organische Verbindungen (VOCs)

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Flüchtige

organische Verbindungen (VOCs)

Stefan Smidt

Bundesforschungs- und Ausbildungszentrum für Wald, Naturgefahren und Landschaft

/ BFW

Organische Komponenten

PAN

FCKW

PER

CH

VOC P A H PCDD/F DDT

PCB

Polarität

Flüchtigkeit

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Die wichtigsten VOCs

PAN

Formaldehyd

Kohlenwasserstoffe Ethen (reaktiv)

Halogen-KW (persistent)

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Persistent (wenig reaktionsfähig) ist nicht gleich harmlos

stratosphärische Ozonschicht Treibhausgase

Korrosion der Kutikula großräumige Verteilung Akkumulation in Geweben

(DDT - Nahrungskette)

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Wenig flüchtige organische Komponenten

Pentachlorphenol

Polychlorierte Biphenyle

Dibenzodioxine, -furane

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Allgemeine Relevanz der VOCs

• Hohe Emissionsraten

• große Zahl von

– reaktiven Komponenten

– persistenten / akkumulierenden Komponenten

• ubiquitäres Vorkommen

• Pflanzenschäden sind bekannt

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Globale VOC-Emissionen

(Mio Tonnen p.a.)

Isopren 250 - 452 ¹⁾ Monoterpene 128 - 480 ¹⁾

NMHC 96 ²⁾

Halogen-KW 5 ³⁾

1) Fehsenfeldt et al. 1992

2) Warneck 1988

3) Midgley 1992

natürlich

anthropogen

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Globale Methan-Emissionen

(Mio Tonnen p.a.)

Meszaros 1980 500 - 1000 Seiler 1984

Warneck 1988 318 +- 90

Biogener Anteil: 95-98%

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Globale Ozonbildung (Mio t/a)

Primäres CO 1600 (40%)

Methan 1500 (38%)

NMVOC 500 (13%)

Isopren/Terpene 400 (10%)

Summe 4000

Möller (2003)

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Emissionen Österreich (Gg)

NMVOC Methan

Gg = 1000 Tonnen

Umweltbundesamt Wien

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Treibhauspotentiale

Anteile an der globalen Erwärmung ohne troposphärischen Wasserdampf

CO ₂ 1 50%

Methan 21 19%

FCKW mehrere 1000 17%

Ozon (troposphärisch) 2000 8%

Lachgas 206 4%

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PAN (CH ₃ COO ₂ NO ₂ )

• sekundärer Smogbestandteil

• hochreaktives Oxidationsmittel (SH, C=C)

• Lebensdauer 1-50 Stunden

• Radikalbildner

• Konzentrationen:

<< 1ppb (Reinluft) / < 10 (Ballungsräume)

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PAN entsteht aus Acetaldehyd und NO ₂

CH ₃ CHO + OH*

H ₂ O CH ₃ - CO*

CH ₃ COO* ₂ O ₂

NO ₂

/ BFW

PAN bildet Radikale

Lipidperoxidation

PAN + - CH ₂ = CH ₂

NO ₂ CH ₃ - COO*

CH ₃ * CH ₄

LH

L*

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dunkle Sprenkelung an der Blattunterseite

Chlorosen, Silberblättrigkeit,

Purpurverfärbung der Blattoberfläche

Interkostalnekrosen, vorzeitige Alterung

PAN - Symptome

/ BFW

PAN – Symptome an Tabak

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Ethen – (C ₂ H ₄ )

• Beschleunigung der Alterung

• Verstärkter Blattfall

• beschleunigter Fruchtfall

• In der Luft reaktiv

• Smogbestandteil

• Reinluft: wenige ppb

• Ballungsräume: > 100 ppb möglich

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Ethen - Schädigungen

• Bildung in der Pflanze bei Stress

• Chlorosen, Nekrosen

• Einrollen der Blätter

• Hemmung des Zell-Längenwachstums

• Erhöhte Sensitivität gg. Ozon

• Erhöhung der Peroxidaseaktivität

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Ethen - Epinastie an Rose

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Formaldehyd (HCHO)

• In der Luft reaktiv

• Smogbestandteil

• Reinluft: wenige ppb

• Ballungsräume: > 10 ppb

• Chlorosen u.a. Blattschäden

• Interkostalnekrosen

• Blattrandnekrosen

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Chlorkohlenwasserstoffe

• Lipophil, nicht brennbar

• vielfach (sehr) langlebig

– TETRA: 80 Jahre

– 1,1,1-Trichlorethan: 2,5 Jahre – 1,1,2-Trichlorethen: 5 Tage

• Konzentrationen <0,01 - 0,3 ppb

(Wank/Bayern)

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Chlorkohlenwasserstoffe

• Aufnahme via Stomata und Kutikula

• Pigmentzerstörung

• Beeinträchtigung der Photosynthese

• Nadelabfall

• UV-Strahlung verstärkt die Wirkung

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Methan

• Globale Emission: 500-1000 Mio. t p.a.

• Quellen:

– anaerobe Gärung, Deponien, Termiten, Verbrennungen

• an der Photochemie beteiligt

– reagiert mit OH* zu Ozon

• Konzentration: 1,5 ppm, zunehmend

/ BFW

Methan – Globaler Trend

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Methan

• Absorbiert IR-Strahlung (Treibhausgas)

• 10-32 x so treibhauswirksam wie CO ₂

• nicht pflanzengiftig

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FCKW (C _x F _y Cl _z )

• Reaktionsträge

• Treibhausgase (Beitrag zur globalen Erwärmung 17-19%)

• Relatives Treibhauspotenzial:

ca. 1.000-18.000

• Indirekte Wirkung über die Beeinflussung des Klimas

• Zerstörung der Ozonschicht

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VOC Konzentrationen im Wald und toxische Konzentrationen (ppb)

Ethen Methan PAN

PER

TETRA

10-10.000 1,000.000

15 6 - 20 25 (24h)

< 10 1800

< 1

<< 3 (24h)

< 0,2

Wald toxisch

/ BFW

Literatur

De Kok L., Stulen I. (eds.) 1998: Responses of plant metabolism to air pollution and global change. Backhuys Publishers.

Fehsenfeldt F., Calvert J., Fall R. et al. 1992: Emissions of VOC from vegetation and the implications for atmospheric chemistry. Global Biogeochemical Cycles 6 (4), 389-430.

Flagler R.B. 1998: Recognition of air pollution injury to vegetation. A pictoral atlas. Air and Waste Management Association. ISBN 0-923204-14-8. Pittsburgh, Pennsylvania.

Hock B., Elstner E. 1988: Pflanzentoxikologie. Bibliogr. Inst.

Larcher W. 1994: Ökophysiologie der Pflanzen. Ulmer.

Meszaros E. 1980: Considerations sur le cycle d‘origine naturelle et anthropogenique.

Pollution Atmospherique 88, 397-400.

Midgley P.M. 1992: The production and release to atmosphere of industrial halocarbons.

Ber. Bundesges. Phys. Chem. 96, 293-296.

Möller D. 2003: Luft. De Gruyter Berlin, New York.

Österreichische Akademie der Wissenschaften, Kommission Reinhaltung der Luft 1996:

Luftqualitätskriterien VOC. BM f. Umwelt, Jugend und Familie, Wien.

Seiler W. 1984: Contribution of biological processes to the global budget of methane in the atmosphere. In: Current perspectives in microbial ecology, 468-477. Am. Soc.

Meteorol. Wash. D.C.

Smidt S. 1996: Gefährdung von Waldökosystemen durch flüchtige organische Verbindungen Z. Pfl. Krankh. Pfl.schutz. 101 (4), 423-445.

Warneck P. 1988: Chemistry of the natural atmosphere. Int. Geophys. Series Vol. 41.

Academic Press New York, London, Tokyo.

Wellburn A.1988: Air pollution and acid rain. The biological impact. Longman Singapore Publishers Ltd.