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Die Institute

Institut für Ökologische Chemie Institute of Ecological Chemistry Neuherberg (Direktor / Director: Dr. Sigurd Schulte-Hostede [komm.])

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as GSF-Forschungszentrum für Umwelt und Gesundheit beschäftigt sich im weitesten Sinne mit den Wechselwirkungen zwischen der natürlichen sowie der vom Menschen veränderten Umwelt und der Gesundheit des Menschen. In diesem Kontext steht das Institut für Ökologische Chemie mit seinem Aufgabenspektrum an der Schnittstelle dieser beiden Sphären. Zum einen wird dem Vorkommen und Verhalten von Chemikalien in der Umwelt mit dem Ziel nachgegangen, Veränderungen in der Umwelt in ihrer Bedeutung für den Menschen und die Umwelt selbst zu bewerten und mögliche Maßnahmen davon abzuleiten. Zum anderen werden stoffliche Veränderungen in Organismen einschließlich des Menschen analytisch erfasst und nach möglichen Zusammenhängen mit in der Umwelt vorkommenden Stoffen natürlichen oder menschlichen Ursprungs geforscht. Die Bandbreite von Untersuchungen in verschiedensten Medien erfordert eine weit gefächerte Palette analytischer Methoden. Verfahren der chemisch-physikalischen wie auch der biochemisch-biologischen Analytik werden optimiert und an die wissenschaftliche Fragestellung angepasst. Im Berichtsjahr waren 21 Wissenschaftler(innen), 2 Nachwuchswissenschaftler(innen), 35 Gastwissenschaftler(innen), 14 Doktorand(innen) und 34 technische Mitarbeiter(innen) im Institut tätig, zum Teil im Rahmen von sonderfinanzierten Projekten (Zuwendungsgeber: Bund, Land Bayern, Stiftungen, Industriefirmen, EU, DFG). Die Arbeiten des Instituts sind in zwei HGF-Programme eingebettet. Im Programm „Biogeosysteme“ werden Vorkommen, Verbleib und Wechselwirkung von Stoffen in belebten und unbelebten Umweltsystemen

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esearch at the GSF – National Research Center for Environment and Health is concerned in the broadest sense with the interaction between the environment – both natural and anthropogenically altered – and human health. The activities of the Institute of Ecological Chemistry lie directly at the interface of these two areas. On the one hand, research focuses on the presence and behaviour of chemicals in the environment with the aim of evaluating environmental changes in terms of their implications for man and the environment itself and formulating appropriate measures to address them. On the other hand, changes in chemicals in organisms, including man, are determined analytically, and possible connections investigated with substances, both natural and anthropogenic, present in the environment. The spectrum of research activities in a wide range of media requires a broad range of analytical methods. Methods from chemico-physical and biochemical-biological analysis are optimised and adapted to suit specific scientific questions. Research in the Institute is integrated into two HGF programmes. The presence, distribution and interaction of substances in living and inanimate environmental systems are investigated under the programme ‘Biogeosystems: Dynamics, Adaptation and Adjustment’. This research is coordinated by Dr. I. Gebefügi, PD Dr. Ph. SchmittKopplin, PD Dr. K.-W. Schramm, and Dr. S. Schulte-Hostede. The main focus under the programme on ‘Environmental Health Disorders’ is on the analysis of the chemical charge of ultrafine particles, as there are indications that these particles affect health.

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untersucht. Die Arbeiten werden federführend von Dr. I. Gebefügi, PD Dr. Ph. SchmittKopplin, PD Dr. K.-W. Schramm und Dr. S. Schulte-Hostede durchgeführt. Im Programm „Umweltbedingte Störungen der Gesundheit“ wird vor allem die chemische Beladung von Feinpartikeln analysiert, der eine Bedeutung bei der Wirkung der Partikel auf die Gesundheit zugeschrieben wird. Die Arbeiten werden federführend von Dr. G. Matuschek, Prof. Dr. P. Schramel und Prof. Dr. R. Zimmermann durchgeführt. Der folgende Beitrag (Zusammenarbeit von drei IÖC-Arbeitsgruppen) zeigt die Richtung auf, in die sich das Institut entwickeln wird, verstärkt hin zur Interaktion von chemischen Stoffen mit biologischen Systemen.

Chemische Charakterisierung von Umweltaerosolen Den analytischen Problemen und dem in vielen Bereichen der Aerosolchemie und -physik bisher relativ geringen Kenntnisstand steht die nachgewiesen hohe Gesundheitsrelevanz ambienter Aerosole gegenüber. Eine vordringliche Aufgabe stellt daher die verbesserte Charakterisierung des chemischen Inventars ambienter Aerosole dar (Abb. 1). Dies schließt neben der IdentifiUmweltaerosole Partikelmasse 24,5 µ g/m3

organisch 7,0 µ g/m3

The research is coordinated by Dr. G. Matuschek, Prof. P. Schramel, and Prof. R. Zimmermann. The following article (on the results of a collaborative project between three research groups in the Institute) indicates the direction in which the Institute is developing with a greater focus on the interaction between chemical substances and biological systems. In 2004 there were 21 scientists, 2 junior scientists, 35 visiting scientists, 14 postgraduate students, and 34 technicians at the Institute, some supported under grantfunded projects (grantees: Federal Government, State of Bavaria, various foundations, industrial companies, EU, and DFG).

zierung und Beschreibung der bisher nicht identifizierten organischen Verbindungen auch die Untersuchung der örtlichen und zeitlichen Variabilität der Konzentration verschiedener Verbindungen/Substanzklassen ein. Die Arbeiten des Instituts sind eingebunden in das GSF-Projektfeld „Gesundheitsrelevanz von Aerosolen“. Messungen von biologisch aktiven Stickstoffverbindungen in Innenraumaerosolen Obwohl der Aufenthaltsort der Menschen in organisch extrahierbar 3,7 µ g/m3

organisch charakterisierbar 0,9 µ g/m3

100% Sonstige 80%

Ammonium

nicht identifiziert

nicht extrahierbar

Nitrat nicht charakterisiert

60% Sulfat

Diterpenoide Aromatische Säuren

Sonstige PAKs

Aliphatische Säuren 40%

elementarer Kohlenstoff

Alkensäuren extrahierbar Alkansäuren

20% organisch 0 Abb. 1: Chemische Charakterisierung von Aerosolen.

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charakterisiert N-Alkane Rogge et al. Atmospheric Environment 27A:1309, 1993

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Kühlschmierstoff-Aerosole

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Bakterien und Zellen Kühlschmierstoff

Biologische Beiprodukte

Additive (z.B. Biozide, Emulsionsbildner) Prozessrückstände Kontaminenten Metallpartikel Reaktionsprodukte Abb. 2: Schematische Darstellung von Kühlschmierstoff (KSS)-Aerosolen.

den OECD-Ländern statistisch gesehen mit 87 % in Innenräumen angegeben wird (Arbeitsplatz/Privaträume 40/60 %), werden in der Aerosolforschung überwiegend die Außenluftaerosole untersucht. Da die physikalisch-chemischen Eigenschaften (und auch die Toxikologie) der Aerosole von deren Quellen abhängen, ist zu erwarten, dass sich die Struktur und chemische Beladung des Aerosols im Wohnraum, am Arbeitsplatz und in der vor allem vom Verkehr bestimmten Außenluft unterscheiden. Eine spezielle Art der industriellen Aerosole am Arbeitsplatz sind dabei die Kühlschmierstoff (KSS)-Aerosole. Die Exposition durch KSS kann zu erheblichen Gesundheitsstörungen der Beschäftigten führen. Besonders bedeutend sind dabei die KSSAdditive, z.B. Biozide, Emulsionsbildner, Alkali Reservoir und Korrosionsinhibitoren sowie Biotoxine (Abb. 2). Diese wurden daher für unsere Untersuchungen im Rahmen der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) ausgewählt, um geeignete analytische Verfahren zu entwickeln und einzusetzen. Im Verlauf des Projektes wurden Methoden der Kapillarelektrophorese (Kapillarzonenelektrophorese – CE – mit direkter/indirekter UV-Detektion und gekoppelt zur Massenspektrometrie – CE/ESI-MS) für die Bestimmung stickstoffhaltiger, gesundheitsgefährdender KSS-Additive optimiert und validiert. Bei den Zielverbindungen unserer Methode handelt es sich um heterozyklische Korrosionsinhibitoren, Biozide, Formaldehydabspalter und deren Reaktionsprodukte (Amine). Ein Mikroextraktionsverfahren (MicroSPE) auf Basis monolithischer Polymere wurde entwickelt, um Inline-Pronemkonzentrierung und Trennung von Aminen in derselben Kapillare zu

ermöglichen und somit die Analyse von Kleinstmengen an Proben mittels CE/ESI-MS zu ermöglichen. Die ermittelten Leistungsparameter zeigen deutlich, dass das Verfahren ohne Einschränkungen für die Analytik eingesetzt werden kann, da durch die Vermeidung des Matrixeffektes hohe Präzision und Zuverlässigkeit erreicht werden. Nachfolgend wurden die Methoden auch auf Außenluftaerosole erfolgreich angewandt. Die entwickelten Methoden der Kapillarelektrophorese (Inline-Pronemkonzentrierung und Trennung) gekoppelt zur Elektrosprayionisierung/Massenspektrometrie (ESI/MS) stehen damit für die Analytik von Aminen sowohl in Außenluft- als auch für Innenraumaerosole zur Verfügung. Besonders die kommende Kopplung zur FT/ICR-MS (Fourier Transform Ion Cyclotron Mass Spectrometry) wird die hohe Selektivität der Kapillartrennverfahren mit der (ultra)hochauflösenden Massenspektrometrie kombinieren, um unbekannte Substanzen aus komplexen Matrices zu charakterisieren. Messung von mittelflüchtigen organischen Verbindungen (SVOC) im Augsburger Umweltaerosol PM2.5 Seit Sommer 2002 werden in Augsburg routinemäßig Aerosolproben der Partikelmasse PM2.5 für die organische Charakterisierung gesammelt. Parallel dazu bestimmen Mitarbeiter des GSF-Instituts für Epidemiologie die Partikel-Anzahlkonzentration und die Partikelmasse PM2.5. Die gewonnenen Daten werden in epidemiologischen Studien zu gesundheitlichen Wirkungen des Umweltaerosols eingesetzt, da gerade den Feinstpartikeln entsprechende Eigenschaften zugeschrieben werden.

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Number concentration PM2.5 UCM Phthalates Hopanes Linear alkylbenzenes Nitriles Amides Methylesters n-Alkan-2-ones n-Alkanes O-PAH PAH

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10

11

12

01 Month

02

03

04

7

7

6

6 Polarity (seconds)

Polarity (seconds)

08

5 4 3 2

05

06

07

5 4 3 2 1

1

0

0 1260

2260

3260 4260 5260 Volatility (seconds)

6260

1260

2260

3260 4260 5260 Volatility (seconds)

6260

Abb. 3: Oben: normierte Summenkonzentrationen der untersuchten SVOC, der Partikelanzahlkonzentration und Partikelmasse PM2.5; unten: GCxGC-Chromatogramme (Totalionenstrom) von PM2.5-Proben vom Winter (rechts) und Spätsommer (links).

Neben den anorganischen Salzen und dem elementaren Kohlenstoff ist die Beladung der Partikel mit organischen Komponenten von entscheidender Bedeutung. Die organisch-chemische Beladung kann einen sehr großen Teil der Partikelmasse ausmachen (bis 45 % als organischer Kohlenstoff) und ist in ihrer Zusammensetzung sehr komplex. Die an sich schon unübersichtliche Zusammensetzung der primär absorbierten Substanzen wird noch durch Wechselwirkungen mit reaktiven Komponenten in der Atmosphäre (Ozon, NO etc.) erhöht, was eine vollständige Bestimmung der einzelnen Spezies unmöglich macht. Daher bedarf es besonderer Strategien, um die Aussagekraft

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der Messungen mit einem vertretbaren Aufwand zu optimieren. Im IÖC werden in den täglich in Augsburg genommenen Proben die Konzentrationen hunderter partikelassoziierter SVOC mittels direkter Thermodesorption-Gaschromatographie-Flugzeitmassenspektrometrie (DTDGC-TOFMS) bestimmt. Es werden Verbindungen u.a. folgender Substanzgruppen identifiziert und quantifiziert: polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), oxidierte polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (oxy-PAK), n-Alkane, n-Alkan-2one, Methylester langkettiger Karbonsäuren, Karbonsäureamide und -nitrile, langkettige lineare Alkylbenzole, Hopane und Phthalsäureester. Zusätzlich wird der Anteil der

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chromatographisch nicht aufgelösten Kohlenwasserstoffe (UCM) bestimmt. In Abbildung 3 (oben) sind die normierten Zeitverläufe der Summenkonzentrationen der untersuchten Substanzklassen für das erste Jahr der Messungen dargestellt. Im Gegensatz zu den physikalischen Messgrößen (Partikel-Anzahlkonzentration und -masse) zeigt die Konzentration der meisten partikelassoziierten SVOC einen deutlichen Jahresgang. Die Verbindungen stammen überwiegend aus Verbrennungsprozessen. Sie weisen ein Konzentrationsmaximum im Winter auf, während überwiegend photochemisch gebildete Komponenten in den Sommermonaten die höchsten Konzentrationen aufweisen. Die Konzentrationen der individuellen SVOC sind in der Regel nur schwach bis mäßig miteinander korreliert, was auf unterschiedliche Quellenanteile und Bildungs- bzw. Abbauprozesse hinweist. In Abbildung 3 (unterer Teil) sind exemplarisch die Totalionenstrom-Chromatogramme von Proben aus dem Spätsommer und Winter dargestellt (rote Markierung in Abbildung 3, oben). Die Auswertung der Chromatogramme zeigt neben den augenscheinlichen Konzentrationsunterschieden der einzelnen Substanzen signifikante Variationen in der Zusammensetzung. Insbesondere die Unterschiede aufgrund anderer Polarität der Aerosolbestandteile können mit der mehrdimensionalen GC herausgearbeitet werden. So zeigt z.B. die unten dargestellte Probe aus dem Spätsommer deutlich höhere Anteile flüchtiger polarer Komponenten als die Winterprobe. Detaillierte Analytik der organischchemischen Beladung Eine vollständige Identifizierung aller Einzelverbindungen ist, wie oben schon angedeutet, derzeit nicht möglich. Dennoch ist eine Aufklärung einzelner Komponenten notwendig, da wahrscheinlich nur wenige Komponenten für die beobachteten Effekte verantwortlich sind. Diese Annahme wird durch Zelltests mit Dieselrußpartikeln gestützt. Nicht nur die Partikel selber bewirken die beobachteten Effekte, sondern auch ganz bestimmte Fraktionen der organischen Komponenten sind dafür verantwortlich. Für

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 23.01. 19.02. 06.03. 24.04. 27.05. 04.06. 29.07. 07.08. 06.11. Datum der Probennahme

Abb. 4: PAK-Gehalt von Filterproben im Jahresverlauf.

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Summe PAK (ng/m3)

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die Identifizierung der gesundheitlich relevanten Einzelkomponenten werden andere Strategien verfolgt: Die Partikel werden gezielt auf Substanzklassen hin untersucht, deren gesundheitsgefährdendes Potential erwiesen ist oder stark vermutet wird. Hier sind die PAK und ihre Derivate (z.B. PAKChinone, heterozyklische PAK) zu nennen. So können die PAK-Chinone zelluläre Redoxgleichgewichte beeinflussen und somit letztendlich entzündliche Prozesse auslösen. Die Belastung mit PAK und heterozyklischen PAK kann neben bekannten Langzeiteffekten (Mutagenität, Kanzerogenität) wahrscheinlich auch akute, gesundheitsbeeinträchtigende Prozesse herbeiführen. Im Jahr 2003 wurden an einer stark befahrenen, zweispurigen Zubringerstraße Richtung München Aerosolproben mit einem High-Volume-Sammler auf Quarzfaserfiltern gesammelt und untersucht. Die PAK-Konzentrationen schwanken stark im Jahresverlauf; in den Wintermonaten sind sie zweibis zehnmal höher als in den Sommermonaten (Abb. 4). Erklärungen dafür sind: Die meteorologischen Bedingungen wie hohe Temperaturen und lange Trockenperioden im Frühjahr/Sommer 2003 führten zu erhöhter UV-Strahlung und hohen Ozonwerten. Dadurch wurden emittierte PAK photochemisch und oxidativ abgebaut. Bei niedrigen Außentemperaturen benötigen Automotoren eine längere „Aufwärmphase“ – charakterisiert durch einen erhöhten PAK-Ausstoß –, bis sie ihre optimale Arbeitstemperatur mit konstant geringem Schadstoffausstoß erreicht haben. Die deutlichen Änderungen der PAK-Konzentrationen zu Beginn und am Ende der Heizperiode belegen die Bedeu-

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tung der von Heizungsanlagen emittierten Schadstoffe. Nach der Sammlung wurden in repräsentativen Aerosolproben PAK-Chinone bestimmt. Hier wurden Konzentrationen gefunden, die ca. um den Faktor zehn unter den der ermittelten PAK-Konzentrationen liegen. Weiterführende Untersuchungen sollen Zusammenhänge zwischen PAK- und PAK-Chinon-Konzentrationen sowie deren Abhängigkeit von externen Parametern (Wetter, Verkehr etc.) klären. Von den PAK-Derivaten werden weiterhin

Amino- und Cyano-PAK sowie basische und neutrale Azaarene untersucht. Für die Detektion und Quantifizierung dieser Substanzen in Aerosolpartikeln werden unter Einsatz der empfindlichen und selektiven LC/MS/MSKopplung Analysenmethoden entwickelt. Aufgrund ihrer aromatischen Struktur lassen sich diese Substanzen relativ schwer ionisieren, deswegen werden „härtere“ Ionisierungsmöglichkeiten eingesetzt, wie die Photo- bzw. die chemische Ionisierung bei atmosphärischem Druck. Ein hohes Maß an Optimierungsaufwand ist erforderlich, um eine selektive und spezifische Erfassung dieser gesundheits- und umweltrelevanten Verbindungen sicherzustellen. Ein weiteres Ziel ist die Aufklärung der wirkenden Substanzen/Substanzklassen. Dazu werden zum einen Partikel qualitativ hinsichtlich ihrer Zusammensetzung untersucht und bei signifikanten Änderungen in Korrelation zu epidemiologischen oder toxikologischen Effekten genauer analysiert. Zum anderen wird versucht, durch die Bestimmung der biologischen Wirkung von Extrakten die wirkenden Substanzen/Substanzklassen einzugrenzen (Abb. 5).





Herstellung unterschiedlicher Extrakte

Probe

Detaillierte chemische Analyse

Identifizieren von aktiven Komponenten

Bestimmung der biologisch aktiven Fraktion

Abb. 5: Strategie zur vergleichenden Untersuchung von Stoffen und Stoffklassen.

Zusammenarbeit

Sechs Wissenschaftler des Instituts nehmen Lehrverpflichtungen an der Technischen Universität München und der Technischen Universität Graz wahr. Die Mitarbeiter des Instituts sind Mitglieder bzw. Berater nationaler und internationaler Organisationen und Gremien (ACE: Fachgruppe Umweltanalytik; ACS: Fachgruppe „Anorganische Chemie“; ARGE Alpen-Adria: Arbeitsgruppe „Immissionen und Waldschäden“; BMBF: Projektträger „Umwelt- und Klimaforschung“; DFG: Senatskommission „Prüfung gesundheitsschädlicher Arbeitsstoffe“, Arbeitskreis „Analysen in biologischem Material“; EUROSTAR: Auditcommission „Thermoanalyse und Thermodynamik“; GDCh: Fachgruppen „Analytische Chemie“, „Kernmagnetische Resonanz“ und „Umweltchemie und Ökotoxikologie“, Diskussionskreis „Analytik im Umweltschutz“; GEFTA; GMS: Wissenschaftlicher Beirat/Präsidium; GVC-VDI: Fachausschuss „Produktionsintegrierte Wasser-/Abwassertechnik“; ICTAC: Fachgruppe „Thermoanalyse“; SECOTOX; VDI/DIN: Kommission „Reinhaltung der Luft“; WWF/Ford Foundation: Forschungsprogramm „Conservation of the Mediterranean Monk Seal“). Das IÖC kooperiert mit zahlreichen Forschungseinrichtungen im In- und Ausland (Albanien, Australien, China, Dänemark, Estland, Finnland, Frankreich, Griechenland, Indien, Israel, Italien, Jordanien, Kasachstan, Kenia, Marokko, Norwegen, Österreich, Polen, Rumänien, Russland, Südafrika, Thailand, Tschechische Republik, Türkei, Ungarn, USA, Vietnam).

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Ausgewählte Veröffentlichungen

Hertkorn, N., Perdue, E.M., Kettrup, A.: A potentiometric and 113Cd NMR study of cadmium complexation by natural organic matter at two different magnetic field strengths. Anal. Chem. 76, 6327-6341 (2004) Jäger, R., Schneider, A.M., Behrens, P., Henkelmann, B., Schramm, K.-W., Lenoir, D.: Selective adsorption of polychlorinated dibenzo-p-dioxins and dibenzofurans by the zeosils UTD-1, SSZ-24, and ITQ-4. Chem. Eur. J. 10, 247-256 (2004) Michalke, B., Schramel, P.: Manganese speciation in human milk, using size exclusion chromatography combined with strong anion exchange chromatography and inductively coupled plasma mass spectrometry detection. J. Anal. At. Spectrom. 19,121-128 (2004) Mühlberger, F., Hafner, K., Kaesdorf, S., Ferge, T., Zimmermann, R.: Comprehensive on-line characterization of complex gas mixtures by quasi-simultaneous resonanceenhanced multiphoton ionization, vacuum-UV singlephoton ionization, and electron impact ionization in a time-of-flight mass spectrometer: Setup and instrument characterization. Anal. Chem. 76, 6753-6764 (2004) Neamtu, M., Zaharia, C., Catrinescu, C., Yediler, A., Macoveanu, M., Kettrup, A.: Fe-exchanged Y zeolite as catalyst for wet peroxide oxidation of reactive azo dye Procion Marine H-EXL. Applied Catalysis B: Environmental 48, 287-294 (2004)