Arbeitspakete sollen für die Regulatorik entsprechend aufgegriffen werden und die Überarbeitung gegenwärtiger regulatorischer Instrumente und Praktiken informieren. Eine Aufgabe die dann durch das UBA in WP3 durchgeführt wird.

Das Umweltbundesamt ist in forschender Tätigkeit an TerraChem beteiligt. Das Fachgebiet IV 2.3 leitet das 3. Arbeitspaket in TerraChem zur „Vorbeugung und Abschwächung chemischer Einflüsse auf terrestrische Ökosysteme“. Forscherinnen und Forscher des UBA werden in enger Kooperation mit der FH Technikum Wien in Österreich in diesem AP aus regulatorischer Perspektive ein neues Priorisierungsschema für eine gefahren- und risikobasierte Identifikation und Priorisierung biodiversitätsgefährdender Stoffe entwickeln. Dieses Schema soll verschiedene empirische Nachweise (Evidenzlinien) zu Effekten von Chemikalien auf molekularer, Organismen-, Populations- und Ökosystemebene einbeziehen und integrieren. Zum Teil basieren diese Nachweise auf KI-gestützten Modellen. Künstliche Intelligenz in Verbindung mit hohen Rechenkapazitäten ermöglicht ein tieferes Verständnis der Wechselwirkungen in Ökosystemen und Nahrungsnetzen, die für die Charakterisierung indirekter Auswirkungen von entscheidender Bedeutung sind. Daneben sollen auch neue Indikatoren für die Effekte von Chemikalien auf die genetische und funktionelle Diversität (aus dem WP2) integriert werden. Die Zusammenführung dieser Erkenntnisse in einem Schema erlaubt dann eine Liste von Stoffen zu generieren, die im Verdacht stehen Ökosysteme zu schädigen und die im Rahmen von europaweiten Monitoringprogrammen fokussiert werden sollten, um ihre Effekte konkret zu bestimmen.

Daneben werden gegenwärtige Praktiken der Umweltrisikobewertung auf seine blinden Flecken hinsichtlich der Biodiversität untersucht und sowohl für die Risikobewertung als auch die Risikomanagementsysteme und -maßnahmen der verschiedenen europäischen Chemikalienregulationen und -gesetzgebungen Verbesserungsmöglichkeiten vorgeschlagen.

Weitere Information zum Projekt finden Sie unter: TerraChem Project

Bei Fragen zum Projekt wenden Sie sich gerne an: Dörte Themann (doerte.themann(at)uba.de)

Überblick über die einzelnen Arbeitspakete in TerraChem

Quelle: TerraChem / https://terrachem.eu

• Using environmental monitoring data from apex predators for chemicals management. Towards better use of monitoring data from apex predators in support of prioritisation and risk assessment
  of chemicals in Europe. Treu et al. 2022: https://www.norman-network.com/sites/default/files/files/Publications/s12302-022-00665-5.pdf
• Using environmental monitoring data from apex predators for chemicals management. Towards harmonised sampling and processing of archived wildlife samples to increase the regulatory uptake of monitoring data in chemicals management. Badry et al. 2022: https://enveurope.springeropen.com/counter/pdf/10.1186/s12302-022-00664-6.pdf
• Addressing chemical pollution in biodiversity research. Sigmund et al. 2023: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/gcb.16689