Critical Loads für Schwermetalle

Zu hohe Konzentrationen von Schwermetallen in Luft, Wasser, Boden sind sch?dlich für die menschliche Gesundheit und für andere Lebewesen. Ein Instrument zur Risikobewertung sind ?kologische Belastungsgrenzen oder ?Critical Loads“. Schwermetalle werden in starkem Ma?e durch Bergbau, metallurgische Industrie, Verbrennungsprozesse und Verkehr aber auch die Nutzung bestimmter Produkte freigesetzt.

Inhaltsverzeichnis

 

Was sind Critical Loads?

Dieser Artikel bezieht sich auf Critical Loads für Land?kosysteme (auch ?terrestrische ?kosysteme“), mit deren Hilfe über den Boden vermittelte Risiken bewertet werden. Critical Loads für Schwermetalle geben an, welche Menge eines Metalls pro Fl?che und Zeitraum in ein ⁠?kosystem⁠ eingetragen werden darf, ohne dass nach bisherigem Wissensstand langfristig Schadwirkungen auftreten. Im Umkehrschluss hei?t das: Werden Critical Loads durch die tats?chlichen Stofffrachten überschritten, besteht in dem betroffenen Gebiet langfristig ein Risiko für Umweltwirkungen, einschlie?lich m?glicher Qualit?tseinbu?en bei Nahrungsmitteln und Trinkwasser.

 

Wie werden Critical Loads für Schwermetalle und ihre überschreitung berechnet?

Die grundlegende Methode für die Critical Load-Berechnungen ist die Erstellung einer Massenbilanz unter der Annahme von Gleichgewichtsbedingungen. Dabei werden Raten der Metalleintr?ge den langfristigen Raten der Prozesse gegenübergestellt, die diese Stoffe aus dem ⁠?kosystem⁠ entfernen. Das sind im Wesentlichen die Biomasseernte und die Auswaschung, wobei die Schwermetallkonzentrationen in den jeweiligen Medien (Erntegut, Wasser) unsch?dlich für Mensch und Umwelt sein müssen.
Zu den in die ?kosysteme eingetragenen Stofffrachten für überschreitungsrechnungen z?hlen für Schwermetalle neben der atmosph?rischen ⁠Deposition⁠ auch bewirtschaftungsbedingte Eintr?ge. Zur Berechnung der überschreitung der Critical Loads sind somit raumbezogene Daten zu Schwermetalleintr?gen durch atmosph?rische Deposition und bewirtschaftungsbedingte Eintr?ge (z. B. Düngung, bestimmte Pflanzenschutzmittel) erforderlich. Die Summe der Eintr?ge wird mit den Critical Loads verglichen.
Bei Schwermetallanreicherungen in B?den ist auf den h?ufig besonders langen Zeithorizont hinzuweisen, bevor tats?chlich sch?dliche Wirkungen auftreten. Das liegt daran, dass Metalle oft stark im Boden gebunden werden und dann nur sehr begrenzt für Lebewesen zug?nglich sind. Wenn sie aber st?ndig weiter im Boden angereichert werden, besteht die Gefahr, dass eines Tages ein Zustand erreicht wird, bei dem riskante Mengen bioverfügbar sind. Unter der Annahme, dass ich Bodeneigenschaften wie Ton- und Humusgehalt sowie S?urestatus über lange Zeitr?ume nicht ?ndern, werden bei Eintr?gen unterhalb der Critical Loads diese für Lebewesen kritischen Konzentrationen in den Umweltmedien auch in der fernen Zukunft nicht überschritten. Das Critical Loads-Konzept ist also ein sehr vorsorglicher Ansatz. Um Ver?nderungen von Bodeneigenschaften berücksichtigen zu k?nnen, müssen Critical Loads-Berechnungen in angemessenen Zeitabst?nden aktualisiert werden.

 

Wofür werden Critical Loads für Schwermetalle verwendet?

Critical Loads für Schwermetalle werden insbesondere für gro?e Gebiete kartiert, um Wirkungen des atmosph?rischen Ferntransports zu bewerten. Kartierungen der Critical Loads-überschreitung für Europa mit unterschiedlichen Szenarien atmosph?rischer Eintr?ge von Pb, Cd, Hg als priorit?re Stoffe des Schwermetallprotokolls der Genfer Luftreinhaltekonvention (CCE Status Report 2010, Teil 3) dienten der Bewertung, ob unterschiedlich ambitionierte Emissionsminderungsma?nahmen ausreichen, Mensch und Umwelt auf lange Sicht vor sch?dlichen Wirkungen der Schwermetalle zu schützen. Sie werden als eine wissenschaftliche Grundlage für die Weiterentwicklung internationaler Luftreinhaltepolitik herangezogen (Maas R, Grennfelt P. (eds.) 2016).?
Anders als Critical Loads für S?ure und eutrophierenden Stickstoff k?nnen Critical Loads für Schwermetalle derzeit noch nicht zur Risikobewertung für Anlagen, z. B. nach ⁠TA Luft⁠ oder naturschutzrechtliche Verfahren herangezogen werden. Das liegt zum einen darin, dass der Zusammenhang von Stoffeintrag und Wirkung bei Schwermetallen (Spurenelemente) bisher nicht so klar belegt ist wie bei Stickstoff- und S?ureeintr?gen. Zum anderen sind auch die Ergebnisse der Depositionsmodellierung für Schwermetalle für Deutschland noch zu unsicher (Link zum F&E-Vorhaben-Bericht Teil 1). Um das zu verbessern, werden vor allem sicherere Informationen zu den Quellen und ihren Freisetzungsraten ben?tigt.
In industrie- oder verkehrsnahen Gebieten k?nnen sich Schwermetalle aus der Luft auch direkt auf Pflanzen ablagern. Davon k?nnen z. B. im Einflussbereich liegende Nutzg?rten betroffen sein. Für diese Eintr?ge gibt es andere Bewertungsmethoden als Critical Loads, z. B. im Einflussbereich von Industrieanlagen nach der TA Luft oder entsprechend der VDI-Richtlinien 3857, 3957.

 

Critical Loads für Trinkwasser, Nahrungsmittel und ?kosysteme

Gesundheitliche Wirkungen sowie Wirkungen von Schwermetallen in terrestrischen ?kosystemen werden unter den jeweiligen überschriften am Ende des Artikels beschrieben.
Die Critical Loads zum Schutz der Trinkwasserqualit?t basieren auf der Annahme, dass das Sickerwasser unterhalb der Wurzelzone h?chstens Schwermetallkonzentrationen entsprechend der WHO-Trinkwasser-Empfehlung aufweisen darf. Die Sickerwasserrate wird also mit dem der kritischen Konzentration nach WHO multipliziert. Der Austrag mit der Biomasseernte wird aus den Erntemengen multipliziert mit durchschnittlichen Schwermetallgehalten (unbelastete Gebiete) berechnet. Die H?he der Critical Loads wird vorrangig durch die klimatisch bedingte H?he der Sickerwasserrate bestimmt. Die Critical Loads-Karten weisen deshalb für alle drei Metalle ein sehr ?hnliches r?umliches Muster auf, weshalb wir hier nur die Karte für Pb pr?sentieren.


Critical Loads zum Schutz der Nahrungsmittelqualit?t werden bisher nur für Cd berechnet, Beim Cadmium wurde der Nahrungsweizen (Korn) als diejenige Feldfrucht identifiziert, bei der ein erh?hter atmosph?rischer Eintrag am ehesten gro?fl?chig zu erh?hten Cd-Gehalten führt. Der hier verwendete wirkungsbasierte kritische Cd-Gehalt betr?gt 0,1 mg kg-1 Frischgewicht. Das ist die H?lfte des EU-Grenzwertes (der Kommission vom 19. Dezember 2006 zur Festsetzung der H?chstgehalte für bestimmte Kontaminanten in Lebensmitteln), der nicht strikt wirkungsbasiert abgeleitet ist, sondern sich an niedrigen, aber allgemein erreichbaren Werten orientiert. Untersuchungen haben gezeigt, dass bei Berechnung der Critical Loads nach dieser Methodik der Schutz der Qualit?t auch anderer landwirtschaftlicher Nutzpflanzen hinsichtlich des Cd-Gehaltes gew?hrleistet ist. Die Critical Loads (Cd) zum Schutz der Nahrungsmittelqualit?t sind insgesamt empfindlicher als die Critical Loads für den Trinkwasserschutz. Sie weisen nur eine geringe Schwankungsbreite und r?umliche Differenzierung auf, so dass auf eine Kartendarstellung hier verzichtet wird.

Kritische Belastungsgrenzwerte (Critical Loads) zum Schutz von ?kosystemen wurden für landwirtschaftliche sowie naturnahe ?kosysteme berechnet. Bei dieser Berechnung entspricht der Austrag mit der Biomasseernte den für die Critical Loads (Trinkwasserschutz) ermittelten ⁠Frachten⁠. Die kritischen Austragsraten mit dem Sickerwasser werden anhand von wirkungsbasierten, ?kosystemspezifischen kritischen Konzentrationen (Critical Limits) für das Sickerwasser berechnet. Ausgangspunkt sind Ergebnisse aus Wirkungstests mit in den oberen Bodenschichten lebenden Organismen (Wirbellose, Pflanzen, Mikroorganismen), die nach anerkannten Methoden durchgeführt und dokumentiert wurden. Die Critical Limits für Pb, Cd, Ni, Cu, Zn werden in Abh?ngigkeit vom ⁠pH-Wert⁠, dem Gehalt an organischer Substanz, der Konzentration gel?sten organischen Kohlenstoffs (DOC) sowie dem Partialdruck von Kohlenstoffdioxid im Bodenwasser berechnet. Für die Metalle Cr und As liegen dagegen nur pauschal festgelegte Critical Limits ohne Abh?ngigkeit von Bodeneigenschaften vor.


In Deutschland wurden die Critical Loads für Hg (?kosystemschutz) nur für Waldb?den ermittelt, weil bisher nur für diese der Critical Loads-Methodik entsprechende Critical Limits existieren. Bei Hg spielt die enge Bindung dieses Metalls an die organische Substanz die entscheidende Rolle. Feste sowie gel?ste organische Substanz des Humus ist hauptverantwortlich für Speicherung bzw. Transport des Hg in B?den, weshalb die Critical Limits allein in Abh?ngigkeit von der Konzentration von im Bodenwasser gel?stem Kohlenstoff (dissolved organic carbon, DOC) abgeleitet werden. Die auf den ?kosystemschutz bezogenen Critical Loads für Hg liegen ausnahmslos unter 1 g ha-1 a-1 und sind damit sehr viel niedriger als die Critical Loads (Hg) zum Trinkwasserschutz.


Wirkungen auf Pflanzen und Bodenlebewesen gehen insbesondere von im Bodenwasser gel?sten Fraktionen der Schwermetalle aus. Anders als bei Critical Loads für S?ure oder ⁠Eutrophierung⁠ sind kritische Konzentrationen von Schwermetallen im Bodenwasser (Critical Limits) heute auf gro?en Fl?chen in Deutschland noch nicht erreicht. Das kann auch auf Regionen zutreffen, in denen die Schwermetalleintr?ge in die ?kosysteme die Critical Loads überschreiten. Die B?den haben zum Teil ein hohes Bindungsverm?gen für Schwermetalle. Je nach Metall, H?he der Eintr?ge und Bodenbedingungen führen Modellrechnungen zu Zeitr?umen von mehreren Jahrzehnten, Jahrhunderten oder sogar Jahrtausenden, bis sich zwischen den gebundenen und gel?sten (und damit wirkungsrelevanten) Schwermetallen im Boden ein Gleichgewicht in H?he der Critical Limits einstellt. Das bedeutet einerseits, dass in B?den, die heute Konzentrationen unterhalb der Critical Limits aufweisen, m?glicherweise erst nach sehr langen Belastungszeitr?umen sch?dliche Wirkungen auftreten (z. B., Wachstumsst?rungen, Reproduktionsst?rungen, verminderte Individuenanzahlen, ver?nderte mikrobiologische Prozesse, mehr zu Wirkungen am Ende des Artikels). Andererseits ist zu beachten, dass gro?fl?chig in B?den aufgebaute Schwermetallvorr?te nicht mehr durch vom Aufwand her verh?ltnism??ige Sanierungsma?nahmen entfernt werden k?nnen. Deshalb müssen zu hohe Eintr?ge unbedingt vorsorgend vermieden werden. Au?erdem k?nnen die gebundenen Schwermetalle durch die Ver?nderung bodenchemischer oder –physikalischer Bedingungen, z. B durch Mineralisation der organischen Substanz nach Entwaldung, durch ⁠Versauerung⁠ oder durch Wurzelausscheidungen von Pflanzen auch kurzfristig mobilisiert und dann entweder in Bodenlebewesen oder Pflanzen aufgenommen oder ins Grundwasser ausgetragen werden und dort sch?dliche Wirkungen entfalten.

 

Wie ist die Situation in Deutschland?

Für Deutschland liegen Critical Loads-Karten für acht Metalle (As, Pb, Cd, Cr, Cu, Ni, Hg, Zn) aus einem 2018 abgeschlossenen Forschungsvorhaben vor. Die wissenschaftlich am besten gesicherte Datengrundlage haben dabei die Critical Loads für Pb und Cd (Link zum F&E-Vorhaben-Bericht Teil 2). Critical Loads-überschreitungen durch atmosph?rische Eintr?ge (2010) treten entsprechend der Projektergebnisse gro?fl?chig bei Blei und Quecksilber auf. Das bedeutet, dass bei gleichbleibender zukünftiger Anreicherung langfristig Risiken für Mensch und Umwelt entstehen k?nnen, auch wenn die Situation im Moment noch unbedenklich ist. Bei Cd gibt es h?chstens lokal überschreitungen, wo die atmosph?rische Belastung hoch ist. Die verwendeten Daten zur atmosph?rischen ⁠Deposition⁠ weisen noch erhebliche Unsicherheiten auf. Für Pb, Cd und Hg l?uft derzeit eine Aktualisierung modellierter Depositionsdaten. Andere, bewirtschaftungsbedingte Eintr?ge sind schwer zu beziffern und zu regionalisieren. Aus diesem Grund sind Kartierungen der Critical Loads-überschreitung für Deutschland derzeit noch problematisch. Datenrecherchen zeigen, dass aufgrund zus?tzlicher landwirtschaftlicher Eintr?ge insbesondere bei Pb, Cu, Hg, Zn, aber auch bei Cd und Cr (noch st?rkerere) überschreitungen der Critical Loads auftreten k?nnen.
Die folgende Tabelle gibt einen überblick über die H?he der Critical Loads für die einzelnen Metalle und Rezeptoren. Auf Minimum- und Maximumangaben wurde verzichtet. Neben dem arithmetischen Mittel und dem Medianwert (50-Perzentil) sind die 5- und 95-Perzentilwerte angegeben, die den Bereich typischer Werte besser eingrenzen.

Critical Loads Tabelle
Critical Loads

Statistische Kennwerte der Critical Loads Pb, Cd, Hg (Stand 2018)

Quelle: Umweltbundesamt
 

Karten

(Critical Loads Karten für weitere Schwermetalle sind im Abschlussbericht UBA-Texte 107/2018 dargestellt):
Critical Loads zum Schutz der ?kosysteme
-??? Karte der CL Blei (eco)
-??? Karte der CL Cadmium (eco)
-??? Karte der CL Quecksilber (eco)
Critical Loads zum Schutz des Trinkwassers
-??? Karte der CL Blei (drink)

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Wirkungen von Pb, Cd, Hg auf die Gesundheit

Die humantoxische Wirkungsbetrachtung im Kontext der kritischen Belastungsgrenzwerte für Luftschadstoffe (Critical Loads) berücksichtigt je nach Schwermetall (Pb, Cd, Hg) den Transfer über den Boden und/oder die Gew?sser in Nahrung oder Trinkwasser. Andere Belastungsquellen für die menschliche Gesundheit wie Hausstaub und Farben sind hier nicht berücksichtigt.


Die Schwermetalle Pb, Cd und Hg geh?ren nicht zu den für Menschen in geringen Mengen unentbehrlichen Spurenelementen wie zum Beispiel Kupfer oder Zink. Werden sie in relevanten Mengen aufgenommen, sch?digen sie den menschlichen Organismus. Die Nahrung ist der wichtigste Pfad für Belastungen des menschlichen K?rpers mit Pb, Cd und Hg. Je nach Schwermetall spielen die direkte Ablagerung auf Nahrungspflanzen oder indirekte Pfade über das Bodenwasser und Gew?sser eine unterschiedlich gro?e Rolle. Für Deutschland wurden Critical Loads mit Bezug zum Schutz der menschlichen Gesundheit für alle drei Schwermetalle berechnet und kartiert. Dabei dienten die Empfehlungen der World Health Organisation - Weltgesundheitsorganisation von 2004 für die Gehalte von Pb, Cd und Hg im Trinkwasser als Wirkungsindikatoren. Für Cd fand zus?tzlich die Einhaltung eines Gehalts im Weizenkorn von 0,1 mg/kg als ⁠Indikator⁠ für den Schutz der Nahrungsqualit?t Verwendung.


Pb wird vom Menschen über die Nahrung und das Trinkwasser aufgenommen. Es wirkt unter anderem neurotoxisch und beeinflusst damit die intellektuelle Entwicklung von Kindern. Einen Schwellenwert der Bleibelastung im Hinblick auf einen verminderten IQ der Kinder gibt es nach bisheriger Erkenntnis nicht. Aufgenommenes Pb reichert sich allm?hlich in den Knochen an und es kann die Nieren und das kardiovaskul?re System sch?digen. W?hrend der Schwangerschaft kann es bei Calciummangel mobilisiert werden, die Plazenta passieren und das ungeborene Leben belasten. S?uglinge k?nnen auch durch die Muttermilch exponiert werden. Für den Schutz der Gesundheit von Kindern ist daher die Gesamtexposition der Mütter vor der Schwangerschaft entscheidend. Blei gilt als wahrscheinlich krebserregend für den Menschen (Kategorie 2A der IARC).

Für Cd sind die Nahrung und das Tabakrauchen die wichtigsten Belastungsquellen der Allgemeinbev?lkerung. Durch das Rauchen erh?ht sich die die Cd-Belastung sehr deutlich. Aufgenommenes Cd sch?digt nach ⁠Akkumulation⁠ im K?rper vor allem die Nieren. Personen mit vorgesch?digten Nieren, zum Beispiel Diabetiker, und generell die ?ltere Bev?lkerung haben ein erh?htes Krankheitsrisiko. Cd z?hlt zu den Krebs erregenden Stoffen (Kategorie 1 der IARC).


Hg wirkt neurotoxisch und sch?digt ebenfalls die Nieren. In B?den und Gew?ssern führen biotische und abiotische Prozesse zur Umwandlung von Hg in Methyl-Hg, welches besonders neurotoxisch wirkt. Die ⁠Exposition⁠ des Menschen erfolgt über den Nahrungspfad. Nahrungsmittel mit hohem Methyl-Hg-Gehalt sind unter anderem Sü?- und Salzwasserfisch sowie Meerestiere. Die Belastung der Nahrung erfolgt gr??tenteils durch atmosph?rische Schadstoffdeposition, nachfolgende Mobilisierung des Hg in B?den und Transport in die Gew?sser.

 

Wirkungen von Pb, Cd, Hg auf Land?kosysteme

Weder Tiere, Pflanzen noch Mikroorganismen ben?tigen Pb, Cd, As oder Hg für ihren Stoffwechsel. Dagegen geh?ren Cu, Ni und Zn zu den sogenannten essentiellen Elementen, die für einen gesunden Stoffwechsel unverzichtbar sind. Ob das auch für Cr zutrifft, ist umstritten. Alle Schwermetalle haben aber bei überschreitung bestimmter Konzentrationen in der Umwelt bzw. in der Nahrung sch?dliche Wirkungen. Diese reichen von gest?rtem Wachstum, sichtbaren Blattsch?den bei Pflanzen, Reproduktionsst?rungen, Ver?nderungen physiologischer Prozesse und Einschr?nkungen mikrobiologischer Stoffumsetzungen bis hin zum Absterben und dadurch verminderten Individuenzahlen. Die vorliegenden ?kotoxikologischen Wirkungsdaten stammen meist aus Laborversuchen, wurden aber zum Teil durch (sehr viel aufw?ndigere) Freilanduntersuchungen best?tigt. Ergebnisse solcher Wirkungstests sind die Grundlage für die Ableitung kritischer Konzentrationen im Bodenwasser im Critical Loads-Konzept. Die Ableitung der Vorsorgewerte in der BBodSchV beruht ebenfalls auf ?kotoxikologischen Wirkungsdaten, folgt aber anderen Prinzipien als die Critical Loads-Methodik.


Die sch?digende Wirkung geht nur vom biologisch verfügbaren Anteil des Schwermetalls aus, der sich jedoch bei Ver?nderungen des Bodenmilieus ver?ndern kann. Die betrachteten Schwermetalle verhalten sich hinsichtlich ihrer Mobilit?t und Bioverfügbarkeit sehr unterschiedlich: In B?den k?nnen Schwermetalle sehr fest an Humusbestandteile oder auch Tonminerale und Metalloxide gebunden sein. Diese Anteile sind für viele Organismen nur wenig verfügbar. Allerdings k?nnen Boden fressende oder durchwühlende Lebewesen (Regenwürmer, Maulwurf) oder Weidetiere sie direkt aufnehmen. Von gr??erer ?kotoxischer Bedeutung sind Schwermetalle, die im Bodenwasser gel?st sind. Dabei sind vor allem freie Ionen bioverfügbar. Pflanzenwurzeln, Insekten und andere Wirbellose sowie Mikroorganismen k?nnen sie aufnehmen. Dagegen sind Schwermetalle im chemischen Komplex mit gel?sten organischen Bindungspartnern zwar mobil, das hei?t sie k?nnen also in das Grundwasser oder in Oberfl?chengew?sser verlagert werden, werden aber von Lebewesen kaum aufgenommen. Der Anteil bioverfügbarer Schwermetalle an der Gesamtkonzentration im Boden h?ngt von chemischen und biologischen Gr??en ab, zum Beispiel vom ⁠pH-Wert⁠, dem Humusgehalt, Wurzelausscheidungen sowie Ton- oder Sesquioxidgehalt1.


Ganz allgemein kann gesagt werden, dass Pflanzen im Vergleich zu anderen Lebewesen relativ unempfindlich gegenüber Schwermetallen sind. Sie vertragen mehr freie Metallionen im Bodenwasser als z. B. wirbellose Tiere oder Mikroorganismen ohne dass Sch?den messbar oder sichtbar w?ren. Wieviel sie über die Wurzeln aufnehmen, h?ngt neben den Bodeneigenschaften und dem Metall auch von der Pflanzenart abh?ngig. Dies wird sowohl bei Critical Loads-Berechnungen als auch bei der Festlegung von Prüf-/ Ma?nahmenwerten für den Pfad Boden/Pflanze in der BBodSchV berücksichtigt.


[1] Sesquioxide: Im Boden vorliegende Metalloxide, besonders Fe2O3, Al2O3, Mn2O3, mit einem Metall-Sauerstoffverh?ltnis von 1 : 1,5. Konventionell werden Bodenoxide/-hydroxide mit anders lautenden Strukturformeln (z. B. Ferrihydrit) darunter zusammengefasst. Zitiert aus: Ad-hoc Arbeitsgruppe Boden der staatlichen Geologischen Dienste und der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe: Bodenkundliche Kartieranleitung, 5. verbesserte und erweiterte Auflage, Hannover 2005.

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