Immission und Deposition von polyhalogenierten Dibenzodioxinen und Dibenzofuranen (PCDD/PCDF) und polychlorierten Biphenylen (PCB)

Auswertungen der Daten aus dem POP-Dioxin-Informationssystem zeigen, dass ab der 2. Hälfte der 1990-er Jahre keine Abnahme der Luftbelastung (Immissionen) mehr stattfindet. Diesen Trend zeigen auch die Daten der PCDD/PCDF-Deposition. Ein leichter Anstieg kann ab 2003 beobachtet werden. Auswertungen der Umweltprobenbank des Bundes anhand von Bioindikatoren (Fichten- und Kieferntrieben) stützen diese Aussage.

Die Begriffe Immission und Deposition

Dem Pfad Luft kommt eine entscheidende Bedeutung für die Verteilung von PCDD/PCDF in der Umwelt zu. Letztlich bildet dieses Kompartiment die Verbindung zwischen Quelle (z.B. Verbrennung) und Kompartimenten wie Boden, Biota oder Futtermitteln, die wiederum einen wichtigen Eintragspfad für die Nahrungskette darstellen und damit letztlich die Humanbelastung mitbestimmen. Durch die hohe Stabilität (Persistenz) von PCDD/PCDF verbleiben diese Stoffe in der Umwelt und werden nur sehr langsam durch physikalische, biologische und chemische Prozesse abgebaut. Durch Ferntransport findet eine weiträumige Verteilung dieser Schadstoffkonzentrationen statt.

Unter Immission wird die Schadstoffkonzentration in der Luft verstanden, die durch lokale Emissionen und Ferntransport entsteht. Die Schadstoffe liegen hierbei vorwiegend an Staubpartikel gebunden vor. Die an die Partikel gebundenen Schadstoffe werden durch Deposition (nass oder trocken) aus der Atmosphäre ausgetragen. Dies bedeutet den Übergang aus dem Kompartiment Luft z.B. in die Kompartimente Biota (Pflanzen/Tiere) und Boden. Depositionen sind somit Stofffrachten. Sie geben an, welche Menge eines Stoffes pro Fläche und Zeitraum eingetragen wird. Die Situation der Deposition ist deshalb eng mit der Immissionssituation korreliert. Darüber hinaus können diese beiden Kenngrößen Grundlage für weitere Abschätzungen von Einträgen in andere Kompartimente liefern (z.B. Pfad Luft – Boden – Futterpflanze – Tier – Lebensmittel – Mensch).

Bewertung

Immissionskonzentrationen und Depositionsraten sind charakteristische Kenngrößen zur Beschreibung der Luftbelastung bzw. deren möglichen Übergangs aus dem Kompartiment Luft z.B. in die Kompartimente Biota (Pflanzen) und Boden. Sie beschreiben damit einen Grundeintrag in diese Kompartimente an einem gegebenen Standort. Für POPs (persistente organische Schadstoffe/Persistent Organic Pollutant-POP), zu denen PCDD/PCDF gehören, sind neben bewirtschaftungsbedingten Einträgen (Klärschlamm/Kompost) die Deposition eine wichtige Ursache für ihre ubiquitäre Verbreitung in Böden und Biota.

Datensammlung

Die Auswertung und Bewertung der zeitlichen und räumlichen Entwicklung der Depositionsraten stützt sich auf Ergebnisse aus Mess- und Beobachtungsprogrammen des Bundes und der Länder. In die Auswertung gehen Daten aus dem Luftmessnetz des Umweltbundesamtes, des Landes Hessen, Thüringen, Brandenburg, Rheinland-Pfalz, Nordrhein-Westfalen, der Freien Hansestadt Bremen und Hamburg aus den Jahren 1989 bis 2004 ein, die in dem POP-Dioxin-Informationssystem des Bundes und der Länder strukturiert vorliegen. Es liegen vor allem Messergebnisse zur Gesamtdeposition (beinhaltet nasse und trockene Deposition) vor. Da alle diese Messungen mit der Bergerhoff-Methode durchgeführt wurden, sind sie methodisch gut vergleichbar. Der Gesamtdatensatz umfasst insgesamt 1 415 Proben, von denen 1 017 Proben in Gebieten ohne eine besondere Belastungssituation genommen wurden. 363 Proben wurden als besonders belastet gekennzeichnet und 16 Proben wurden durch Ausreißertests nicht in der Bewertung berücksichtigt.

Auswertung

Saisonale Schwankungen und zeitlicher Trend von Depositionen von PCDD/PCDF

Untersuchungen des jahreszeitlichen Verlaufs und der zeitlichen Entwicklung der PCDD/PCDF-Depositionen (aufgefangene trockene und nasse Niederschläge) ohne besondere Belastungssituation zeigen, dass die Durchschnittsdeposition für PCDD/PCDF im Winterhalbjahr jeweils signifikant höher als im Sommerhalbjahr liegt. Auch die Immissionskonzentrationen (in der Luft) spiegeln diese jahreszeitlichen Schwankungen wider. Während der mittlere I-TEQ [1] für Depositionen im Sommer bei 2,48 (ohne Bestimmungsgrenze) bzw. bei 3,56 (mit Bestimmungsgrenze) pg I-TEQ/m²d  liegt, wurde im Winterhalbjahr ein mittlerer I-TEQ für Depositionen von 4,34 (ohne Nachweisgrenze) bzw. 5,36 (mit Nachweisgrenze) pg I-TEQ/m²d ermittelt. Dieser jahreszeitliche Verlauf der Depositionsbelastung wird bedingt durch die wechselnde Quellensituation z.B. dem Hausbrand zwischen Winter (Heizperiode von Oktober bis März) und Sommer (April bis September). Auch auftretende Inversionswetterlagen im Winter können den jahreszeitlichen Trend verstärken. Von 1990 bis 1997 ist ein deutlicher zeitlicher Trend mit einer Abnahme der Depositionen von ca. 50 % zu erkennen Bis 2002 verbleiben die Belastungen auf einem Niveau von 3 bis 4 pg I-TEQ / (m²d) unter Einbeziehung der Bestimmungsgrenze. Es fällt auf, dass ab 2002 wieder ein leichter Anstieg zu beobachten ist. Eine Bewertung, ob es sich dabei um eine natürliche Schwankung oder um eine Trendumkehr handelt, ist allerdings erst im weiteren zeitlichen Verlauf nach Auswertung neuer Daten möglich. Die große Differenz zwischen den Berechnungen mit des TEQ mit und ohne Berücksichtigung der Nachweisgrenze (TEQ-ub und TEQ-lb)  in den Jahren ab 2000 macht deutlich, dass zahlreiche so niedrig belastet waren, dass die Gehalte unterhalb der Bestimmungsgrenze lagen (siehe Abb. „Jahreszeitliche Schwankungen der PCDD/PCDF- Depositionen aus Proben ohne besondere Belastungssituation“).

Auswertung nach siedlungsstrukturellem Gebietstyp

Neben der Berücksichtigung zeitlicher Trends und jahreszeitlicher Effekte bietet das POP-Dioxin-Informationssystem die Möglichkeit, Depositionsdaten nach Gebietstyp (ländlicher Raum, verstädterter Raum, Agglomerationsraum) entsprechend der Unterteilung nach siedlungsstrukturellen Gebietstypen der des Bundesamtes für Bauwesen und Raumordnung (BBR 2000) zu differenzieren.

Die 1 001 der Auswertung zugrunde liegenden Datensätze lassen sich wie folgt auf die verschiedenen Gebietstypen verteilen:

Verstädterungsraum: n=564 (Sommer: n=198, Winter: n=366)

Agglomerationsraum: n=291 (Sommer: n=143, Winter: n=148)

Ländlicher Raum: n=146 (Sommer: n=70, Winter: n=76)

Bei der differenzierten Darstellung des Gesamtdatenbestandes (Proben ohne besondere Belastung) für das Sommerhalbjahr zeigen sich keine signifikanten Unterschiede zwischen den drei o. g. Gebietstypen. Die Mediane für die Dioxindepositionen in diesen Gebieten liegen im Sommer bei 3,8 (verstädterter Raum), 1,8 (Agglomerationsraum) und 2,8 (ländlicher Raum) pg I-TEQ/(m²d). Demgegenüber sind im verstädterten Raum vor allem im Winterhalbjahr mit einem Median von 10 pg I-TEQ/(m²d)  deutlich höhere Werte für Depositionen zu beobachten. Der 90. Perzentil-Wert liegt bei 30 pg I-TEQ/(m²d). Für den Agglomerationsraum bewegt sich der Median bei 3,4 und für den ländlichen Raum bei 3,1. (siehe Abb. „Differenzierung der Depositionsbelastung nach Gebietstypen“) [2].

Vergleich der Belastungssituationen im Jahresverlauf

Für einen Vergleich zwischen unbelasteten und belasteten Proben wurden 1 035 unbelastete Datensätzen 395 belasteten Datensätzen zu Depositionen gegenüber gestellt. Die belasteten Proben wurden industrienah oder an Verkehrsknotenpunkten bestimmt. Ein weiterer Teil der Proben wurde unspezifiziert als besonders belastet gekennzeichnet. In der Abb. „Vergleich der unbelasteten und belasteten PCDD/PCDF–Deposition im Winter- und im Sommerhalbjahr“ werden die Sommer- den Wintermittelwerten gegenübergestellt Aus der Abbildung ist zu erkennen, dass die Mediane der belasteten Proben durchschnittlich um den Faktor 1,5 bis 1,8 höher liegen als die der unbelasteten Proben [2].

Auswertung der polychlorierten Biphenyle nach Einzelkongeneren

Hierzu wurde der Datenbestand der Deposition (Gesamtdeposition) in Hinblick auf die 6 PCB-Indikatorkongenere (nach Ballschmiter) untersucht. Um Verfälschungen durch spezifische Schadstoffquellen zu vermeiden, wurden für diese Auswertung nur unbelastete Probendatensätze herangezogen. Alle Datensätze enthielten ausreichende Angaben zu Einzelkongeneren. Für die Auswertung standen damit 121 Probendatensätze zu Verfügung. Die verschiedenen Indikatorkongenere (siehe Abb. „Durchschnittliche Gesamtdeposition der PCB-Indikatorkongenere“).

Maßnahmen

Die Messung, Kenntnis und Minderung der Depositionsraten ist  ein wichtiger Bestandteil des Umweltschutzes, insbesondere für den Bodenschutz. Für den Schutz des Bodens wurden rechtliche Regelungen getroffen, die den Eintrag in den Boden reduzieren, z.B. müssen Dioxin-Emissionen aus Verbrennungsanlagen den Grenzwert von 0,1 ng I-TEQ/m³ Luft einhalten (Bundesimmissionsschutzverordnung - 17. BimSchV 1990).

Auf internationaler Ebene wird verhandelt, die Herstellung und den Einsatz von bestimmten POPs zu denen auch die PCDD/F und PCB gehören einzuschränken bzw. ganz zu verbieten. Im Protokoll der Genfer Luftreinhaltekonvention über Persistente Organische Schadstoffe (Aarhus, 24. Juni 1998) wurden Emissionsgrenzwerte und Gebrauchseinschränkungen für POPs sowie Kontrollmechanismen festgelegt. Weiterhin wurden am 22. Mai 2001 mit der Stockholmer Konvention die Herstellung und der Gebrauch von zwölf Stoffen bzw. Stoffgruppen weltweit eingeschränkt bzw. verboten. Weitere POPs sind im Mai 2009 dazu gekommen (UBA 2009). Am 29. April 2004 sind mit der Verordnung über persistente organische Schadstoffe des Europäischen Parlaments und des Rates (EU-VO 850/2004) außerdem Vorgaben hinsichtlich der Herstellung, des Inverkehrbringens, der Verwendung und der Freisetzung von POPs für die Mitgliedsstaaten der EU festgelegt worden, um die menschliche Gesundheit und die Umwelt vor den POPs zu schützen. Durch die Verordnung (EG) Nr. 1881/2006 fand am 19.12.2006 eine Festsetzung der Höchstgehalte von Kontaminationen in Lebensmitteln mit PCDD/F und dioxinähnlichen PCB statt

[1] Bestimmung der Toxizitätsäquivalentkonzentration (TEQ)

[2] Erläuterung des Begriffs „Boxplot“