Umweltanalytik

Ohne Umweltanalytik

• sind wir und unsere Umwelt unbekannten und z.T. gefährlichen und unnötigen Belastungen ausgesetzt
• sind von Schadstoffen ausgehende Gefahren und Risiken unbekannt
• ist das Ausmaß der Belastungen und der Schäden nicht greifbar
• können Belastungsgrenzen nicht definiert werden
• werden möglicherweise falsche Entscheidungen getroffen
• können keine rechtlichen Anforderungen zur Beseitigung bzw. Reduzierung von Belastungen gestellt werden
• gibt es keine effektive Kontrolle auf dem Entsorgungssektor

Allgemeines

Wasser ist die Grundlage des Lebens und damit ein essentieller Naturstoff. Deshalb ist die Wasserqualität von hoher Bedeutung für alle Lebewesen und ihre Umwelt.

Zu hohe Konzentrationen der Nährstoffe Stickstoff und Phosphor in aquatischen Lebensräumen führen zur Gewässereutrophierung zur Überdüngung der Gewässer, die schwerwiegende Auswirkungen auf die Tier- und Pflanzenwelt hat. Weitere Gefahr droht von zahlreichen eingetragenen Chemikalien, wie z. B. Arzneimittelrückständen, langlebigen Pestiziden, toxischen Schwermetallen, Industriechemikalien oder sonstigen Schadstoffen.

Besonders gefährlich sind Stoffe, die sich z.B. aufgrund ihrer guten Fettlöslichkeit in der Nahrungskette anreichern. Beim Durchlaufen der verschiedenen Stufen der Nahrungskette können Schadstoffe um den Faktor von mehreren Millionen gegenüber der ursprünglichen Konzentration im Wasserkörper angereichert werden, wie die Grafik zur Anreicherung von polychlorierten Kohlenwasserstoffen im Lake Ontario in den USA beispielhaft zeigt.

Seit den 70er Jahren wurden internationale Abkommen getroffen, um die Nährstoffund Schadstoffeinträge in die Meere zu mindern. Grenz- oder Richtwerte verschiedener chemischer Stoffe wurden in Gesetzen, Verordnungen oder Richtlinien eingeführt.

Mit der im Jahr 2000 eingeführten EG-Wasserrahmenrichtlinie wurde europaweit das Wasser zum besonders hohen Schutzgut erklärt, das für die Bereiche Oberflächenwasser und Grundwasser einen guten Zustand aufweisen soll. Der gute Zustand im Grundwasser wird über den guten quantitativen und den guten chemischen Zustand definiert. Die Einstufung des guten ökologischen Zustandes im Oberflächenwasser erfolgt in erster Linie an Hand von biologischen Qualitäts- komponenten unter Berücksichtigung physikalisch-chemischer, chemischer und hydromorpholgischer Aspekte. Zur eigenständigen Bewertung des chemischen Zustandes in Oberflächenwasser werden Umweltqualitätsnormen für prioritäre Stoffe, für bestimmte andere Schadstoffe und Nitrat nach Anlage 7 der Verordnung zum Schutz der Oberflächengewässer (OGewV) herangezogen.

Umweltanalytische Daten sind das Fundament zur Beschreibung des aktuellen Umweltzustandes, zur Beurteilung von Umweltveränderungen und als Grundlage weitreichender Entscheidungen.

In Niedersachsen wird bereits seit 1912 Wasseranalytik betrieben. Ergebnisse des heutigen NLWKN-Labors aus Wasser- und Sedimentuntersuchungen im Rahmen langfristiger Messprogramme z. B. des GÜN (Gewässerüberwachungssystem Niedersachsen) fließen in nationale und internationale Bewertungen ein. Zusätzliche Monitoringprogramme werden flexibel gestaltet um neue relevante Schadstoffe, wie zum Beispiel Arzneimittel, erfassen zu können.

Das NLWKN-Labor ist ein chemisch-ökotoxikologisch-radiologisches Labor, das sich aus drei Bereichen zusammensetzt:

Empfindlichkeits- und Konzentrationsbereiche in der Umweltanalytik

Üblicherweise werden Nährstoffe und andere Wasserinhaltsstoffe im mg/l-Bereich analysiert. Gefahrstoffe müssen meistens bis hinunter in den Mirkrogrammbereich analysiert werden. Besonders gefährliche Stoffe, wie z.B. Dioxine und spezielle Medikamente oder Pflanzenschutzmittel sucht man auch im Nanogrammbereich.
Der Picogrammbereich kann nur von sehr wenigen Analysenverfahren erreicht werden und bildet noch die Ausnahme bei den gesetzlichen Anforderungen an die Analytik.

Je nach Fragestellung werden in jedem Bereich moderne, hoch empfindliche Analyse- verfahren eingesetzt. In den folgenden Tabellen werden die analytischen Aufgaben und Methoden der Labor-Bereiche näher dargestellt:

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Klassische Wasseranalytik

Klassische Wasseranalytik im NLWKN

• Nährstoffe z. B. Ammonium, Nitrit, Nitrat, Phosphat
• Anionen z. B. Chlorid, Sulfat
• Chlorophyll
• Allgemeine Kenngrößen z. B. Abfiltrierbare Stoffe, Trockensubstanz, Glühverlust
• Summenparameter, z. B.
  Chemischer Sauerstoffbedarf - CSB,
  Biologischer Sauerstoffbedarf - BSB,
  Gesamter Organischer Kohlenstoff - TOC,
  Gelöster Organischer Kohlenstoff - DOC,
  Gesamter gebundener Stickstoff - TNb
• Meerwasseranalytik, d. h. Nährstoffe in sehr niedrigen Konzentrationen in salzhaltiger Matrix

Methoden/Geräte

• Photometrie
• Fließanalyse mit spektrometrischer Detektion (Continuons Flow Analytik (CFA), Fließinjektionsanalyse (FIA))
• Ionenchromatographie mit Leitfähigkeits- und UV-Detektion
• Chemilumineszenz-Detektion nach katalytischer Verbrennung
• Maßanalytische Bestimmungen (CSB, BSB)

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Elementanalytik

Eines der modernsten Geräte in der Elementbestimmung ist die ICP-MS (inductively-coupled-plasma mass-spectrometry). Einige Elemente, wie z.B. das Uran können damit bis in den Picogramm-Bereich bestimmt werden.

Elementanalytik, Schwermetalle

• Schwermetalle, z.B. Blei, Cadmium, Quecksilber, Zink, Zinn, Kupfer, Silber, Gold, Platin, Chrom, teilweise im Ultraspurenbereich
• Alkali- und Erdalkalimetalle, z. B. Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium
• Spezielle Elemente, z. B. Uran
• Sonderbestimmungen, z.B. Phenolindex, Cyanid, Gesamtfluorid

Methoden/Geräte

• induktiv gekoppelte Plasma-Atom-Emissionsspektrometrie (ICP-OES)
• Induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS)
• Atomabsorptionsspektroskopie (AAS)
• Atomfluoreszenzspektroskopie (AFS)
• Inversvoltammetrie

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Organische Spurenanalytik

In der organischen Spurenanalytik wird empfindliche, komplexe und entsprechend teure Analysentechnik eingesetzt. Hier ist der Messraum für Massenspektrometer mit Gaschromatographen dargestellt.

Bevor die Konzentration der organischen Einzelstoffe im Messgerät bestimmt werden kann, müssen die Stoffe aufwändig aus den Wasser- oder Sedimentproben extrahiert und angereichert werden. Dabei ist sehr viel Handarbeit erforderlich.

Organische Spurenanalytik

• Arzneimittel, endokrin wirksame Schadstoffe
• Leichtflüchtige Stoffe und Lösungsmittel (z. B. Benzol)
• Pflanzenschutzmittel
• Organochlor-Insektizide
• Chlorbenzole, Chlorphenole
• Polychlorierte Biphenyle (PCB)
• Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK)
• Komplexbildner
• Organozinnverbindungen

Methoden/Geräte

• Gaschromatographie (GC) in Verbindung mit verschiedenen Detektoren wie Flammenionisationsdetektor FID, Elektronen-einfangdetektor ECD, Stickstoff-Phosphordetektor PND)
• Hochdruckflüssigkeitschromatographie (HPLC) in Verbindung mit verschiedenen Detektoren wie UV)
• Massenspektrometrie (GC-MS, HPLC-MS-MS)

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Ökotoxikologie

In der Öktoxikologie werden Wasser- proben oder Einzelstoffe auf ihre Giftigkeit hin untersucht. Dazu werden Testorganismen eingesetzt, die im Labor gezüchtet werden. Vorausset- zung dafür sind ein grüner Daumen, viel Erfahrung und viel, viel Handarbeit.

Ökotoxikologie

• Toxizitätsprüfungen in Wasser und Sedimenten mit Tieren, Pflanzen und Bakterien
• Gentoxizität
• Biochemische Messungen

Methoden

• Fischeitest
• Daphnientest
• Algentest
• Leuchtbakterientest
• Umu-Test
• Chlorophyllbestimmung

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Radiochemische Analytik

Messungen der Radioaktivität können am einfachsten mit Handmessgeräten erfolgen. Deren Empfindlichkeit ist für die Bestimmung der Umweltradioaktivität jedoch bei weitem nicht ausreichend. Hierfür ist komplexe und gut mit Blei abgeschirmte Spezialmesstechnik erforderlich.

Radiochemische Analytik

• Immissionsmessung I: Ermittlung der Radioaktivität in der Umwelt nach dem Strahlenschutzvorsorgegesetz (LINK)
• Immissionsmessung II: Ermittlung der Radioaktivität in der Umgebung kerntechnischer Anlagen (LINK)
• Messung von radioaktiven Stoffen im Auftrag der Sachverständigen Stelle Strahlenschutz (LINK)
• Aerosolmessungen für die Emissionsüberwachung kerntechnischer Anlagen
• Abwasser- / Kühlwassermessungen für die Emissionsüberwachung kerntechnischer Anlagen und anderer Einleiter radioaktiver Stoffe

Methoden/Geräte

• Multinuklidanalysen mittels spektrometrischer Verfahren
  o α-Spektrometrie
  o g-Spektrometrie
  o Induktiv
  
• Einzel-Nuklid-Bestimmung mit Nuklid selektiven Verfahren und Bestimmung von Summenparametern
  o Flüssig-Szintillation-Zähler (LSC:Liquid-Scintillation-Counting)
  o Proportionalzählrohr
  o Induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS)
  
• Hoch selektive Verfahren zur Analyt-(Nuklid)-Matrixtrennung
  o Flüssig-Flüssig-Extraktion
  o Festphasenextraktion