Wirkung der Gifte relativ - Giftwirkung abhängig von

Gifte
- Wissen um Gifte spielte menschheitsgeschichtlich immer große Rolle
- Wirkung der Gifte relativ - Giftwirkung abhängig von:
* 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 (As2O3)
Zusammenhang:
Gift - Rauschgift/Droge – Kampfstoff- Arzneimittel- Schadstoff/Umweltchemikalie
- gefährdende Wirkung von Umweltchemikalien global oft erst zu spät
erkannt
Vergleich der Giftigkeit von ausgewählten
toxischen Substanzen
Substanz
Botulinus Toxin A
Tetanus Toxin
Diphtheria Toxin
TCDD: Dioxin
Saxitoxin
Tetrodotoxin
Bufotoxin
Curare
Strychnin
Muscarin
Diisopropylfuorophosphat
NaCN
minimale letale Dosis
µg/kg
0,00003
0,0001
0,3
1
9
8 - 20
390
500
500
1100
3100
10000
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)
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
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:
∗ toxisch
(giftig)
Arsenverbindungen, Cyanide
∗ kanzerogen (krebserregend)
Asbest, Benzen
∗ mutagen
(erbgutverändernd)
Phosphorsäureester
∗ teratogen
(missbildend)
PCB, org. Pb-Verbindungen
∗ pathogen
(krankheitserregend) Mikroorganismen
Radioaktivität (Definition)
- spontane Umwandlung instabiler Kerne unter Energieabgabe,
dieser spontane exotherme Vorgang wird bezeichnet als:
radioaktive Umwandlung/radioaktiver Zerfall
- Energieabgabe erfolgt in Form ionisierender Strahlung
∗ direkt vom Atomkern aus
∗ indirekt durch die Kernumwandlung in der Elektronenhülle
erzeugt
Arten der radioaktiven Umwandlung
- Alpha-Umwandlung
- Beta-Umwandlung
- Gammaübergänge
- Spontane Kernspaltung
- Spontane Nukleonenemission
- Spontane Emission schwerer Teilchen
Strahlung:
α - Strahlung (zweifach positiv geladen, Heliumkerne)
β - Strahlung (Emission von Elektronen)
γ - Strahlung (Strahlung aus elektrischen und magnetischen Wellen mit Lichtgeschwindigkeit)
Halbwertszeit:
- die Zeit, in der die Hälfte der Kerne eines Radionuklides
zerfällt, zeitlich sehr unterschiedlich, Sekundenbruchteile
bis mehrere Millionen Jahre
Einheiten im Strahlenschutz
∗ Aktivität einer radioaktiven Substanz:
„Bequerel [Bq]“ = 1 s-1
- ein Bequerel ist gleich einem Kernzerfall pro Sekunde
1 Ci (Curie) = 3,7 x 1010 Bq
∗ Energiedosis:
„Gray“ 1 Gy = 1 J/kg
- ist gesamte absorbierte Strahlungsenergie pro Masseneinheit
∗ Äquivalentdosis:
„Sievert“ 1 Sv
- ist das Produkt aus Energiedosis und Bewertungsfaktor
[Bewertungsfaktor ist das Produkt aus Qualitätsfaktor (linearem Energieübertragungsvermögen der jeweiligen Strahlenart abhängig) und anderen modifizierenden Faktoren (z.B. äußere oder innere Bestrahlung)]
Qualitätsfaktor für Röntgen-, Gamma- und Betastrahlung 1, bei Alphastrahlung
bis 20, Einheit nur im Strahlenschutz gültig
Strahlungsquellen in der Umwelt
* Natürliche Strahlung
- Strahlung aus dem Weltall
kosmische Strahlung, Höhenstrahlung
(überwiegend aus energiereichen Protonen, Heliumkernen, Kernreaktionen mit Atomen der äußeren Schicht unserer Atmosphäre)
- Terrestrische Strahlung
Strahlung resultierend aus Radionukliden der Zerfallsreihen,
primordiale Radionuklide
* Künstliche (Zivilisationsbedingte) Strahlung
Industrieprodukte, Röntgendiagnostik/Nuklearmedizin,
Kernwaffentests, Kernenergiegewinnung
Terrestrische Strahlung - natürliche Strahlungsquelle
* Radionukliden der Zerfallsreihen
* primordiale Radionuklide
Natürliche primordiale Radionuklide
(außerhalb von Zerfallsreihen)
Künstliche (zivilisationsbedingte) Strahlung
- Industrieprodukte
∗ Düngemittel (Uran, Thorium, K-40)
∗ Rauchmelder (Am-241, Ra-226)
∗ Leuchtfarben (Pm-147, H-3)
- Nuklearwaffentests
- Röntgendiagnostik / nuklearmedizinische Untersuchungen
- Umgang mit Radionukliden in Forschung
- Betrieb von Kernanlagen (Kernbrennstoffzyklus)
Boxmodell von Ökosystemen
(nach Kümmel)
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 Kohlenstoff in maritime Sedimente
CO2-Austausch zwischen Biosphäre und Atmosphäre ist
schnell und bestimmt kurzzeitige Schwankungen
Stickstoffkreislauf
Schwefelkreislauf
• Schwefel ist ein wichtiger Bestandteil von Eiweißstoffen
• unlösliche Sulfate werden dem Kreislauf in großen Mengen entzogen
Reaktionen im Schwefelkreislauf:
• Oxidation:
2H2S + O2
2H2O + 2S
ΔH = -528 kJ/mol
- Energiegewinn für anaerob lebende Bakterien
S8 ist dabei bis 95% der Masse der Bakterien
H2
• Reduktion:
SO42H2S + 2O2
- Deckung des O2-Bedarfs in sauerstoffarmer Umgebung
Tiefsee, Faulschlämme
Schwefelkreislauf
• Störung des Schwefelkreislaufs durch anthropogene Oxidation
H2SO4-Produktion, Abbau sulfidischer Erze oder elementaren
Schwefels
- natürliche Emission gasförmiger Schwefelverbindungen:
45 bis 100 Mio. t Schwefel/Jahr
∗ H2S, 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 H2SO4 und Ausregnung
• Schwefelzyklus ist kein kompletter Kreislauf
⇒ gerichteter Prozeß durch fortgesetzte Oxidation S2- → SO42⇒ Grund O2-Gehalt der Atmosphäre
Transport von Schwermetallverbindungen in
Luft, Wasser, Boden
- Verteilung zwischen den Kompartimenten
Transport - Transfer - Transformation
- Luft:
Gasgelöst (Partialdruck), an Schwebstoffe/Aerosole gebunden
- Wässrige Phase:
Echt gelöst (<1 nm Ø) und /oder kolloidal, partikulär
- Boden:
Transportmittel ist Wasser = mobile Phase,
Boden/Gestein = Festphase
(Sorption/Desorption/Ausfällung)
Chemische Speziation/Bindungsform
Definition:
Chemischer Zustand eines Elementes unter definierten
chemisch-physikalischen Bedingungen
Einflussparameter auf die Bindungsform:
- Konzentration der Elemente
- Ionenstärke (Aktivitätskoeffizient)
- organische und anorganische Komplexbildner
- Temperatur, Druck (Gasgleichgewichte)
- pH-Wert
- Redoxpotential (Sauerstoffgehalt)
- vorhandene feste Phasen (Art, Struktur der Oberfläche)
- Kolloide
- Mikroorganismen, Pilze
Transport / Migration
Migration = Wanderung
- Verhältnis von Mobilisierung und
Immobilisierung/Retardierung der Schwermetalle
- abhängig von Geschwindigkeit der wässrigen Phase
- abhängig von chemischen Zustand/Speziation der
Schwermetalle
- Schwermetalle können gelöst und kolloidal transportiert werden
Organische Schadstoffe
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
Aufnahme von Schadstoffen / Umweltchemikalien
(Inkorporation)
- Atmung (Inhalation)
- Nahrung (Ingestion)
- Haut
(Resorption)
Mikroorganismen
- Bakterien (Eubakterien, Archeabakterien)
- Pilze / Hefen
- Algen
Mikroorganismen
Effektivität bei allen Lebenskriterien
(Mikrokosmos)
- Stoffwechsel und Energieumwandlung
- Selbstreproduktion und Wachstum
- Signalrezeption und -reaktion
- Beweglichkeit
- Evolution
Mikroorganismen
Bedeutung
- bei Stoffkreisläufen
- Schlüsselstellung bei Mineralisierung
- Zersetzung von organischen Schadstoffen (Xenobiotika)
- Ernährung
- Landwirtschaft (Silofutter), Industrie (Vergärungsprozesse, Erzlaugung)
- Energie (Biogas)
- Gesundheitswesen (Produktion von Antikörper, Immunstimulatoren)
- Wasserreinigung, Sanierung von Böden
- Transport von Schwermetallen in der Umwelt
Bakterien
Mechanismus des Lebens
Kohlenstoffquelle:
- Bakterien
(autotrophe) Nutzung von CO2
(heterotrophe) Nutzung von Organika
Energiequelle:
- Bakterien
(phototrophe) natürliches Licht (Assimilation)
(chemotrophe) Redox-Reaktionen
Quelle von Donoren:
- Bakterien
(lithotrophe) anorg. Wasserstoff als Elektronendonor
(organotrophe) Organika als Wasserstoff bzw.
Elektronendonor
Speicherung/Freisetzung von Energie:
(Adenosinphosphatkreislauf) ATP
ADP +anorg. Phosphate + Energie
Wechselwirkung Metall - Bakterien
Biosorption
Bioakkumulation
Biomineralisation
Komplexbildung
mit zellulären Liganden
zelluläre Metallaufnahme
Bildung von Präzipitaten
Me2+ (out)
Me2++ 2L- = MeL2
Me2+ + 2OH- = Me(OH)2
Me2+ + S2- = MeS
Me2+ + HPO42- =
MeHPO4
Me2+ (in)
Bakterienzelle
MeO22+ = MeO2
Me(VI) = Me(IV,III)
Me2+
Biotransformation
Mikrobiell gesteigerte Chemisorption
Reduktionsprozess
Einbau von Metallen in gebildete Präzipitate
Nahrungskette
Mensch
Fleisch
Milch
Haustiere
Früchte
Getreide
Brot
Transport
Aquifer
Oberflächenwässer
Pflanze
Wasser
Boden
Chemie des
Schwermetalls
Metalle in Pflanzen
Gehalt/Konzentration in Pflanze
TF = --------------------------------------------Gehalt/Konzentration in Boden
(mg/kg-1) (Frischmasse)
------------ -------------------(mg/kg-1) (Trockenmasse)
Beispiel: Transferfaktoren für Uran
Pflanze
TF(U)
------------------------------------------Lupine
6.0 x 10-2
Gerste
1.0 x 10-3
Weizen
8.8 x 10-4
Kartoffel
8.3 x 10-4
Karotten
4.3 x 10-4
Apfel
7.2 x 10-5
Birne
1.4 x 10-3
Transferfaktor und Speziation??