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Schwermetalle in der Umwelt


Schwermetalle

Zusammengestellt von Axel Diefenbach

Übersicht:

Welche Schwermetalle belasten unsere Umwelt?

Zu den wichtigsten, giftigen Schwermetallen gehört das Blei, das in großem Umfang über die Atmosphäre als Metall und in Verbindungen verteilt wird. Es wurde früher in erheblichem Maße als Antiklopfmittel dem Benzin zugesetzt (s. u.). Mittlerweile rückt durch die Verwendung von Blei-freiem Treibstoff die Bedeutung der Bleiemmission immer weiter in den Hintergrund. Jedoch emmittieren viele Erzhütten weiterhing Blei. [Lit. 1, S. 28]
Eine weiteres bedeutsames Schwermetall ist Cadmium, das in verschiedenen Legierungen, im Klärschlamm, im Hausmüll, in einigen Leuchtfarben und Düngemitteln vorhanden ist. [Lit. 1, S. 29]
Auch Quecksilber ist im Klärschlamm enthalten. Am 1.7.1992 trat eine neugefaßte Klärschlammverordnung in Kraft, in der die Grenzwerte von Cadmium und Quecksliber deutlich reduziert wurden. Weiter enthält sie Richtwerte für Blei, Chrom, Kupfer, Nickel und Zink. [Lit. 6].

Schwermetalle können als Stäube durch die Atmosphäre weit verteilt werden und gelangen so in Gewässer und Boden. In Gewässern werden sie schnell verdünnt und fallen teilweise als schwerlösliche Carbonate, Sulfate oder Sulfide aus, reichern sich daher in den Gewässerböden an. Wenn jedoch die Adsorptionskapzität der Sedimente erschöpft ist, steigt die Konzentration der Schwermetallionen im Wasser an. [Lit. 1, S. 125]

Auch Unfälle belasten die Umwelt mit Schwermetallen: am 24.8.1979 wurde in Lengerich durch eine Zementfabrik die Umgebeung mit dem Schwermetall Thallium verseucht, was eine Entlaubung der Bäume sowie unbrauchbare landwirtschaftliche Flächen zur Folge hatte. [Lit. 5].

Der Kreislauf der Metalle (Luft, Boden, Atmosphäre, Biosphäre) hängt stark von den Umwandlungen ab, die die Elemente erfahren. [Lit. 2, S. 275]
Von besonderer Bedeutung ist die Biomethylierung durch Mikroorganismen (z. B. von Quecksilber, Blei, Chrom und Selen), da so metallorganische Berbindungen einer hohen Toxizität gebildet werden. [Lit. 2, S. 276]

G. Fellenberg faßt die Wirkung der Schwermetalle mit folgenden Worten zusammen: [Lit. 1, S. 128f]

"Die Toxizität der Schwermetalle ergibt sich aus ihrer Chelatisierung und Sulfidbildung mit biologisch aktiven Substanzen, insbesondere mit Enzymen. Daß trotz dieser einheitlichen [...] Wirkungsweise verschiedene Schwermetalle unterschiedliche Krankheitssymptome verursachen, geht besonders auf die unterschiedliche Verteilung der einzelnen Metalle im Körper zurück."

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Essentiell oder toxisch? [Lit. 3]

Eine Reihe von Metallen sind für den Körper als sogenannte Spurenelemente essentiell. Darunter befinden sich als Elemente, deren Fehlen zu Mangelerscheinungen führt, Eisen, Kupfer, Zink, Chrom, Selen, Cobalt und Molybdän. So führt ein Mangel an Chrom zu Diabetes, ein Mangel an Nickel zu einer Wachstumsverminderung.

Bei einigen Elemtenten, wie Arsen oder Nickel, ist die Funktion noch nicht hinreichend erkannt. Bei weiteren Elementen wie Blei, Cadmium, Quecksilber, Arsen oder Molybdän, wurde nachgewiesen, daß größere Mengen toxisch wirken.

Oftmals ist es lediglich eine Frage der aufgenommenen Menge, ob ein Element toxisch wirkt oder nicht. Diese Spanne ist je nach Element verschieden.

Chrom wird vom Körper erstaunlich gut vertragen: er toleriert ohne Schäden das 100-200fache des normalen Chrom-Gehaltes von ca. 0.01 bis 0.1 ppm.
Die täglich benötigte Menge an Cobalt, das als Zentralatom im Vitamin B12 für die Bildung der roten Blutkörperchen wichtig ist, beträgt ca. 0.1 Mikrogramm. Bei Dosierungen von 25-30 Milligramm pro Tag treten Vergiftungserscheingungen wie Magenbeschwerden, Herz- und Nierenschäden auf.

Andere Elemente, wie zum Beispiel Thallium, sind in jeglicher Konzentration giftig.

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Schwermetallemission in der Industrie

In der folgenden Tabelle sind einige Industriezweige aufgeführt, die Schwermetalle emittieren [Lit. 1, S. 124]:

Industriezweig

Cd Cr Cu Hg Pb Ni Sn Zn
Papierindustrie - + + + + + - -
Petrochemie + + - + + - + +
Chlorkaliproduktion + + - + + - + +
Düngemittelindustrie + + + + + + - +
Stahlwerke + + + + + + + +

Emissionen in die Gewässer 1995/1996 [Lit. 7]

Metall

1995 1996
Zink 123 t 117 t
Chrom 21 t 17 t
Kupfer 28 t 31 t
Nickel 24 t 21 t
Blei 19 t 15 t
Arsen 1.8 t 1.9 t
Cadmium 450 kg 427 kg
Quecksilber 294 kg 223 kg

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Informationen zu einigen Schwermetalle

Hier soll auf einige Schwermetalle, ihr Vorkommen und ihre Toxizität, etwas näher eingegangen werden.

Das Schwermetall Blei (Pb)

Blei selbst ist ein wichtiger Bestandteil von Legierungen, zum Beispiel für Akkumulatorbatterien. Über 80% wird nach Gebrauch wiedergewonnen. Bleipigmente werden in großem Maßstab für rostschützende Grundierungen und Farben verwendet.
Bleiorganische Verbindungen wie Tetraethylblei wurden und werden als "Antiklopfmittel" Treibstoffen zugesetzt. 1974 wurden in den USA 227250 Tonnen Blei in Form von Antiklopfmitteln verbrannt. Bleizusätze im Benzin beeinträchtigen die Funktion von Katalysatoren, die den Ausstoß anderer Schadstoffe wie CO vermindern. In der BRD war von 1976 bis 1985 eine tendenzielle Abnahme der Bleibelastung festzustellen.
Die beim Umgang mit Blei zu beachtenden Schutzmaßnahmen sind im TRGS 505 (6/88) festgelegt.[Lit. 3]

Die Toxizität Bleiorganischer Verbindungen ist von der anorganischer Bleiverbindungen zu unterscheiden. [Lit. 2, S. 248]

Sowohl Blei selbst als auch seine anorganischen Verbindungen sind toxisch (MAK für Blei: 0,1 mg/m3) [Lit. 3]. Da Blei jedoch nicht sehr gut vom Körper aufgenommen wird sind akute Vergiftungen selten. Gefährlich ist eine kontinuierliche Aufnahme kleiner Mengen. Die anorganische Bleiverbindungen reichern sich dann in den Knochen, Zähnen und den Haaren an, ihre Halbwertszeit im menschlichen Körper beträgt mehr als 20 Jahre. Die toxische Wirkung betrifft primär Nieren, Hoden, den Gastrointestinaltrakt, das Nervensystem und die Biosysnthese des Hämoglobins.
Die resultierene Bleikrankheit äußert sich in Müdigkeit, Appetitlosigkeit, Kopfschmerzen, Muskelschwäche, usw. Die Behandlung beruht auf einer Komplexierung des im Körer vorhanden Bleis mit stark chelatisierenden Reagenzien. [Lit. 4, S. 474]
Blei zeigt eine ausgeprägte Tendenz zur Anreicherung im Boden [Lit. 1, S. 152], zum Beispiel als schwerlösliches Bleiphosphat (Pb3(PO4)2, Pb4O(PO4)2, Pb5(PO4)3OH), Bleicarbonat (PbCO3) und Bleisulfid (PbS). Pflanzen sind gegenüber Blei resistenter als Menschen. Es ist daher darauf zu achten, daß sich Blei nicht in für Nahrungsmittel verwendeten Pflanzen anreichert.

Organische Bleiverbindungen, insbesondere Bleitetraethyl Pb(C2H5)4 wurden dem Benzin als "Antiklopfmittel" zugesetzt: durch ihren leichten Zerfall in Radikale sorgten sie dafür, daß die Explosion des Kraftstoffes im Motor nicht zu früh erfolgte. Den Treibstoffen wurden zusätzlich halogenierte Verbindungen zugesetzt, die mit dem Blei zu Bleihalogenen reagierten und somit als anorganische Bleiverbindungen den Motor verließen. Aufgrund ihrer hohen Fettlöslichkeit werden organische Bleiverbindungen schnell durch die Haut und die Lunge aufgenommen und gelangen schließlig in das Gehirn. Sofortige Folgen sind Halluzinationen, Erregungszustände und Krämpfe; Spätfolgen sind Parkinsonismus und Lähmungen. [Lit. 2, S. 248f]

Das Schwermetall Cadmium (Cd)

Cadmium ist ein Stoff, der nahezu allgegenwärtig ist ("ubiquitär"). [Lit. 1, S. 161f]
Das Metall wird primär für Schutzüberzüge verwendet. Geringere Mengen werden für Legierungen, Batterien und Stabilisatoren eingesetzt. [Lit. 4, S. 1543]
Cadmium wird im allgemeinen in wesentlich geringeren Mengen dem Boden zugeführt als Blei. Die Hauptbelastung besteht durch mit Verbrennungsabgasen verunreinigte Luft und durch Phosphatdünger, der je nach Herkunft einen unterschiedlichen Cadmiumgehalt aufweist. [Lit. 1, S. 153]
Eine orale Aufnahme von löslichen Cadmiumsalzen verursacht Erbrechen, Leberschäden und Krämpfe. [Lit. 3]
Die Halbwertszeit von Cadmium in den Körperzellen beträgt ca. 10 Jahre, es reichert sich somit leicht an!
Die durch eine Anreicherung entstandenen Schäden wurden als Itai-Itai-Krankheit bekannt, die sich zum Beispiel in Skelettschrumpfungen bemerkbar macht. [Lit. 1, S. 128]
Andere Leiden nach chronischer Cadmiumaufnahme, zum Beispiel durch die Luft, sind Schleimhautentzündungen ("Cadmiumschnupfen"), Schäden der Lunge und Niere. Im Tierversuch sind Cadmiumverbindungen eindeutig krebserregend. [Lit. 2, S. 249f]
Im Körper eines erwachsenen Menschen sind etwa 30 Milligramm Cadmium enthalten. [Lit. 3]
Die toxische Wirkung des Cadmiums ist darauf zurückzuführen, daß es in Zink-haltigen Enzymen das Zn substituiert und damit die Enzyme unwirksam macht. [Lit. 1, S. 127]

Das Schwermetall Chrom (Cr)

Im Jahre 1798 gewann der Franzose L. N. Vauquelin aus dem Mineral Krokoit (PbCrO4) durch Reduktion mit Tierkohle ein Metall, das aufgrund seiner Farbvielheit Chrom [griech. chroma, Farbe] genannt wurde.
Das Chromerz mit heutigiger wirtschaftlicher Bedeutung ist der Chromit, der in der Sowjetunion, in Südafrika und in den Phillipinen abgebaut wird. Chrom wird hauptsächlich zur Herstellung von Nichteisenlegierungen verwendet. [Lit. 4, S. 1288f]

Chrommetall kann zu allergischen Hautreaktionen führen. [Lit. 2, S. 91, 94f]
Von Chromverbindungen sind lediglich die Oxidationsstufen III und VI von toxikologischem Interesse. [Lit. 2, S. 250] Crom.(VI)-Verbindungen gelangen besser durch die Zellmembranen. Es wird angenommen, daß die meisten toxikologischen Workungen des Crom-(VI) auf eine Reduktion zu Chrom-(III) in der Zelle zurückzuführen sind. [Lit. 2, S. 250]
Chrom in der Oxidationsstufe III ist für Sägetiere ein essentielles Spurenelement [Lit. 4, S. 1329], in größeren Mengen jedoch schädlich.
Lokale Einwirkung von Chromaten und Dichromaten führen akut zu Verätzungen der Haut und der Schleimhäte. Inhaliertes Chrom-(VI) fürt zu schlecht heilenden Geschwüren des Atemtraktes. [Lit. 2, S. 250]
In der Oxidationsstufe VI blockiert Chrom viele Enzyme der Leber. [Lit. 1, S. 129]

Das Schwermetall Quecksilber (Hg)

Quecksilber ist nicht nur in seinen Verbindungen, sondern auch als Metall giftig. Eine Gefahr geht von dem relativ hohen Dampfdruck des Quecksilbers aus, so daß beim Arbeiten mit Quecksilber auf eine gute Durchlüftung geachtet werden sollte. Folgen einer regelmäßigen Quecksilberaufnahme durch die Luft sind Kopfschmerzen, Tremor, Blasenentzündung und Gedächtinsverlust. Ein lebendes Beispiel für den "Merkurialismus" war der Chemiker Alfred Stock, der bei seinen Untersuchungen der Bor- und Siliciumhydride Vakuumleitungen mit Quecksilber verwendete und demgemäß jahrelang Quecksilber ausgesetzt war. [Lit. 4, S. 1569]

Die Verwendung von Quecksilbersalzen zur Impregnation von Filzen bei der Hutherstelluung führte bei den Arbeitern zu nervösen Störngen. Daher leitet sich wahrscheinlich das englische Sprichtwort "beiing mad as a hatter" ab. [Lit. 4, S. 1569]

Besonders giftig sind organische Quecksilberverbindungen. Bekanntestes Beispiel einer Massenvergiftung mit solchen ist die in Minamata, Tokyo. G. Fellenberg faßt das Geschehen folgendermaßen zusammen: [Lit. 2, S. 127]

"Im Jahre 1953 erkrankten in Japan 121 Küstenbewohner an der Minamata-Bucht an Lähmungen, Seh- und Höhrstörungen. Diese Erkrankung, die unter dem Begriff Minamata-Krankheit in die Literatur einging, verlief bei etwa einem Drittel der Patienten letal. Intensive Nachforschungen ergaben, daß unbrauchbar gewordenes Hg aus einer Acetylenfabrik in einem Fluß deponiert wurde, der in der Minamata-Bucht mündet. Diese Quecksilber wurde [...] mikrobiell in Methylquecksilber überführt [...], das [...] schließlig jene Menschen erreichte, die sich vorzugsweise von Fischen und Muscheln aus den Küstengewässern ernährte."

Das Quecksilber wurde in der Nahrungskette des Menschen so lange angereichert, bis eine toxisch wirkende Konzentration erreicht wurde. Bis Gegen Ende 1972 wurden nachweislich 292 Krankheitsfälle gezählt, davon 92 mit tödlichem Ausgang. [Lit. 5]
Die Halbwertszeit des Quecksilbers in den meisten Körperzellen des Menschen beträgt ca. 80 Tage.

Das Schwermetall Thallium (Tl)

Metallisches Thallium besitzt nur geringe technische Bedeutung, die Weltproduktion ist mit 5 Tonnen Thallium pro Jahr entsprechend gering. [Lit. 4, S. 270] Die geringe technische Verwendung, darunter z. B. in der Infrarottechnik, liegt sicherlich an der extremen Toxizität des Metalls sowie der Verbindungen, die ein- oder dreiwertig vorkommen. Thallium-(III) wird im Körper zu Thallium-(I) reduziert. Dort verhält es sich pharmakokinetisch teilweise wie K+. Es wird gut resorbiert und reichert sich in der Haut, den Nägeln und den Haaren an. [Lit. 2, S. 250]
Vergiftungserscheinungen sind - vorausgesetzt die Vergiftung wird überlebt - psychische Störungen und Lähmungen. Wenige Milligramm Thallium führen zu Vergiftungserscheinungen wie dem Grauen Star, Haarausfall und Sehstöhrungen. [Lit. 3] Eine chronische Einwirkung kleinerer Dosen bewirkt unter anderem Fetteinlagerungen und Nekrose der Leber, Nierenentzündung und Zerstörung der Nebennieren und des Nervensystems. [Lit. 2, S. 250]
Einige Pflanzen wie zum Beispiel Grünkohl reichern Thallium stark an. Bei Laubbämen wird das Chlorophyll zerstört, es kommt somit zu Entlaubungserscheinungen, wie das Beispiel in der Einleitung zeigt.

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Literatur

Die Informationen zu diesem Beitrag wurden entnommen aus:

  1. G. Fellenberg: Chemie der Umweltbelastung
    Teubner Studienbücher, Stuttgart 1990
  2. G. Eisenbrand und M. Metzler: Toxikologie für Chemiker: Stoffe, Mechanismen, Prüfverfahren
    Georg Thieme Verlag, Stuttgart 1994.
  3. J. Falbe und M. Regitz (Hrsg.): CD Römpp
    9. erweiterte und überarbeitete Auflage des Römpp Chemie Lexikons auf CD-ROM, Version 1.0
    Georg Thieme Verlag, Stuttgart 1995
  4. N. N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemie der Elemente
    VCH, Weinheim 1990
  5. Informationen des Umweltbundesamtes: Umweltkatastrophen. [Online]. Available: http://www.umweltbundesamt.de/ uba-info-daten-t/daten-t/umweltkatastrophen.htm. [15.12.97].
  6. Informationen des Umweltbundesamtes: Klärschlammverordnung. [Online]. Available: http://www.umweltbundesamt.de/ uba-info-daten-t/daten-t/klaerschlammverordnung.htm. [15.12.97].
  7. Responsible Care. Daten der chemischen Industrie zu Sicherheit, Gesundheit, Umweltschutz. Bericht '97.
    Verband der Chemischen Industrie e.V., Frankfurt.

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