Biomonitoring an Kiefernnadeln im Rhein-Erft-Kreis

Diplomarbeit von Oliver Paech

Einleitung:

Die meisten Organismen leben in unweigerlicher Abhängigkeit der Umgebungsluft.

Aufgrund der weltweit steigenden Einträge von Schadstoffen in die Atmosphäre, avanciert der Schutz der Lufthülle zu dem vielleicht wichtigsten Thema der Gegenwart. Mit umfangreichen Gesetzen und Verordnungen soll die vorhandene Luftqualität gewahrt und verbessert werden, da deren Reinheit unerlässlich ist und bereits minimale Veränderungen weit reichende Konsequenzen nach sich ziehen können.

Allerdings finden die tatsächlichen Kontrollen von Kontaminationen aus Kostengründen lediglich punktuell statt. Derzeit können nur wenige Aussagen über großflächige Schadstoffimmissionen bzw. beteiligte Schadstoffquellen getroffen werden.

Die Arbeit „Biomonitoring an Kiefernnadeln im Rhein-Erft-Kreis“ knüpft an das Teilprojekt A2 des Sonderforschungsbereiches 419 „Veränderungen im Eintrag von Schadstoffen in die Umwelt — Hochauflösende Untersuchungen von Seeablagerungen in Industriezonen und naturbelassenen Bereichen“ an. Auf diese Weise ein Gesamtbild der Schadstoffverteilung in Bio- und Geosphäre entstehen.

Nadelgehölze haben sich als Passivsammler und Bioindikatoren bereits vielfach bewährt. Gegenüber Luftfiltern, welche umständlich installiert werden müssen, bieten Kiefernnadeln erhebliche Vorteile. Sie können jederzeit beprobt werden und sind in Mitteleuropa weit verbreitet.

Durch die flächenhafte Beprobung von Kiefernnadeln im Rhein-Erft-Kreis und deren umweltgeochemischen Analysen soll die vorliegende Arbeit Aufschluss über Ausbreitungsmuster und Eintragsquellen von atmosphärischen Kontaminationen liefern. Die Untersuchungen von sowohl organischen als auch anorganischen Substanzen soll eine Quellenidentifizierung ermöglichen. Die Auswertung der Daten erfolgt mittels des Einsatzes statistischer Methoden, Geographischer Informationssysteme (GIS) und Verhältnisdarstellungen verschiedener Parameter (ratios).

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 5.2.5, Organische Umweltgeochemie und Auswahl der untersuchten Parameter und der Proben:

Zur Bestimmung der organischen Parameter wurde aus Kostengründen lediglich ein Teil der Proben herangezogen. Die Auswahl dieser Proben erfolgte mit Hilfe der Einsicht in die Ergebnisse der Schwermetallmessungen. So konnten Proben gewählt werden, die bei den anorganischen Werten bereits durch hohe oder niedrige Ergebnisse auffielen. Hierbei wurden auch drei der vier Transekte recht umfangreich auf organische Schadstoffe untersucht. Zur flächenhaften Darstellung wurden zusätzlich einige Proben zur Messung der organischen Substanzen gewählt.

Bei den untersuchten Parametern handelt es sich um 20 PAK (Naph, Ace, Acy, Flu, An, Pn, Py, Fla, BaA, C+T, BghiF, BbjF, BkF, BaF, BaP, BeP, Per, IP, BghiP und DBA). Zusätzlich wurden MN, DMN, TMN, MP, sowie DBT und MDBT identifiziert, die Abkürzungen sind in Tabelle B2 erklärt.

Nasschemische Aufbereitung und Trennung der Proben:

Um die Proben für die GC-MS-Analytik vorzubereiten, wurden 10 g der getrockneten Nadeln in Stahlzylinder mit einem Fassungsvermögen von 33 ml eingewogen und verschraubt. Diese Stahlzylinder gehören zu einer automatisierten Extraktionseinheit, der ASE 200 (Accelerated Solvent Extraction), der Firma Dionex. Mit dieser können 21 Proben nacheinander extrahiert werden. Als Lösungsmittel wurde ein Gemisch aus Hexan/Dichlormethan (DCM) verwendet. Das Gerät pumpt das Lösungsmittel in die Zelle und heizt diese auf, bis ein Innendruck von 75 bar und eine Temperatur von 120°C erreicht ist. Tests in früheren Arbeiten von Wentzel et al. (1998) und Lehndorff (2003) haben gezeigt, dass mit diesem Lösungsmittelgemisch und dem Temperaturprogramm eine effiziente Extraktion der Zielkomponenten (PAK) erreicht wird.

Nach 20-minütiger thermischer und pneumatischer Behandlung wird das Extrakt (~40 ml) in Glasvials abgelassen. Die Extrakte der verschiedenen Proben ähneln sich.

Am Boden befindet sich eine 5 mm breite, undurchsichtige, hellgrüne bis weiße Schicht, darüber eine grünlich bis gelbliche klare Phase. Jedem Vial wird 1 µg zehnfach deuteriertes Anthracen (D10Anthracen) der Firma Promochem (Wesel) als Standard zugefügt. Anschließend wird das Extrakt von der viskosen Phase am Boden des Glases getrennt, da diese hochmolekularen Substanzen in späteren Trenn- und Analysevorgängen die Geräte und Säulen verstopfen würden. Die obere klare Flüssigkeit (Fraktion A) wird abpipettiert und die untere Fraktion (Fraktion C) in ein Zentrifugenglas überführt. Nach Zugabe von ~10 ml Hexan wird das Glas fünf Minuten in einem Ultraschallbad aufgeschlämmt, um die zwischen den hochmolekularen Komponenten eingeschlossenen Zielsubstanzen (PAK) in Lösung mit dem Hexan zu bringen. Danach wird das Gemisch bei 3.500 Umdrehungen pro Minute zentrifugiert. Dadurch entstehen erneut zwei Phasen. Die Obere wird wiederum abpipettiert und der Fraktion A zugeführt. Die verbliebene Fraktion C wird erneut mit Hexan versetzt, im Ultraschallbad aufgeschlämmt und zentrifugiert. Dieser Vorgang wird drei mal wiederholt, bis die C-Fraktion farblos ist und zum einrotieren in einen Rundkolben überführt werden kann. Fraktion A und C werden in 8 ml-Schraubdeckelgläser pipettiert, unter dem Abzug durch Eindampfen vom Lösungsmittel befreit und dann ausgewogen. Nach Tests von Lehndorff (2003) ist Fraktion C frei von Zielsubstanzen und dient im Weiteren als Proxy für die epikutikulare Wachsschicht der Nadeln. Die Mengen von Fraktion A und Fraktion C zeigt Tabelle B4.

Fraktion A wird mit Hilfe von Mitteldruckflüssigkeitschromatographie (MPLC) in einer halbautomatischen Apparatur der Firma Köhnen Willsch, in aliphatische-, aromatische- und NSO-Komponenten aufgetrennt. Zur Vorbereitung werden die Extrakte der A-Fraktion mit 1,5 ml Hexan im Ultraschallbad gelöst und anschließend für zehn Minuten in die Zentrifuge gestellt, um Feststoffe am Glasboden zu binden. Nach der Injektion der Lösung in die MPLC gelangt die Probe auf eine mit thermisch deaktiviertem Kieselgel gefüllte Vorsäule. Während die aliphatischen und aromatischen Kohlenwasserstoffe auf der Hauptsäule getrennt werden, verbleiben die NSO-Komponenten auf der Vorsäule. Von der Hauptsäule wird als erstes die Aliphaten-Fraktion eluiert. In einem zweiten Schritt wird durch die Umkehr der Fließrichtung und Erhöhung der Flussrate die Aromatenfraktion von der Hauptsäule geschwemmt. Die NSO-Komponenten werden separat mit einem DCM:Methanol-Gemisch (97:3, v/v) von der Vorsäule eluiert. Da nur die Aromaten-Fraktion die gesuchten Moleküle enthält wird diese in Mikrovials (100 µl-Fassungsvermögen) überführt und mit 0,3 µg zehnfach deuteriertem Pyren (D10Pyren) der Firma Promochem (Wesel), einem weiteren Standard, der zur Mengenbestimmung dient, versehen.