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 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. 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 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
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 (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)
Alkoholanteil einiger Getränke im Vergleich
Bier
Weinbrand
Weißwein
Likör
Sekt
0,1 l
0,125 l
0,3 l
0,04 l
0,04 l
Volumenkonzentration
5%
38%
10%
30%
12%
Masse der in einem Getränk enthaltenen Alkoholportion
11,8 g
11,9 g
9,8 g
9,4 g
9,4 g
Zigaretten
Verhältnis verschiedener Schadstoffe im Haupt- und
Nebenstromrauch (nach verschiedenen Literaturstellen)
Trockenkondensat
Menge pro Zigarette
im Nebenstrom
43 - 58
mg
Nebenstrom
Hauptstrom
1,3 - 1,9
Dimethylnitrosamin
Formaldehyd
Acrolein
Anilin
N-Nitrosonornikotin
Nickel
Cadmium
Benzanthracen
Benzpyren
CO
NH3
Nikotin
NO
0,14 - 1,04
1526
925
10,8
0,15 - 6,1
0,62 - 1,03
430 - 720
81
25 - 131
46 - 61
5-9
4
2-3
12 - 440
50
12
30
0,5 - 7
13 - 31
4-7
2-3
2-4
2,5 - 4,7
45 - 170
2-3
4 - 10
µg
µg
µg
µg
µg
µg
ng
ng
ng
mg
mg
mg
mg
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
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)
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
E1
E2
E3
Kompartiment
A1
A2
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)
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)
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
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/Umweltchemikalien 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 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
- 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