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„Umweltanalytik in Äthiopien: Eine Herausforderung von der Probennahme bis zur analytischen Bestimmung “Arbeitsgruppe des Autors

Thorsten Schmeck, Ulrike Koch und Bernd W. Wenclawiak



Abbildungen 1
a: Ein weiter Blick ins Untersuchungsgebiet
b: Farmgelände
c: Wohnbehausungen "Tukuls"
d: ländliches Gebiet
Abbildung 2: Uferzone des Lake Abaya; Krokodile sonnen sich (Foto: R. Hahl).
Abbildung 3: Probennahme aus dem Boot (Foto: R. Hahl).
Abbildung 4: Probennahme an einem Flusslauf (Foto: R. Hahl).
Abbildungen 5
Bekämpfung der Malariamücken mit DDT.
"House Spraying" (Malaria Vorbeugung). DDT-Pulver wird über dem offenen Feuer in Kerosin aufgelöst
(0,5 kg L-1). Die Prozedur wird alle 6 Monate durchgeführt. 2 g m-2 werden verwendet.
Einleitung

In Ländern der dritten Welt gibt es aus Kostengründen zumeist keine staatlich geförderten Programme zur Überwachung der Belastung der Umwelt mit Chemikalien. Es fehlen geeignet ausgestattete Labors und qualifiziertes Personal. Daher gibt es in vielen sehr armen Ländern sehr wenig Informationen zum Thema Umweltbelastung. Dies ist auch in Äthiopien, einem der ärmsten Länder Afrikas, der Fall. Ausserdem fehlt es an Gesetzen, die den Umgang mit Chemikalien regeln, oder zumindest an der Überwachung ihrer Einhaltung. Gleichzeitig sind Umweltressourcen, wie Boden und Wasser, von hoher Wichtigkeit für die einheimische Bevölkerung, da sie nur sehr begrenzt zur Verfügung stehen, und große Teile der Bevölkerung von der Landwirtschaft leben. Deshalb ist ihre Bewahrung von besonders hoher Bedeutung.
Untersuchungsgebiet in unserem Projekt ist der größte Binnensee im Süden Äthiopiens, der Lake Abaya. Er stellt eine Umweltressource von sehr hoher Wichtigkeit für die einheimische Bevölkerung dar, die dem See und seinen Zuflüssen Trinkwasser entnimmt. Auch als Nahrungsquelle (Fischfang) ist er von großer Bedeutung. Der See ist ca. 80 km lang, im Durchschnitt ca. 20 km breit und maximal ca. 28 m tief.
Um Informationen über die Belastung der Umwelt im Untersuchungsgebiet zu erhalten haben wir im Rahmen eines DFG-Projekte erstmals Sedimentbohrkerne aus dem Lake Abaya und Bodenproben aus seiner Umgebung genommen und untersuchen diese auf Insektizide und Schwermetalle. Die Abbildungen 1 bis 4 zeigen einige Bilder des Untersuchungsgebietes, sowie von der Durchführung der Probennahme.
Das Insektizid Dichlor-diphenyl-trichlorethan (DDT) spielt in diesem Projekt eine besondere Rolle, da seine Verwendung in großen Mengen im Untersuchungsgebiet beobachtet wurde (Abbildung 5). DDT ist sehr langlebig (persistent), und wandelt sich in der Umwelt innerhalb von Jahren bis Jahrzehnten im wesentlichen in seine Hauptmetaboliten DDD und DDE um (Abbildung 6). Die Metaboliten sind ebenfalls sehr persistent. Die DDT-Verbindungen sollen ein ökotoxikologisches Potential besitzen. DDT zum Beispiel behindert die Reproduktion der Seeadler, da es zur Bildung dünnerer, zerbrechlicherer Eierschalen führt [1]. Inzwischen gibt es ein weltweites Verbot von DDT.

Abbildung 6: DDT und seine Abbauprodukte DDD und DDE.

Ausnahme ist jedoch die Verwendung bei der Vernichtung der Malariamücken (z. B. Anopheles gambiae) in Afrika (und anderen betroffenen Gebieten). Die Malaria zwingt diese Länder zum Einsatz großer Mengen DDT in den Innenräumen der Wohnhäuser. ("House Spraying") [2]. Abbildung 5 zeigt die Durchführung einer solchen Sprühaktion, sowie die Zubereitung der Lösung. Die Verwendung von DDT in der Malariabekämpfung ist zwischen Umweltgruppen und Befürwortern hoch umstritten. So gibt es auch in der deutschen Presse von Zeit zu Zeit Artikel zu diesem Thema [3].

Messmethoden

Die Untersuchung der Sediment- und Bodenproben beinhaltet die Entwicklung und Validierung anspruchsvoller Messmethoden zur Detektion der Analyten bis in den unteren µg kg-1-Bereich und darunter, da Kontaminationen der Umwelt häufig in dieser Größenordnung vorliegen. Mit diesen Methoden können also noch sehr kleine Konzentrationen der Analyten detektiert werden. Ist ein Boden z. B. mit 1µg kg-1 DDT belastet, so bedeutet das, dass 1000 t (1000000000g) Boden nur 1g DDT enthalten.
Um die Messung der Analyten vorzunehmen müssen diese zunächst aus den Sedimenten und Böden isoliert (extrahiert) werden (Probenvorbereitung). Das ist deshalb notwendig, da die festen Boden- und Sedimentproben nicht direkt gemessen werden können, sondern als Lösung vorliegen müssen. Die Probenvorbereitung hat einen entscheidenden Einfluss auf das Messergebnis, und ist somit von zentraler Wichtigkeit für eine Bestimmungsmethode. Wird zum Beispiel bei der Extraktion des DDTs aus den Proben ein großer Teil des Analyten in der Probe "vergessen", so ist das Messergebnis fehlerhaft.
Dabei interessiert uns besonders der Einfluss der Probenvorbereitung auf das Messergebnis, sowie Wirtschaftlichkeit und Umweltfreundlichkeit des Extraktionsverfahrens. Dazu werden in unserem Labor verschiedene Methoden zur Isolierung der Analyten aus der Probenmatrix verglichen und optimiert. Im Bereich der Insektizidanalytik zum Beispiel Ultraschallextraktion, Soxhletextraktion und Beschleunigte Lösungsmittelextraktion (PSE/ASE). Die Detektion erfolgt mit der hochempfindlichen und hochselektiven Gaschromatographie-Massenspektrometrie-Technik (GC/MS). Im Bereich der Analytik der Schwermetalle kommen verschiedene Aufschlussmethoden zum Einsatz. So wird zum Beispiel die Mikrowellenaufschluss-Technik mit der Verwendung klassischer Aufschlussmethoden verglichen und optimiert. Für den Nachweis kommt die Induktiv gekoppelte Plasma Emissionspektroskopie (ICP-OES) zum Einsatz. Da Schwermetalle häufig auch in natürlichen Quellen in der Natur vorkommen muss zwischen natürlichem (geogenem) und nicht natürlichem (anthropogenem) Anteil unterschieden werden. Dies wird in unserem Labor durch Analyse der Bindungsform des Schwermetalls an die Umweltmatrix untersucht. Hierfür kann z. B. die Elution der Schwermetalle nach der Methode des "Standards, Measurement and Testing Programme SM&T" angewendet werden. Dadurch kann z. B. zwischen schwächer und stärker an einen Boden gebundenen Anteilen von Schwermetallen unterschieden werden.

Ergebnisse

DDT und seine Abbauprodukte DDD und DDE konnten in allen Sediment- und Bodenproben aus dem Einzugsgebiet des Lake Abaya nachgewiesen werden. Die Konzentrationen des DDTs unterscheiden sich sehr stark, abhängig von der Herkunft der Proben. Da DDT heute nur noch im häuslichen Bereich eingesetzt wird, wurden in Bodenproben aus Siedlungen die höchsten Konzentration gemessen (71 bis 3390µg kg-1).
Im Fall der Schwermetalle werden in der Regel Konzentrationen im mg kg-1-Bereich gefunden. Die Elutionsversuche zeigen, dass sich hohe Anteile der Schwermetalle nur durch einen Vollaufschluss mit Königswasser aus den Proben herauslösen lassen. Somit liegt der größte Teil der Schwermetalle fest an die Sediment- und Bodenmatrix gebunden vor. Dies ist ein Hinweis darauf, dass hohe Anteile der gefundenen Schwermetalle natürlichen Ursprungs sind und nicht Folge einer Kontamination der Umwelt, z. B. durch Verwendung von verbleitem Benzin.


Kontakt:
  • Prof. Dr. Bernd W. Wenclawiak
    Thorsten Schmeck
    Ulrike Koch

    Universität Siegen
    Analytische Chemie
    Adolf Reichwein Str.
    57068 Siegen
    E-Mail: wenclawiak@chemie.uni-siegen.de
Literatur: