- Einleitung und Aufgabenstellung - Theoretische Betrachtungen
- Herkunft aromatischer Nitroverbindungen - Toxizität organischer Stickstoffverbindungen - Entsorgung durch Kläranlagen
- Experimenteller Teil
- Probennahme, Probenvorbereitung - Chemische Analytik
- Gaschromatographie - Flüssigchromatographie
- Abbauuntersuchungen und biologische Tests - Toxikologische Bewertung
- Bewertung ausgewählter Teilströme - Einzelsubstanzen
- Dinitrotoluene - Methylnitroaniline - Trinitrokresole
- Anwendung einer EPA-Bewertungsmethode - Zusammenfassung und Diskussion
- Abkürzungsverzeichnis - Literaturverzeichnis Einleitung und Aufgabenstellung
Die zu beobachtende Umweltbelastung durch die Entwicklung der industriellen Produktion seit dem 18. Jahrhundert rückt die Toxikologie zunehmend in den Vordergrund wissenschaftlicher Betrachtungen. Diese ist sehr stark interdisziplinär geprägt, da eine Vielzahl von Informationen notwendig ist, um eine Substanz oder ein Substanzgemisch umfassend toxikologisch bewerten zu können.
Insbesondere die Umwelttoxikologie hat in den letzten Jahrzehnten spürbar an Interesse gewonnen. Der Eintrag von synthetischen Stoffen, welche besser als Naturstoffe der Menschheit dienen, in die Umwelt hat deren Ausbreitung, Akkumulation oder Abbau und damit deren chemische Veränderung zur Folge. Diese Substanzen können auch eine Schädigung der belebten Umwelt herbeiführen.
Insbesondere Vorprodukte für die Herstellung von Färb- und Kunststoffen nehmen hier eine hervorragende Position ein, soweit es sich um Nitro- oder Aminoverbindungen handelt. Die (Abbildung) stellt die enge Verknüpfung der Ökotoxikologie mit der chemischen Analytik dar, die auch die Grundlage dieser Arbeit bildet.
Die Beeinträchtigung eines Ökosystems durch den Menschen kann durch die Kombination von Umweltanalytik und Ökotoxikologie beschrieben werden. Diese Kombination erfaßt ausschließlich Beeinträchtigungen chemischer Natur.
Insbesondere sind hier Umweltchemikalien zu nennen. Umweltchemikalien sind laut Definition des Umweltbundesamtes Chemikalien, die ohne den Menschen nicht oder in sehr niedriger Konzentration in den Ökosystemen anzutreffen wären.
Entsprechend dem Wasserhaushaltsgesetz müssen Abwässer, die gefährliche Stoffe enthalten, nach dem Stand der Technik vermieden oder gereinigt werden,
unabhängig davon, ob toxische Effekte tatsächlich auftreten. Die Zentrale Abwasserreinigungsanlage (ZARA) der BASF Schwarzheide GmbH reinigt dementsprechend die verschiedensten Abwässer aus den Produktionsanlagen.
Summenparameter, wie der chemische Sauerstoffbedarf (CSB), der biochemische Sauerstoffbedarf (BSB) und der organische Kohlenstoffgehalt (TOC) dienen als Grundlage für die Überwachung und damit ordnungsgemäße Einleitung in den Vorfluter. Als Folge der Produktion von Nitroaromaten (Dinitrotoluene) und aromatischen Aminen (Anilin, Toluylendiamin) fallen besonders hoch belastete, biologisch schwer abbaubare Abwässer an. Die Kombination einer effektiv arbeitenden Vorbehandlung mit einer entsprechend adaptierten biologischen Kläranlage erreicht einen Organika-Abbau von etwa 95% bezüglich des CSB. Bei einem Teil der Restbelastung handelt es sich um organisch gebundenen Stickstoff, die sich als zeitweise zu beobachtende Gelbfärbung am Ablauf der Kläranlage erweist. Sowohl der Eintrag als auch der Abbau von organischen Stickstoffverbindungen in biologischen Kläranlagen stellt sich als ein vielschichtiger Prozeß dar. Eintragsquellen hierfür sind die bereits erwähnte Dinitrotoluen-Anlage, aber auch die Anilin- und die Toluylendiamin-Anlagen.
Im Gegensatz zur Chemikalienprüfung unterscheidet die Umweltüberwachung in ihrer heutigen Form kaum zwischen den Schutzzielen Mensch und Ökosystem. Die ökotoxikologischen Methoden sind meist mit geringerem Aufwand verbunden als toxikologische Prüfungen an Säugern, so daß diese hervorragend für die Umweltüberwachung geeignet sind. Nach der Aufklärung der chemischen Strukturen und der Quantifizierung der Restbelastung an organischen Stickstoffverbindungen bietet es sich an, einige der identifizierten Substanzen ökotoxikologischen Tests zu unterwerfen. Die Kombination mit den ermittelten Konzentrationen erlaubt es dann, eine Risikoabschätzung durchzuführen, die sich auf den Vorfluter des Standortes Schwarzheide, die Schwarze Elster, bezieht. Hinzuweisen ist in diesem Zusammenhang aber auch auf die begrenzten Prognosemöglichkeiten, die in den komplexen ökologischen Wirkprinzipien begründet liegen.
Die anfallenden Teilströme (Prozeßabwässer) wurden auf in der Synthese entstandene Nebenprodukte, die schwer abbaubar sind oder toxische Wirkungen im Tierversuch gezeigt haben, untersucht. Der weitere chemische und biologische Ab- und/ oder Umbau der Verbindungen innerhalb der Vorbehandlung (u.a. Ozonung) oder der biologischen Kläranlage ist mit den identifizierten Substanzen mittels spezieller Abbauversuche zu simulieren. Die nach den Abbauversuchen anfallenden Wässer werden ebenfalls ökotoxikologisch geprüft. Hierbei ist die Frage nach der verbleibenden toxikologischen Wirkung nach der biologischen Behandlung durch eine Kläranlage von größter Bedeutung. Die Kenntnisse zu den einzelnen chemischen Strukturen treten in den Hintergrund. Diese sogenannte Funktionsanalytik ermöglicht es, Zeit und Kosten zu sparen. Durch diese Reduzierung des analytischen Aufwandes können Gefahren wesentlich schneller erkannt und umweltschützende Maßnahmen eingeleitet werden. Diese Problematik wird künftig sicher noch an Bedeutung gewinnen.
Zusammenfassung und Ausblick
Die Untersuchungen speziell zu Prozeßabwässern der chemischen Industrie und einer industriellen Abwasserreinigungsanlage erfolgten mit dem Ziel, Einzelsubstanzen an deren Ablauf zu identifizieren und auf ihre toxikologische Relevanz zu prüfen. Die Bearbeitung des Themas sollte vor allem die identifizierten organischen Stickstoffverbindungen, die das Problem der Gelbfärbung (chromophore Verbindungen) am Kläranlagenablauf verursachen, betrachten. Zusätzlich bot es sich
an, Teilströme (Prozeßabwässer und deren Mischungen) aus Produktionsanlagen mit den zur Verfügung stehenden ökotoxikologischen Tests und Abbauversuchen zu prüfen. Für zwei Einzelsubstanzen (4-Methyl-2-nitroanilin; 4,5,6-Trinitro-o-kresol), die am Ablauf der Kläranlage nachgewiesen wurden, wurde eine Risikoabschätzung durchgeführt.
Die Abbauergebnisse der Teilströme (> 76%) lassen eine Einleitung in die biologische Kläranlage zu. Die DOC-Elimination für die Abwasserreinigungsanlage liegt insgesamt zwischen 92 und 95%. Die ermittelten ökotoxikologischen Daten für den Käranlagenablauf zeigen zeitweilig mäßig erhöhte Algen- und Leuchtbakterientoxizität. Die Ursachen dafür sind hauptsächlich im DNT-Abwasser zu suchen. Die Methylnitroaniline (MNAI) und die Trinitrokresole haben sich als deutlich algentoxisch erwiesen.
In den Leuchtbakterientests zeigten sich das 2,6-Dinitrotoluen, die drei Methylnitroaniline und das 4,5,6-Trinitro-o-kresol als ökotoxikologisch relevant, was auch seine Bestätigung am Kläranlagenablauf findet.
Die Verbindungen zeigen in der Mehrzahl als Reinsubstanzen ökotoxikologische Potentiale gegenüber den getesteten Organismen. Insbesondere die Auswirkungen auf Säugetiere, die aus der Literatur entnommen wurden, sind teilweise erheblich.
Die dort beschriebenen Metabolisierungen im Säugetier, die teilweise zu einer Verstärkung der Toxizität führen können, lassen auch bezüglich des Menschen gesundheitliche Gefahren vermuten. Die ermittelte, schwere biologische Abbaubarkeit der drei Methylnitroaniline und zweier Trinitrokresole verstärkt das Interesse an einer Risikoabschätzung.
Im Ergebnis der durchgeführten Untersuchungen bezüglich der ökotoxikologischen Auswirkungen der in den Vorfluter gelangenden Einzelsubstanzen kann man zusammenfassend folgendes sagen:
Die äußerst geringen Schadstoffkonzentrationen rufen keine ökotoxikologischen Wirkungen gegenüber den getesteten Organismen hervor.
Ein durchgeführter PEC/PNEC-Vergleich ergab die Unbedenklichkeit der Konzentrationen zweier Einzelsubstanzen (Methylnitroanilin, Trinitrokresol) im Vorfluter. Dabei muß allerdings angemerkt werden, daß dieser Vergleich nicht unumstritten ist. Es ist zu beachten, daß die Toxizitätsdaten verschiedener Spezies gewaltige Unterschiede aufweisen können. Die durchgeführte Abschätzung ist kein Ersatz für die Erhebung von stoff- und anwendungsbezogenen Daten (NOEC).
Die Tatsache, daß etwa 20 verschiedene Produktionsanlagen Abwässer mit ständig wechselnder Zusammensetzung in die Abwasserreinigungsanlage einleiten, bringt die Komplexität, aber auch die Notwendigkeit einer schnellen Handlungsfähigkeit der Thematik zum Ausdruck. Aus den gewonnenen Erkenntnissen müssen anschließend technisch und wirtschaftlich umsetzbare Lösungen gesucht werden, die eine Verbesserung der Situation in Bezug auf Farbigkeit und Toxizität bringt. Dabei geht es darum innerhalb der Produktionsprozesse bereits Veränderungen zu erreichen, die nachhaltig im Sinne des modernen Umweltschutzes wirken. Dieser sogenannte produktionsintegrierte Umweltschutz sollte außerdem durch die Weiterentwicklung bzw. Optimierung der Vorbehandlungsmaßnahmen besonders hoch belasteter Abwässer ergänzt werden.
Die Verbindung von Umweltanalytik und Ökotoxikologie (Kombination von chemischer Analytik mit biologischen Methoden) wird künftig noch mehr an Bedeutung gewinnen. Mittels dieser Funktionsanalytik könnten Effekte auf die Umwelt direkt gemessen und entsprechende Maßnahmen noch schneller ergriffen
werden. Wie bereits angedeutet spielen sowohl der Zeit- als auch der Kostenfaktor eine hervorragende Rolle; der Umweltschutz profitiert hierbei also von den ökonomischen Anforderungen der Industrie.
