FAQ wasserverschmutzende Stoffe

Was sind die Eigenschaften und Gefahren von wasserverschmutzenden Stoffen?

Viele unterschiedliche Stoffe können wasserverunreinigend wirken, von kleinsten anorganischen Ionen bis zu komplexen organischen Molekülen. Wasserverschmutzende Stoffe werden in unterschiedliche Gruppen eingeteilt: Jede Klasse hat ihre eigenen Gefahren und Wege, in die Umwelt zu gelangen. Im Folgenden sind die wichtigsten Gruppen, in die man Wasservermutzer einteilen kann, aufgelistet:

Organsiche Verschmutzer

Diese sind lange Ketten, die normalerweise aus einem Kohlenstoffgerüst aufgebaut sind. Organische Verbindungen sind die Grundbestandteile von lebenden Organismen. Moleküle aus Kohlenstoff oder aus Kohlenstoff und Wasserstoff (wie z.B. Methan CH₄) sind unpolar, und daher gar nicht oder nur schlecht wasserlöslich. Weiterhin sind diese wenig oder gar nicht elektrisch geladen. Wie sich ein organsiches Molekuel verhält, hängt von der Molekülstruktur, -größe und -form ab sowie auch von dem Vorhandensein von sogenannten "funktionellen Gruppen" wie z.B. Hydroxy (-OH), Carboxy (-OOH), Amino (-NH2) Gruppen. Diese geben auch Aufschluss ueber die Toxtzität des jeweiligen Moleküls. 
Organsiche Verschmutzer kann man wiederum in viele Untergruppen unterteilen. Kohlenwasserstoffe (KW) im Allgemeinen. Bei diesen unterscheidet man zwischen Alkanen (einfache Bindungen, z.B. Ethan C2H6), Alkenen (Doppelbindungen, z.B. Ethen C2H4) und Alkinen (Dreifachbindungen, z.B. C2H2). Diese Gruppen werden als "aliphatische" Kohlenwasserstoffe bezeichnet (in geraden oder verzweigten Ketten angeordnet). Als aromatische KW werden solche mit Ringstruktur bezeichet. Als Beispiel ist hierfür z.B. Benzol (C6H6) zu nennen. Einige PAKs (polycyclische aromatische KWs) stehen unter Verdacht, krebserregebd (carzinogen) zu sein. PCBs (polyclorierte Biphenyle) sind stabile und unreaktive Substanzen, die aber schlecht wasserlöslich sind. Wegen ihrer carzinogenen Eigenschaften wurde in vielen Ländern die Verwendung von PCBs stark eingeschränkt. Insektizide wie zum Beispiel DDT (Dichlordiphentltrichlorethan; giftig) sind ebeso gefährlich, da sie über Tiere in die menschliche Nahrungskette gelangen können. In vielen Ländern ist die Verwendung ebenfalls stark eingeschränkt. Waschmittel (Tenside) sind sowohl polar als auch unpolar, diese müssen per Gesetz zum großen Teil biologisch abbaubar sein. (BRD: 80% biologische Abbaubarkeit verpflichtend).

Anorganische Dünger

Einige anorganische Verschmutzer sind im besonderen nicht giftig, stellen aber trotzdem durch ihre intensive Verwendung eine Bedrohung fuer die Umwelt dar. Hiermit sind z.B.  Nitrate oder Phosphate gemeint. Diese verursachen z.B. verstärktes Algenwachstum, wodurch der Sauerstoffgehalt in den Gewässern abnimmt. 

Metalle

Metalle sind gute elektrische Leiter und nehmen normalerweise als positiv geladene Ionen (Kationen, z.B. Fe2+) an chemischen Reaktionen teil. Metalle sind z.B.: Mangan, Eisen, Lithium, Blei. Metalle kommen in der Natur als Erze vor (z.B. als Oxide, Carbonate, Silikate). In Oberflächenwasser können sie in ihrer stabilsten ionischen Form vorkommen. Metalle können mit organischen Substanzen lipophile Komplexe bilden, die giftig sein können und in dem Körperfett von Tieren und Pflanzen gespeichert werden. Schwermetalle sind die Metalle mit einer Dichte größer 3 oder 3,5 kg/dm3. Schwermetalle können besonders in Form der löslichen Salze schon in sehr geringen Konzentrationen toxische Wirkungen entfalten. Als Spurenelemente sind Metalle für den menschlichen Organismus lebensnotwendig, Metalle sind oft wichtige Komponenten von Enzymen.

Radioaktive Isotope

Die Halbwertszeiten und der Zerfall von radioaktiven Isotopen verdeutlichen wie gefährlich diese für den Menschen sind. Als radioaktiv werden solche Atomkerne bezeichnet, die sich ohne äußere Einwirkung spontan in einen anderen Atomkern umwandeln. Die dabei freiwerdende Energie wird in Form von elektromagnetischer Strahlung (gamma-Strahlung) und/oder Teilchen (alpha-, beta+, beta- oder Neutronenstrahlung) abgegeben.Viele radioaktive Isotope sind künstlich in der Atomindustrie hergestellt worden, und es wird in der Öffentlichkeit eine Diskussion geführt, ob die Vorteile der Atomkraft die Nachteile der atomaren Gefahren, die natürlich auch Auswirkungen auf das Wasser haben, überwiegen. 

Auf welchem Weg gelangen wasserverschmutzende Stoffe in die Umwelt?

Die Freisetzung von Abwasser stellt weltweit eine der große Ursache von Umweltproblemen dar. Häusliches und industrielles Abwasser wird über Abwasserreinigungssysteme dem Oberflächenwasser zugeführt, im schlechtesten Falle sogar direkt in das Oberflächenwasser eingeleitet. Die Qualität des Abwassers ist von den enthaltenen Verschmutzern abhängig, und zu welchem Grad es in Kläranlagen oder ähnlichem behandelt worden ist, bevor es mit Oberflächenwasser in Berührung gelangt. Häusliches Abwasser besteht größtenteils aus Papier, Seife, Waschmitteln, Urin und Kot. Industrielles Abwasser ist von den jeweiligen Prozessen abhängig. Schwermetalle können zum Beispiel durch Bergbau, organische Chemikalien durch die chemische Industrie und radioaktive Substanzen mit Atomkraftwerken in das Wasser gelangen. Auf dem Festland ist die Einleitung von Abwasser normalerweise (je nach Gesetzen) streng kontrolliert, aber z.B. offshore-Ölplattformen führen zu einem direkten Schadstoffeintrag in das Meer, weiterhin wird radioaktiver Muell in Fässern im Meer endgelagert. Dies kann ebenso so gravierenden Problemen führen. Um sich teure Abfallgebühren zu ersparen, wird teilweise immer noch Müll und Abfall einfach im Meer entsorgt. Dünger wie Nitrate oder Phosphate werden ebenso in das Oberflächenwasser oder in das Grundwasser transportiert. Pestizide koennen z.B. durch die Luft in die Gewässer eingebracht werden. In kleinen Seen sind Verschmutzungen normalerweise deutlicher zu erkennen als in den Ozeanen, wo die verschmutzenden Stoffe stärker verdünnt werden.

Wie werden wasserverschmutzte Stoffe im Wasser transportiert?

Verschmutzungsstoffe können im Wasser in unterschiedlichen Zuständen bestehen. Sie können aufgelöst werden, oder sie können als Suspensionen vorkommen sein, das bedeutet, daß sie in Form von Tröpfchen oder Partikeln bestehen. Verschmutzungsstoffe können in den Tröpfchen auch aufgelöst werden oder durch Partikel aufgesogen werden. Alle Verschmutzer können im Wasser weite Wege zurücklegen. Größere Verschmutzungen  können auf den Grund der Ströme und der Seen sinken oder zur Oberfläche, abhängig von seiner Dichte steigen.  Die Entfernung, die verschmutzende Stoffe zurücklegen, hängt nach der Stabilität und des Zustands des Verschmutzungsstoffs und der Geschwindigkeit des Flusses ab. Gelöste Stoffe können am weitesten transportiert werden, d.h. das die Konzentation der Verschmutzung zwar nicht so hoch ist, aber dafür eben weitverteilt. Wir zählen normalerweise auf der Fähigkeit der Ozeane, Verschmutzungsstoffe durch die sogenannte "Selbstreinigung" bezüglich der Konzentration zu verringern. Aber diese arbeitet nicht immer konstant, weil die Strömungsbewegung in den Ozeanen nicht konstant ist. Deswegen ist Küstenwasser im wesentlichen höher verunreinigt als die hohe See. Wenn sich persistente Verschmutzungsstoffe in den Fischen oder in den Seevögeln ansammeln, stellen diese nicht nur eine Gefahr für aquatische Nahrungsketten dar, sondern gelangen auch wieder in die Nahrungsketten in nicht verschmutzten Gebieten.

Welche Faktoren bestimmen die Bewegung und Verteilung von Verschmutzer im Wasser?

Physikalische Prozesse bestimmen die Bewegung von Chemikalien innerhalb von Wasser; die Bewegung hängt von den Eigenschaften der Chemikalien selbst und den Eigenschaften des Wassers ab. Hier finden Sie einen Überblick über diese Prozesse:

Wasser ist eine polare Flüssigkeit. Dies heißt, daß das Sauerstoffatom in einem Wassermolekül die Elektronen der Wasserstoffatome anzieht, so dass diese teilweise positive Ladungen entwickeln. Das Sauerstoffatom erhält eine teilweise negative Aufladung, durch die es Atome anderer Wassermoleküle anzieht und Wasserstoffbrückenbindungen bildet. In Kohlenwasserstoffen findet zum Beispiel keine Ladungstrennung statt und deshalb lösen sich diese schlecht oder gar nicht in Wasser. Wasser tendiert dazu, Strukturen zu formen in denen jedes Wassermolekül von vier anderen Molekülen umgeben ist. Kationen und Anionen haben eine Affinität für die Teile des Wassers, die eine gegenseitige Aufladung tragen, so dass die Wassermoleküle gestört werden und die Ionen sich auflösen. Viele organische Salze und polare organische Mittel sind wasserlöslich, unpolare organische Flüssigkeiten jedoch nicht. Hieraus  lässt sich folgern, dass  Moleküle, die Ladungstrennung durchführen können im Wasser sich leicht auflösen, während Moleküle, die nicht geladen sind nicht sehr wasserlöslich sind. Eine Konsequenz der Polarität ist ein hydrophober (wasserabstoßender) Effekt. Wenn Wasser Verbindungen mit geladenen Molekülen herstellt, werden unpolare Substanzen von Wasser aktiv von einer Bindung ausgeschlossen. Dieses führt zu der Bildung von sogenannter Phospholipidbilayer, die zur Bewegung von hydrophoben Verschmutzungsstoffen durch Membranen beitragen. Der Grad der Wasserunlöslichkeit wird durch einen Wasser/Oktanol-Koeffizienten definiert. Die Konzentration eines Stoffes in Oktanol (C8H17OH, nur geringfuegig wasserlöslich) wir durch die Konzentration eines Stoffes in Wasser dividiert. Je höher der Wert ist, desto hydrophober ist der vorliegende Stoff.

Ob ein Stoff im Wasser bleibt, hängt ebenso von dem Dampfdruck des Stoffes ab. Das Bestreben einer Flüssigkeit oder eines Feststoffes, sich zu verflüchtigen, hängt vom Dampfdruck des Stoffes ab. Der Dampfdruck nimmt zu, wenn die Temperatur steigt, da die Moleküle an der Oberfläche an kinetischer Energie gewinnen. Hieraus folgt, dass mehr Moleküle in der wässrigen Lösung das Bestreben haben, zu verdampfen, d.h. dass diese nicht mehr länger gelöst sind. Die sogenannte Fugazitaet (Flüchtigkeit) einer Substanz gibt ebenso Aufschluss über die Bewegung eines Stoffes zwischen den Agregatzuständen gasförmig, flüssig, fest.
Die Stabiltät eines Moleküls gibt Aufschluss, wie lange eine chemische Substanz sich in der Umwelt aufhält und welche Distanzen das Molekül zurücklegen kann. Chemische und biochemische Prozesse, wie z.B. Oxidation oder Hydrolyse, können Substanzen zerlegen. Hier spielen jedoch auch Faktoren wie z.B. die Temperatur, der pH-Wert, Grad der Sonneneinstrahlung eine wichtige Rolle. Der Zerfall einer chemischen Substanz kann jdedoch auch negative Folgen haben, da z.B. die Toxizität zunehmen kann. 

Wie reagieren Organismen auf verschmutzende Stoffe?

Wenn eine Verschmutzung in einen Organismus eintritt, kann dies zu verschiedenen Veränderungen führen. Einerseits wird der Organismus wenn möglich einen Schutzmechanismus starten um einen Entgiftungsvorgang zu starten. Es können aber auch Vorgänge gestartet werden, um die verschmutzenden Stoffe aneinander zu binden, und diese so weniger verfügbar zu machen; Organismen können aber auch in der Lage sein, selbst Reparaturmechanismen zu starten um die Schäden der Verschmutzung zu reparieren.  

Welche Effekte können wasserverschmutzende Stoffe auf einen Organismus haben?

Dies hängt vom jeweiligen Verschmutzer und dem betreffenden Organismus ab. Einige möglichen Folgen können sein:

Gentoxizität (Erbgutverändernde Stoffe)

Einige Stoffe können im Körper das Erbgut verändern, also die DNA schädigen. Dies kann Mutationen zu folge haben, wenn der erbgutschädigende Einfluss nicht repariert werden kann. Als Mutagene können zum Beispiel einige PAKs wirken.

Carcinogene

Einige Verschmutzen haben eine carcinogene Wirkung, d.h. dass diese Krebs verursachen können. Verschmutzende Substanzen können einerseits der Auslöser der carcinogenen Wirkung sein, andererseits können sie bereits vorhandene carcinogene Wirkungen fördern und verstärken, indem sie z.B. die Ausbreitung von Krebszellen im Körper fördern. Wenn Krebszellen bösartig sind, können diese sich sehr schnell im Körper verbreiten, und gesunde Zellen und Immunitätsmechanismen schäaedigen.

Neurotoxizität

Das Nervensystem von Organismen ist sehr empfindlich und anfällig gegen die giftigen Auswirkungen von Chemikalien, sowohl gegen natürliche wie auch gegen künstliche, industriell hergestellte. Solche Stoffe werden Toxine genannt. Als Beispiel hierfür sind zum Beispiel Insektizide zu nennen. Im Allgemeinen stören Neurotoxine die Impulsübertragung in den Nerven und den Synapsen. Die Auswirkungen können sehr verschieden sein: Unkoordinierte Muskelkrämpfe und Zuckungen, Störungen in der Nervenübertragung, Depressionen, Schwindelkeit oder sogar Fehlfunktionen ganzer Körperteile. Eine Blockierung der Synapsen kann im Tod durch Atemlähmung oder durch Herzversagen enden.

Störungen im Energietransport

Die Energieübertragung in den Organismen wird von den Mitochondrien in den Zellen übernommen. Im Mitochindrium werden ATP-Moleküle in den Zellen produziert, welche die Energie durch den Körper transportieren. Wenn die ATP-Produktion gestört ist wird der Energietransport im Körper ebenso vermindert, mit der Folge dass der Organismus seine normalen Funktionen nicht mehr ausführen kann.

Hormonelle Störungen

Diese können zum Beispiel auftreten, wenn Chemikalien die hormonellen Rezeptoren besetzen. Das Hormon kann nicht mit dem Rezeptor wie gewohnt reagieren. Dies kann zum Beispiel Unfruchtbarkeit hervorrufen, wenn dieser Effekt über einen längeren Zeitraum auftritt.

Verhaltensänderungen

Verhaltensweisen können ebenfalls durch verschmutzende Stoffe verändert werden. Nahrungsquellen können erschöpft sein, zurückzuführen auf eine verminderte Nahrungsproduktion; ebenso kann die Anfälligkeit gegenüber Raubtieren vergrößert sein. Eine häufige Auswirkung von verschmutzenden Stoffen kann Appetitlosigkeit sein, und somit eine verringerte Nahrungsaufnahme. Diese Verhaltensänderungen verringern die Chancen des (tierischen) Organismus zu überleben.

Die Eigenschaft von verschmutzenden Stoffen, mit anderen Verschmutzungen zu reagieren, ist ebenso wichtig. Dies kann sich sowohl in einer Verschlimmerung der Wirkung, aber auch in einer Schwächung der Gesamtwirkung äußern. 

Wie kann die Giftigkeit von wasserverschmutzenden Stoffen mit Wasserlebewesen getestet werden?

Versuche zur Toxizität können mit Wasserlebewesen als Indikatoren durchgeführt werden. Die Wasserorganismen werden dem verschmutztem Wasser eine definierte Zeit ausgesetzt und im Folgenden die Auswirkungen des Wassers auf den Organismus im Labor analysiert. Versuchsreihen können mit verschiedenen Schmutzkonzentrationen durchgeführt werden, wobei die tödliche Konzentration auf den Organismus notiert wird. Nicht alle Versuche müssen aber bis zu dieser Dosis durchgeführt werden, Versuche können auch z.B. bei einer Änderung des Verhaltens des Wasserlebewesens abgebrochen werden. Neben der Konzentration hängt die Auswirkung auf den Organismus noch stark von der Zeit ab, in welcher der Organismus dem Wasser ausgesetzt ist. Organismen können zum Beispiel Daphnia (Wasserflöhe), aber auch Fische sein. Diese Test werden sowohl von den Eigenschaften der Wasserlebewesen, aber auch denen der verschmutzenden Stoffe  beeinflusst. Eine wichtige Rolle spielt die Verfügbarkeit der Substanzen für den Organismus. 

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