VorkommenDie Chlorchemie ist derzeit nur noch in geringem Maß an Neueinträgen in die Umwelt beteiligt, gilt aber als wichtiger Verursacher von Altlasten. Heute tragen vor allem unvollständige Verbrennungen in Anwesenheit von Chlorquellen zur Belastung der Umwelt bei. Wichtige Primärquellen des PCDD/F-Eintrages in die Luft sind die Metallerzeugung- und verarbeitung (Anteil ca. 80%), die Abfallverbrennung, die Industrie- und Gewerbefeuerungen und die Hausbrandfeuerstätten. Über die Immission werden die PCDD/F ubiqitär in der Umwelt verbreitet. Aus umweltmedizinischer Sicht ist die Anreicherung über die Nahrungskette, besonders in Milch, Fleisch, Eiern und Fischen sowie daraus hergestellten Produkten von größter Bedeutung.
Umweltpolitische Maßnahmen (z. B. Bundes-Immissionsschutz-Verordnung, Verbot chlor- bzw. bromhaltiger Zusatzstoffe zum Benzin, Herstellungsverbote für PCP und PCB) bewirkten in den letzten Jahren einen deutlichen Rückgang der PCDD/PCDF-Einträge in die Umwelt.
Chemische Kurzbeschreibung
 Allgemeine Struktur polychlorierter Dibenzo-p-dioxine (PCDD) und Dibenzofurane(PCDF) und systematische Bezifferung der Substitutionsstellen |
PCDD- und PCDF-Kongenere mit 2,3,7,8-Chlorsubstitutionsmuster |
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Bekanntester Vertreter dieser Stoffgruppe ist das 2,3,7,8-Tetrachlordibenzo-p-dioxin (2,3,7,8-TCDD), das im Jahre 1976 durch einen Chemieunfall als sogenanntes "Seveso-Gift" bekannt wurde.
PCDD/F zeichnen sich durch eine hohe Lipophilie, eine entsprechend geringe Wasserlöslichkeit und einen geringen Dampfdruck aus. Dampfdruck und Wasserlöslichkeit nehmen mit zunehmendem Chlorierungsgrad ab, während die Lipophilie zunimmt. Die Verbindungen sind weitgehend inert gegen Säuren und Laugen, chemisch reaktionsträge und thermostabil bis zu Temperaturen von etwa 700 °C.
Dioxine treten stets als komplexe Gemische mit wechselnder Zusammensetzung, oft zusammen mit anderen, chemisch und toxikologisch ähnlichen Stoffen auf.
Nachweisverfahren
So werden beispielsweise 50 ml einer Blutprobe zunächst mit einer definierten Menge an
13C- isotopenmarkierten PCDD/F-Molekülen versetzt, chemisch aufgeschlossen und die
PCDD/F mitsamt dem Blutfett durch organische Lösungsmittel daraus extrahiert. In mehreren
säulenchromatographischen Schritten unter Verwendung von Kieselgelen, Aluminiumoxid und Aktivkohle
werden dann das Fett und andere störende Begleitsubstanzen von den PCDD/F abgetrennt bis letztendlich
ein hochreiner Extrakt übrigbleibt, der auf ein Volumen von 10 µl eingeengt wird. Auf diese Weise werden
die in 50 ml Blut enthaltenen PCDD/F um den Faktor 5.000 aufkonzentriert.
Ein Teil dieses Extraktes wird dann im Gaschromatographen verdampft und der Dampf wird
mittels Heliumgas durch eine 60 m lange und 0,25 mm dicke Quarzkapillarsäule geleitet, die auf
der Innenseite mit einem nur 0,1 µm dicken Silikonfilm beschichtet ist. Die Trennsäule befindet sich
dabei in einem Ofen und wird zeitabhängig programmgesteuert auf Temperaturen von 100 bis 280 °C erhitzt.
Aufgrund ihrer unterschiedlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften treten die PCDD/F nun mehr oder weniger
stark mit den Molekülen des Silikons in Wechselwirkung und verlassen daher unterschiedlich schnell nach
etwa 15 bis 55 Minuten wieder die Trennsäule. Danach gelangen die einzelnen PCDD/F-Moleküle in die
Ionenquelle des Massenspektrometers und werden dort durch Beschuß mit Elektronen in elektrisch positiv
geladene Ionen überführt. Diese Ionen werden im Hochvakuum zunächst durch ein elektrisches Feld
beschleunigt und dann durch ein starkes Magnetfeld aus ihrer zuvor geradlinigen Flugbahn umso stärker abgelenkt,
je leichter sie sind und je stärker sie elektrisch geladen sind. Auf diese Weise ist es möglich exakt
die PCDD/F-Ionen herauszufiltern und diese mit einem speziellen Detektor selekiv nachzuweisen. Beim Einsatz eines
aufwendig konstruierten hochauflösenden Massenspektrometers kann die Molekülmasse noch auf mehrere Stellen
hinter dem Komma genau gemessen werden und die Empfindlichkeit des Gerätes reicht bis in den Femtogrammbereich
(1 fg (Femtogramm) = 10-15 g = 0,000 000 000 000 001 g).
Um im unteren Spurenbereich exakte Bestimmungen durchführen zu können, werden zur Quantifizierung die
anfangs erwähnten isotopenmarkierten PCDD/F-Moleküle herangezogen. Diese synthetisch hergestellten
Verbindungen enthalten ausschließlich Kohlenstoffatome mit der Atommasse 13 und lassen sich daher mit
Hilfe des Massenspektrometers von den in den Proben vorkommenden PCDD/F-Molekülen aufgrund ihrer
größeren Molekülmasse unterscheiden. Da die Menge der anfangs zugesetzten isotopenmarkierten
PCDD/F-Moleküle genau bekannt war, kann durch eine Vergleichsmessung der Signalintensitäten eine
exakte Quantifizierung auch geringster Mengen der in der Probe enthaltenen PCDD/F vorgenommen werden.
 Schematischer Aufbau eines Gaschromatographen/Massenspektrometers |
Die Kosten für eine deratige Untersuchung betragen je nach Matrix: DM 800,- bis 2.500,- pro Probe (1999).
Bestimmungen in Humanproben (Blut, Fettgewebe, Frauenmilch) werden in der BRD nur von wenigen Laboratorien durchgeführt (Qualitätskontrolle beachten). Diesbezügliche Probenahmen sind mit dem Laboratorium abzustimmen. In der Regel werden speziell vorbereitete Probenahmegefäße für die Blutuntersuchung vom Labor zur Verfügung gestellt. Die für eine Untersuchung notwendige Blutmenge beträgt ca. 50 ml Vollblut.
ToxizitätsäquivalenteZur groben Abschätzung des Risikos, das von PCDD/F-Gemischen ausgeht, hat sich in den letzten Jahren das Konzept der Toxizitätsäquivalente (TEq) durchgesetzt. Dabei wird die Wirkungsstärke eines Kongeners in Relation zu der des 2,3,7,8-TCDD, dem toxischsten Vertreter dieser Substanzklasse, angegeben, dessen Toxizitätsäquivalenzfaktor (TEF) mit 1 festgelegt wurde. Durch Multiplikation der gemessenen Konzentrationen des jeweiligen Kongeners mit dem entsprechenden TEF und anschließender Addition der so gewichteten Konzentrationswerte ergibt sich diejenige Konzentration, von der die gleiche toxische Wirkung ausgehen würde wie von 2,3,7,8-TCDD.
Grundlage für die Erstellung der TEF ist die Annahme, daß die einzelnen Kongenere grundsätzlich das gleiche Wirkungsprinzip, jedoch unterschiedliche Wirkungsstärken aufweisen. Der überwiegende Teil der TEF basiert auf Studien zur Enzyminduktion (z. B. der Arylhydrogencarbonhydroxylase), zur akuten Toxizität, Kanzerogenität und zur Reproduktionstoxizität.
Problematisch ist, daß verschiedene Modelle zur Berechnung der TEq existieren. In Deutschland wurden zunächst die vom ehemaligen Bundesgesundheitsamt in Zusammenarbeit mit dem Umweltbundesamt im Jahre 1985 festgelegten TEF verwendet (BGA/UBA-TEq). In den letzten Jahren erfolgt jedoch auch in Deutschland die Berechnung der TEq fast ausschließlich mit sogenannten Internationalen TEF, die von einem wissenschaftlichen Gremium der NATO entwickelt wurden (I-TEq bzw. NATO/CCMS-TEq). Außerdem existiert seit neuestem ein Modell der WHO [1]. Die Modelle unterscheiden sich hauptsächlich in der Bewertung der PentaCDD/F; das BGA/UBA-Modell berücksichtigt auch nicht-2,3,7,8-chlorsubstituierte PCDD/F. Aufgrund der unterschiedlichen Gewichtung einzelner Kongenere sind die I-TEq-Werte bei Humanproben etwa doppelt so hoch wie die BGA/UBA-TEq-Werte, während sich bei Umweltproben in der Regel bei beiden Modellen etwa gleich hohe Werte ergeben. Die WHO-TEq-Werte sind stets etwas höher als die I-TEq-Werte.
Das Konzept der TEq ist nicht unumstritten und weist zweifelsohne eine Reihe von Mängeln auf. So ist z. B. die Datenlage zu vielen PCDD/F unzureichend, insbesondere betreffs der Endpunkte Immuntoxizität und Kanzerogenität. Darüber hinaus wurden für verschiedene PCDD/F neben den rein additiven Wirkungen auch synergistische und antagonistische Effekte nachgewiesen.
Innere BelastungSowohl innerhalb der Nahrungkette als auch beim Menschen findet eine Anreicherung der PCDD/F-Kongenere mit 2,3,7,8-Chlorsubstitutionsmuster statt. Die Halbwertszeiten betragen beim erwachsenen Menschen im Fett z. B. für das 2,3,7,8-TCDD 7 - 10 Jahre. Die Höhe der inneren Belastung des Menschen hängt vorwiegend vom Lebensalter, den Ernährungsgewohnheiten und Gewichtsveränderungen, sowie bei Frauen vom Stillen und bei Säuglingen und Kleinkindern von der Stillzeit ab.
Zur Bestimmung der PCDD/F-Körperlast können Fettgewebs-, Frauenmilch- oder Blutuntersuchungen herangezogen werden. Die Gehalte in allen drei Matrices sind bezogen auf den Fettanteil in etwa gleich hoch. Aufgrund der allgemeinen Verfügbarkeit und der leichten Zugänglichkeit kann Vollblut bei Bezug der Gehalte auf den Fettanteil als Parameter der Wahl angesehen werden.
Die PCDD/F-Hintergrundbelastung innerhalb der BRD ist in den letzten Jahren stark rückläufig und liegt derzeit im Mittel bei etwa 20 pg I-TEq/g Blutfett (Altersabhängigkeit und Untersuchungszeitraum beachten, vgl. Abb.). Die PCDD/F-Konzentrationen im Milchfett (Proben aus Deutschland) sind von 32,5 im Jahre 1987 auf 16,0 I-TEq pg/g Fett im Jahre 1995 gesunken [5, 6]
 Zeitlicher Trend der Altersabhängigkeit der PCDD/F-Gehalte in Humanblut |
Gesundheitsbezogene Richtwerte
Hauterkrankungen: Die Chlorakne ist das Leitsymptom der akuten bzw. chronischen PCDD/F-Intoxikation beim Menschen. Sie spielt in der Umweltmedizin keine Rolle.
Hepatotoxizität: Tierexperimentell verursacht 2,3,7,8-TCDD Leberschäden. Bei hoch exponierten Menschen wurden vereinzelt erhöhte Aktivitäten der Leberenzyme im Serum festgestellt.
Reproduktionstoxizität: Reproduktionstoxische Wirkungen sind tierexperimentell belegt, beim Menschen liegen vereinzelte fragliche Hinweise hierzu vor.
Immuntoxizität: 2,3,7,8-TCDD beeinträchtigt im Versuchstier sowohl die humorale als auch auch die zelluläre Immunantwort. Befunde beim Menschen sprechen ebenfalls für eine Beeinträchtigung der Immunfunktion bei hoher Belastung.
Kanzerogenität: Sowohl tierexperimentelle Daten als auch epidemiologische Beobachtungen beim Menschen sprechen für eine krebserzeugende Wirkung von 2,3,7,8-TCDD. Die International Agency for Research on Cancer (IARC) hat 2,3,7,8-TCDD im Frühjahr 1997 in die Kategorie 1 "carcinogenic to humans" eingestuft. Es wird derzeit davon ausgegangen, daß es für diese Wirkung kein spezielles Zielorgan gibt [8, 9]. Für andere PCDD/F-Kongenere kann keine hinreichend gesicherte Aussage bzgl. ihrer Kanzerogenität gemacht werden.
Andere: Eine Nachuntersuchung der beim Sevesounfall hoch 2,3,7,8-TCDD-exponierten Personen ergab Hinweise für eine erhöhte Mortalität an kardiovaskulären und chronisch obstruktiven Atemwegserkrankungen in der Gruppe mit der höchsten Belastung. Weitere mit einer hohen PCDD/F-Belastung in Verbindung gebrachte Gesundheitsstörungen sind unspezifische Befindlichkeitsstörungen, Störungen des Fett- und Kohlenhydratmetabolismus, neurologische Symptome (Polyneuropathien, Störungen sensorischer Funktionen, Schwäche der unteren Extremitäten) und psychische Symptome (Neurasthenie, Depressionen) [10].
Es sei darauf hingewiesen, daß spezielle Wirkungen auf das Immunsystem und auf die Reproduktion im Tiermodell bei Dosen auftreten, die mit der aktuellen Belastung des Menschen durchaus vergleichbar sind [11].
Umweltmedizinische BedeutungDie umweltmedizinische Bedeutung, besonders des toxikologisch relevanten 2,3,7,8-TCDD, beruht vor allem auf seiner Kanzerogenität und der langen Halbwertszeit im menschlichen Organismus (Anreicherung in fetthaltigen Geweben) von 7-10 Jahren. Inwieweit andere Wirkungen bei den Belastungen, der die Allgemeinbevölkerung ausgesetzt ist, eine Rolle spielen, ist fraglich. Die bisher beim Menschen diskutierten Wirkungen wurden nur bei hohen Expositionen beschrieben. Ebenfalls unklar ist auch, ob von den derzeitigen bzw. den zurückliegenden Belastungen der Allgemeinbevölkerung ein erhöhtes Krebsrisiko abgeleitet werden kann.
Die für Deutschland vorsorglich geforderte duldbare Aufnahmemenge von weniger als 1 pg I-TEq/(kg × d) wird derzeit von Kindern noch überschritten, von Erwachsenen weitgehend ausgeschöpft. Der Eintrag in Lebensmittel muß daher weiter reduziert werden. Dies wird trotz effektiver emissionsmindernder Maßnahmen wegen der Persistenz der PCDD/F in der Umwelt noch Jahre bis Jahrzehnte dauern.
Kleinkinder können durch Hand-zu-Mund-Aktivitäten vermehrt PCDD/F über kontaminierte Böden aufnehmen. PCDD/F werden nach derzeitigem Stand in der Bodenschutz- und Altlastenverordnung prioritär eingestuft. Es existieren Richtwerte und Handlungsempfehlungen zur Bodennutzung und Bodensanierung bei PCDD/F-belasteten Böden. Vermutlich ist aber die orale Bioverfügbarkeit von boden- bzw. staubgebundenen PCDD/F deutlich geringer als die über Lebensmittel. Nach den Angaben der Bund/Länder-Arbeitsgruppe "Dioxine" sollen bei Bodenbelastungen zwischen 5 und 40 ng I-TEq/ kg Trockensubstanz Prüfaufträge und Handlungsempfehlungen für die landwirtschaftliche und gärtnerische Bodennutzung ausgesprochen werden, bei höheren Konzentrationen sind weitergehende Maßnahmen angezeigt.
Gestillte Säuglinge nehmen erhebliche PCDD/F-Mengen über die Frauenmilch auf. Die Belastung über diesen Pfad übertrifft den TDI bis um etwa den Faktor 100. Eine Einschränkung des Stillens wird dennoch nicht empfohlen, weil der physiologische und psychologische Nutzen des Stillens im Vordergrund steht. Ferner gibt es Hinweise, daß die Halbwertszeit der Elimination beim Säugling im Vergleich zum Erwachsenen für PCDD/F deutlich kürzer ist. Für gesundheitliche Beeinträchtigungen gibt es zwar keine fundierten Erkenntnisse, aber die konsequente Weiterführung emissionsmindernder Maßnahmen erscheint vor dem Hintergrund der hohen PCDD/F-Belastung des Säuglings unverzichtbar.
DiagnostikInnenraumluft- bzw. Hausstaubbelastungen durch PCDD/F beruhen meist auf der Verwendung von PCP (häufig mit PCDD/F kontaminiert) als Holzschutzmittel, der Verwendung von PCB-haltigen dauerelastischen Dichtmassen, zurückliegende Brandereignisse in der Wohnung unter Beteiligung chlororganischer Stoffe wie Kabelummantelungen, Fußbodenbelägen, Fensterrahmen, Elektrogeräten, Anstrichen u. a. Materialien aus PVC (oder anderen Werkstoffen), oder sind auf Immissionen eines benachbarten industriellen PCDD/F-Emittenten zurückzuführen. Spezifische PCDD/F-Belastungen von Wohnräumen können anhand von Luft- oder Hausstaubuntersuchungen erkannt werden. Die PCDD/F-Kongenerenmuster erlauben unter Umständen bereits einen Rückschluß auf die Quelle. Hausstaub aus unbelasteten Wohninnenräumen weist im Mittel eine PCDD/F-Belastung von ca. 100 ng I-TEq/kg auf. Gehalte oberhalb 200 ng I-TEq/kg weisen auf eine erhöhte PCDD/F-Belastung der Wohnung hin [12, 13]. Der wesentlich kostengünstigere Nachweis von PCP läßt im Falle einer Kontamination über Holzschutzmittel i. d. R. bereits auf die Anwesenheit von PCDD/F schließen. Die Erfahrungen aus vielen Brandschäden zeigten, daß PCDD/F nur dort in höheren Konzentrationen nachweisbar waren, wo optisch deutlich wahrnehmbare Brandverschmutzungen durch Ruß bzw. Staubniederschlag vorlagen.
Zur Beurteilung der intrakorporalen Belastung ist eine Analyse von PCDD/F im Blut zu empfehlen (wegen der hohen Kosten ist eine sorgfältige Abwägung anzuraten; Hintergrundwerte s. Abb.). Die PCDD/F-Aufnahme bei kurzzeitiger Inhalation PCDD/F-haltiger Brandgase ist als vernachlässigbar einzustufen. Dies zeigten u. a. Humanbiomonitoring-Untersuchungen, die nach einem Brandereignis in einem Kunststoff-Recyling-Betrieb in Lengerich oder im Rahmen des Flughafenbrandes in Düsseldorf durchgeführt wurden [14, 15].
Therapie/PräventionDie Gesamtbelastung durch PCDD/F muß durch konsequentes Fortführen emissionsmindernder Maßnahmen weiter reduziert werden. Das Umweltbundesamt erwartet im Vergleich zu 1994/95 für 1999/2000 eine Verminderung der Gesamt-PCDD/F-Emissionen insbesondere bei industriellen Anlagen um ca. 75%.
Spezielle Literatur
Übersichtsliteratur
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