HIGHCHEM hautnah - Aktuelles aus der Analytischen Chemie ©

„Luft, Wasser, Flussperlmuschel“Arbeitsgruppe des Autors

Hartmut Frank, Silke Gerstmann, Franziska Knabe und Anna Weremiuk

     Luft, Wasser, Flussperlmuschel, drei der vielen Komponenten der Umwelt, die in kontinuierlicher stofflicher und energetischer Wechselwirkung stehen; dies trifft natürlich auch für Fremdstoffe anthropogenen und/oder biogenen Ursprungs zu. Unser Betätigungsfeld und wissenschaftliches Interesse liegt insbesondere darin, Quellen, Verteilung und Senken von Stoffen aufzuklären, sowie deren ökotoxikologische Risiken. Besonders interessieren uns chlorierte und fluorierte Kohlenwasserstoffe.

Luft

Monochloracetat (MCA) ist eine bedeutende Umweltchemikalie. Es wird hauptsächlich zu Carboxymethylcellulose umgewandelt, die als Vergrauungsinhibitor in Waschmitteln sowie als Verdickungs-, Dispersions- und Bindemittel eingesetzt wird. Außerdem wird MCA in der Produktion von Pestiziden und Detergenzien verwendet.
Da industrielle Produktion und Weiterverarbeitung in geschlossenen Systemen stattfinden und Abwässer effizient gereinigt werden, sind die industriellen Emissionen in die Umwelt mit wenigen Kilogramm pro Jahr vernachlässigbar gering. Trotzdem ist MCA in allen Umwelt-Kompartimenten nachweisbar, und besonders in Regen und Nebel übersteigen die gefundenen Konzentrationen oft die akute Toxizitätsgrenze für photosynthetische Organismen wie Algen (Abb. 1).
Weil die Mengen an MCA in Niederschlag hoch sind, nimmt man an, dass die Atmosphäre eine bedeutende Quelle ist. MCA wird vermutlich aus verschiedenen C2-Kohlenwasserstoffen gebildet, wobei vor allem Ethen und Vinylchlorid in Frage kommen. Ethen ist zum großen Teil natürlich und wird von Pflanzen emittiert.

Abbildung 1

Flussperlmuschel

Noch vor einem Jahrhundert lebten Flussperlmuscheln zu Millionen in Bächen und Flüssen der nördlichen Halbkugel. Heutzutage ist die Art vom Aussterben bedroht und wird im internationalen IUCN-Red Data Book als "gefährdet" aufgeführt. In den nördlichsten Gebieten Finnlands und Russlands leben noch vitale Populationen, aber die Anzeichen mehren sich auch dort, dass das schleichende Sterben einsetzt. In den gemäßigten Klimazonen sind die Bestände überaltert, meist 50 Jahre und mehr, Jungtiere gibt es kaum noch (Abb. 2).
Der seit der Mitte des vorigen Jahrhunderts beobachtete Rückgang der Perlmuschelbestände stimmt zeitlich überein mit der Belastung aller Ökosysteme mit ubiquitär verteilten Fremdstoffen wie polychlorierten Biphenylen, Chlorkohlenwasserstoff-Insektiziden wie DDT/DDE, oder den polychlorierten Dibenzodioxinen/furanen. Welchen Anteil haben persistente organische Fremdstoffe (POP) und die Art des Nahrungsangebotes am Rückgang der Flussperlmuschel-Populationen? Um dies zu klären, sind Untersuchungen zur Wirkung von POP und ihrer Metabolite erforderlich. Wichtig scheinen uns auch die hohen Belastungen mit Schwermetallen, hier besonders Cd, welches bekanntlich den Calciumstoffwechsel vieler Tiere, also wahrscheinlich auch den der Flussperlmuschel, negativ beeinflusst.

Abbildung 2

Wasser

Die perfluorierten Tenside Perfluoroctansäure (PFOA) und Perfluoroctansulfonsäure (PFOS) (Abb. 3) bzw. deren Derivate sind durch ihre chemische Stabilität und ausgeprägte Amphiphilie gekennzeichnet. Ihre hohe chemische Stabilität und ihre Adsorptionsfähigkeit an metallische und natürliche Oberflächen (Papier, Baumwolle, Leder) machen sie einerseits zu "idealen" Verbindungen für Oberflächenbehandlungen zur Abstoßung von Wasser und Fetten (Abb. 4), andererseits bringen sie wegen ihrer weiten Verbreitung auf verschiedenen Eintragspfaden und ihrer hohen Persistenz ökologische Risiken mit sich. Zur Risikoabschätzung und zur Aufklärung der Eintrags- und Verbreitungswege ist es wichtig, ihre Konzentrationen in verschiedenen, für die Exposition von Mensch, Tier und Pflanzen relevanten Umweltmedien genau zu bestimmen.

Abbildung 3: Perfluorierte Tenside Perfluoroctansäure (PFOA) und Perfluoroctansulfonsäure (PFOS)

Abbildung 4

Analytik

Analytische Daten zu produzieren, auch in großer Menge, ist ziemlich einfach. Die Frage aber ist entscheidend, ob diese auch verlässlich sind, denn nicht das reine Vorhandensein eines Fremdstoffes interessiert, sondern entscheidend ist, in welchen Konzentrationen er vorkommt. Umweltanalytik ist gleichbedeutend mit Spurenanalytik, d.h. die Konzentrationen der Fremdstoffe liegen oft in Größenordnungen von ng oder pg pro Kilogramm. Solch geringe Konzentrationen bringen ein Problem mit sich: Oft ist schon die Laborluft, in der die analytischen Untersuchungen erfolgen, mit dem zu analysierenden Fremdstoff hoch belastet. Deswegen ist die Frage: "Wie stellt man die Qualität der Daten sicher?" von größter Bedeutung, auch unter dem Aspekt, dass auf solchen Untersuchungen Grenzwerte festgesetzt oder die Produktion und der Einsatz eines Stoffes verboten werden. Die Validierung der analytischen Methode und die Probenaufarbeitung unter Berücksichtigung der "Guten Laborpraxis" (GLP) sind zur Qualitätssicherung der Daten von grundlegender Bedeutung.

Festphasen-Extraktion (SPE)

Zur Bestimmung von PFOA und PFOS in Oberflächenwasserproben, werden die Proben zunächst filtriert, um Schwebstoffe zu entfernen oder zentrifugiert, wenn der Anteil an Schwebstoffen hoch ist. Danach werden sie durch Festphasen-Extraktion angereichert, und nach Zwischenreinigung des beladenen Sorbens mit Methanol eluiert. Nach dem Trocknen wird der Rückstand in Acetonitril/Wasser aufgenommen und über Membran-Filter filtriert, um kleinste Schwebstoffe zu entfernen, die sonst die analytischen Säulen und Leitungen des Messinstrumentes blockieren könnten. Zur genauen spurenanalytischen Quantifizierung wird Flüssigkeitschromatographie-Elektrospray-Ionisations-Tandem-Massenspektrometrie (LC-ESI-MS/MS) eingesetzt.

Methodenvalidierung

Ziel der Methodenvalidierung ist es, die Verlässlichkeit der Methode sicherzustellen: Können PFOA und PFOS in Gegenwart anderer Verbindungen, z.B. perfluorierter Derivate, eindeutig nachgewiesen werden? Dies ist durch die analytische Detektions-Methode der ESI-MS/MS sichergestellt, da molekülspezifische Massenübergänge beobachtet werden.
Wie hoch ist der Grad der Übereinstimmung verschiedener Messungen derselben Probe? Die Reproduzierbarkeit der Daten einer gegebenen Wasserprobe wird durch dreifache Injektion geprüft; sie liegt bei ca. 95 % für PFOA und PFOS.
Was ist der lineare Bereich der Methode? Linearität in einem bestimmten Bereich ist wichtig, um richtige Ergebnisse zu erhalten. Zu ihrer Prüfung wird bei der Kalibrierung die Intensität des analytischen Signals zur absoluten Masse oder der Konzentration des Analyten durch eine Kalibriergerade korreliert. Die Eichgeraden für PFOA und PFOS sind in einem Bereich von 0,2 bis 20 µg/L linear.
Weiterhin werden die Nachweisgrenze, d.h. die geringste Konzentration, in der ein Analyt in einer Probe bestimmt, aber nicht notwendigerweise quantifiziert werden kann, und die Bestimmungsgrenze, d.h. die niedrigste Konzentration, in der ein Analyt in einer Probe quantifiziert werden kann, ermittelt. In Oberflächenwasser beträgt die Nachweisgrenze für PFOA 0,025 ng/L, für PFOS 0,05 ng/L; die Bestimmungsgrenzen liegen doppelt so hoch.
Ist die Methode genau? Dazu werden Leitungswasser und Oberflächenwasser jeweils mit einer definierten Menge PFOA und PFOS versetzt, eine Festphasen-Extraktion wird durchgeführt, und die Extraktions-Effizienz über eine Eichgerade berechnet. In Leitungswasser beträgt sie für PFOA und PFOS ca. 100 %, in Oberflächenwasser liegt sie für PFOA zwischen 80 und 97 %, für PFOS zwischen 70 und 80 %.

Blanks

Die Kontaminierung der Proben mit den zu bestimmenden Analyten muss ausgeschlossen werden, da diese zur Verfälschung der Ergebnisse führen. Deshalb muss bei jeder spurenanalytischen Bestimmung auch ein sogenannter Blank bestimmt werden, d.h. es wird eine Surrogat-Probe, die die zu untersuchenden Stoffe nicht oder nur in geringer, bekannter Konzentration enthält, genauso aufgearbeitet wie die Umweltprobe. Bei der Festphasen-Extraktion können verwendete Geräte mit Spuren von PFOA und PFOS kontaminiert sein, die zu erhöhten Konzentrationen der Blanks führen, d.h. die gesamte Probenaufarbeitung muss auf mögliche Kontaminationsquellen untersucht werden, also alle Lösemittel, Verbrauchsmaterialien, Gerätschaften und Gefäße. In Methanol (picograde) sind z. B. Spuren von PFOA (< 0,3 ng/L) nachweisbar, in Acetonitril und verwendeten Festphasen allerdings nicht. Eine Haupt-Kontaminationsquelle sind Gerätschaften aus Teflon, z.B. Schläuche. Leitungswasser, entionisiertes und bidestilliertes Wasser wurden ebenfalls untersucht. In allen Proben findet sich PFOA (Abb. 5).

Abbildung 5

Matrixeffekte

Um zu überprüfen, ob das Ergebnis durch Beimengungen, z.B. Huminstoffe, verfälscht wird, wird die Konzentration von PFOA und PFOS in einer Oberflächenwasserprobe einmal über externe Kalibrierung und über eine mit der Standard-Additionsmethode erhaltene Eichgerade berechnet. Zur Standard-Additionsmethode wird der Probe jeweils eine definierte Menge PFOA und PFOS zugefügt und damit eine Eichgerade erstellt. Es zeigt sich, dass die mit der Standard-Additionsmethode berechneten Konzentrationen für PFOA und PFOS höher sind als die über die externe Kalibrierung, d.h., dass Matrixeffekte auftreten.

Resümee

Luft, Wasser, Flussperlmuschel, so unterschiedlich diese drei Teile der Umwelt auch sein mögen, wenn es darum geht, Eintrags- und Verbreitungswege von Fremdstoffen aufzuklären oder die Belastung eines bestimmten Umwelt-Kompartiments oder eines Organismus zu bestimmen, ist es immer notwendig, die angewandten analytischen und praktischen Methoden zu optimieren, mögliche Kontaminationsquellen aufzuspüren und zu eliminieren. So unterschiedlich die praktische Vorgehensweise auch sein mag, im Prinzip geht es immer um die eine Sache: sauberes, präzises, Arbeiten als Grundlage für verlässliche Daten.


Kontakt:
  • Universität Bayreuth
    Institut für Umweltchemie und Ökotoxikologie
    95440 Bayreuth
    Tel.: +49 (0)921 - 55 2252
    E-Mail: encetox@uni-bayreuth.de