Einsatz radioaktiv markierter Verbindungen in der organischen

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Einsatz radioaktiv markierter Verbindungen
in der organischen Umweltchemie
Dr. Dirk Löffler
Bundesanstalt für Gewässerkunde - Referat Gewässerchemie
15. Chemisches Kolloquium – 27. September 2006
Einsatz radioaktiv markierter Verbindungen in der organischen Umweltchemie
Struktur:
• Fragen an die organische Umweltchemie
• Radiotracer Methodik
• Messung der Radioaktivität
• Anwendungsbeispiele
• Zusammenfassung
Einsatz radioaktiv markierter Verbindungen in der organischen Umweltchemie
Fragen der organischen Umweltchemie
Wie verhalten sich organische Substanzen in der Umwelt?
• Verteilungsverhalten (z.B. Sediment/Wasser)
• Abbauverhalten
- Abbaubarkeit (Abbauwege, Abbaukinetik, Persistenz)
- Bildung von Transformationsprodukten
- Bildung nicht-extrahierbarer Rückstände
Einsatz radioaktiv markierter Verbindungen in der organischen Umweltchemie
Radiotracer Methodik
Prinzip
Untersuchung von Prozessen
mit Verbindungen
deren Moleküle
durch radioaktive Isotope markiert sind.
Einsatz radioaktiv markierter Verbindungen in der organischen Umweltchemie
Radioaktive Markierung
Herstellung der
14C/3H-markierten
Verbindungen durch Radiosynthese
Vorzugsweise 14C-Markierung
Ringmarkierung
Seitenkettenmarkierung
OH
O
OH
I
*
I
*
O
N
*
H
N
*
*
O
14
OH
*
N
H
OH
I
O
COOH
Bsp. Ibuprofen
Bsp. Iopromid
Vorteil: Markierung verbleibt lange konserviert
Nachteil: Aufwendige Synthese
Vorteil: Einsatz bei speziellen
Fragestellungen
Nachteil: Schneller Verlust der Markierung
Einsatz radioaktiv markierter Verbindungen in der organischen Umweltchemie
Radiotracer Methodik (RTM)
Sehr geringe Hintergrundbelastung.
Radioaktivität =
Information die einer Ursprungsverbindung
eindeutig zugeordnet werden kann
und
die damit die Verfolgung des Verbleibs
einer Substanz in Umweltprozessen ermöglicht.
Einsatz radioaktiv markierter Verbindungen in der organischen Umweltchemie
Leistungsfähigkeit der RTM
Rückstands- Radiotraceranalytik
methodik
volatile Ausgangssubstanz
bekannte volatile TPs
Testsystem
Luft
unbekannte volatile TPs
CO2 (Mineralisierungsprodukt)
-
Ausgangssubstanz
Wasser
bekannte TPs
unbekannte TPs
-
Ausgangssubstanz
Sediment
bekannte TPs
unbekannte TPs
gebundene Rückstände
-
Einsatz radioaktiv markierter Verbindungen in der organischen Umweltchemie
→ Bilanzierbarkeit
Nachteile der RTM
Aufwendig durch Strahlenschutzmaßnahmen
Radioaktiver Abfall
Einsatz radioaktiv markierter Verbindungen in der organischen Umweltchemie
Messung der Radioaktivität
Messverfahren: Häufig Flüssig-Szintillationsmessung
1. Messung/Bilanz der Radioaktivität
Sediment /
Boden / Biota
Natronkalk (CO2-Falle)
Verbrennung
Austreiben des 14CO2
Sorption von 14CO2 in Carbosorb
Wasser
Szintillationsmessung
Einsatz radioaktiv markierter Verbindungen in der organischen Umweltchemie
Messung der Radioaktivität
1. Messung/Bilanz der Radioaktivität
2. Spezifizierung der Radioaktivität in den Kompartimenten
Wasser
Sediment / Boden /
Biota
Anreicherung / Clean-up
Extraktion / Clean-up
Chromatographie LC, TLC, GC
Radiometrische Detektion
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Anwendungsbeispiele
Einsatz radioaktiv markierter Verbindungen in der organischen Umweltchemie
1. Fate von Iopromid in W/S-Systemen
Gasaustausch
Glaswolle
Natronkalk
Glaswolle
Luft
CO2-Falle
Experimentdauer:
Probenahme nach:
Konzentration
Testsubstanzen:
100 d
0, ¼, 1, 2, 7, 14,
28 , 56, 100 d
100-500 µg/kg
Testgefäß
Wasser
Sediment
Adaptiert nach OECD 308
Einsatz radioaktiv markierter Verbindungen in der organischen Umweltchemie
1. Fate von Iopromid in W/S-Systemen
100
100
80
80
O
Radioaktivität im Wasser
Total
Iopromid
TP A
TP B
Relativer Konzentration
TP Can Radioaktivität in
Wasser
TP D
Sediment
Kalkfallen
allen Kompartimenten
Iopromid
O
I
C/C0 [%]
C/C0 [%]
HN
O
I
*
N
O
I
60
60
Röntgenkontrastmittel
4040
OH
NH
14
C-Iopromid
C-Iopromid
Wasserkompartiment
Radioaktivität
in den Kompartimenten
14
2020
OH
OH
OH
00
00
20
20
40
40
60
Versuchslaufzeit
[d] [d]
Versuchslaufzeit
Löffler et al., 2005, ES&T
Einsatz radioaktiv markierter Verbindungen in der organischen Umweltchemie
80
80
100
100
2.Verlagerungsverhalten
von Iopromid in Böden
O
O
HN
I
Iodiertes Kontrastmittel
O
I
*
Sehr polar (log KOW = -2.33)
N
O
I
OH
NH
OH
14C-Ringmarkierung
OH
OH
Oppel et al., 2004, Sci. Tot. Env.
Bodensäulen in einer LeachingStudie.
Sektionierbare
Glasssäulen
(350 mm lang,
50 mm I.D.)
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2.Verlagerungsverhalten von Iopromid
Radioaktivität im Boden
und im Leachat
(Sickerwasser)
LUFA 2.2
EuroSoil 5
Recovery
Recovery
0%
10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
0-5
0-5
5-10
5-10
10-15
15-20
20-25
25-30
Leachate
Soil depth [cm]
So il depth [cm]
0%
10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
10-15
15-20
20-25
25-30
Leachate
Einsatz radioaktiv markierter Verbindungen in der organischen Umweltchemie
2.Verlagerungsverhalten von Iopromid
Zusammensetzung der Radioaktivität in den Leachaten
(Mittelwert von 2 Bodensäulen)
LUFA 2.2
EuroSoil 5
Iopromid
-
85 ± 9%
Metabolit 1
63 ± 2%
15 ± 9%
Metabolit 2
23 ± 1%
-
Metabolit 3
Summe
14 ± 3%
100%
100%
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3. Abbau von 14C-8:2-FTOH in
aeroben Belebtschlammsystemen
Perfluortelomeralkohol
Produktion weltweit 2000-2002
(~ 5000 Tonnen)
F
F
F
F
F
F
14
F
Beschichtungen
(Wasser- und Fettabstoßend)
F
F
C
OH
F
F F
F
F
Synthesevorstufe, Polymerzusätze, uvm.
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F
F
F
3. Abbau von 14C-8:2-FTOH in
aeroben Belebtschlammsystemen
Wang et al., 2005, ES&T
Einsatz radioaktiv markierter Verbindungen in der organischen Umweltchemie
Einsatz radioaktiv markierter Verbindungen in der organischen Umweltchemie
Zusammenfassung
• wertvolle Methodik für die Aufklärung von Umweltprozessen
• erlaubt Bilanzierung des Verbleibs von Substanzen
• sehr empfindlich
• sehr geringe Backgroundproblematik
• zielführend bei der Identifizierung von Transformationsprodukten
• Ergänzung zur Rückstandsanalytik (v.a. Massenspektrometrie)
Einsatz radioaktiv markierter Verbindungen in der organischen Umweltchemie
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Dr. Dirk Löffler
Referat Gewässerchemie
Bundesanstalt für Gewässerkunde
Am Mainzer Tor 1
56068 Koblenz
Tel.: 0261/1306-5219, Fax: 0261/130-5363
E-Mail: Loeffler@bafg.de
www.bafg.de
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