Non-Target-Analytik

Non-Target-Analytik organischer Schadstoffe im Grundwasser

19.10.2010 | Autor / Redakteur: Alfred Preiß*, Sven Schuchardt* und Markus Godejohann** /

Abb. 1: Verkehr, Landwirtschaft, Havarien oder Umweltkatastrophen führen zu erheblichem Eintrag anthropogener Schadstoffe in das Grundwasser.

Schadstoffe aus Altlasten und neue Schadstoffeinträge in die Umwelt belasten das Grundwasser in erheblichem Ausmaß. Für eine umfassende Charakterisierung des Schadstoffinventars und deren Veränderung unter aeroben/anaeroben Bedingungen hat die Non-Target-Analytik zunehmend an Bedeutung gewonnen. NMR-Techniken leisten dazu einen wichtigen Beitrag.

In der Vergangenheit haben industrielle Produktionsprozesse, ungesicherte Industrie- und Hausmülldeponien, militärische Übungs- und Sprengplätze sowie kriegsbedingte Zerstörungen an vielen Stellen in Deutschland zu dauerhaften Kontaminationen des Bodens und in der Folge auch des Grundwassers geführt. Auch heute noch erfolgen erhebliche Einträge anthropogener Schadstoffe in die Umwelt durch Verkehr, Landwirtschaft, Havarien und Umweltkatastrophen.

Dabei ist zu berücksichtigen, dass sich die Zahl bekannter chemischer Verbindungen jährlich weiter erhöht. 2004 lag sie bei ca. 23 Millionen Verbindungen, von denen rund sechs Millionen kommerziell verfügbar, aber nur ca. 250 000 behördlich registriert waren [1]. Es ist davon auszugehen, dass ständig neue Verbindungen über Luft und Boden in Grund- und Oberflächenwässer gelangen, wo sie zusammen mit den Altlasten in Abhängigkeit von ihrem (öko)toxikologischen Potenzial als Schadstoffe agieren können. Das Problem wird verschärft, da durch chemische, photochemische und mikrobiologische Prozesse unter aeroben/anaeroben Bedingungen aus den eingetragenen (organischen) Schadstoffen neue Transformationsprodukte gebildet werden können, die häufig polarer und daher im Grundwasser mobiler als die ursprünglichen Verbindungen sind. Da es oft sehr schwierig ist, diese Transformationsprodukte zu identifizieren und zu quantifizieren, werden sie durch behördliche Regulierungen nicht oder nur unzureichend erfasst. Für eine umfassende Risikobewertung, zum Erkennen und Monitoring von Selbstreinigungsprozessen bzw. für die Entfernung der Schadstoffe aus dem Grundwasser ist es daher erforderlich, das Schadstoffspektrum umfassender als bisher zu charakterisieren, d.h. möglichst auch unbekannte Schadstoffe und Transformationsprodukte zu identifizieren und zu quantifizieren (Non-Target-Analytik). Leistungsfähige NMR-Methoden erweisen sich dabei als sehr hilfreich.

Eingesetzte Analysentechniken

In der routinemäßig durchgeführten Umweltanalytik werden überwiegend gaschromatographische (GC) Verfahren in Kombination mit unterschiedlichen Detektoren wie Flammenionisationsdetektor (FID), Elektroneneinfangdetektor (ECD) oder massenselektiver Detektor (MSD) sowie hochdruckflüssigkeitschromatographische Verfahren (HPLC) in Verbindung mit einem Ultraviolettdetektor (UV, DAD) oder heutzutage zunehmend mit diversen Typen von Massenspektrometern (MS) eingesetzt. Für die zielgerichtete Analytik von bekannten Schadstoffen und Transformationsprodukten (Target-Analytik) sind die genannten analytischen Systeme zwar sehr leistungsfähig, in Hinblick auf eine Non-Target-Analytik aber nur eingeschränkt aussagefähig. Die Grenzen der Verfahren lassen sich wie folgt beschreiben:

  • GC-MSD: Unbekannte GC-gängige Verbindungen lassen sich mithilfe von MS-Spektrenbanken identifizieren, sofern diese darin enthalten sind. Für Transformationsprodukte ist dies oft nicht der Fall. Strukturisomere lassen sich nur in Ausnahmefällen unterscheiden, polare Verbindungen müssen zuvor derivatisiert werden.
  • HPLC-UV: Obwohl umfangreiche UV-Spektrenbanken existieren, sind diese für die Identifizierung unbekannter chemischer Verbindungen nur von untergeordneter Bedeutung, da die UV-Spektren mit ihrer geringen Differenzierung nur wenig spezifische Strukturinformation enthalten, sodass eine zweifelsfreie Identifizierung unbekannter Verbindungen über UV-Spektren in komplexen Umweltproben kaum möglich ist. Zumal wenn eine unzureichende Auftrennung oder Matrixeffekte die Aussagekraft der UV-Spektren zusätzlich beeinträchtigen. UV-inaktive Verbindungen werden zudem nicht erfasst.
  • HPLC-MS: Die Identifizierung unbekannter Verbindungen kann über MS-Spektrenbanken erfolgen, sofern diese darin enthalten sind. Ansonsten liefern MSn-Spektren und hochaufgelöste Daten von Molekül- und Fragmentionen wichtige Strukturinformationen. Die grundsätzlichen Limitierungen der MS-Methoden für die Strukturaufklärung unbekannter Verbindungen (Cluster- und Adduktionen, Matrixeffekte, unspezifische Nebenreaktionen, Ionensuppression, unzureichende Information bezüglich Strukturisomerien) bleiben jedoch bestehen.

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