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. 5.000 – 10.000 Risiko (ursprünglich Begriff aus dem Versicherungswesen) - Eintretenswahrscheinlichkeit eines Schadensfalles - Risikoabschätzung Quantitative Bestimmung der möglichen Gesundheitsgefährdung durch Chemikalien, Strahlung, Umwelteinflüsse u.a., auch Schadwirkungen auf das Ökosystem 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 CO NO2 O3 5,0 33,0 9,0 0,2 mg/m3 mg/m3 mg/m3 mg/m3 Grenzwerte: (Wirkung von Schadstoffen) - LC50 (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 SUBSTANZMENGE SICHERHEITSFAKTOR Beobachtete Wirkung Die Gefährlichkeit einer toxischen Substanz ist von der aufgenommenen Menge abhängig. S ie 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 Wirkungsschwelle als „No observed effect level“ - Dosis ohne beobachtete Wirkung. Für die Grenzwertfestlegung am Arbeitsplatz ist sie die Richtschnur. Grenzwerte für die Gesamtbevölkerung berücksichtigen durch einen Sicherheitsfaktor: 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 (1493 - 1541) : „Dosis sola facit venenum Die Dosis allein macht das Gift“ 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 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 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 Polychlordibenzo-p-dioxine (PCDD) Polychlordibenzofurane (PCDF) • 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) Organische Schadstoffe Kampfstoffe 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 Globale Stoffkreisläufe E1 E2 E3 Kompartiment A1 A2 - Stabilitätskriterien Boxmodell von Ökosystemen (nach Kümmel) Daten ?! Chemikalien in der Umwelt Kohlenstoffkreislauf • 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) Der 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 Kohlenstoff in maritime Sedimente CO2-Austausch zwischen Biosphäre und Atmosphäre ist schnell und bestimmt kurzzeitige Schwankungen Der Stickstoffkreislauf - 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, N2O, NO2, N2O5, 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) Relevante Redox-Chemie des Stickstoffs - N02 NH3(-3) - NH3 NO2- - NO3-, NO2 N2 Stickstoff-Fixierung NO3- Nitrifizierung Denitrifizierung • Stickstoffgehalt der Atmosphäre: 78% allerdings fast ausschließlich als reaktionsträges N2 Stickstoffkreislauf 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 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 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 geringe Persistenz - Umwandlungsrate langsam - 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 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 CO2, H2O - 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: ∗ Stickstoff: ∗ Sauerstoff: - pH-Wert: S8 wird als Sulfat aufgenommen, N2 in Ammonium- oder Nitratform stammt aus CO2 oder organischer Substanz aerobe Organismen benötigen Luftsauerstoff anaerobe Organismen benötigen sauerstofffreies Milieu Bakterien wachsen am besten am Neutralpunkt - Temperatur: zeigen temperaturabhängiges Wachstum