dc.description.abstract
Der vorliegende Bericht behandelt die Ergebnisse des Forschungsprojektes
RUBUS, welches im Zeitraum November 2013 bis November 2015 von der Freien
Universität Berlin durchgeführt wurde. Gegenstand des Projektes ist die
Untersuchung der aktuellen Belastungssituation und der Dynamik der Sedimente
in der Rummelsburger Bucht als Teil der urbanen Spree in Berlin. Das Projekt
hat die Klärung der räumlichen Verteilung, Quantifizierung und Bewertung der
Schadstoffbelastung in den Sedimenten der Rummelsburger Bucht zum Ziel. Es
soll vor diesem Hintergrund die Ausbildung einer unbelasteten Sedimentauflage
geprüft werden, um damit auch der Frage nachzugehen, ob es möglicherweise zu
einer Remobilisierung von schadstoffbelasteten Sedimenten kommt. Um diese
Hypothese zu untersuchen wird ein indirekter Messansatz gewählt, der sowohl
die Erfassung der Randbedingungen als auch den qualitativen und quantitativen
Nachweis einer Sedimentremobilisierung berücksichtigt. Da die Prozesse als
solche nur schwer messbar sind, zielt dieser Ansatz darauf ab, entsprechende
Leitindikatoren zu wählen, anhand derer Mobilisierungsmechanismen und Ursachen
aufgezeigt werden können. Die Erfassung der Schadstoffe (Schwermetalle,
organische Verbindungen) erfolgt systematisch an 5 Schichten der obersten 15
cm des Gewässersedimentes und über die Erfassung von akkumuliertem Material in
Sedimentfallen. Die Beprobungen und kontinuierlichen Messungen werden an 15
über den gesamten Wasserkörper rasterförmig ausgelegten Bohr- bzw. Messpunkten
durchgeführt. Zur Bemessung des potenziellen Risikos wird für die
Feststoffphase der Consensus 2 - Wert der Sedimentqualitätsrichtlinien nach de
DECKERE et al. (2011) zugrunde gelegt und durch Elutionsversuche sowie
ökotoxikologische Tests ergänzt. Die Laborergebnisse zeigen, dass an allen
Standorten und in annähernd allen erfassten Sedimentschichten weitestgehend
sämtliche untersuchten Elemente und Verbindungen in zum Teil erheblichen
Konzentrationen nachgewiesen werden können. Die Konzentrationen variieren
sowohl in der Fläche als auch mit der Tiefe der Sedimentschichten. Die
Analysen und statistischen Tests weisen das nordwestliche Untersuchungsgebiet
als am stärksten belastet aus. Ungeachtet dieser räumlichen Variationen zeigen
die Ergebnisse, dass in der Rummelsburger Bucht eine durchgängige Belastung
der oberen 15 cm Sedimentschicht vorliegt. Eine flächendeckende Belastung kann
auch für die beprobten Sedimentfallen nachgewiesen werden. Im Vergleich zum
Referenzstandort in der Spree zeigt sich, dass die Rummelsburger Bucht sowohl
hinsichtlich der Sedimentkerne als auch hinsichtlich der Sedimentfallen eine
durchgängig höhere Belastung aufweist. Effektbasierte SQG werden in den
meisten Fällen überschritten. Eine Untersuchung aquatischer Makrozoen durch
die Bundesanstalt für Gewässerkunde zeigt zudem, dass die Artenvielfalt gering
ist und sich das Vorkommen auf tolerante, euryöke Arten mit geringen
Ansprüchen an die Gewässer- und Sedimentqualität beschränkt. Für den hohen
gemessenen Sedimentumsatz ist vor allem die Remobilisierung von Sedimenten
innerhalb der Bucht verantwortlich. Die stark belasteten, sehr schluffhaltigen
Sedimente werden über eine permanente Strömung diffus über die gesamte
Seefläche verteilt. Als bisherige Ursache für den hohen Sedimentumsatz können
u.a. meteorologische Bedingungen und der Bootsverkehr identifiziert werden.
Die mechanische Mobilisierbarkeit von feststoffgebundenen Schwermetallen und
zinnorganischen Verbindungen ist unter den vorherrschenden Bedingungen in der
Rummelsburger Bucht gering. Die chemisch-physikalischen Randbedingungen des
Untersuchungsgebiets sind im Jahreszyklus nur geringen Schwankungen
unterworfen, was der weiteren Fixierung der Schwermetalle entgegenkommt. MKW
und PAK werden hingegen durch die Elution in höheren Konzentrationen
freigesetzt, insbesondere aus den Schwebstoffen. Im Fall der PAK werden in den
meisten Proben die ZHK-UQN bzw. die JD-UQN der Europäischen
Wasserrahmenrichtlinie für die Wasserphase überschritten. Keiner der
biologischen Tests zeigt eine gefährliche Belastung an. Es werden jedoch mit
dem Sedimentkontakt- und dem Leuchtbakterientest bei mehreren Proben kritische
Belastungen ermittelt. Von den PAK geht offensichtlich keine Gefährdung für
die Testorganismen Vibrio fischeri (Leuchtbakterien) und Lemna minor
(Wasserlinsen) aus. Die Wasserlinsen reagieren durchgehend wenig sensitiv auf
die Inhaltsstoffe der Eluate. Es ist anzunehmen, dass die signifikant höhere
MKW-Freisetzung aus den Schwebstoffen (im Gegensatz zu den Sedimenten) die
toxische Wirkung im Leuchtbakterientest verursacht. Der Sedimentkontakttest
weist bei einer den Schadstoffgehalten nach relativ unbelasteten Probe einen
toxischen Effekt nach. Die hohen Schwermetallgehalte in den Sedimenten haben
keine Wirkung auf die Bakterien des Sedimentkontakttests, was darauf
hindeutet, dass sie nicht in bioverfügbarer Form vorliegen. Die Schwermetalle
scheinen unter stabilen Bedingungen gebunden vorzuliegen. Die PAK und MKW
zeigen eine deutlich höhere Dynamik in der Schadstoffmobilität. Die
Rummelsburger Bucht stellt selbst im internationalen Kontext eine Besonderheit
hinsichtlich der hohen Belastung mit organischen Schadstoffverbindungen und
Schwermetallen dar und zeigt, dass die industriellen Fingerabdrücke der
Gesellschaft über äußerst lange Zeiträume erhalten bleiben und dies eine
Herausforderung für Politik und Planung darstellt. Die Untersuchungsergebnisse
zeigen aber auch, dass die Rummelsburger Bucht einer ausreichend großen
Dynamik unterliegt, welche zu einer (Re-) Mobilisierung dieser hochbelasteten
Sedimente führen kann. Die Sedimente fungieren als langfristige potenzielle
Schadstoffquelle für den Wasserkörper und damit auch für die Spree.
de
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The present report covers the results of the research project RuBuS, realised
by the Freie Universität Berlin between November 2013 and 2015. The
investigated water body “Rummelsburger Bucht” is a former anabranch of the
Spree River located in the centre of Berlin. Covering an area of more than 45
ha, it is only at the upstream side connected to the main river course. For
almost a century, untreated industrial and municipal wastewater was discharged
into this river branch. Consequently, the quality of both the water and the
sediments decreased dramatically over that period. In order to address this
problem, the project “RuBuS” (co-financed by the Berlin State Government and
the European Funds for Social and Regional Development) was established for
the above mentioned period. To perform any risk assessment, the investigation
should provide an improved knowledge and a better understanding about the type
and spatio-temporal pattern of sediment contamination and dynamics. To detect
the spatial distribution of pollutants in the sediment, over 200 sediment
samplings were carried out via drill cores from 16 locations. The upper 15 cm
of each drill core was systematically divided into 5 layers (each of 3 cm) for
separate examination. The investigation of sedimentation and remobilisation
rates was accomplished by installing 18 sediment traps, which collected
deposits over more than a year. The presence of selected heavy metals and
organic pollutants in the sediments was determined for every position and
layer of the drill cores, as well as for all sediment traps. Detection of
changes in boundary conditions, influencing the spatial and temporal
distribution of sedimentation and resuspension, was accomplished by placing
devices within the water body and taking different mobile measurements. At all
sampling locations, flow conditions were recorded every week over the whole
water column with a vessel-mounted ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler).
Water quality parameters like oxygen, turbidity, chlorophyll-(a) and
temperature were also measured weekly with a mobile multiparameter sensor at
all stations in 50 cm steps. In addition, these parameters were continuously
recorded every 10 minutes with stationary sensors at different water depths
(1, 2 and 3 m) from the beginning of the monitoring. For mobile measurements
the probe YSI 6600 V2 was used, whereas permanent recording was done with
Cyclops-7 and MiniDot devices from PME. A weather station was set up on the
shore side to determine wind conditions, precipitation, temperature and solar
radiation, concerning the external impacts on water currents, turbulences and
algae-bloom. The scope of the investigation included the determination of the
total content of inorganic (Hg, Cd, Cr, Pb, Ni, Cu, Zn) and organic compounds
(polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), total petroleum hydrocarbons (TPH),
selected nitro-compounds, selected organotin compounds and polychlorinated
biphenyls (PCB, AOX and EOX) in the sediment and suspended matter. The
relevant particle size for the investigation of samples for heavy metals was <
63 μm and for the organic components < 2 mm. The compounds were detected by
ICP-OES, ICP-MS and AAS analyses. Grain size distributions weredetermined
using laser diffractometry and sieving. An elemental analyser was used to
determine the presence of carbon and nitrogen in the samples. The release of
soluble components upon contact with water is considered one of the main
mechanisms leading to a potential hazard to the environment. The research into
soluble and easily mobile sediment-bounded pollutants is based upon a 24 hour
batch test. In addition, certain toxic effects of the sediments were
determined by ecotoxicological test methods. Three species were chosen as
relevant test organisms: Vibrio fischeri for the luminescent bacteria test,
Lemna minor for the Duckweed growth inhibition test and Arthrobacter
globiformis for the sediment contact test. In addition, the thresholds of the
sediment quality guidelines, published by de Deckere et al. (2011), were used
to assess the solid contents. The study demonstrated that so far the
concentration of organic and inorganic pollutants in the sediments has
remained very high. The total contents of the PAHs and all heavy metals
exceeded the effect-based threshold values according to de Deckere et al.
(2011). The results were compared to the “consensus 2” thresholds to identify
the measured concentrations, which have surpassed the limits and now giving
rise to concern regarding toxicity. The only exception among the heavy metals
was mercury. With respect to organic pollution the reference point in the
Spree River, which is not very far away from the sheet pile wall, showed
concentrations below the threshold value. In contrast, the reference point
disclosed pollution by heavy metals except for cadmium and mercury
concentrations, which were below the threshold. However, the load of heavy
metals at the reference point was lower than the one found in the bay. A
different spatial distribution of the organic contamination was observed for
the sediments of the “Rummelsburger Bucht”. In terms of contamination with
PAHs, Cd and Pb, areas with different loads could be defined, this was
statistically proven with a significant difference greater than 99%. The less
contaminated area was situated between the sheet pile wall and the centre of
the bay. Higher loads (sampling sites 10-15) were found from the centre of the
water body to the north-western shore. However, the sediments in the traps
showed a homogeneous distribution of the measured pollutants. It was also
found, that the level of contamination commonly increased with sediment depth,
except at the sampling sites right in the centre of the bay, which revealed no
clear tendency to increase or decrease depending on the depth. With regard to
the level of the European Environmental Quality Standards (EQS), the results
of the 24 hour batch test indicated a low mobility of the heavy metals,
organotin compounds and Benzo(a)pyrene. By contrast, other PAH compounds
exceeded in several eluates the annual average maximum concentration permitted
by the EQS. The results of the Luminescent bacteria test demonstrated for the
eluates of sediment cores, that all samples are not or harmless polluted (non-
or low toxic effect). However, with the exception of two samples, all of the
eluates of suspended particles were critically polluted, they showed a
moderate or increased toxic effect. The recorded high turnover rates of
sediments were most likely caused by a remobilisation of local sources within
the “Rummelsburger Bucht”. These highly contaminated and silty sediments can
be evenly distributed over the whole area of the water body due to very slow
but constant currents with changing directions. Up to now, specific
meteorological boundary conditions and motorboat-traffic have been identified
as some of the main reasons for the remobilisation and local transport of the
sediments, as well as external sediment sources could be neglected. The
research project “RuBuS” provides a detailed insight into this water body. It
gives a better understanding how changes in boundary conditions affect the
spatial and temporal distribution of sedimentation and the resuspension of
sediments. The study demonstrates, that so far the concentration of organic
and inorganic pollutants in the sediments has remained on an exceptionally
high level. The “Rummelsburger Bucht” can be considered as a case study about
spatio-temporal pattern of sediment contamination and dynamics of the Spree
River and about areas of conflict presented by highly stressed urban water
bodies. A high pressure on demands of local residents for recreational and
commercial use of the “Rummelsburger Bucht” needs to improve the environmental
situation by a targeted and affordable management plan.
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