Vogel *, D., Gehring, M., Tennhardt, L., Weltin, D., Bilitewski, B. (2001):                                                     pdf

Das endokrine Gefährdungspotenzial von Klärschlamm und Abfall –  Forschungsansätze am IAA der TU Dresden.

In: Bilitewski, B., Werner, P. (Hrsg.): Einfluß von Deponien auf das Grundwasser. Fachtagung am 11.12.2001 in Dresden, Beiträge zu Abfallwirtschaft und Altlasten, Bd. 17, Schriftenreihe des Instituts für Abfallwirtschaft und Altlasten der TU Dresden, 48 - 54.

Einleitung

In den vergangenen Jahren ist eine Problematik verstärkt in den Blickpunkt der Wissenschaft und allmählich auch der Öffentlichkeit gerückt, deren tatsächliches Ausmaß noch immer nicht abzuschätzen ist: die (unerwünschte) Wirkung von Stoffen auf das Hormonsystem von Mensch und Tier (UMWELTBUNDESAMT, 1995; US ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY, 1997; KROIß, 1998; COLBORN ET AL., 1996; VORHOLZ, 2001; BRUHN ET AL., 1999).

Als endokrin wirksame Stoffe (Endocrine Disrupters, ED; Endocrine Disrupting Compounds, EDC) werden Stoffe bezeichnet, die direkt oder indirekt in das Hormonsystem eines Organismus eingreifen und nicht körpereigen produziert wurden. Während die US–amerikanische Umweltbehörde EPA allein das Auftreten einer wie auch immer gearteten Wirkung für die Bezeichnung ‘endocrine disruptor’ zum Kriterium macht (US ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY, 1997), setzen die Europäische Umweltbehörde EEA und die Weltgesundheitsorganisation WHO in der sogenannten Weybridge–Definition eine gesundheitsschädigende Wirkung voraus (BRUHN ET AL., 1999). Dies bedeutet, dass ein ED nach US EPA nicht unbedingt ein Schadstoff sein muss. ED weisen keine einheitliche chemische Struktur auf, sodass ein Stoff nicht aufgrund seiner chemischen oder physikalischen Eigenschaften, sondern einzig wegen seiner Wirkung auf ein Hormonsystem als endokrin wirksam eingestuft wird. Demnach sind Vorhersagen der endokrinen Aktivität einer Substanz allein anhand seiner chemischen Struktur nicht möglich (s.a. SCHRENK–BERGT & STEINBERG, 1999).

Einteilung endokrin wirksamer Substanzen

Entsprechend der Wirkung der jeweiligen Substanz erfolgt eine Unterscheidung zwi-schen estrogener, antiestrogener, androgener und antiandrogener Aktivität. Weiterhin kann eine Unterteilung in natürliche (z. B. endogene Hormone, Phyto- und Mykoestrogene) und synthetische Hormone (z. B. Kontrazeptiva) sowie in Xenobiotika erfolgen. Zu letzterer Gruppe zählen Stoffe, die oft bereits seit langem für andere Schadwirkungen bekannt und deshalb z. T. verboten sind, z. B. PCP, Lindan, DDT, PCB, Dioxine und Furane, Organozinnverbindungen, Alkylphenolpolyethoxylate, Styrol, Bisphenol A und Phthalate (BRUHN ET AL., 1999; UMWELTBUNDESAMT, 1995; BUNDESMINISTERIUM FÜR BILDUNG UND FORSCHUNG, 2001). Die Durchführung einer großen Anzahl von Tests führt zu einem rasanten Anstieg der Zahl bekannter ED (BRUHN ET AL., 1999). So hat die US EPA ihre Richtlinien für Zulassungs- und Überwachungstests für Pestizide und Industriechemikalien mit Blick auf eine endokrine Wirkung modifiziert (US ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY – OFFICE OF PREVENTION, PESTICIDES, AND TOXIC SUBSTANCES, 1997).

Beispiele für eine schädliche endokrine Wirkung

Durch ED verursachte Störungen der Reproduktion und Entwicklung sind im Tierreich bereits in zahlreichen Fällen beobachtet und im Laborversuch bestätigt worden. Die Effekte betreffen insbesondere aquatische Systeme. So wurden beispielsweise Verweiblichungsphänomene wie die Induktion der Synthese von Vitellogenin in männlichen Fischen –  u. a. verursacht  durch natürliche und synthetische Steroide und Alkylphenole (PURDOM ET AL., 1994; HARRIES ET AL., 1997) – und die Vermännlichung weiblicher Vorderkiemenschnecken durch Organozinnverbindungen (OEHLMANN, 1996) beobachtet. Bei verschiedenen Fischarten wurden auch Entwicklungsstörungen der Geschlechtsorgane wie Hemmungen des Hodenwachstums und Intersex beobachtet (JOBLING, 1998; GERCKEN & SORDYL, 2001). Ein weiteres Beispiel ist die starke Abnahme der Aligatorenpopulation im Apopka–See in Florida, wo Veränderungen an den Reproduktionsorganen der Tiere wegen hoher Belastungen mit DDT auftraten (GUILLETTE ET AL., 1994). Eine eindeutige kausale Beziehung zwischen einer einzelnen Substanz und der beobachteten Wirkung ist allerdings nicht immer möglich, da in Umweltmedien i. A. eine Vielzahl endokrin wirksamer Substanzen gleichzeitig vorkommt und über additive, synergistische und antagonistische Effekte nur wenig bekannt ist.

Obwohl die endokrine Wirkung z. B. von Bisphenol A bereits seit 1936 bekannt ist (DODDS & LAWSON, 1936), gab erst die Postulierung der sogenannten Estrogen–Hypothese (SHARPE & SKAKKEBAEK, 1993) Anfang der 90er Jahre den Anstoß zu umfangreicheren Untersuchungen. In dieser Hypothese wird die Frage nach einem kausalen Zusammenhang zwischen der Exposition gegenüber estrogen wirksamen (Schad-) Stoffen und langfristig festgestellten Störungen des Reproduktionssystems bei der Bevölkerung der Industriestaaten aufgeworfen (z.B. sinkende Spermienzahl und -qualität, Zunahme von Mammakarzinomen). Der direkte Zusammenhang von Ursache und negativer endokriner Wirkung konnte beim Menschen bisher nur für das synthetische Estrogen Diethylstilbestrol (DES) nachgewiesen werden (HOGAN ET AL., 1987). Die Substanz wurde von 1947 an bis in die 80er Jahre schwangeren Frauen zur Vermeidung von Fehlgeburten verabreicht. Die Folgen waren das vermehrte Auftreten von Krebserkrankungen bei den Frauen und ihren Töchtern sowie krankhafte Veränderungen der Geschlechtsorgane sowohl bei männlichen als auch bei weiblichen Nachkommen. Da endokrine Wirkungen nicht nur estrogen, sondern auch antiestrogen, androgen und antiandrogen sein können, sollte heute eher von einer ‘Endokrinen–Hypothese’ gesprochen werden (SKAKKEBAEK, 2001).

Arbeitsschwerpunkte der Arbeitsgruppe ENDO des IAA

Am Institut für Abfallwirtschaft und Altlasten der TU Dresden besteht seit mehreren Jahren eine Arbeitsgruppe, die sich intensiv mit endokrin wirksamen Substanzen beschäftigt. Da es sich bei der überwiegenden Mehrzahl der bisher bekannt gewordenen endokrinen Effekte um estrogene Wirkungen handelt (SHARPE & SKAKKEBAEK, 1993), wurden bei der Gründung der AG ENDO 8 Estrogene als Zielsubstanzen ausgewählt:
 

Natürliche (endogene) Estrogene	Synthetische Estrogene	Xenoestrogene
17b-Estradiol	17a-Ethinylestradiol	Bisphenol A
Estron	Mestranol	Nonylphenol
Estriol		Octylphenol

Im Rahmen des EU–Verbundprojektes PRENDISENSOR (ENV4–CT97–0473) wurde die Mobilität von ED in mit Klärschlamm beaufschlagten landwirtschaftlichen Böden untersucht. Laborlysimeter dienten in Langzeitversuchen zur Ermittlung des vertikalen Transports. Der Oberflächenaustrag durch Erosion wurde durch Abschwemmversuche im Freiland bestimmt (s.a. WELTIN & BILITEWSKI, 2001).

Im laufenden EU–Forschungsvorhaben SANDRINE (ENV4–CT98–0801) wird die Elimination von ED während der Abwasserreinigung untersucht. Abbauversuche in Laborkläranlagen ermöglichen die Erstellung detaillierter Massenbilanzen, die mit den an großtechnischen Kläranlagen gewonnenen Messwerten verglichen werden (s.a. GEHRING ET AL.).

Das vom BMBF geförderte Forschungsvorhaben ENDO (02WA9979/0) dient der umfassenden Untersuchung des Klärprozesses auf großtechnischen Kläranlagen. Dabei werden die verschiedenen Verfahren des Abwasserreinigungsprozesses und deren Einfluss auf die Elimination endokrin wirksamer Substanzen aus dem Abwasser betrachtet. Zusätzlich werden verschiedene Schlammbehandlungsverfahren im Labormaßstab untersucht (s.a. WELTIN ET AL.).

Weitere Studien beschäftigen sich mit dem Vorkommen und der Eliminierung von endokrin wirksamen Substanzen in Industrieschlämmen, z. B. Prozessschlämmen aus der Papierindustrie.

In Ergänzung zu den im Rahmen des ENDO–Projektes durchgeführten Versuchen zur Klärschlammbehandlung ist geplant, die wesentlichen Verfahren der Verwertung und Entsorgung des Klärschlamms mit Blick auf die ED zu untersuchen, z.B. Klärschlammkompostierung, -vererdung und -deponierung. Die zur Bestimmung von ED in schwierigen Matrizes nötigen analytischen Voraussetzungen wurden in den letzten Jahren kontinuierlich verbessert, sodass neben kommunalen Abwässern und Klärschlämmen nun auch Deponiesickerwässer u.ä. analysiert werden können.

Vorstellung des Projektes KompaG

Zum Vorkommen und Verhalten endokrin wirksamer Substanzen in Abwasser, Klärschlamm und Gewässern haben in den letzten Jahren umfangreiche Untersuchungen stattgefunden. Im Gegensatz dazu gibt es zum Austrag dieser Substanzen aus Deponien bisher nur sehr wenige Informationen. In einer japanischen Studie wurde Bisphenol A im Sickerwasser einer Deponie in Konzentrationen von bis zu 17.200 µg/l gemessen (YAMAMOTO ET AL., 2001). Die Autoren vermuten abgelagerte Kunststoffabfälle als Ursache. Vergleicht man diesen Wert mit der Wirkschwellenkonzentration von 0,5 µg/l für die Induktion der Vitellogenin–Synthese in männlichen Zebrabärblingen (ALLNER, 2001), ist das von Deponien ausgehende endokrine Gefahrenpotential erheblich.

Im Rahmen des KompaG–Projektes werden zunächst Sickerwässer von Deponien mit Basisabdichtung und Sickerwasserfassung untersucht. Dabei werden die unterschiedlichen Abfallarten und deren Ablagerung auf den entsprechenden Deponien berücksichtigt. Eine wesentliche Rolle werden Siedlungsabfalldeponien spielen, da Siedlungsabfälle einen sehr großen Anteil am Gesamtabfallvolumen einnehmen. Klärschlamm-(mono)deponien könnten ebenfalls eine bedeutsame Quelle für ED sein, was Untersuchungen von Klärschlämmen nahelegen (Lee & Peart, 2000; BENNIE ET AL.,1998; KALBFUS, 1998; WENZEL ET AL., 1998). Auch Industrie- bzw. Sonderabfalldeponien sollen in die Untersuchungen einbezogen werden. Ein weiterer Schwerpunkt wird die Sickerwasserbehandlung sein. Dabei gilt es, die verschiedenen Verfahren bzw. Verfahrenskombinationen bezüglich ihrer Wirksamkeit bei der Elimination von ED aus dem Sickerwasser zu bewerten und nachfolgend zu optimieren. Bisherige Untersuchungen zeigen, dass hierbei Kombinationen aus biologischer Behandlung mit Aktivkohleadsorption bzw. Membranverfahren wie Ultrafiltration oder Umkehrosmose gute Eliminationsraten erwarten lassen (BEHNISCH ET AL., 2001; SCHIEWER ET AL., 2001).
Der zweite Schwerpunkt des Projektes KompaG liegt auf der Untersuchung von Deponien ohne Basisabdichtung. Hierbei kann es unter bestimmten Bedingungen zum Eintrag der im Sickerwasser enthaltenen ED ins Grundwasser kommen. Das im Projekt PRENDISENSOR untersuchte Mobilitätsverhalten der Substanzen in der aeroben Bodenzone kann nicht direkt auf das anaerobe Milieu einer Deponie übertragen werden, da sowohl Adsorption und Desorption als auch Abbauprozesse anderen Mechanismen unterliegen.

Zu diesem zweiten Schwerpunkt der Untersuchungen ist geplant, Proben aus Perkolations-, Säulen- sowie Lysimeterversuchen, die im Rahmen des BMBF–Projektes „Sickerwasserprognose“ (02WP 0157) am Institut für Abfallwirtschaft und Altlasten durchgeführt werden, auch auf endokrin wirksame Substanzen zu untersuchen. Die Verzahnung der verschiedenen Projekte gewährleistet die optimale Nutzung des hohen apparativen und zeitlichen Aufwandes, der sowohl für den Aufbau der Versuche als auch die Analytik notwendig ist.

Bei der DFG ist ein weiteres, umfangreiches Forschungsvorhaben  beantragt worden (EnDeSi), in dessen Rahmen auch Toxizitätstest mit Fischen durchgeführt werden sollen. Neben den bisher am IAA untersuchten ED sollen weitere relevante Substanzen in das Messprogramm aufgenommen werden. Aus den für die jeweiligen Deponietypen gewonnen Daten sollen nach multivariater statistischer Auswertung die Quellstärke ungesicherter Deponien und das zu erwartende Gefährdungspotential durch endokrin wirksame Substanzen abgeschätzt werden.

Ausblick

In den letzten 10 Jahren wurden Vorkommen und Wirkung endokrin wirksamer Substanzen in vielen Umweltmedien untersucht. Dennoch gibt es nur sehr wenige Informationen zu Emissionen von ED aus Deponien. Dabei dürfte die größte Gefahr von ungesicherten Deponien ohne Sickerwasserfassung ausgehen, da Emissionen von ED in das Grundwasser nicht auszuschließen sind.
Im Rahmen der TA Siedlungsabfall dürfen ab dem Jahr 2005 Klärschlämme nicht mehr deponiert werden. Damit fällt eine bedeutsame Fraktion als potentielle Quelle endokrin wirksamer Substanzen aus Deponien weg. Andererseits werden im Kunststoffbereich weltweit neue Produktionskapazitäten, z. B. für die Polycarbonatproduktion geschaffen (BAYNEWS, 2001; CHIYODA, 2001). Somit dürften nach Ablauf der Lebensdauer der Produkte vermehrt Kunststoffe auf die Deponien gelangen, wo sie dann eine potentielle Quelle für Bisphenol A darstellen.

Das Grundwasser ist ein wichtiges Schutzgut, das vor der Belastung mit endokrin wirksamen Substanzen geschützt werden muss. Detaillierte Untersuchungen, insbesondere von Deponien ohne Basisabdichtung, sind deshalb dringend notwendig.

Dank

Die Untersuchungen werden im Rahmen des DFG–Graduiertenkollegs 339 "Medienübergreifende Stofftransport- und Stoffumwandlungsprozesse an den Kompartimentgrenzen zum Wasser" durchgeführt.

Unser Dank gilt besonders unseren Laborfachkräften Frau Marén Hertrich und Frau Dagmar Gerbet, deren Arbeit für den Erfolg der AG ENDO unverzichtbar ist.

Referenzen

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