Was eine arktische „Chemikaliendatenbank“ über die globale Umweltbelastung aussagt
Industriechemikalien sind zwar für das moderne Leben unerlässlich, reichern sich aber in Organismen an und stellen eine Gefahr für die Gesundheit dar. Zudem nehmen sowohl ihre Vielfalt als auch ihre Einsatzgebiete zu. „Während die Zahl der offengelegten Stoffe von 1965 bis 2015 auf 100 Millionen anstieg, wurden allein in den darauffolgenden zwei Jahren weitere 30 Millionen registriert. Und die Schätzung, dass 2016 durch chemische Verunreinigung 1,6 Millionen Todesfälle verursacht wurden, ist wahrscheinlich eine Unterschätzung, da nur ein kleiner Teil ausreichend auf seine Sicherheit getestet wurde“, erläutert Anna Sobek(öffnet in neuem Fenster) von der Universität Stockholm. Sobek ist Koordinatorin des Projekts ARCHEM im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen(öffnet in neuem Fenster). Es ging an den Start, um Chemikalien zu ermitteln, die eine globale Bedrohung darstellen. Dazu werden Sedimente des Nordpolarmeers untersucht (Abfälle von lebenden Organismen und Bodenpartikel aus Küstenerosion und Flusseinträgen). Da die Risikobewertungen nicht mit den neuen Chemikalien Schritt halten, ist es weitgehend unbekannt, welche Stoffe bei der Regulierung Priorität erhalten sollten. Eine in der Arktis nachgewiesene Chemikalie wurde jedoch bereits in großen Mengen andernorts freigesetzt und besitzt die Fähigkeit, sich weltweit zu verbreiten, was als Indikator dafür gilt, dass sie kontrolliert werden sollte.
Nachweis einer bisher unbekannten globalen Bedrohung
Das Team von ARCHEM arbeitete an der Verbesserung früherer Untersuchungen zur Erfassung von Chemikalien in der Arktis, bei denen Massenspektrometrie mit niedriger Auflösung eingesetzt wurde und nur bekannte Zielschadstoffe nachgewiesen werden konnten. Um ein Screening ohne Zielvorgabe zu realisieren, kam im Rahmen von ARCHEM modernste hochaufgelöste Ionenmobilitätsmassenspektrometrie(öffnet in neuem Fenster) zum Einsatz, mit der Tausende organische Verbindungen digitalisiert wurden. „Das ist, als würde man vom Essen mit Stäbchen, wobei man sich zuerst entscheidet, was man nehmen möchte, und dann eine Sache nach der anderen aufnimmt, zum Essen mit einem Löffel übergehen“, erklärt Xiaodi Shi, Hauptforscher von der Universität Stockholm, an der das Projekt angesiedelt ist. Die hochaufgelöste Massenspektrometrie lieferte Informationen sowohl über die Häufigkeit als auch über die Struktur der Verbindungen, „sozusagen einen Fingerabdruck der Schadstoffe“, berichtet Shi. Diese Fingerabdrücke wurden mit Schadstoffdatenbanken abgeglichen. Das Team von ARCHEM untersuchte Oberflächensedimente von den eurasischen arktischen Schelfen, die von der Universität Stockholm aufbewahrt werden, sowie kanadische marine Oberflächensedimente und kanadische Sedimentkerne aus Seen der Hocharktis und marine Oberflächensedimente aus der Antarktis. „Wir wiesen in den arktischen Sedimenten etwa 150 Schadstoffe nach. Einer der interessantesten bisher unbekannten Schadstoffe, die identifiziert wurden, waren Fluorotelomermethylsulfone, eine Klasse unpolarer per- und polyfluorierter Alkylsubstanzen (PFAS). Wir arbeiten daran, ihre Quelle zu ermitteln; es könnten Nebenprodukte oder Abbauprodukte von PFAS-Tensiden sein. Sie wurden auch in Sedimenten aus den Vereinigten Staaten, der Ostsee und einem norwegischen See nachgewiesen, was ihre übersehene globale Bedrohung unterstreicht“, erklärt Shi.
Zentrale Einschränkung der Schadstoffverteilung aufdecken
In marinen Systemen meiden viele Chemikalien das Wasser und konzentrieren sich in natürlicher organischer Substanz, was bedeutet, dass ihre Verteilung mit den natürlichen Eigenschaften der organischen Substanz verknüpft ist. Dadurch wird die Modellierung der Schadstoffverteilung und -anreicherung erschwert. Um dieses Problem zu lösen, analysierte das Team von ARCHEM das Gewicht der Kohlenstoffatome in den Sedimentproben, abgeleitet aus der Open-Science-Datenbank Circum-Arctic Sediment CArbon DatabasE(öffnet in neuem Fenster). Ziel war es, die Quellen der organischen Substanz – aus dem Meer oder aus dem Boden – voneinander abzugrenzen, um zu untersuchen, wie sich dies auf die Schadstoffanreicherung auswirkt. „Dies ist der erste groß angelegte quantitative Feldtest der Faktoren, die die Ansammlung von Schadstoffen in marinen Systemen steuern“, fügt Sobek hinzu. Das Team stellte fest, dass marine organische Substanzen Schadstoffe etwa zehnmal besser binden, was darauf hindeutet, dass sie ein starker Treiber der Schadstoffansammlung sind. „Das Wissen, dass verschiedene organische Stoffe ein unterschiedliches Bindungspotenzial besitzen und dass der Klimawandel sowohl die Menge als auch die Quellen organischer Substanzen verändern wird, lässt auf eine zukünftige Veränderung der Schadstoffverteilung schließen“, merkt Shi an. 2020 veröffentlichte die Europäische Kommission eine Chemikalienstrategie für Nachhaltigkeit(öffnet in neuem Fenster) im Sinne einer schadstofffreien Umwelt. Das dazugehörige Paket von Rechtsvorschriften umfasst sowohl eine neue gemeinsame Datenplattform als auch einen Überwachungs- und Prospektivrahmen. Die Arbeit von ARCHEM leistet zu beidem einen wesentlichen Beitrag. „Obwohl wir über einhundert Schadstoffe untersucht haben, sind das weniger als 10 % der verfügbaren Daten. Mithilfe von Big-Data-Verfahren werden wir die verbleibenden Daten auswerten können“, fügt Shi hinzu.
