Critical Loads für Schwermetalle

Critical Loads sind wirkungsbasierte ökologische Belastungsgrenzwerte. Critical Loads für Schwermetalle geben an, welche Menge eines Metalls pro Fläche und Zeitraum in ein Ökosystem eingetragen werden darf, ohne dass nach bisherigem Wissensstand langfristig Schadwirkungen auftreten.

Inhaltsverzeichnis

 

Was sind Critical Loads?

Im Umkehrschluss heißt das: Werden Critical Loads durch die tatsächlichen Stofffrachten überschritten, besteht in dem betroffenen Gebiet langfristig ein Risiko für Umweltwirkungen, einschließlich möglicher Qualitätseinbußen bei Nahrungsmitteln und Trinkwasser.

Critical Loads für Blei (Pb), Cadmium (Cd) und Quecksilber (Hg) und ihre Überschreitungen durch die Luftschadstoffdeposition wurden für Europa kartiert. Dabei wurden Wirkungen auf die menschliche Gesundheit und auf Ökosysteme berücksichtigt. Die Ergebnisse sind in einem Kapitel der Bewertung der Wirksamkeit des Schwermetall-Protokolls unter der Genfer Luftreinhaltekonvention (CLRTAP) beschrieben. Der Bericht der CLRTAP Task Force on Heavy Metals zur 38. Sitzung der Arbeitsgruppe „Strategien und Prüfung“ (Working Group on Strategies and Review, September 2006, Genf) sagt unter Nr. 75 aus, dass die Kartierungen der Critical Loads und ihrer Überschreitungen in Europa genutzt werden können, um Emissionsszenarien mit Berücksichtigung des technischen Fortschritts (beste verfügbare Technik – BVT / best available technique - BAT) zu analysieren. Solche Untersuchungen bewerten, ob technische Maßnahmen ausreichend sind, um Ökosysteme und die menschliche Gesundheit langfristig vor schädlichen Wirkungen zu schützen (vgl. zum Beispiel Heavy Metal Emissions, Depositions, Critical Loads and Exceedances in Europe und CCE Status Report 2010, Teil 3).

Anders als Critical Loads für Säure und eutrophierenden Stickstoff werden die Critical Loads für Schwermetalle derzeit noch nicht direkt zur Ableitung von Emissionsminderungsmaßnahmen nach dem Verursacherprinzip herangezogen. Das ist begründet durch eine größere Unsicherheit der Wirkungsbewertung der Schwermetalle (Spurenelemente) im Vergleich zu Massenschadstoffen, vor allem aber  durch unzureichende Qualität der Emissionsinventare und eine noch nicht zufriedenstellende Validierung der Depositionsmodellierung.

Für Deutschland liegen Critical Loads für Pb, Cd und Hg vor, wobei sowohl potenzielle Gesundheitswirkungen als auch ökotoxische Wirkungen berücksichtigt sind. Im Ergebnis der europäischen Kartierung treten Critical Loads-Überschreitungen in Deutschland verbreitet bei Pb und Hg auf, jedoch kaum bei Cd. Eine Überprüfung dieser Aussagen anhand von Messergebnissen deutscher Depositionsmessnetze in Kombination mit Modellen ist bisher nicht möglich. Deshalb gibt es bisher für Deutschland keine räumlich differenzierten Darstellungen der Überschreitung der Critical Loads für Schwermetalle durch atmosphärische Einträge. Auf landwirtschaftlichen Flächen ist zusätzlich zur atmosphärischen Deposition die Bewirtschaftung (zum Beispiel organische und mineralische Düngung) eine Quelle für zum Teil erhebliche Schwermetalleinträge und kann langfristig zur Überschreitung der Vorsorgewerte der Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung (BBodSchV) führen (siehe „Vergleichende Auswertung von Stoffeinträgen in Böden über verschiedene Eintragspfade“).

 

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 Gewässer in Nahrung oder Trinkwasser. Andere Belastungsquellen für die menschliche Gesundheit wie Hausstaub und Farben sind hier nicht berücksichtigt.

Die Schwermetalle Pb, Cd und Hg gehören nicht zu den für Menschen in geringen Mengen unentbehrlichen Spurenelementen wie zum Beispiel Kupfer oder Zink. Werden sie in relevanten Mengen aufgenommen, schädigen sie den menschlichen Organismus. Die Nahrung ist der wichtigste Pfad für Belastungen des menschlichen Körpers mit Pb, Cd und Hg. Je nach Schwermetall spielen die direkte Ablagerung auf Nahrungspflanzen oder indirekte Pfade über das Bodenwasser und Gewässer eine unterschiedlich große 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 zusätzlich die Einhaltung eines Gehalts im Weizenkorn von 0,1 mg/kg als Indikator für den Schutz der Nahrungsqualität Verwendung.

Pb wirkt unter anderem neurotoxisch. Neuere Studien zeigen, dass die intellektuelle Entwicklung von Kindern bereits bei Werten unterhalb der bisher diskutierten Wirkungsschwelle (Pb-Gehalt im Blut von100 µg/l) gestört werden kann. Aufgenommenes Pb reichert sich allmählich in den Knochen an. Während der Schwangerschaft wird es teilweise mobilisiert, passiert die Plazenta und belastet das ungeborene Leben. Ebenso sind Säuglinge durch die Muttermilch exponiert. Deshalb ist für den Schutz der Gesundheit der Kinder vor Pb-Belastungen vor allem eine geringe Gesamtexposition der Mütter (beginnend mit ihrer eigenen Geburt bis zur Geburt ihrer Kinder) entscheidend.

Cd wird von Nichtrauchern zu 90 % über die Nahrung aufgenommen. Ein Raucher mit durchschnittlichem Tabak-Konsum verdoppelt die täglich aufgenommene Cd-Menge gegenüber der eines Nichtrauchers. Das aufgenommene Cd schädigt nach Akkumulation im Körper vor allem die Nieren. Personen mit vorgeschädigten Nieren, zum Beispiel Diabetiker, und generell die ältere Bevölkerung haben ein erhöhtes Krankheitsrisiko. Cd zählt außerdem zu den Krebs erregenden Stoffen.

Hg wirkt neurotoxisch und schädigt die Nieren. In Böden und Gewässern führen biotische und abiotische Prozesse zur Umwandlung von Hg in Methyl-Hg, das für ungeborene Kinder besonders neurotoxisch wirkt. Die Exposition erfolgt durch die Nahrungsaufnahme der Mutter. Nahrungsmittel mit hohem Methyl-Hg sind unter anderem Süß- und Salzwasserfisch und Meerestiere aus bestimmten Gegenden, darunter aus Skandinavien und der Arktis. Die Belastung der Nahrung erfolgt größtenteils durch atmosphärische Schadstoffdeposition, nachfolgende Mobilisierung des Hg in Böden und Transport in die Gewässer.

 

Wirkungen von Pb, Cd, Hg auf die Umwelt

Weder Tiere, Pflanzen noch Mikroorganismen benötigen Pb, Cd oder Hg für ihren Stoffwechsel. Die drei Schwermetalle haben aber bei Überschreitung bestimmter Konzentrationen in der Umwelt schädliche Wirkungen. Diese reichen vom Absterben (Tod) und so verminderten Individuenzahlen über gestörtes Wachstum, sichtbare Blattschäden, Reproduktionsstörungen bis hin zu Veränderungen physiologischer Prozesse und Einschränkungen mikrobiologischer Stoffumsetzungen. Die meisten Wirkungsdaten stammen aus Laborversuchen, wurden aber zum Teil bereits durch (sehr viel aufwändigere) Freilanduntersuchungen bestätigt. Ergebnisse von Wirkungsuntersuchungen sind die Grundlage für die Ableitung kritischer Konzentrationen im Bodenwasser im Critical Loads-Konzept. Die Ableitung der Vorsorgewerte in der BBodSchV beruht ebenfalls auf ökotoxikologischen Wirkungsdaten.

Die schädigende Wirkung geht nur vom biologisch verfügbaren Anteil des Schwermetalls aus, der sich jedoch bei Veränderungen des Bodenmilieus (pH, Wurzelausscheidungen) verändern kann. In Böden können Schwermetalle sehr fest an Humusbestandteile oder auch Tonminerale und Metalloxide gebunden sein. Diese Anteile sind für viele Organismen nur wenig verfügbar. Allerdings können Boden fressende oder durchwühlende Lebewesen (Regenwürmer, Maulwurf) oder Weidetiere sie direkt aufnehmen. Von größerer ökotoxischer Bedeutung sind Schwermetalle, die im Bodenwasser gelöst sind. Dabei sind vor allem freie Ionen bioverfügbar. Pflanzenwurzeln, Insekten und andere Wirbellose sowie Mikroorganismen können sie aufnehmen. Dagegen sind Schwermetalle im chemischen Komplex mit gelösten organischen Bindungspartnern zwar mobil, das heißt sie können also in das Grundwasser oder in Oberflächengewässer verlagert werden, werden aber von Lebewesen kaum aufgenommen. Der Anteil bioverfügbarer Schwermetalle an der Gesamtkonzentration im Boden hängt von chemischen und biologischen Größen ab, zum Beispiel vom pH-Wert, dem Humusgehalt, Wurzelausscheidungen und Tongehalt.

Die betrachteten Schwermetalle verhalten sich hinsichtlich ihrer Mobilität im Boden sehr unterschiedlich: Cd ist sehr, Hg und Pb sind wenig mobil. Entscheidende Einflussfaktoren sind auch dabei der pH-Wert und der Ton- und Humusgehalt. Cd geht bereits unterhalb von pH-Werten von 6 bis 6,5 verstärkt in Lösung, während bei Pb und Hg erst bei Werten unterhalb pH 4 eine Mobilitätszunahme zu beobachten ist.

Entsprechend den oben gemachten Ausführungen ist daher der Transfer vom Boden in die Pflanze über die Wurzel bei Cd höher als bei Pb und Hg. Das Verhalten der Pflanzen hinsichtlich der Schwermetall-Aufnahme unterscheidet sich grundsätzlich je nach Nutzung, pH-Wert, Bodenart und Fruchtart. Dies wird auch bei der Festlegung von Prüf-/ Maßnahmenwerten für den Pfad Boden/Pflanze in der BBodSchV berücksichtigt.

 

Bestimmung der Critical Loads für Schwermetalle

Die grundlegende Methode für die Critical Load-Berechnungen ist die Erstellung einer Massenbilanz unter Gleichgewichtsbedingungen. Dabei werden Raten der Metalleinträge den langfristigen Raten der Prozesse gegenübergestellt, die diese Stoffe aus dem System entfernen können. Das sind im Wesentlichen die Biomasseernte und die Auswaschung.

Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Höhe 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 für Trinkwasser, Nahrungsmittel und Ökosysteme

Die Critical Loads zum Schutz der Trinkwasserqualität basieren auf der Annahme, dass das Sickerwasser unterhalb der Wurzelzone höchstens Schwermetallkonzentrationen entsprechend der WHO-Trinkwasser-Empfehlung aufweisen darf. Die Critical Loads entsprechen der Summe aus dem Austrag des Metalls durch Biomasseernte (land- und forstwirtschaftliche genutzte Flächen) und dem „kritischen“ Schwermetallfluss mit dem Sickerwasser (Sickerwasserrate multipliziert mit dem WHO-Wert für die Schwermetallkonzentration). Der Austrag mit der Biomasseernte wird aus den Erntemengen multipliziert mit durchschnittlichen Schwermetallgehalten (unbelastete Gebiete) berechnet. Die Höhe der Critical Loads wird vorrangig durch die klimatisch bedingte Höhe der Sickerwasserrate bestimmt. Die Critical Loads-Karten weisen deshalb für alle drei Metalle ein sehr ähnliches räumliches Muster auf, weshalb wir hier nur die Karte für Pb präsentieren.

Critical Loads zum Schutz der Nahrungsmittelqualität werden nur für Cd berechnet, da bei den Metallen Pb und Hg die Aufnahme aus dem Boden in die Pflanzen auf landwirtschaftlichen Nutzflächen kaum eine Rolle spielt. Erhöhte direkte Depositionen von Pb und Hg auf die Nutzpflanzen können in industrienahen Gebieten vorkommen, dafür gibt es jedoch andere Bewertungsmethoden. Beim Cadmium wurde der Nahrungsweizen (Korn) als diejenige Feldfrucht identifiziert, bei der ein erhöhter atmosphärischer Eintrag am ehesten großflächig zu erhöhten Cd-Gehalten führt. Der hier verwendete wirkungsbasierte kritische Cd-Gehalt beträgt 0,1 mg kg-1 Frischgewicht, das ist die Hälfte des EU-Grenzwertes (Verordnung (EG) Nr. 1881/2006 der Kommission vom 19. Dezember 2006 zur Festsetzung der Höchstgehalte für bestimmte Kontaminanten in Lebensmitteln), der nicht strikt wirkungsbasiert abgeleitet ist, sondern sich an allgemein erreichbaren Werten („ALARA-Prinzip“: As low as reasonably achievable) orientiert. Untersuchungen haben gezeigt, dass bei Berechnung der Critical Loads nach dieser Methodik der Schutz der Qualität auch anderer landwirtschaftlicher Nutzpflanzen hinsichtlich des Cd-Gehaltes gewährleistet ist. Die Critical Loads (Cd) zum Schutz der Nahrungsmittelqualität sind insgesamt empfindlicher als die Critical Loads für den Trinkwasserschutz. Sie weisen nur eine geringe Schwankungsbreite und räumliche Differenzierung auf, so dass auf eine Kartendarstellung hier verzichtet wird.

Kritische Belastungsgrenzwerte (Critical Loads) mit Bezug zum Schutz vor ökotoxischen Wirkungen wurden für Pb und Cd für landwirtschaftliche sowie naturnahe Ökosysteme berechnet. Bei der Berechnung dieser Critical Loads für den Ökosystemschutz entspricht der Austrag mit der Biomasseernte den für die Critical Loads (Trinkwasserschutz) ermittelten Frachten. Die kritischen Austragsraten mit dem Sickerwasser (Pb, Cd) werden jedoch nicht allein durch die Sickerwassermengen differenziert. Berücksichtigt werden vielmehr wirkungsbasierte, ökosystemspezifische kritische Konzentrationen (Critical Limits) für das Sickerwasser, wobei sich die Wirkung auf die in den oberen Bodenschichten lebenden Organismen (Wirbellose, Pflanzen, Mikroorganismen) beziehen. Ausgangspunkt sind Ergebnisse aus Wirkungstests, die nach anerkannten Methoden durchgeführt und dokumentiert wurden. Einflussfaktoren auf die Critical Limits für Pb und Cd sind der pH-Wert, der Gehalt an organischer Substanz, die Konzentration gelösten organischen Kohlenstoffs (DOC) sowie der Partialdruck von Kohlenstoffdioxid im Bodenwasser. In Deutschland wurden die Critical Loads für Hg (Ökosystemschutz) nur für Waldböden ermittelt, weil bisher nur für diese Anzeichen für schädliche Wirkungen von Hg aus dem atmosphärischen Ferntransport von Luftschadstoffen erkennbar sind. Diese auf den Ökosystemschutz 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. Bei Hg spielt die enge Bindung dieses Metalls an die organische Substanz die entscheidende Rolle. Feste sowie gelöste organische Substanz des Humus ist hauptverantwortlich für Speicherung und Transport des Hg in Böden, weshalb die Critical Limits allein in Abhängigkeit von der DOC-Konzentration im Bodenwasser abgeleitet werden.

Anders als bei Critical Loads für Säure oder Eutrophierung sind kritische Konzentrationen von Schwermetallen im Bodenwasser (Critical Limits) heute auf großen Flächen in Deutschland noch nicht erreicht. Das kann auch auf Regionen zutreffen, in denen die Schwermetalleinträge in die Ökosysteme die Critical Loads überschreiten. Die Böden haben zum Teil ein hohes Bindungsvermögen für Schwermetalle, so dass es besonders lange dauert (Jahrzehnte bis Jahrhunderte oder sogar Jahrtausende), bis sich zwischen den gebundenen und gelösten Schwermetallen im Boden ein Gleichgewicht in Höhe der Critical Limits einstellt. Das bedeutet einerseits, dass in Böden, die heute Konzentrationen unterhalb der Critical Limits aufweisen, erst nach sehr langen Belastungszeiträumen schädliche Wirkungen auftreten. Andererseits ist zu beachten, dass in Böden einmal akkumulierte Schwermetallmengen – unter sonst gleichen Bedingungen - nur über ebenso lange Zeiträume wieder aus dem Boden entfernt werden. Auf belasteten Flächen ist demnach selbst bei Einhaltung oder Unterschreitung der Critical Loads mit sehr langen Zeiträumen zu rechnen, bis die Konzentrationen wieder unter die Critical Limits sinken. Daher ist die vorsorgliche Vermeidung zu hoher Schwermetalleinträge geboten.

Problematisch sind zudem Änderungen der chemischen oder biologischen Randbedingungen (Mineralisation der organischen Substanz nach Entwaldung, Versauerung unter ein bestimmtes Niveau): Unter diesen Umständen können Schwermetalle in größeren Mengen in bioverfügbare Form überführt werden.

Um die Zeiträume zu ermitteln, in denen sich Konzentrationen der Schwermetalle in Böden und Bodenwasser ändern, zum Beispiel wann Critical Limits erreicht werden und um sich ändernde Rahmenbedingungen in die Betrachtung einzubeziehen, bedarf es der Anwendung dynamischer Stoffhaushaltsmodelle. Sie existieren zum Teil bereits auf nationaler Ebene und werden derzeit international harmonisiert und weiterentwickelt.

Prozentualer von BLei, Cadmium und Quecksilber in Ökosystemen
Statistische Kennwerte der Critical Loads Pb, Cd, Hg
Quelle: Umweltbundesamt
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