Wie ist die Umweltanalytik entstanden?


Die Umweltanalytik ist ein wichtiger Forschungszweig, der uns über Ursachen und Wirkungsweisen verschiedenster Stoffe und Stoffgruppen in der Umwelt informiert. Ein wichtiger Bestandteil dieser Wissenschaft ist die Abwasseranalyse.

Die Umweltanalytik untersucht unterschiedliche individuelle Stoffe oder Stoffgruppen in Wasser, Boden oder in der Luft. Häufig ist das Ziel der Umweltuntersuchung, Wasser, Luft und Boden auf folgende Stoffe oder Stoffgruppen zu untersuchen:

  • Schwermetalle
  • Dioxine
  • Pestizide
  • Mineralkohlenwasserstoffe
  • Schwefeldioxide
  • Treibhausgase
  • Ozon
  • Feinstaub

Inzwischen konzentriert sich die Umweltanalytik auch auf das Vorkommen von Mikroplastik, das heutzutage leider immer häufiger auftritt und dessen Ursachen sowie Auswirkungen auf Natur und Mensch noch weitestgehend unerforscht sind. 

Die Geschichte der Umweltanalytik

Ein gewisses Bewusstsein für den Einfluss von Stoffen auf die Umwelt war schon immer vorhanden, allerdings beschäftigen sich Wissenschaftler bzw. Naturforscher erst seit ein paar 100 Jahren und auch nur vereinzelt mit diesen relativ komplexen Zusammenhängen:

  • Im 16. Jahrhundert beschäftigte sich mit dem Schweizer Mediziner, Naturphilosoph und Alchemist Paracelsus zum ersten Mal jemand etwas intensiver mit den Auswirkungen und Grenzwerten von spezifischen Stoffen und prägte den Satz „Die Dosis macht das Gift“.
  • Erste ernsthafte chemische Untersuchungen von Proben aus der Natur begannen allerdings erst 1748 in Berlin unter Andreas Sigismund Marggraf. Er analysierte das Wasser einer eisenhaltigen Quelle und bestätigte deren heilsame Wirkung.
  • Die Schüler des Physikers und Chemikers Joseph Louis Gay-Lussac begannen die Begründung der chemischen Analytik mit der Untersuchung von Böden und Pflanzen und deren Zusammensetzung aus Wasserstoff, Stickstoff, Schwefel, Kohlenstoff und Kalium.
  • Im Jahr 1900 entstanden die ersten gesetzlichen Vorgaben für die Trinkwasseranalyse durch das Reichseuchengesetz.
  • In den 70er Jahren legten die Trinkwasserverordnung, das Wasserhaushaltsgesetz, das Abwasserabgabengesetz, die Technische Anweisung Luft, das Abfallgesetz und die Klärschlammverordnung zum ersten Mal Grenzwerte fest, auf deren Basis sich Umweltregulierungen durchsetzen und Umweltproben systematisch im umweltanalytischen Labor analysieren ließen. 

Diese ersten Schritte der Umweltanalytik waren also ausschlaggebend für wichtige Gesetzgebungen. Sie stellten allerdings nur den Anfang eines Forschungszweiges dar, der sich stets weiterentwickelt, Mensch und Natur tagtäglich begleitet und vor potenziellen Gefahren schützen kann.        

Die häufigsten Untersuchungsmethoden der Umweltanalytik

Je nachdem, was genau das Untersuchungsobjekt ist und welche Untersuchungstechnik bei der Umweltanalytik ins Spiel kommt, müssen Forscher eventuell die zu untersuchende Substanz mit einem organischen Lösungsmittel bearbeiten. Hiermit lässt sich eine ggf. abzusehende niedrige Konzentration etwa innerhalb einer Wasserprobe aufkonzentrieren und besser untersuchen. Diese Umweltanalytik Methode wird sowohl bei Wasser- als auch bei Luft- und Bodenproben oder beispielsweise Klärschlamm aus einer Kläranlage angewandt. Haben die Forscher alle notwendigen Vorbereitungen getroffen, können sie zum eigentlichen Untersuchungsteil übergehen.

In der Umweltanalytik werden mithilfe der Gaschromatographie und Flüssigchromatographie organische Stoffe oder mit der Ionenchromatographie Ionen aufgetrennt. Anschließend lassen sich mittels Massenspektrometrie, UV/VIS-Spektroskopie und Fluoreszensspektroskopie organische Stoffe und mithilfe der Atomabsorptionsspektrometrie Schwermetalle ermitteln sowie quantifizieren – Technologien und Techniken der Umweltanalytik, die sich insbesondere in letzter Zeit sehr viel weiterentwickelt haben und somit Horizonte voller Möglichkeiten aufzeigen, aber auch neue Herausforderungen offenbaren.

 

Was ist Abwasseranalyse?

Ein wichtiger Bestandteil der Umweltanalytik ist die Abwasseranalyse. Um diesen Bereich der Umweltanalytik zu verstehen, sollte zunächst Klarheit über den Begriff „Abwasser“ herrschen. Einerseits handelt es sich um Wasser, das durch den menschlichen Gebrauch verschmutzt wird, andererseits geht es um Niederschlags- bzw. Fremdwasser. Bei Letzterem handelt es sich um Wasser, das eigentlich nicht in die Kanalisation gehört, z. B. Grundwasser, das durch undichte Stellen seinen Weg ins Abwasser findet. Neben dem Abwasser, das durch private Haushalte entsteht, tragen vor allem industrielle Prozesse zu einer großen Abwassermenge bei.

 

Parameter der Abwasseruntersuchung

Die Abwasseranalyse hilft beispielsweise dabei, das vorhandene Abwasser von bereits bestehenden Abwasserbehandlungsanlagen zu untersuchen und diese Einrichtungen auf Basis der Ergebnisse zu optimieren. Vor dem Entstehen einer solchen Anlage werden ebenfalls diese Arten von Analysen durchgeführt, um mehr über die Komposition und die Inhaltsstoffe des Abwassers zu erfahren. Zu den Abwasseruntersuchung Parametern gehören:

  • Abfiltrierbare Stoffe: wie Schweb- und Schwimmstoffe, die sich mithilfe eines Filterungssystems aus dem Abwasser entfernen lassen und unter anderem von Fäkalien, Essensresten, Toilettenpapier, Straßen- und Bodenabrieb stammen oder durch Industrieunternehmen verursacht wurden. Sie können toxische Metalle an sich binden, das Wasser in Flüssen und Seen trüben, die Photosynthese von Wasserpflanzen beeinflussen und als Folge zu Sauerstoffmangel in den Gewässern führen, was wiederum schädlich für die Fische und andere Wasserorganismen ist.
  • Absetzbare Stoffe: Stoffe, die sich durch Sedimentation vom Wasser absetzen und aus organischen Stoffen wie z. B. Essensresten oder Fäkalien, Reinigungsmittel oder Katzenstreu sowie Emissionen aus der Industrie bzw. den Bergbau bestehen können. Geraten sie ins Abwasser können sie den Boden von Gewässern bedecken und dort lebende Organismen töten und ebenfalls zu Sauerstoffmangel führen.
  • Ammonium-Stickstoff: Ist für sich genommen nicht giftig, kann aber in der Form von Ammoniak ins Abwasser geraten, was wiederum toxisch für Meereslebewesen ist. Ammonium-Stickstoff kann aber auch durch Eiweißverbindungen im Abwasser entstehen, die durch Mikroorganismen abgebaut werden. Weitere Quellen stellen der menschliche Harnstoff und Stickstoffdünger in der Landwirtschaft dar. Neben der giftigen Wirkung von Ammoniak, kann die Umwandlung von Eiweißen zu Ammonium-Stickstoff dem Abwasser Sauerstoff entziehen, was wiederum tödliche Auswirkungen auf die Wasserlebewesen hat.
  • Anorganischer Gesamtstickstoff: Entsteht durch den Abbau aus Harnstoffen und Eiweißen aus Fäkalien und organischen Stickstoffen aus der Fleischindustrie. Kommt es als Nitrit im Abwasser vor, kann es die Zellatmung von Lebewesen stören und krebserregende Nitrosamine bilden.
  • BSB5: Analysiert den biochemischen Sauerstoffbedarf für den Abbau von Schadstoffen innerhalb eines Zeitfensters von fünf Tagen bei einer Temperatur von 20 Grad Celsius, die sich im Abwasser befinden. Auf dieser Grundlage wird gesteuert, wie viel Sauerstoff zugeführt wird, damit Mikroorganismen in der Lage sind, z. B. Fäkalien oder biologisch abbaubare Reinigungsmittel abzubauen.
  • CSB: Hohe CSB-Werte können durch menschliche und tierische Fäkalien entstehen, aber auch auf anorganische Schadstoffe wie Nitrit und Schwefelverbindungen hindeuten. Diese kommen etwa durch ins Abwasser geleitete Chemikalien aus Wasch- und Reinigungsmittel zustande. Der Summenparameter CSB gibt über die Gesamtbelastung des Abwassers Aufschluss und führt bei abnormalen Werten zu detaillierteren Untersuchungen.   
  • Phosphate bzw. Gesamtphosphor: können/kann vom menschlichen Körper ausgeschieden werden und auch in Reinigungsmitteln vorhanden sein. Die düngende Wirkung kann zu übermäßigem Wachstum von Wasserpflanzen und durch den damit einhergehenden Sauerstoffmangel zum Fischsterben führen. Phosphor bindet außerdem giftige Schwermetalle an sich. 
  • Nitrat- bzw. Nitrit-Stickstoff: Produkt des Abbauprozesses von Harnstoff und Eiweißen, das wiederum krebsauslösende Wirkung haben kann, wenn es durch den menschlichen Körper zu Nitrosaminen abgebaut wird. Es stört den Transport von Sauerstoff im Blut, was besonders für Säuglinge und kleine Kinder schädigend ist. Darüber hinaus stellt es eine Gefahr für Wasserpflanzen und -organismen dar.
  • pH-Wert: gibtAufschluss über die positiv geladenen Wasserstoff-Ionen im Wasser. Ein pH-Wert von 0 lässt auf einen sehr sauren Wert schließen, ein pH-Wert von 14 ist ein alkalisch/basischer Wert. Diese Maximalwerte findet man nie in Abwässern vor. Wasserorganismen können auch nur bei einem Wert zwischen 5 und 9 überleben.     

Auf der Basis der Probennahme des Abwassers und der Abwasseranalyse im Labor lassen sich Fachberichte und Bilanzen über Wasser und Abwasser verfassen. Diese führen wiederum dazu, dass entsprechende Maßnahmen zur Optimierung der Abwasserbehandlung durchgeführt werden können.

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