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PCB-Analyse

PCBs im Bodensee mithilfe der GC/MS analysieren

17.04.2008 | Autor / Redakteur: Jörg A. Pfeiffer*, Bertram Kuch*, Harald Hetzenauer**, Herbert Löffler** und Jörg W. Metzger* / Marc Platthaus

Über geklärtes Abwasser gelangen viele organische Schadstoffe in die aquatische Umwelt und belasten die dort lebenden Organismen.
Über geklärtes Abwasser gelangen viele organische Schadstoffe in die aquatische Umwelt und belasten die dort lebenden Organismen.

Halogenierte organische Verbindungen wie Polychlorierte Biphenyle (PCB) gelangen über die Nahrungskette auch in den Menschen. Forscher der Universität Stuttgart haben Fische und Muscheln aus dem Bodensee auf den Gehalt an PCBs hin untersucht. Mithilfe einer GC/MS-Methode konnten PCBs im Pikogramm-Bereich festgestellt werden.

Polychlorierte Biphenyle (PCB) und polybromierte Diphenylether (PBDE), gefährden die Umwelt und den Menschen gleichermaßen. Aufgrund von Havarien und unsachgemäßem Abfallmanagement haben sich die krebserregenden Substanzen auch in der Nahrungskette angereichert. Umso verwunderlicher, dass die letzten Untersuchungen über die Belastung von Bodenseefelchen mit PCB rund zehn Jahre zurückliegen (Polychlorierte Biphenyle und Chlorpestizide in Fischen aus baden-württembergischen Seen und dem Bodensee, LfU). Für polybromierte Diphenylether wurden jüngste Ergebnisse von Sedimentuntersuchungen am Bodensee vor kurzem von der Internationalen Gewässerschutzkommission Bodensee veröffentlicht. Darin zeigt sich, dass die PBDE-Konzentrationen in den obersten Sedimentschichten über die Jahre zugenommen haben. Organismen wie Dreikantmuscheln oder Brachsen, die sich vor allem am Boden bzw. in Bodennähe aufhalten, können durch Aufnahme und ständigen Kontakt mit partikelgebundenen Schadstoffen besonders belastet sein. Da sich Brachsen von Muscheln ernähren, reichern sich insbesondere die fettlöslichen, schlecht abbaubaren Schadstoffe in deren Fettgewebe an.

An der Universität Stuttgart wurden im Jahr 2006 insgesamt 40 Brachsen (Abramis brama) aus dem Bodensee im Probennahmebereich zwei (s. Abb. 1) und über 1000 Dreikantmuscheln (Dreissena polymorpha) aus den Bereichen eins bis drei untersucht. Der Eintrag vieler organischer Spurenstoffe in die aquatische Umwelt erfolgt über geklärtes Abwasser. Daher wurden als Orte der Probennahme die Mündungsbereiche der Flüsse Schussen, Argen und Rotach ausgewählt, denn diese werden als Vorfluter von Kläranlagen genutzt.

Probenaufbereitung und Extraktion

Die Charakterisierung der Fische, das Filetieren sowie das Präparieren der Brachsenleber wurden am Institut für Seenforschung in Langenargen durchgeführt. Die Probenaufbereitung und Extraktion erfolgte in drei Schritten:

Gefriertrocknung und Mahlen der Proben, anschließend Extraktion mithilfe einer Soxhletapparatur (Leber/Muschel: 2 g, Filet: 5 g; 100 ml n-Hexan, 6 h).

Quantifizierung mittels Isotopenverdünnungsanalyse: Dem Extrakt wurden 13C12-markierte Wiederfindungs- und Quantifizierungsstandards zugesetzt. Anschließend wurde der Extrakt am Rotationsverdampfer eingeengt und mit Schwefelsäure (96 Prozent, 6 ml) versetzt. Nach rund 15 Stunden wurde die n-Hexanphase im Stickstoffstrom eingeengt.

Säulenchromatographische Aufreinigung mittels Glastulpensäule (Innendurchmesser 6 mm, 1 cm Glaswolle, 10 cm basisches Al2O3 und 1 cm Mischung aus Kieselgel und konz. H2SO4 (56:44 w/w)): Nach der Vorelution (n-Hexan, 5 ml) wurde die Probe aufgegeben und anschließend nacheinander mit n-Hexan (5 ml), n-Hexan/ Dichlormethan (90:10 v/v, 5 ml) und n-Hexan/ Dichlormethan (1:1 v/v, 15 ml) eluiert. Die n-Hexan/ Dichlormethan (1:1) -Fraktion wurde im Stickstoffstrom eingeengt und zur Messung am GC/MS im Wiederfindungsstandard (PCB-209) aufgenommen.

GC/MS-Analytik

Die Analyse erfolgte mithilfe eines HRGC (Agilent 6890N) mit direkter MS-Kopplung (Agilent 5975) im EI-Modus. Als Säule kam die Varian VX-ms (30 m x 0,25 mm x 0,25 µm Filmdicke) zum Einsatz. Die Injektion (2 µl) am PTV-Injektor (splitlos) wurde bei 270 °C vorgenommen. Ofenprogramm: Tinit: 130 °C 1 min, 20 °C/min 1 min, 10 °C/min 270 °C 5 min, 20 °C/min 300 °C 3 min, 20 °C/min 320 °C 5 min, Transferlinie 280 °C.

Zur Quantifizierung wurden charakteristische Massenfragmentogramme der Molekülionencluster (inkl. der korrespondierenden 13C12-Signale) aufgezeichnet. Die Konzentrationsberechnung erfolgte mittels Signalflächenvergleich von nativem Analyten und 13C12-Standard. Die Wiederfindung bezüglich PCB-209 lag über 85 Prozent. Die Präzision wurde mittels Fünffach-Bestimmung einer Brachsenfilet-Probe ermittelt (in Abb. 3 und 4 gekennzeichnet).

Die Nachweis (NG)- und Bestimmungsgrenzen (BG) wurden als das Drei- bzw. Sechsfache des maximalen Rauschbandes festgelegt. Die Nachweisgrenze lag zwischen 9 pg/g (Brachsenleber) für PCB-28 und 32 pg/g (Muschel) für PCB-52. Für die polybromierten Diphenylether lag die Nachweisgrenze zwischen 5,0 pg/g für BDE-47 (Brachsenleber) und 72 pg/g bei BDE-153 (Brachsenfilet). Drei Blindwerte wurden für jeweils sieben Proben ermittelt und lagen für BDE-47 jeweils unter fünf Prozent.

Ergebnisse

In Abbildung 2 sind die Ergebnisse in Form von Box-Plots dargestellt. Diese zeigen grafisch den Streubereich aller Werte. Die Box repräsentiert 50 Prozent aller Werte mit den Grenzen im 1. und 3. Quartil. Die Linie in der Box stellt die Mediankonzentration dar. Die PCB-/PBDE-Konzentrationen steigen von der Dreikantmuschel zum Brachsenfilet und zur Brachsenleber hin an (s. Abb. 2 und Tab. 1). Dies lässt auf eine entsprechende Anreicherung der beiden Schadstoffgruppen schließen. Vergleicht man die Mediankonzentrationen von Dreikantmuschel und Brachsenfilet, so fällt die stärkere Konzentrationserhöhung von PCB im Vergleich zu PBDE auf (s. Tab. 1). In der Schadstoffhöchstmengenverordnung (SHmV vom 19. Dez. 2003) sind unterschiedliche PCB-Höchstgehalte für Süßwasserfische festgelegt (s. Tab. 2). Die gemessenen Maximalwerte liegen deutlich unterhalb der in der Verordnung festgelegten Höchstmenge.

Das beobachtete PCB-Kongenerenmuster (s. Abb. 3) ist typisch für eine Umweltprobe. Es zeigt deutlich die Unterschiede in der relativen Anreicherung der verschiedenen Kongenere. So wird in den Muscheln auch aufgrund ihres hohen Wasseranteils das polarere PCB-28 (3 Chlor) bevorzugt akkumuliert, wohingegen sich die lipophileren Kongenere PCB-138 und PCB-153 in Proben mit höherem Fettgehalt (Filet und Leber) wiederfinden. Die Kongenerenmuster zweier früher eingesetzter technischer Mischungen (Clophen A60, Arochlor 1260) weisen eine nur geringe Ähnlichkeit mit den Mustern der Umweltproben auf. Dies lässt auf andere PCB-Quellen, die spezifische Aufnahme oder einen spezifischen Abbau einzelner Kongenere schließen.

Bei den PBDE-Kongenerenmustern zeigt sich ein etwas anderes Bild (s. Abb. 4). Typisch für biologische Proben wird BDE-47 angereichert. Interessanterweise ist BDE-99 im Filet und in der Leber kaum mehr nachweisbar, wohingegen die Konzentration von BDE-100 mit gleichem Bromierungsgrad ansteigt. Dieses Phänomen wird im Massenfragmentogramm (s. Abb. 5) besonders deutlich. Auch bei den gefundenen PBDE-Kongenerenmuster zeigen sich nur geringe Ähnlichkeiten mit den technischen Mischungen (Bromkal DE-71, Bromkal 70-5 DE). Auch hier ist eine Metabolisierung im Organismus des Brachsen oder der Dreikantmuschel als Ursache wahrscheinlich. Ebenso ist eine spezifische Aufnahme bestimmter Kongenere denkbar.

Um hier Klarheit zu schaffen, müssen weitere Kompartimente (Sedimente, Schwebstoffe) und auch andere Fischarten sowie hydroxylierte Abbauprodukte, sog. „Hydroxy-PCB“ und „Hydroxy–PBDE“ untersucht werden. Abschließend stellt sich die Frage, weshalb es trotz ihres Verbotes bisher nicht zu einer deutlicheren Abnahme der PBDE-Konzentration in der Umwelt gekommen ist.

Hintergrund: PCB und PBDE

Polychlorierte Biphenyle (PCB): Die Gruppe der polychlorierten Biphenyle (PCB) umfasst 209 verwandten Verbindungen. Sie wurden seit den 1930er Jahren wegen ihrer schweren Entflammbarkeit und ihren guten dielektrischen Eigenschaften vor allem als Hydraulik- und Transformatorflüssigkeiten eingesetzt. Weltweit wurden über zwei Millionen Tonnen produziert. Die PCBs gehören zur Gruppe der persistenten organischen Schadstoffe (auch als „POPs“ bezeichnet: persistent organic pollutants) und reichern sich aufgrund ihrer Lipophilie und Persistenz im Fettgewebe von Organismen an. Beim Menschen bewirken PCB chronisch toxische Effekte, so u.a. die Schädigung des Immunsystems, Fruchtschädigung (Teratogenität), Hyperpigmentierung und Chlorakne. Bereits 1989 wurden sie daher mit einem kompletten Anwendungsverbot belegt.

Polybromierte Diphenylether (PBDE): Auch die Stoffgruppe der polybromierten Diphenylether (PBDE) besteht aus 209 strukturell verwandten Verbindungen. Sie finden als Isomerengemisch seit über 25 Jahren Anwendung als Flammschutzmittel in Kunststofferzeugnissen und kommen in Computergehäusen, Möbeln und Textilien mit zum Teil hohen Anteilen von fünf bis 30 Gewewichtsprozent vor. Weltweit wurden 1993 rund 40 000 Tonnen produziert. Bestimmte polybromierte Diphenylether sind nach der EU-Wasserrahmenrichtlinie als persistent, bioakkumulierend und toxisch (sog. „PBT“-Kriterium) eingestuft, da sie im Tierversuch neuronale Entwicklungsstörungen hervorrufen und immuntoxische Wirkung aufweisen. Technische Gemische mit überwiegend fünffach- („Penta-BDE“) bzw. achtfach-bromierten Diphenylethern („Octa-BDE“) sind in neuen Elektrogeräten in Konzentrationen über 0,1 Prozent seit 2006 verboten (EG- (RoHS) - Richtlinie 2002/95/EG).

*Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft (ISWA) der Universität Stuttgart, Abt. Hydrochemie, 70569 Stuttgart **Institut für Seenforschung (ISF), 88081 Langenargen

 

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