Giftige PAK-Luftschadstoffe aus fossilen Brennstoffen "vermehren" sich im Sonnenlicht

Einige "Kinder"-Verbindungen können giftiger sein als die "Eltern"-PAKs. Flüsse und Dämme, die von PAKs betroffen sind, sind wahrscheinlich mit einer viel größeren Anzahl von Toxinen kontaminiert, als von den großen Verursachern emittiert werden, zeigen Forscher in Chemosphere.

Ein Kohlekraftwerk und eine Zigarette haben mehr gemeinsam, als man denkt. Das gilt auch für die Auspuffrohre von Autos und die Verbrennung von Ernterückständen. Das Gleiche gilt für ein Flugzeug, das hoch über einem Waldbrand fliegt, der Bäume und Gras verwüstet.

All dies produziert eine Klasse von "Signatur"-Giftstoffen, genannt PAKs, wenn fossile Brennstoffe oder organisches Material nicht vollständig verbrannt werden. Diese PAK-Signaturen sind deutlich genug, dass Wissenschaftler die wahrscheinlichen Quellen der Verschmutzung bestimmen können. Dies können sie durch die Analyse von Wasser- und Sedimentproben aus Flüssen und Dämmen, die von der Verschmutzung betroffen sind, tun.

PAKs sind polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe.

Einige der "Eltern"-PAK-Verbindungen aus Verschmutzungsquellen zerfallen in kleinere "Kinder"-Verbindungen und bilden zusätzliche Nebenprodukte, wenn sie dem Sonnenlicht ausgesetzt werden, zeigen die Forscher in einer in Chemosphere veröffentlichten Studie.

Einige "Kinder"-Verbindungen sind giftiger als die ursprünglichen "Eltern"-PAKs, wie andere Studien ergeben haben.

Das bedeutet, dass wahrscheinlich mehr giftige, krebserregende PAK-Verbindungen in Dämmen und Flüssen vorhanden sind - und zwar gleichzeitig - als bisher angenommen, sagt Dr. Mathapelo Seopela, der Hauptautor der Studie. Seopela ist Forscher in der Abteilung für Chemie an der Universität Johannesburg.

"Bei Verbrennungsprozessen entstehen PAKs, die in ihrer Größe zwischen zwei und sechs verschmolzenen Benzolringen variieren. Je heißer der Verbrennungsprozess ist, desto größer ist die Verbindung, die sich bildet, und desto schädlicher ist sie", sagt sie.

"Wenn zum Beispiel Kohle in einem Kohlekraftwerk zur Stromerzeugung verbrannt wird, bilden sich wahrscheinlich PAK mit fünf und sechs Ringen. Das liegt daran, dass der Verbrennungsprozess bei einer sehr hohen Temperatur stattfindet, über 1000 Grad Celsius."

Diese großen PAK-Verbindungen wandern mit dem restlichen Rauch aus den Kühltürmen des Kraftwerks. Der Wind kann die Verbindungen dann ziemlich weit weg wehen, zu Flüssen, Dämmen, landwirtschaftlichen Flächen oder in die nächste Stadt.

"Wenn Benzin in einem Automotor verbrannt wird, bilden sich in der Regel zwei- bis dreiringige PAKs. Ähnliche PAKs entstehen bei Flugzeugen, wenn Landwirte Ernterückstände oder Gras verbrennen, oder bei der Verbrennung von Holz", sagt sie.

"Die PAKs landen in der Atmosphäre, in der Luft, die wir einatmen. Oft können sie sehr weite Strecken von den Quellen zurücklegen, die sie produziert haben, wie Kraftwerke oder Waldbrände."

Viele PAK-Verbindungen sind sehr schädlich. Sie entstehen aus zwei oder mehr verschmolzenen Benzolmolekülen oder Ringen bei der unvollständigen Verbrennung von fossilen Brennstoffen oder organischem Material. Benzol ist eine hochentzündliche, giftige Flüssigkeit. Es ist mitverantwortlich für den charakteristischen Geruch an einer Tankstelle.

Das einfachste PAK ist Naphthalin, das zwei Benzolringe besitzt. Manche Menschen verwenden Naphthalin-Mottenkugeln, um ihre Kleidung vor Motten zu schützen. Es ist für Menschen giftig.

Der nächst größere PAK ist Anthracen, ein Bestandteil von Steinkohlenteer, der drei Benzolringe hat. Anthracen ist ein gefährlicher Stoff am Arbeitsplatz. In Gewässern ist es sehr giftig und gilt als persistenter und bioakkumulativer Schadstoff.

Eine Reihe von PAKs wurde von Organisationen wie der EPA, der WHO und der Europäischen Kommission als krebserregend bzw. krebsfördernd eingestuft. Das bedeutet, dass Menschen eine Form von Krebs bekommen können, wenn sie diesen PAKs über einen längeren Zeitraum ausgesetzt sind.

Einige PAKs können dauerhafte Veränderungen in den Genen von Tieren verursachen, was zu Entwicklungsverzögerungen oder Missbildungen bei Fischembryonen führen kann. Solche PAK-Verbindungen werden auch als mutagen eingestuft.

Wenn Regentropfen PAKs-Verbindungen in Flüsse und Dämme ziehen, kann dies zu großen Umweltproblemen führen. Durch den Regen gelangen die Giftstoffe in das Trinkwasser, das Wasser zur Bewässerung von Nahrungspflanzen und das Wasser für das Vieh. Fische reichern die PAKs in ihrem Fleisch an.

"In unserer Studie untersuchten wir PAKs mit zwei bis sechs kondensierten Benzolringen. Diese repräsentieren die Verschmutzung durch Holzfeuer und Autos bis hin zu Kohlekraftwerken.

"Wir wussten, dass PAK-Verbindungen im Allgemeinen anfangen, sich zu verändern oder abzubauen, wenn die Sonne auf sie scheint. Aber wir wollten herausfinden, was aus bestimmten PAKs wird, wenn sie abgebaut werden, und wie schnell das geschieht", sagt Seopela.

In früheren Forschungsarbeiten analysierte sie Wasser und Sedimente eines kontaminierten Staudamms in Südafrika auf PAKs. Der Loskop-Staudamm wird vom Olifants-Fluss gespeist und liegt in einer wichtigen Industrie-, Kohlebergbau- und Kohlekraftwerksregion in Mpumalanga.

In dem Fluss wurde ein massenhaftes Fisch- und Krokodilsterben festgestellt, und organische Schadstoffe, darunter PAK, wurden als beitragende Faktoren identifiziert.

In anderen Studien haben Forscher herausgefunden, dass PAKs im Sonnenlicht zerfallen, dass aber die kleineren "Kinder"-Verbindungen, die dabei entstehen (Photoprodukte), giftiger sein können als die größeren "Eltern"-Verbindungen.

Seopela und die Forscher vom Chesapeake Biological Laboratory des University of Maryland Center for Environmental Science bauten für die Studie in ihrem Labor ein Kreislaufsystem mit geschlossenem Kreislauf.

Sie testeten fünf PAKs, die von der US-Umweltbehörde EPA als prioritäre Schadstoffe gelistet sind. Dies waren Naphtalen, Anthracen, Benzo(a)anthracen, Benzo(a)pyren und Benzo(ghi)perylen.

Für jedes PAK wurden reine Proben davon in reinem Wasser als Kontrolle getestet. Dann testeten sie jeden reinen PAK in reinem Wasser mit einer bestimmten Menge an natürlichem organischem Material (NOM), um Fluss- und Staudammbedingungen zu simulieren. Sie testeten jedes PAK für sich und mischten dann alle zusammen, um zu sehen, was passiert.

"Wir fanden heraus, dass, wenn Sonnenlicht auf ein 'Eltern'-PAK fällt, dieses in kleinere 'Kinder' PAKs zerfällt, die wir Abbauprodukte nennen. Gleichzeitig entstehen aber auch ganz andere Nebenprodukte", sagt Prof. Michael Gonsior vom Chesapeake Biological Laboratory an der University of Maryland.

"Das ist sehr besorgniserregend. Die 'Eltern'-PAK-Verbindungen, die abgebauten 'Kinder'-PAK und die Nebenprodukte oder Photoprodukte sind wahrscheinlich alle gleichzeitig in den von PAK betroffenen Flüssen und Dämmen vorhanden", fährt er fort.

"Wir haben auch herausgefunden, dass die 5- bis 6-Ring-PAKs im Allgemeinen viel schneller abgebaut werden als die 2-Ring-PAKs in reinem Wasser", sagt Dr. Leanne Powers, stellvertretende Forschungschemikerin am Chesapeake Biological Laboratory.

"Aber der Abbau verlangsamt sich, wenn mehr natürliches organisches Material im Wasser vorhanden ist. Wir gehen davon aus, dass PAKs im Wasser oder Sediment eines trüben Flusses sehr lange brauchen, um abgebaut zu werden. Viel länger als die drei Stunden und ein bisschen, die die PAKs brauchten, um sich in dem reinen Wasser in unserem Labor abzubauen.

"Das in dieser Studie verwendete Verfahren kann genutzt werden, um zu verstehen, wie andere PAKs abgebaut werden und was aus ihnen in Süßwasserumgebungen wird", sagt Powers.

Seopela: "Das bedeutet, dass Menschen, Tiere und Pflanzen, die von diesem Wasser abhängig sind, wahrscheinlich gleichzeitig einer weitaus größeren Anzahl von Giftstoffen ausgesetzt sind, als von den Quellen, wie z. B. Kraftwerken, emittiert wurde".