Die Umwelt

Report
270192 VO Umweltchemie
Sommersemester 2013
Empfohlene Literatur:







Boden
Scheffer/Schachtschabel, Lehrbuch der Bodenkunde, 16. Auflage, Spektrum Akademischer
Verlag (2010)
Gewässer
Laura Sigg und Werner Stumm, Aquatische Chemie, Einführung in die Chemie natürlicher
Wässer, 5. Auflage, UTB, vdf Hochschulverlag an der ETH Zürich (2011)
Christian E.W. Steinberg, Ecology of Humic Substances in Freshwaters, Springer Verlag Berlin
Heidelberg New York (2003)
Umwelt-Radioaktivität
Agemar Siehl, Umweltradioaktivität, Ernst & Sohn Verlag für Architektur und Technische
Wissenschaften, Berlin (1996)

Umwelt-Mikrobiologie

Wolfgang Fritsche, Umwelt-Mikrobiologie, Gustav Fischer Verlag Jena (1998)

Atmosphäre






Detlev Möller, Luft (Chemie, Physik, Biologie, Reinhaltung, Recht), Walter de Gruyter Berlin
New York (2003)
Klimawandel
Peter Fabian, Leben im Treibhaus, unser Klimasystem und was wir daraus machen, Springer
Verlag Berlin Heidelberg New York (2002)
Helga Kromp-Kolb/Herbert Formayer, Schwarzbuch Klimawandel, ecowin Verlag der
TopAkademie Salzburg (2005)
Technische Umweltchemie
Stefan Fränzle, Bernd Markert und Simone Wünschmann, Technische Umweltchemie, ecomed
MEDIZIN Verlagsgruppe Hüthig Jehle Rehm (2005)








Die „Umwelt“ als gemeinsam genutzter Raum außerhalb
der körperlichen Grenzen der lebenden Organismen
Der Begriff „Natur“ ist umfassender und schließt die
lebenden Organismen mit ein
Die lebenden Organismen geben Stoffe an die Umwelt ab
und nehmen andere daraus auf
Die heutige Zusammensetzung und Funktion der
Umweltkompartimente Luft, Wasser und Boden sind das
Ergebnis einer Co-Evolution des Lebens und der
lebenserhaltenden Umwelt
Die Umweltkompartimente sind nicht unveränderlich
vorhanden, sondern müssen ständig regeneriert werden
Dafür zuständig sind physikalisch-chemische Prozesse
und biologische Prozesse, die, gesteuert durch natürliche
Regelsysteme, zusammenwirken
Daher ist in der chemischen Zusammensetzung und
Struktur der natürlichen Umwelt nichts zufällig und
nichts belanglos
Nicht nur Hauptkomponenten, auch Spurenstoffe können
in der Umwelt eine lebenswichtige Rolle spielen




Die Organismen im Ozean und an Land geben eine
Vielzahl von Stoffen an die Umwelt ab und nehmen
andere auf.
Die Vielzahl der Stoffflüsse und Stoffumwandlungen
führt zu einem komplizierten, vernetzten
Wirkungsgefüge, von dessen einwandfreiem
Funktionieren alles Leben auf der Erde abhängt.
Wenn der Mensch, ohne Rücksicht auf dieses
Wirkungsgefüge, Stoffe freisetzt oder Ökosysteme
zerstört, so kann es zu lebensfeindlichen Bedingungen
kommen, regional und sogar auch global.
Um dieser Gefahr zu begegnen, sind Maßnahmen
notwendig, es ist meistens nur die Frage, welche
Maßnahme ist die richtige? Da kann die
umweltchemische Forschung helfen.

as the human population has grown and the power of technology
has expanded, the nature of this modification has changed
drastically;
Claude Monet



until recently, the term “human-dominated ecosystems” would
have elicited images of agricultural fields, pastures, or urban
landscapes;
now it applies with greater or lesser force to all of Earth;
many ecosystems are dominated directly by humanity, and no
ecosystem on Earth‘s surface is free of pervasive human influence.





One-half of the land surface has
already been transformed by human
action;
the carbon dioxide concentration in
the atmosphere has increased by 30
percent since the beginning of the
Industrial Revolution;
more atmospheric nitrogen is fixed by
humanity than by all natural sources
combined;
more than half of all accessible surface
fresh water is put to use by humanity;
about one-quarter of the bird species
on Earth have been driven to
extinction.
By these and other
standards, it is clear that
we live on a human
dominated planet.



The rates, scales, kinds, and combinations
of changes occurring now are
fundamentally different from those at any
other time in history;
There is no clearer illustration of the extent
of human dominance of Earth than the fact
that maintaining the diversity of “wild”
species and the functioning of “wild”
ecosystems will require increasing human
involvement.
To provide scientific basis for active
management we must accelerate our efforts
to understand Earth‘s ecosystems and how
they interact with the numerous
components of human-caused global
change. (Vitousek et al., Science 277, 1997)
Bild: Heinz Sauren 2011




According to UNEP “A Global Green New Deal 2009”
the “wild” and “healthy” ecosystems are our
ecological infrastructure.
Ecological infrastructure refers to healthy ecosystems
like water catchments and river systems, wetlands,
soil, forests, oceans, and coral reefs, which provide
substantial economic services at national and in many
cases global level.
Ecological infrastructure contributes directly to human
well-being. It is as vital to the functioning of the
economy as physical infrastructure such as roads,
electricity, and telecommunications
it contributes directly to human well-being and is
indispensable for a functioning economy.



The contributions of healthy “wild” ecosystems to the
economy are still unappreciated
because their services are seen as being provided
naturally and thus not accounted for nor priced.
This has led to the long-standing disregard of this sector
in public policies and to a global degradation and loss of
aera and the life-sustaining services provided by the
Earth’s ecosystems.
Umweltchemische Forschung ist
eine Zukunftsdisziplin, die entscheidend
dazu beitragen wird, die Tendenz zur
Degradation der Ökosysteme und zum
Schwund der Artenvielfalt unseres Planeten
wirksam zu stoppen, und zugleich die
Gesundheit und Lebensqualität der
Menschen nachhaltig zu sichern.
Gravierende Umweltprobleme,
welche die Funktionsfähigkeit des
Ökosystems Erde beeinträchtigen und die
Menschheit in Zukunft zunehmend zu
belasten drohen, harren derzeit einer Lösung.
Diese Lösung kann nur auf Basis eines
vertieften Verständnisses der vielfach
vernetzten chemischen Vorgänge in der
natürlichen Umwelt gefunden werden.
Die Entwicklung neuartiger
Technologien zur Vermeidung von
Umweltproblemen gehört mit zu den
Forschungszielen.
Die beobachteten natürlichen
Systeme sind äußerst komplex und nur ein
interdisziplinärer Ansatz kann zum Erfolg
führen.
Fischadler, wie viele
Greifvögel vom Aussterben
bedroht
Co-evolution of flowering plants and
pollinators



The study shows humans' large dependency
on ecosystem services e.g. for such vital sectors
as food production.
The fact is that of the 100 crop species that
provide 90 per cent of the world's food, over 70
are pollinated by bees (honey bees and wild
bees).
In Europe: 84% of the 264 types of grains and
4000 types of vegetables are insect-pollinated.



The transformation of the countryside and rural
areas in the past half century has triggered a
decline in wild-living bees and other pollinators.
Society is increasingly investing in 'industrialscale' hives and managed colonies to make up the
shortfall and going so far as to truck bees around
to farms and fields in order to maintain our food
supplies.
Human beings have fabricated the illusion that in
the 21st century they have the technological
prowess to be independent of nature. Bees
underline the reality that we are more, not less
dependent on nature's services in a world of close
to seven billion people.
Relative visitation by honey bees and wild
insects to flowers of 41 crop systems on
six continents.
Source: “Wild Pollinators Enhance Fruit
Set of Crops Regardless of Honey Bee
Abundance” Science 29 March 2013:
vol. 339 no. 6127 1608-1611
On a Connecticut highway, bees being
transported by truck for pollination.
Photo by Emmett Pepper




Habitat degradation and declines in
flowering plants: Since the 1980s, there has
been a 70% drop in key wild flowers, 20 000
flowering plant species are on the brink of
extinction
Increasing use of chemicals in agriculture,
including 'systemic insecticides' and those
used to coat seeds, is being found to be
memory-damaging or toxic to bees.
World-wide spread of parasites and diseases
Air pollution: scents that could travel over
800 m in the 1800s now reach less than 200 m
from the plant



Systemic insecticides are incorporated by treated
plants. Insects ingest the insecticide while
feeding on the plants.
The neonicotinoids are a class of systemic
insecticides with a mode of action that affects the
central nervous system of insects, causing
disorientation, paralysis and death. Because the
neonicotinoids block a specific neural pathway
that is more abundant in insects than vertebrates,
these insecticides are selectively more toxic to
insects than mammals. They bind at a specific
site, the postsynaptic nicotinic acetylcoline
receptor
Imidacloprid is the most widely used insecticide
in the worldwide market.


Guttation fluid contains a variety of
organic and inorganic compounds,
mainly sugars, and mineral nutrients
Bees are drinking guttation droplets on
cereal leaves



Diploma thesis by Gina Tanner (2010),
supervisor Prof. Karl-Heinz Wagner:
The first matter of investigation of this thesis
dealt with a possible exposure route of
honeybees towards neonicotinoid insecticides,
focusing on the detection and quantification
of neonicotinoids in the guttation liquid of
maize plants cultivated from neonicotinoidtreated seeds using LC-MS/MS.
The investigated neonicotinoids clothianidin,
imidacloprid and thiamethoxam were
detectable in the guttation liquid in
considerable quantities in the ppm range.





Gina Tanner (2010):
Two neonicotinoid insecticides were detectable
in the analysed honey samples, imidacloprid
and thiacloprid.
Honey samples from hives with reported losses
of honeybees proved to be contaminated more
often and with higher amounts of thiacloprid
than standard monitoring samples.
Further, flower honey samples contained on
average higher thiacloprid residues than
forest honey samples.
Nine out of eleven nectar samples contained
thiacloprid.
Cholinergic pesticides cause mushroom body
neuronal inactivation in honeybees
Mary J. Palmer, Christopher Moffat, Nastja Saranzewa, Jenni Harvey, Geraldine A. Wright
& Christopher N. Connolly
Pesticides that target cholinergic neurotransmission (a receptor is cholinergic if it uses acetylcholine as its
neurotransmitter) are highly effective, but their use has been implicated in insect pollinator population
decline.
Honeybees are exposed to two widely used classes of cholinergic pesticide: neonicotinoids (nicotinic
receptor agonists) and organophosphate miticides (acetylcholinesterase inhibitors). Sublethal levels of
neonicotinoids disrupt honeybee learning and behaviour
Using recordings from mushroom body Kenyon cells in acutely isolated honeybee brain, Palmer et al. show
that the neonicotinoids imidacloprid and clothianidin, and the organophosphate miticide coumaphos oxon,
cause a depolarizationblock of neuronal firing and inhibit nicotinic responses. These effects are observed at
concentrations that are encountered by foraging honeybees and within the hive, and are
additive with combined application. Our findings demonstrate a neuronal mechanism that
may account for the cognitive impairments caused by neonicotinoids, and predict that
exposure to multiple pesticides that target cholinergic signalling will cause
enhanced toxicity
to pollinators.
NATURE COMMUNICATIONS | 4:1634 | DOI:
10.1038/ncomms2648
|www.nature.com/naturecommunications (2013)
Acetylcholin
Der Bienentanz
entdeckt von Karl von Frisch, Nobelpreis 1973
http://www.wasistwas.de
Den „Rundtanz“ wendet die Biene an,
wenn sich die Blüten in einer Entfernung
von weniger als 100 Metern befinden. Ist
die Nahrung weiter entfernt, setzt die Biene
den „Schwänzeltanz“ ein. Die Tanzrichtung
weist auf die Lage der Pflanzen im
Vergleich zu Bienenstock und Sonne hin.
Je langsamer getanzt wird, umso weiter
müssen die Bienen fliegen. Auf diese
Weise können sich die Bienen den Fundort
auf eine Entfernung bis zu zehn Kilometer
hin mitteilen. Bienen können auch nachts
einen Richtungstanz vorführen, indem sie
sich auf den Sonnenstand unter dem
Horizont beziehen.
Eine auch nur leichte Beeinträchtigung
durch Neonicotinoide zerstört diese
Fähigkeiten.
news.ORF.at
29. April 2013
die EU-Mitgliedsstaaten haben sich mehrheitlich für ein
Teilverbot von drei umstrittenen Pestiziden
ausgesprochen. Wie ein Teilnehmer der
entscheidenden Sitzung heute in Brüssel der
Nachrichtenagentur AFP sagte, stimmten 15 Staaten
für das Verbot. Acht Länder waren dagegen und vier
enthielten sich der Stimme.
Österreich stimmte gegen Verbot
Österreich stimmte gegen das Verbot von Pestiziden,
um das Bienensterben einzudämmen, hieß es aus
Parlamentskreisen in Brüssel. Damit liegt die
Entscheidung nun bei der EU-Kommission, die ein
Verbot befürwortet.
EU-Gesundheitskommissar Tonio Borg bedauerte, dass
die notwendige Mehrheit nicht erreicht wurde,
versprach aber, alles zu tun um sicherzustellen, dass
„unsere Bienen, die so wichtig für unser Ökosystem
sind und der europäischen Landwirtschaft einen
Beitrag von jährlich mehr als 22 Mrd. Euro leisten,
geschützt werden.“
Zu den Produzenten der Pestizide gehören die
Chemiekonzerne Bayer und Syngenta. Bayer hat das
Verbot als unverhältnismäßig kritisiert
B
Maternal consumption of fish is believed to be the major route of
exposure for newborns.
The methylation of mercury in the aquatic environment is a
critical step toward accumulation of this toxic metal in the
aquatic food chain.
MeHg+ is produced in the environment primarily by anaerobic
bacteria that exist in most natural settings.
MeHg+ levels in aquatic systems vary widely and do not
necessarily correlate to the total amount of mercury in water or
sediments but depend on the productivity of the anaerobic
microorganisms that can methylate mercury and the bioavailability of
inorganic Hg(II) that can be taken up by these bacteria.
Source: dx.doi.org/10.1021/es304370g | Environ. Sci. Technol. 2013,
47, 2441−2456
Organische Quecksilberverbindungen
•Wichtig ist ausschließlich die Oxidationsstufe +II
•Monoorganyle RHgX, Diorganyle R2Hg
•linear gebaut
•Kovalente Bindung Hg-C
•relativ geringe Bindungsenergien 50 – 200 kJ/mol
•kann leicht homolytisch unter Bildung von Radikalen
gespalten werden (thermische oder photolytische
Zersetzung)
•Lebensdauer in der Atmosphäre nur wenige Stunden
Gefährlichkeit des Dimethylquecksilber
Karen Wetterhahn (1948-1997) war Chemikerin und Professorin in
New Hampshire. Sie beschäftigte sich mit der Toxizität von
Schwermetallen.
1996 wenig beachteter Unfall im Labor: verschüttetes
Dimethylquecksilber drang durch ihre Latexhandschuhe und kam auf
ihre Haut. Sie wusch sich einfach nur die Hände und wurde nicht
weiter untersucht/behandelt.
Mehrere Monate später wurde sie plötzlich krank. Sie erinnerte sich an
den Vorfall mit dem Dimethylquecksilber, und wurde untersucht. Die
Quecksilberkonzentration in ihrem Blut betrug das Achtzigfache des
toxischen Schwellenwerts. Trotz sofort begonnener Therapie mit
Dimercaptopropansulfonsäure starb sie an der Quecksilbervergiftung.
Aufgrund dieses Ereignisses wurden die Verwendung von
Dimethylquecksilber als Standard in der NMR-Spektroskopie
eingestellt.
Die Bildung des Methylquecksilbers in der
Umwelt
• kann auf biotischem als auch auf abiotischem
Weg erfolgen,
• wobei die biochemische Quecksilbermethylierung
durch Mikroorganismen verursacht wird
•Eine wichtige Bakteriengruppe für die
Quecksilbermethylierung sind Sulfat-reduzierende
Bakterien in Sedimenten
Methylcobalamin
Die Methylierung des
Quecksilbers erfolgt mit Hilfe
von Methylcobalamin.
Wird ausschließlich von
Mikroorganismen
synthetisiert. Besitzt ein
Corrin-Ringsystem.
Im Fall des
Methylcobalamins
(MeCoB12) ist das Kobaltion
mit einer Methylgruppe
substituiert. Diese
Methylgruppe kann als
Carbanion (CH3-) auf
Quecksilber(II) übertragen
werden. Beim Übergang der
Methylgruppe wird die
Oxidationsstufe des
Quecksilbers nicht
verändert.
Entstehung von Dimethylquecksilber bei der Zersetzung
von Monomethylquecksilber in Anwesenheit von H2S
(H2S wird durch die mikrobielle Sulfatreduktion in
reduzierenden Sedimenten gebildet):
2 CH3Hg+ + S2- → CH3Hg-S-HgCH3 → (CH3)2Hg + HgS
Eigenschaft
Hg0
Wasserlöslichkeit
g/L bei 25°C
6·10-5
5
Dampfdruck
Pa bei 25°C
0,25
1,76
CH3HgCl (CH3)2Hg
HgCl2
Hg2Cl2
HgS
3
73
4·10-4
1,9·10-24
8300
0,016
1,3·10-8
nicht
messbar
Cinnabar on Dolomite
http://de.wikipedia.org/wiki/Cinnabarit
Quelle: Heiko Potgeter






Die Demethylierung von Methylquecksilber in Gewässern
erfolgt biologisch oder durch UV Licht (Wellenlänge <400
nm)
Der photolytische Prozess ist dominant
Der Abbau durch Sonnenlicht in Süßwasserseen erfolgt
relativ rasch,
jedoch wesentlich langsamer in marinen Gewässern!
Die Abbaurate hängt vom Liganden ab: CH3Hg-ThiolKomplexe mit Huminstoffen werden rasch abgebaut, da im
Zuge photochemischer Prozesse Singulett-Sauerstoff
entsteht
Bei hohen Chloridkonzentzrationen (wie im Meerwasser)
liegt Methylquecksilber als Chloridkomplex vor, der nur
sehr langsam abgebaut wird
(Lit.: Tong Zhang und Heileen Hsu-Kim, Nature Geoscience 3, 2010)
Quelle: Japanisches Umweltministerium,
2012



Minamata Disease, was first discovered in 1956,
around Minamata Bay in Kumamoto Prefecture.
Since the discovery of the disease, investigation
of the cause has been made, and finally in 1968,
the government announced its opinion that
Minamata Disease was caused by the
consumption of fish and shellfish contaminated
by methylmercury compound discharged from a
chemical plant (Chisso Co., Ltd).
Japanisches Umweltminsterium, 2012






Beginning in the Taisho period (1912-1926), pollution of the ocean by
the wastewater from the Chisso factory occasionally became a
problem.
However, from 1932 to 1968 the company continued to use inorganic
mercury as a catalyst in producing acetaldehyde, which was used to
produce acetic acid and vinyl chloride.
Methyl mercury, a by-product of the production process, was
discharged virtually untreated into the sea until 1966.
Even after Chisso knew its factory wastewater was the cause of
Minamata disease, it did not suspend operations.
12,617 people have been officially recognized as patients affected by
mercury
http://www.soshisha.org/english/10tishiki_e/10chisiki_3_e.pdf
There is a growing “dead
zone” in the Gulf of Mexico,
the size of Pennsylvania,
poisoned by run-off from
our society and carried by
the Mississippi River. Photo
credit: LUMCON.edu
Foto: NOAA




Für luftatmende Organismen steht immer
reichlich Sauerstoff zur Verfügung,
im Wasser kann Sauerstoff rasch zum
Mangelfaktor werden, denn die O2
Diffusion läuft im Wasser etwa um einen
Faktor 100 langsamer ab als in der Luft
Hypertrophierung: Das Tempo des
Aufbaus organischen Materials ist infolge
des zu hohen Angebots an
Pflanzennährstoffen zu hoch, sodass
während des Abbaus die SauerstoffNachlieferung nicht rasch genug erfolgen
kann
Das Wasser schichtet sich infolge
temperatur- und salinitätsbedingter
Dichteunterschiede. Aufbau und Abbau
organischen Materials erfolgt daher an
verschiedenen Orten.
University of Maryland,
Center for Environmental
Science
Dead Zone: 20 000 km2
Credit: Courtesy of Kerry St. Pe
Waldsterben und Sterben der
Seen in Skandinavien gestoppt!
Bild: Wetzel






Eine der ersten anthropogenen Umweltgefährdungen, deren
man sich bewusst geworden ist.
Saurer Regen pH<5.5 entsteht durch Abgase von Industrie und
Verkehr, enthält Salpetersäure und Schwefelsäure.
Nicht der direkte Eintrag von saurem Regen in den See bewirkt
die Zerstörung, sondern die fortschreitende Bodenversauerung
im Einzugsgebiet des Sees, die zur Verwitterung von
Alumosilikaten und zu toxischen Al3+ Konzentrationen führt.
Es kommt auch zur Oligotrophisierung durch Fällung von
Phosphat.
Nordische Nadelwälder auf Silicatgestein haben von Natur aus
saure, schwach gepufferte Böden und sind daher besonders
empfindlich gegen den anthropogenen Eintrag starker Säuren.
Bei uns greifen sehr gut die gesetzlichen Bestimmungen zur
Abgasreinigung, jedoch ist das Problem in Asien noch weit
verbreitet.

similar documents