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In Deutschland regulieren rund 100 Schlauchwehre den Wasserstand – Tendenz steigend. Dies war Anlass für Rebecca Süßmuth und Timothy Rosenberger im Rahmen ihrer Promotion die Umweltverträglichkeit der Membranen solcher Anlagen genauer zu untersuchen. Dabei setzten sie modernste Verfahren der wirkungsorientierten Analytik ein. Die Ergebnisse liefern nicht nur wichtige Erkenntnisse für die Betreiber solcher Anlagen, sondern auch für die Hersteller der Schlauchmembranen. Für ihre Veröffentlichung im Fachblatt Environmental Science & Technology wurden beide nun mit dem Paul-Crutzen-Preis ausgezeichnet.
Die Preisverleihung fand am 3. September 2026 im Rahmen der Jahrestagung „Umwelt 2026“ an der Universität Duisburg-Essen statt. Verliehen wurde der Preis an Rebecca Süßmuth und Timothy Rosenberger von der Fachgruppe „Umweltchemie & Ökotoxikologie“ der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh). Die Auszeichnung wird seit dem Jahr 2000 für eine herausragende wissenschaftliche Publikation des wissenschaftlichen Nachwuchses auf dem Gebiet der Umweltchemie und Ökotoxikologie vergeben.
Die ausgezeichnete Arbeit greift eine Fragestellung auf, die für die Bundeswasserstraßen von unmittelbarer Bedeutung ist: Wie lässt sich die Umweltverträglichkeit von Bauprodukten wie Geotextilien, Beton, Korrosionsschutzbeschichtungen und Schlauchwehrmembranen zuverlässig bewerten? Denn die verbauten Materialien stehen dauerhaft und über viele Jahre mit dem Flusswasser in Kontakt und geben während ihrer Nutzung wasserlösliche Stoffe an die Umwelt ab. Um besser einschätzen zu können, ob einzelne in den Schlauchmembranen enthaltene Stoffe zukünftig zu einem Problem für die im Wasser lebenden Organsimen führen, haben Süßmuth und Rosenberger mit wirkungsorientierter Analytik gearbeitet. Dabei stellte sich heraus, dass Stoffe mit östrogener Wirkung ins Wasser gelangen.
Gewässerschutz beginnt bei den Wasserbaumaterialien
Schlauchmembranen kommen in Flüssen bei sogenannten Schlauchwehren zum Einsatz. Diese beweglichen Stauwehre dienen dazu, den Wasserstand zu regulieren. Ihr zentraler Bestandteil ist eine Membran aus Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) mit einer Styrolkomponente, in die zur Stabilisierung mehrere Gewebeschichten eingebettet sind. Je nach Bauart wird der Schlauch mit Wasser oder Luft befüllt. Durch die Veränderung des Füllstands lässt sich das Wehr heben oder senken und damit der Wasserstand regulieren.
In Deutschland sind rund 100 Schlauchwehranlagen in Betrieb, weltweit mehr als 6.000. An den Bundeswasserstraßen ist davon auszugehen, dass die Zahl der Schlauchwehranlagen in den kommenden Jahren weiter steigen wird. Hierzulande wird die überwiegende Mehrheit der Anlagen mit Wasser betrieben. Dabei kommt die Membran auf unterschiedliche Weise mit dem Flusswasser in Kontakt: Während der Stauhaltung verbleibt das zur Befüllung verwendete Wasser über mehrere Wochen bis Monate im Schlauch. In dieser Zeit können Stoffe aus der Membran in das Wasser übergehen. Wird das Wehr abgesenkt, gelangt dieses Wasser zurück in den Fluss. Gleichzeitig steht auch das über das Wehr strömende Flusswasser unmittelbar mit der Außenseite der Membran in Kontakt und kann dabei freigesetzte Stoffe aufnehmen.
Hier setzte die Forschung von Rebecca Süßmuth und Timothy Rosenberger an: Um mögliche Auswirkungen durch den Betrieb von Schlauchwehren auf die Gewässerqualität wissenschaftlich bewerten und Betreiber zielgerichtet beraten zu können, untersuchten die beiden Forscher die Freisetzung von Stoffen durch umfangreiche Laborversuche und Analysen. Von den Ergebnissen profitieren nicht nur die Betreiber solcher Anlagen, sondern auch die Hersteller, die wichtige Hinweise erhalten, um künftig umweltverträgliche Schlauchmembranen zu produzieren.
Mit wirkungsorientierter Analytik biologisch wirksamen Stoffen auf der Spur
Zu Beginn der Untersuchungen stand die Frage, welche Stoffe aus den Membranen möglicherweise ins Wasser gelangen und welche Auswirkungen sie dort haben könnten. Dazu erzeugte das Forschungsteam unter kontrollierten Bedingungen sogenannte Eluate. „Für unsere Versuche haben wir Stücke der Schlauchmembranen in Glasbehälter gegeben und sieben Tage lang mit Reinstwasser in Kontakt gebracht“, erläutert Rebecca Süßmuth.
Die so gewonnenen Eluate untersuchte das Team mithilfe der wirkungsorientierten Analytik. Dabei werden biologische Tests und chemische Analysen miteinander kombiniert, um komplexe Stoffgemische aufzutrennen und damit diejenigen Substanzen herauszufiltern, die eine bestimmte Wirkung verursachen. In einem ersten Schritt zeigte ein sogenannter planarer Yeast-Estrogen-Screen östrogene Aktivität. Die Eluate enthielten demnach Stoffe, die das Hormonsystem von Wasserorganismen potenziell beeinflussen können. Mögliche Folgen solcher hormonellen Wirkungen sind beispielsweise Veränderungen der Fortpflanzung oder des Geschlechterverhältnisses betroffener Tiere. Der Nachweis im Labor allein erlaubt allerdings noch keine Aussage darüber, ob und in welchem Umfang solche Effekte auch unter realen Umweltbedingungen auftreten.
„Im nächsten Schritt wollten wir herausfinden, welcher Stoff für die im Labor beobachtete Wirkung verantwortlich ist. Mithilfe von Flüssigchromatographie gekoppelt mit hochauflösender Massenspektrometrie konnten wir die Suche zunächst auf zwei Verbindungen eingrenzen. Weitere Untersuchungen zeigten schließlich, dass 4-Hydroxydiphenylamin, kurz 4HDPA, für die beobachtete östrogene Aktivität verantwortlich ist. 4HDPA ist ein Umwandlungsprodukt von Schutzstoffen, die dem Kautschuk zugesetzt werden, um ihn bspw. vor der Alterung durch Ozon zu schützen“, erklärt Timothy Rosenberger.
Aus der Forschung in die Praxis
Die Studie liefert Erkenntnisse darüber, welche Rolle die in den Membranen enthaltenen Schutzstoffe und ihre Umwandlungsprodukte für mögliche östrogene Wirkungen in der Umwelt spielen. Gleichzeitig zeigt sie, wie sich durch die Kombination biologischer Tests mit moderner chemischer Analytik bislang wenig bekannte, biologisch wirksame Stoffe in komplexen Wasserbaumaterialien aufspüren und identifizieren lassen.
Die gewonnenen Erkenntnisse schaffen für die Beratung der Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) eine wichtige Grundlage, um mögliche Auswirkungen von Schlauchmembranen auf die Gewässer bei Planung und Betrieb entsprechender Anlagen besser berücksichtigen zu können. Denn die WSV kann die Eigenschaften der Schlauchmembranen in gewissem Maße im Zuge der ausgeschriebenen Lieferbedingungen mitbestimmen, unter Berücksichtigung einer Kosten-Nutzen-Analyse und der technischen Machbarkeit.
Das Ganze im Blick
Die mögliche Freisetzung von Stoffen aus Schlauchmembranen ist nur einer von vielen Aspekten, die die BfG im Zusammenhang mit Schlauchwehren untersucht. Da Schlauchwehren als Querbauwerke die ökologische Durchgängigkeit von Flüssen beeinträchtigen können, erschweren sie die Wanderung von Fischen und Neunaugen. Auch zu diesen Fragestellungen forscht und berät die BfG, um wissenschaftliche Grundlagen für einen möglichst umweltverträglichen Betrieb solcher Anlagen zu schaffen. Die Arbeit an Schlauchwehren steht beispielhaft für den interdisziplinären Ansatz der BfG. Ziel ist es, Bundeswasserstraßen so zu gestalten und weiterzuentwickeln, dass sie den Anforderungen der Schifffahrt ebenso gerecht werden wie den Belangen des Gewässer- und Naturschutzes.
Schlauchwehr am Fließgewässer Nordumfluter bei Byhleguhre-Byhlen in Brandenburg
Source: Rebecca Süßmuth
Copyright: BfG
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars
Chemistry, Environment / ecology
transregional, national
Contests / awards, Scientific Publications
German
Schlauchwehr am Fließgewässer Nordumfluter bei Byhleguhre-Byhlen in Brandenburg
Source: Rebecca Süßmuth
Copyright: BfG
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