GIS-gestützte Analysen zur m?glichen Gef?hrdung von Naturschutzgebieten durch den Anbau gentechnisch ver?nderter Kulturpflanzen

Zusammenfassung   Hintergrund, Ziel und Zweck Der kommerzielle Einsatz von gentechnisch ver?nderten Kulturpflanzen (GVP) wurde bislang fokussiert auf Fragen zur Koexistenz mit der konventionellen und ?kologischen Landwirtschaft sowie auf m?gliche Beeintr?chtigungen der menschlichen Gesundheit. Gro?r?umige Untersuchungen zu m?glichen direkten, indirekten und langfristigen Wirkungen auf natürliche ?kosysteme fehlen dagegen bisher. Besonders der Wahrung der Integrit?t von Naturschutzgebieten kommt hierbei eine besondere Rolle zu. Nach § 23 Bundesnaturschutzgesetz (BNatSchG) dienen Naturschutzgebiete dem besonderen Schutz von Natur und Landschaft, indem dort existierende Biotope wild lebender Arten erhalten, entwickelt und wiederhergestellt werden sollen. Der § 34a BNatSchG setzt die Nutzung von gentechnisch ver?nderte Organismen (GVO) mit Projekten gleich, welche im Falle von Gebieten gemeinschaftlicher Bedeutung (Flora-Fauna-Habitate, FFH) oder europ?ischer Vogelschutzgebiete auf ihre Vertr?glichkeit mit dem Schutzzweck zu überprüfen sind. Vor diesem Hintergrund wurde in dem vom Bundesamt für Naturschutz (BfN) gef?rderten Projekt „Abstandregelungen beim Anbau gentechnisch ver?nderter Pflanzen in der N?he von Schutzgebieten“ untersucht, inwiefern Schutzgebiete von den Auswirkungen des Anbaus gentechnisch ver?nderter Pflanzen betroffen w?ren und welche Ma?nahmen die Auswirkungen eines GVP-Anbaus mindern oder verhindern k?nnten. Im Mittelpunkt der hier vorgestellten Arbeit wird beispielhaft gezeigt, wie sich die Einführung unterschiedlicher Abstandregelungen zum Schutz der Artendiversit?t in Naturschutzgebieten auf den potenziellen Anbau von herbizidresistentem Raps (HR-Raps) und insektizidresistentem Mais (B. t.-Mais) in Nachbarschaft von Schutzgebieten fl?chenhaft auswirken würde. Zum anderen wird eine Methodik vorgestellt, die es erm?glicht, die in Deutschland eingerichteten Naturschutzgebiete in Gruppen unterschiedlicher Gef?hrdung durch einen GVP-Anbau einzuteilen, um daraus repr?sentative Schutzgebiete für eine Modellierung der GVP-Ausbreitung zu bestimmen und so den Aufwand für eine Absch?tzung der ?kologischen Folgen eines GVP-Anbaus zu reduzieren. Material und Methoden In Deutschland gab es nach Angaben des Bundesamtes für Naturschutz (Stand: 2003) etwa 7.400 Naturschutzgebiete (NSG), die einen Anteil von 3 % der Landesfl?che einnahmen. In einem geografischen Informationssystem (GIS) wurden die Schutzgebietsgeometrien mit Landnutzungsdaten aus „CORINE Landcover“ und Regionalstatistiken zur Anbaufl?che von Raps und Mais sowie einer ?kologischen Raumgliederung Deutschlands zusammengeführt. In einem ersten Schritt wurde untersucht, wie viel Agrarnutzungsfl?che bei unterschiedlichen Sicherheitsabst?nden um die NSG bundesweit und je Bundesland für einen Anbau von B. t.-Mais bzw. HR-Raps noch zur Verfügung st?nde. In einem zweiten Schritt wurden die NSG mithilfe komplexer GIS-Analysen zu Schutzgebietstypen aggregiert, die die Variationen in der Anbaudichte von Raps oder Mais in Nachbarschaft zu den Schutzgebieten sowie deren unterschiedliche Geometrie und deren landschafts?kologische Situation widerspiegeln. Dafür wurde zun?chst ein Geometriefaktor (GF) berechnet, der den Umfang eines NSG in Beziehung zu seiner Fl?che als Ma? für die relative Kontaktzone und Eindringtiefe der Wirkungen von GVP, z. B. über den Pollenflug, setzt. Die Intensit?t der GVO-Wirkungen wurde mithilfe eines Anbaudichtefaktors (AF) ausgedrückt, der auf Basis von kreisbezogenen Agrarstatistiken den Anteil der kulturartenspezifischen Nutzung innerhalb einer Zone von 4.000 m (Rapsanbau) bzw. 800 m (Maisanbau) um das NSG beschreibt. Ergebnisse Bereits bei einer Sicherheitszone von 500 m um die NSG verblieben nach den durchgeführten Berechnungen noch über 94 % der Agrarfl?chen in Deutschland für einen Anbau von GVP, bei 1.000 m Sicherheitsabstand noch etwa 88 %, bei 4.000 m dagegen nur noch etwa die H?lfte. Die Kombination von GF und AF ergaben für jede Kulturart nach Aufteilung in jeweils drei Perzentilklassen neun Modellraumklassen (MRK), die die Variation von Gebietsgeometrie und Anbaudichte in der Umgebung des NSG widerspiegeln. Am meisten gef?hrdet waren demnach solche NSG, die eine gro?e Kontaktfl?che (+ GF) und eine hohe Anbaudichte (+ AF) in ihrer Umgebung aufwiesen. NSG mit dieser Konstellation hatten einen Anteil von 7 % und nahmen eine Fl?che von 0,4 % aller NSG ein. Die Verschneidung mit der ?kologischen Raumgliederung ergab, dass mehr als ein Drittel dieser NSG in Raumklasse 62 vorkamen. Alle NSG, in deren Umgebung die h?chsten AF zu finden waren, machten jeweils bei beiden Kulturarten zusammen etwa 60 % aller NSG aus. Diskussion Der technische Ablauf der Klassenbildung erfolgte nach einem Regel basierten hierarchischen System und wurde durch Implementierung eigener GIS-Prozeduren teilautomatisiert, sodass zus?tzliche Auswertungen mit anderen GV-Pflanzen, anderen Schutzgebietstypen oder anderen Abstandsweiten ohne erheblichen Arbeitsaufwand m?glich sind. Die mithilfe von GIS-Operationen und h?ufigkeitsstatistischen Methoden berechneten Schutzgebietskategorien halfen dabei, die Folgen eines GVP-Anbaus hinsichtlich einer m?glichen Gef?hrdung von Schutzgebieten in der Anbaupraxis abzusch?tzen. Schlussfolgerungen Die Festlegung von Sicherheitsabst?nden um Schutzgebiete sollte in Abh?ngigkeit von den Ausbreitungsmechanismen und den spezifischen Wirkungen der jeweiligen Kulturart auf Nicht-Zielorganismen sowie von den jeweils vorkommenden Schutzgütern erfolgen. Besonders GV-Raps birgt aufgrund von Wildpopulationen und aufgrund seiner Kreuzungspartner ein Risiko für ein Einwandern in Schutzgebiete, selbst bei der Einrichtung von Sicherheitszonen, insbesondere wenn dort oder in den Schutzgebieten selbst konventioneller Raps angebaut wird. Dies gilt umso mehr, solange es nicht gelingt, das Saatgut frei von Verunreinigungen mit gentechnisch ver?ndertem Saatgut zu halten. Empfehlungen und Ausblick Zur Konkretisierung und Umsetzung von Ma?nahmen für die Reduzierung von Auswirkungen eines GVP-Anbaus auf Schutzgebiete bedarf es eines politischen und gesellschaftlichen Diskurses zur Abw?gung, welche der Ver?nderungen der Schutzgüter toleriert werden k?nnen, bevor es zu einem kommerziellen Anbau von GVP kommt. Hierfür sind wissenschaftliche Studien notwendig, die auf empirischer und modelltheoretischer Grundlage die Ausbreitungsreichweite von gentechnisch ver?nderten Pollen und die Verbreitung und Wirkung von in die Umwelt eingetragenen Transgenen und freigesetzten Toxinen absch?tzen. Die überwachung der GVP-Anbaufl?chen sollte im Rahmen des nach EU-Richtlinie 2001/18/EC zur Freisetzung von GVO geforderten fallspezifischen und allgemeinen Monitorings erfolgen. Die für die Planung eines Monitorings sowie für die Analyse und Bewertung der Umweltwirkungen notwendigen Informationen sowie die Monitoringdaten selbst sollten in einem webbasierten Geoinformationssystem (WebGIS) integriert und ausgewertet werden. Otto Fr?nzle zum 75. Geburtstag gewidmet     

Metabolism of acetaminophen (paracetamol) in plants—two independent pathways result in the formation of a glutathione and a glucose conjugate

Background, aim, and scope  Pharmaceuticals and their metabolites are detected in the aquatic environment and our drinking water supplies. The need for high quality drinking water is one of the most challenging problems of our times, but still only little knowledge exists on the impact of these compounds on ecosystems, animals, and man. Biological waste water treatment in constructed wetlands is an effective and low-cost alternative, especially for the treatment of non-industrial, municipal waste water. In this situation, plants get in contact with pharmaceutical compounds and have to tackle their detoxification. The mechanisms for the detoxification of xenobiotics in plants are closely related to the mammalian system. An activation reaction (phase I) is followed by a conjugation (phase II) with hydrophilic molecules like glutathione or glucose. Phase III reactions can be summarized as storage, degradation, and transport of the xenobiotic conjugate. Until now, there is no information available on the fate of pharmaceuticals in plants. In this study, we want to investigate the fate and metabolism of N-acetyl-4-aminophenol (paracetamol) in plant tissues using the cell culture of Armoracia rusticana L. as a model system. Materials and methods  A hairy root culture of A. rusticana was treated with acetaminophen in a liquid culture. The formation and identification of metabolites over time were analyzed using HPLC-DAD and LC–MSⁿ techniques. Results  With LC–MS technique, we were able to detect paracetamol and identify three of its metabolites in root cells of A. rusticana. Six hours after incubation with 1 mM of acetaminophen, the distribution of acetaminophen and related metabolites in the cells resulted in 18% paracetamol, 64% paracetamol–glucoside, 17% paracetamol glutathione, and 1% of the corresponding cysteine conjugate. Discussion  The formation of two independently formed metabolites in plant root cells again revealed strong similarities between plant and mammalian detoxification systems. The detoxification mechanism of glucuronization in mammals is mirrored by glucosidation of xenobiotics in plants. Furthermore, in both systems, a glutathione conjugate is formed. Due to the existence of P450 enzymes in plants, the formation of the highly reactive NAPQI intermediate is possible. Conclusions  In this study, we introduce the hairy root cell culture of A. rusticana L. as a suitable model system to study the fate of acetaminophen in plant tissues. Our first results point to the direction of plants being able to take up and detoxify the model substrate paracetamol. These first findings underline the great potential of using plants for waste water treatments in constructed wetlands. Recommendations and perspectives  This very first study on the detoxification of a widely used antipyretic agent in plant tissues again shows the flexibility of plant detoxification systems and their potential in waste water treatment facilities. This study covers only the very first steps of acetaminophen detoxification in plants; still, there is no data on long-term exposure as well as the possible impact of pharmaceuticals on the plant health and stress defense. Long-term experiments need to be performed to follow the fate of acetaminophen in root and leaf cells in a whole plant system, and to evaluate possible usage of plants for the remediation of acetaminophen from waste water.     

Using phytoremediation technologies to upgrade waste water treatment in Europe

Goal, Scope and Background One of the burning problems of our industrial society is the high consumption of water and the high demand for clean drinking water. Numerous approaches have been taken to reduce water consumption, but in the long run it seems only possible to recycle waste water into high quality water. It seems timely to discuss alternative water remediation technologies that are fit for industrial as well as less developed countries to ensure a high quality of drinking water throughout Europe. Main Features The present paper discusses a range of phytoremediation technologies to be applied in a modular approach to integrate and improve the performance of existing wastewater treatment, especially towards the emerging micro pollutants, i.e. organic chemicals and pharmaceuticals. This topic is of global relevance for the EU. Results Existing technologies for waste water treatment do not sufficiently address increasing pollution situation, especially with the growing use of organic pollutants in the private household and health sector. Although some crude chemical approaches exist, such as advanced oxidation steps, most waste water treatment plants will not be able to adopt them. The same is true for membrane technologies. Discussion Incredible progress has been made during recent years, thus providing us with membranes of longevity and stability and, at the same time, high filtration capacity. However, these systems are expensive and delicate in operation, so that the majority of communities will not be able to afford them. Combinations of different phytoremediation technologies seem to be most promising to solve this burning problem. Conclusions To quantify the occurrence and the distribution of micropollutants, to evaluate their effects, and to prevent them from passing through wastewater collection and treatment systems into rivers, lakes and ground water bodies represents an urgent task for applied environmental sciences in the coming years. Recommendations Public acceptance of green technologies is generally higher than that of industrial processes. The EU should stimulate research to upgrade existing waste water treatment by implementing phytoremediation modules and demonstrating their reliability to the public.     

?kologische, ?konomische und rechtliche umweltbewertung

Zusammenfassung  Der Artikel gibt einen überblick über eine Beitragsserie zum Thema Integrative Umweltbewertung. Es wird über die Genese sowie die inhaltliche und organisatorische Struktur eines Graduiertenkollegs berichtet, das in den Jahren 1996–2002 in zwei Phasen an der Universit?t Kiel eingerichter war. Insbesondere wird auf die zentralen Begriffe Integration, Umwelt und Bewertung eingegangen. Ein besonderes Augenmerk liegt zudem auf dem genannten Thema als Forschungs- und Lehrgegenstand sowie auf den Chancen und Barrieren für interdisziplin?re Kooperation und Kommunikation zwischen den Fachgruppen ?kosystemforschung, Rechtswissenschaften und Wirtschafts-/Sozialwissenschaften. Am Schluss dieses übersichtsbeitrages werden die Beitr?ge der Serie kurz vorgestellt. Online First 17.06.2002     

Towards a spatially explicit and quantitative vulnerability assessment of environmental change in Europe

Over the next century, society will increasingly be confronted with the impacts of global change (e.g. pollution, land use changes, and climate change). Multiple scenarios provide us with a range of possible changes in socio-economic trends, land uses and climate (i.e. exposure) and allow us to assess the response of ecosystems and changes in the services they provide (i.e. potential impacts). Since vulnerability to global change is less when society is able to adapt, it is important to provide decision makers with tools that will allow them to assess and compare the vulnerability of different sectors and regions to global change, taking into account exposure and sensitivity, as well as adaptive capacity. This paper presents a method that allows quantitative spatial analyses of the vulnerability of the human-environment system on a European scale. It is a first step towards providing stakeholders and policy makers with a spatially explicit portfolio of comparable projections of ecosystem services, providing a basis for discussion on the sustainable management of Europe’s natural resources.

Determination of inorganic and organic priority pollutants in biosolids from meat processing industry

The biosolids (BS) generated in the wastewater treatment process of a meat processing plant were monitored and the priority pollutant content was characterized. The trace metal and organic pollutant content – polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), polychlorinated biphenyls (PCBs) and polychlorinated dibenzo-p-dioxins and dibenzofurans (PCDD/PCDF) – were determined quantitatively and compared to guideline limits established by the US EPA and EU. PCBs were not detected in the solid samples, while trace metals, PAHs and PCDD/PCDF were detected in concentrations below the limits established by international standards. Toxic equivalent factors were evaluated for the biosolids, and the results proved that these wastes can be safely deposited on land or used in combustion/incineration plants. Since no previous data were found for meat processing waste, comparisons were made using municipal sewage sludge data reported in the literature. Since, this report monitored part of the priority pollutants established by the US EPA for meat and poultry processing wastewater and sludge, the results verified that low pollution loads are generated by the meat processing plant located in the southern part of Brazil. However, the BS generated in the treatment processes are in accordance with the limits established for waste disposal and even for soil fertilizer.