5.0 Stoffe in der Umwelt

5.0 Stoffe in der Umwelt

Chemikalien

bekannte chemische Verbindungen:

ca. 12.000.000

Stoffe mit bekanntem akuten Gefährdungspotential:

ca. 100.000 davon produziert:

ca. 60.000

umweltanalytisch umfassend untersucht:

ca. 2.000 – 5.000

Wissenschaft und Technik als Risiko

- subjektives Empfinden

- politisch geprägte Information

- Unverständnis....Ungewissheit im Nutzen - „Sprachbarriere zwischen Profi und Laien“

Risiko nicht abschaltbar, immer vorhanden

Technik - Energiegewinnung

- Risiken neuer Technologien

- Risiko der verschiedenen Formen der Energiegewinnung

Neue Krankheiten

- Krankheiten besser differenzierbar - Erkannte Krankheiten besser heilbar

- Schnellere Verbreitung durch Globalisierung

- Wirkung von: Gentechnik, Formen der Energieerzeugung, Technik verbunden mit Strahlen,

Belastungen aus Zivilisation (Lärm, Abgase...)

Risiko

(ursprünglich Begriff aus dem Versicherungswesen)

- Eintretenswahrscheinlichkeit eines Schadensfalles -

Risikoabschätzung

Quantitative Bestimmung der möglichen Gesundheits- gefährdung durch Chemikalien, Strahlung, Umwelt-

einflüsse u.a., auch Schadwirkungen auf das Öko-

system

Risiko

- ein negatives Ereignis, was in der Zukunft eintreten kann - Gleichzeitigkeit von Risiken

- Risiken klein: dann „Restrisiko“

- Fehleinschätzung von Risiken: führen zu „Katastrophen“

- Minimierung der Auswirkungen von erkannten Risiken durch

„Risikomanagement“

Zitat:

„Wer wagt gewinnt – außer er verliert“

Risiko + Chance = 1

Grenzwerte:

• Lärm

• Elektrosmog

• Stoffart

• Stoffkonzentrationen

• Strahlung

• Wissenschaftliche, technische Anwendungsfelder

• Begrenzung technischer, physikalischer Werte usw.

Grenzwerte:

(Wirkung von Schadstoffen)

- MAK (Maximale Arbeitsplatzkonzentration)

MAK-Wert ist die höchstzulässige Konzentration eines Gases Dampfes oder Schwebstoffes in der Luft am Arbeitsplatz

(maximale Arbeitsplatzkonzentration) bei der die Gesundheit bei einer 8-stündigen Exposition/Tag über ein Arbeitsleben (ca. 40 Jahre, 5 Tage Woche) vermutlich nicht beeinträchtigt wird. Werte werden von DFG festgelegt, ca. 400 Werte bisher, es sind Richtwerte, die auch auf Tierexperimenten beruhen.

Beispiele:

SO₂ 5,0 mg/m³ CO 33,0 mg/m³ NO₂ 9,0 mg/m³ O₃ 0,2 mg/m³

Grenzwerte:

(Wirkung von Schadstoffen)

- LC

(lethal concentration):

Konzentration eines Wirkstoffes in Luft, (Boden), Wasser die bei 50% der exponierten Individuen zum Tod führt

- NO[A]EL (no observed [adverse] effect level):

höchste Dosis eines Stoffes, bei der gerade noch kein (schädlicher) Effekt feststellbar ist

- LO[A]EL (lowest observed [adverse] level):

niedrigste Dosis eines Stoffes, bei der noch schädliche Wirkungen nachgewiesen werden können

LOEC (lowest observed effect concentration, niedrigste Konzentration - mit Effekt) NOEC (no observed effect concentration,

höchste Konzentration - kein Effekt)

Substanzmenge / beobachtete Wirkung

Höchstwerte Grenzwerte

Dosis ohne erkennbare Wirkung (NOEL)

MAK-Wert

Dosisbereich in dem es zu toxischen Wirkungen auf den Organismus kommt

SICHERHEITSFAKTOR Beobachtete

Wirkung

SUBSTANZMENGE

Die Gefährlichkeit einer toxischen Substanz ist von der aufgenommenen Menge abhängig. Sie nimmt mit sinkender Dosis ab. Sofern es sich nicht um eine Chemikalie handelt, die erbgutverändernd oder krebsauslösend ist, sind unterhalb einer bestimmten Dosis keine Wirkungen mehr feststellbar. Der Toxikologe bezeichnet diese Wirkungs- schwelle als „No observed effect level“ - Dosis ohne beobachtete Wirkung. Für die Grenzwertfestlegung am Arbeits- platz ist sie die Richtschnur. Grenzwerte für die Gesamtbevölkerung berücksichtigen durch einen Sicherheitsfaktor die höhere Empfindlichkeit beispielsweise von Kleinkindern, älteren oder kranken Menschen.

Deklarationspflicht für Waren und Produkte

- Definition von Produkten (Bier, Brot, Butter...) - Offenlegung der/aller? Inhaltsstoffe

- Nennung möglicher Schädigungen - Informationsflut

- Verantwortung des „Käufers“

- Überregulierung?

- Abwälzung der Verantwortung

u.a. wesentliches Ziel: gerichtliche Auseinandersetzung zu vermeiden

Theophrastus Bombastus von Hohenheim,

genannt

Paracelsus

:

„Dosis sola facit venenum -

Die Dosis allein macht das Gift“

Gifte

-

* Stoffart (Zeit, Konzentration)

* Chemische Form (Wertigkeit, Aggregatzustand, elementar, Salz, Oxid)

* Art der Aufnahme (Verschlucken, Einatmen, Injektion)

- Fehlen von gemeinsamen, für Gifte nachweisbarer Eigenschaften (an Wirkung erkennbar, die aber unterschiedlich sein kann)

- Nachweis aufwändige analytische Verfahren, früher „giftanzeigende Mittel“ ; „Vorkoster“

- erster gerichtsfester Nachweis eines Giftes (Marsh`e Probe auf As) - Gift der Borgia = Arsenik (As₂ O₃ )

Zusammenhang:

Gift - Rauschgift/Droge – Kampfstoff- Arzneimittel- Schadstoff/Umweltchemikalie - gefährdende Wirkung von Umweltchemikalien global oft erst zu spät

erkannt

Rauschmittel/Drogen

- Suchtstoffe:

Natürlich vorkommende oder synthetische Verbindungen, die bei

Personen mit entsprechender Persönlichkeitsstruktur durch wiederholten Gebrauch zu Abhängigkeit führen können

* Morphine

(Heroin, z.B Suchtmittel mit stärksten Potenzial, ursprünglich Antidepressivum, euphorisierende Wirkung)

* Alkohol

(Bier ca. 50 g Ethanol/L; Wein 120 gE./L; Schnaps ca. 400-500 gE./L), in D. am meisten gebrauchtes Suchtmittel

* Cocain

(Alkaloid aus Blättern der Pflanze Erythoxylum Coca, Cocainhydrochlorid auf dem Markt, Umwandlung zur freien Base, Backpulverextraktion = Crack)

* Amphetamine

(stimulierende Wirkung auf Zentralnervensystem, zeitweise legal als Appetitszügler, meisten Amphetamine haben großes Suchtpotenzial

* Halluzinogene (LSD Sinnestäuschungen „Farben werden gehört, Musik wird gefühlt“

* Khatamine (Cannabis aus Hanfpflanze, Wohlbefinden, Tagträume. Entspannung)

Alkoholanteil einiger Getränke im Vergleich

0,3 l

0,1 l 0,125 l

0,04 l

0,04 l

Bier Weinbrand Weißwein Likör Sekt

5% 38% 10% 30% 12%

11,8 g 11,9 g 9,8 g 9,4 g 9,4 g Volumenkonzentration

Masse der in einem Getränk enthaltenen Alkoholportion

Zigaretten

Verhältnis verschiedener Schadstoffe im Haupt- und Nebenstromrauch

Menge pro Zigarette Nebenstrom

im Nebenstrom Hauptstrom

Trockenkondensat 43 - 58 mg 1,3 - 1,9

Dimethylnitrosamin 0,14 - 1,04 µg 12 - 440

Formaldehyd 1526 µg 50

Acrolein 925 µg 12

Anilin 10,8 µg 30

N-Nitrosonornikotin 0,15 - 6,1 µg 0,5 - 7

Nickel 0,62 - 1,03 µg 13 - 31

Cadmium 430 - 720 ng 4 - 7

Benzanthracen 81 ng 2 - 3

Benzpyren 25 - 131 ng 2 - 4

CO 46 - 61 mg 2,5 - 4,7

NH₃ 5 - 9 mg 45 - 170

Nikotin 4 mg 2 - 3

NO 2 - 3 mg 4 - 10

Deutliche Unterschiede in der Zusammensetzung: Zwischen den einzelnen Zügen an einer Zigarette werden mit dem Nebenstromrauch einige Substanzen in wesentlich größerer Menge freigesetzt als mit dem Hauptstromrauch. Die Ursache ist vor allem eine niedrigere Verbrennungstemperatur des Tabaks.

Schadstoffe / Umweltchemikalien

Stoffe, die zu Veränderungen des natürlichen Zustandes der Umwelt führen.

Stoffe, die durch Konzentrationsänderung zur Gefährdung der Gesundheit führen

- chemische Stoffe, die aufgrund der Tätigkeiten von Menschen (anthropogen bedingt) in die Ökosphäre gelangen

- oft geringe Mengen bzw. Konzentrationen, bilden aber häufig ein Gefährdungspotential

- bei Einschätzung Giftwirkung wie Produktionsmenge beachten - Kreislauf der Umweltchemikalien, globale Verteilung

Schadstoffe / Umweltchemikalien

- Ursache der Umweltverschmutzung -

Umweltverschmutzung:

der direkte und indirekte Eintrag von Substanzen oder Energie in die Umwelt durch den Menschen und die daraus resultierenden Effekte auf die Gesundheit und die Lebensressourcen,

Umweltverschmutzung wechselwirkt mit den Annehmlichkeiten des Lebens oder allgemein mit dem gesetzlich genehmigten Gebrauch der Umwelt

Dioxine

• Quelle: Verbrennungsprozesse jeder Art, Stahl- und Sinteranlagen, Kompostierung

• Umweltanalytik: bis 20⋅10^-15 g/m³ Luft (in Reinluftgebieten), in

verkehrsreichen Ballungsräumen einige 100 fg/m³) Polychlordibenzo-p-dioxine (PCDD) Polychlordibenzofurane (PCDF)

Merkmale umweltrelevanter Schadstoffe

- hohe Stabilität (Persistenz)

- gute Resorbierbarkeit (Löslichkeitsverhältnis Wasser/

Fett) Bioakkumulation

- lange Abbauzeiten (große biologische Halbwertszeit) - Mobilität

- Metabolite oft auch Schadstoffe

Klassifizierung von Schadstoffen / Umweltchemikalien

- nach ihrer Wirkung

z.B. giftig, krebserregend, krankheitserregend -substanzbezogen

- anorganische, organische, metallorganische usw.

- nach Einsatz- und Entstehungsgebieten

Schwerindustrie, Chemische Industrie, Landwirtschaft usw.

- medienbezogen

analytische Grunddisziplinen in Bezug zu gesetzlichen Regelungen

Klassifizierung von Schadstoffen (Umweltchemikalien)

- nach ihrer Wirkung:

∗ toxisch (giftig) Arsenverbindungen, Cyanide

∗ kanzerogen (krebserregend) Asbest, Benzen

∗ mutagen (erbgutverändernd) Phosphorsäureester

∗ teratogen (missbildend) PCB, org. Pb-Verbindungen

∗ pathogen (krankheitserregend) Mikroorganismen

Chemikalien in der Umwelt

Globale Stoffkreisläufe

Kompartiment

E1 E2 E3

A1 A2

• Überlagerung eines kleinen Kohlenstoffkreislaufs (Biosphäre) mit einem großen Kohlenstoffkreislauf (Geosphäre)

• bedeutendster C-Speicher: Ozean ⇒ ca. 38 Mrd. t (Hydrogencarbonate)

• Atmosphäre ⇒ ca. 720 Mrd. t (CO₂ )

Kohlenstoffkreislauf

Kohlenstoffkreislauf

• Hauptprozesse:

- CO₂ -Freisetzung bei Verbrennungsprozessen - CO₂ -Freisetzung bei Atmung (biologisch)

- CO₂ -Freisetzung durch Gesteinsverwitterung - CO₂ -Freisetzung durch Vulkanismus

- CO₂ -Verbrauch bei Photosynthese (biologisch) - CO₂ -Lösung (physikalisch) in Wasser

- Einlagerung von Carbonat und organischem Kohlen- stoff in maritime Sedimente

CO₂ -Austausch zwischen Biosphäre und Atmosphäre ist schnell und bestimmt kurzzeitige Schwankungen

- wichtiges Grundelement für alle Lebewesen, in Eiweißmolekülen bis zu 17 % enthalten

- Stickstoffkreislauf ist komplex und die ablaufenden Reaktionen sind nicht alle im Detail bekannt

- Besonderheiten des Stickstoffs:

* verschiedene stabile gasförmige Verbindungen in der Atmosphäre (N₂ , N₂ O, NO₂ , N₂ O₅ , NH₃ )

* verschiedene Oxidationsstufen (+5 bis -3), die unter

Energieumsatz ineinander umgewandelt werden können -Prozesse des Stickstoffkreislaufs:

* N₂ -Freisetzung durch Bakterien und Einbindung in organische Verbindungen

* Metallkatalyse in Enzymen (Nitrogenase)

* Aufnahme von Stickstoffverbindungen durch Pflanzen (als NO₃^-, NH₄⁺)

* Weitergabe von Stickstoffverbindungen in der Nahrungskette Pflanzen -> Tiere

* Mineralisierung der toten organischen Substanz

* Freisetzung anorganischer Stickstoffverbindungen

* Übergang in molekularen Stickstoff (N₂ )

Der Stickstoffkreislauf

Stickstoffkreislauf

Schwefelkreislauf

• Störung des Schwefelkreislaufs durch anthropogene Oxidation H₂ SO₄ -Produktion, Abbau sulfidischer Erze oder elementaren Schwefels

- natürliche Emission gasförmiger Schwefelverbindungen:

45 bis 100 Mio. t Schwefel/Jahr

∗ H₂ S, S(CH₃ )₂ , CS₂ , COS aus Lebensprozessen

∗ 5 - 10 Mio. t S als SO₂ aus Vulkanismus

- anthropogene Emission ca. 90 Mio. t Schwefel/Jahr

• Reaktionen in der Atmosphäre - Oxidation zu SO₂ → SO₃

- Bildung von H₂ SO₄ und Ausregnung

• Schwefelzyklus ist kein kompletter Kreislauf

⇒ gerichteter Prozess durch fortgesetzte Oxidation S^2- → SO₄^2-

⇒ Grund O₂ -Gehalt der Atmosphäre

Schwefelkreislauf

• Schwefel ist ein wichtiger Bestandteil von Eiweißstoffen

• unlösliche Sulfate werden dem Kreislauf in großen Mengen entzogen Reaktionen im Schwefelkreislauf:

• Oxidation: 2H₂ S + O₂ 2H₂ O + 2S ΔH = -528 kJ/mol - Energiegewinn für anaerob lebende Bakterien

S₈ ist dabei bis 95% der Masse der Bakterien H₂

• Reduktion: SO₄^2- H₂ S + 2O₂

- Deckung des O₂ -Bedarfs in sauerstoffarmer Umgebung Tiefsee, Faulschlämme

Senken von Umweltchemikalien

Prozesse, die zum Zersetzen der Chemikalie und somit zur Elimination aus der Umwelt führen:

- Elimination durch chemische, photochemische und biologische Prozesse

* kein Verteilen „Verschwinden“ durch Verdünnen

* nicht Übergang von einem in das andere Umweltkompartiment Chemikalie auch dann als persistent zu betrachten, wenn das

Umwandlungsprodukt selbst ein Schadstoff ist und nicht weiter abgebaut wird

⇒ hohe Persistenz - Umwandlungsrate langsam geringe Persistenz - Mineralisierung erfolgt rasch

Natürlicher Abbau von Umweltchemikalien:

Prozesse

Chemischer Abbau Bioabbau

Chemischer Abbau

- es müssen geeignete Energiequellen und Reaktionspartner vorhanden sein

- dadurch unterschiedliche Prozesse in Luft, Wasser, Boden - Energiequellen: Licht, Wärme der Umgebung

- Reaktionspartner / wesentliche chemische Prozesse des Abbaus:

1. Hydrolyse (Wasser, Katalyse von Säuren oder Basen)

2. Oxidation (photochemisch, radikalisch, angeregter Sauerstoff) 3. Reduktion (Elektronenaufnahme,

z.B. mittels Mikroorganismen in Sedimenten)

- Chemischer Abbau oft Kombination Hydrolyse mit Oxidation/Reduktion

3. Reduktion

- unter anaeroben Bedingungen, die in vielen Sedimenten herrschen laufen Reduktionen von Umweltchemikalien ab - erforderlichen Elektronen sollen beim Abbau von

organischen Material direkt auf Schadstoffe/Umwelt- chemikalien übertragen werden

- es sind Mikroorganismen bekannt, die Elektronen direkt auf organische Moleküle übertragen können

Bioabbau

- Bioabbau ist die Mineralisierung von

organischen Stoffen vor allem durch Mikroorganismen (Bakterien,Pilze, Algen)

- Maß der Persistenz von organischen Stoffen (Schadstoffen) ist die Bildungsrate von CO

, H

O

- Bioabbau ist an Wachstum der Mikroorganismen gekoppelt; „Organisches Substrat kann Schadstoff selbst sein ...“

Wachstumsbedingungen für Mikroorganismen

verbessern

- Bedingungen für den Bioabbau I

- Elimination von Schadstoffen ist verbunden mit Zunahme der Bakterienbiomasse

(z.B. in Gewässern und Böden, in Kläranlagen)

- Bakterien benötigen Kohlenstoff- und Energiequellen

* Energie:

Energiegewinnung prinzipiell aus Oxidation anorganischer Verbindungen oder durch Photosynthese

* Kohlenstoff:

Bakterien benutzen CO₂ – autotroph,

Nutzung organischer Verbindungen – heterotroph weitere Elemente:

∗ Schwefel: S₈ wird als Sulfat aufgenommen,

∗ Stickstoff: N₂ in Ammonium- oder Nitratform

∗ Sauerstoff: stammt aus CO₂ oder organischer Substanz aerobe Organismen benötigen Luftsauerstoff anaerobe Organismen benötigen sauerstoff- freies Milieu

- pH-Wert: Bakterien wachsen am besten am Neutralpunkt - Temperatur: zeigen temperaturabhängiges Wachstum

- Bedingungen für den Bioabbau II

• Schadstoffelimination ist verbunden mit Zunahme der Bakterienbiomasse (in Gewässern und Böden, in Kläranlagen)

• neu gebildete Biomasse ist zugleich Adsorbens für zahlreiche, weniger gut abbaubare Stoffe (bei Abwasserreinigung schadstoffbeladene Biomasse bildet den Klärschlamm)

• im Boden bleiben Mikroorganismen als organische Substanz erhalten dadurch

- Verzögerung des Schadstoffeintrags z.B. in das Grundwasser

- Gleichgewicht Adsorption-Desorption (Änderung bei Änderung der Parameter)

- adsorbierte Schadstoffe können anderen Mikroorganismen als Substrat dienen

- auch Sorption, chem. Reaktionen mit Bodenbestandteilen, damit Entzug des Schadstoffes der Bioverfügbarkeit

• Prüfung der Abbaubarkeit durch Mikroorganismen (Testverfahren) - Abnahme der Substanzkonzentration

- Bildung von CO₂ aus der Testsubstanz

- Verbrauch von Sauerstoff beim Abbau der Testsubstanz

- Chemikalienprüfung: ab welcher Konzentration der Prüfsubstanz eine Reduktion der bakteriellen Atmung um 50% auftritt