14 Schwermetalle in Lebensmitteln

15 Zusammenfassung

14.3 Bestimmung von Schwermetallen in Leberproben von Brassen aus der Elbe

Nach Abschluß der erfolgreichen Versuche, Metalle im Spuren- und Ultraspurenbereich aus Lebensmittelreferenzmaterialien und Meerwasserproben mit der DPASV zu bestimmen, sollte die Methode auch an fettreichen biologischen Materialien erprobt werden, die neben Spuren eines interessierenden Schwermetalls, in diesem Fall Cd und Pb, eine hohe Metallmatrix aufweisen. Die Ergebnisse dieser Untersuchung wurden dann mit den Ergebnissen der unterschiedlichen atomspektrometrischen Untersuchungen verglichen, die parallel durchgeführt wurden. Für diese Untersuchungen standen gefriergetrockente Leberproben von Brassen (Abramis Brama L.) zur Verfügung.

14.3.1 Brassen (Abramis Brama L.) als Indikatororganismus für die Schadstoffbelastung des Lebensraumes Elbe

Der Brassen gehört zur Familie der Karpfenfische (Cypriniden). Sein Verbreitungsgebiet umfaßt Mitteleuropa bis Südskandinavien. Lebensraum der Brassen sind Flüsse und Seen; in der Elbe kommt er entlang des gesamten Flußlaufes vor und gehört zu einer der häufigsten Fischarten in diesem Ökosystem. Die Tiere werden etwa 30 cm bis 50 cm lang und können von 4 kg bis zu 6 kg schwer werden.

Der Brassen wurde bereits als Indikator-Organismus für die Schadstoffbelastung der Elbe herangezogen [217] [218] [219] da er durch folgende Merkmale hierfür prädestiniert ist:

- hohe Standorttreue mit einem Aktionsradius von 10 km

- Lebens- und Ernährungsweise, die durch permanenten und direkten Kontakt zum Sediment gekennzeichnet ist

- Zugehörigkeit zu einer höheren trophischen Stufe

- sein großes Verbreitungsgebiet und häufiges Vorkommen im Untersuchungsgebiet

- für die Erfassung von Langzeiteffekten ist der Organismus mehrjährig sowie sein Alter bestimmbar

- gut untersuchte Physiologie der Tiere, um schadstoffbedingte Veränderungen zu erkennen.

Die Schadstoffbelastung des Flußsystems Elbe ist seit Anfang der siebziger Jahre Gegenstand von Untersuchungen [220] [217]. Nach wie vor gilt die Elbe als einer der am stärksten mit Schadstoffen belasteten Flüsse Europas. Dieses trifft im besonderen auf die schadstoffspeichernden Sedimente zu, die nach eingehenden Analysen als Schwermetallspeicher und -deponie angesehen werden können [220] [221]. Für Untersuchungen der Belastungssituation der Elbe wurden Wasser-, Sediment- und Fischproben herangezogen. Mit dem Fall der deutsch-deutschen Grenze 1989 setzte in den Industriegebieten Ost-deutschlands eine tiefgreifende Veränderung der dortigen Industriebetriebe ein. Zahlreiche Industrieanlagen wurden seitdem aus Rentabilitätsgründen stillgelegt, modernere Abwasseranlagen wurden installiert sowie Maßnahmen für den Umweltschutz verstärkt. Dieses führte zu einer deutlichen Verringerung der Schadstoffbelastung an gelösten Schwermetallen Hg, Cd, Cu, Pb und Zn im Elbwasser seit 1989 (s. Tab. 49). Ferner ist aus den Daten von 1989 ersichtlich, daß die Nebenflüsse Mulde und Saale hohe Schadstofffrachten in die Elbe einbringen.

14.3.2 Probenahme der Brassen (Abramis Brama L.)

Die Probenahme der Brassen wurden im Mai 1993 unter der Leitung von Herrn Jedamski-Grymlas aus dem Institut für Hydrobiologie und Fischereiwissenschaft, Labor der Universität Hamburg, durchgeführt. Die Probenahmeorte sind zum Teil mit den ständig durch die Arbeitsgemeinschaft zur Reinhaltung der Elbe (ARGE ELBE) und der Internationalen Kommission zum Schutz der Elbe (IKSE) im Rahmen eines kontinuierlichen Monitoring-programms beprobten Stationen identisch oder diesen eng benachbart [222] [217]. Die Brassen wurden hier im Elbeverlauf bei den Städten Steti (Tschechische Republik) und Prossen, Dresden, Barby sowie im Mühlenberger Loch bei Hamburg mit Stellnetzen (40 mm Maschenweite) gefangen, mit einem Schlag auf den Kopf betäubt und anschließend getötet. Nach der Bestimmung von Körperlänge und Gesamt-gewicht wurden die Tiere seziert und die Leber präpariert. Die Lebern wurden mit 0,15 M KCI gespült und sofort in flüssigem Stickstoff tiefgefroren [219].

Für die Schwermetallanalytik wurden die Proben gefriergetrocknet, die Angaben der Schwermetallgehalte beziehen sich daher auf das Trockengewicht.

Abb. 65 Geographische Lage der Probenahmestellen im Verlauf der Elbe

Die ausgewählten Probenahmeorte sollen unterschiedliche Belastungssituationen im Elbverlauf kennzeichnen (Abb.65 und Tab. 50):

Um Aussagen über die Belastungssituation der jeweiligen Probe-nahmestationen treffen zu können, wurden die Lebern aus dem als Bioindikator ausgewählten Brassen auf Schwermetallgehalte untersucht.

Leber und Niere sind Zielorgange für die aufgenommenen Schadstoffe, da diese Organe die Entgiftungsfunktionen im Organismus übernehmen. Daher sind diese Organe für den analytischen Ansatz des Biomonitorings von besonderem Interesse.

Weiterhin ist bekannt, daß Metallothioneine, nichtenzymatische Proteine mit einem Molekulargewicht zwischen 6000 und 12200 D mit hohem Cysteingehalt, für den Transport, Ablagerung und Entgiftung von zweiwertigen Metallen eine große Rolle spielen. Niere und Leber sind Hauptspeicherorgane der Cd-Metallothioneine [95] [218]. Eine Bindung an Metallothioneine konnte ebenfalls für Hg und Fe nachgewiesen werden, während aufgenommenes Pb nur vorübergehend in Leber- und Nierenzellen gespeichert, später jedoch im Knochengewebe abgelagert wird [95]. Neuere Untersuchungen an Fischen ergaben, daß die Schadstoffanreicherung der einzelnen Schwermetalle in den Organen unterschiedlich war. Typisches Speicherorgan für Cd ist die Niere, für Cu die Leber, für Pb die Kiemen und für Hg die Muskulatur [221].

Für eigene Untersuchungen standen Leberproben der bereits beschriebenen Brassen zur Verfügung, die auf die Schwermetalle Cd, Cu, Pb und Zn analysiert wurden. Diese Proben wurden ferner auf Hg und PCB`s untersucht [219].

14.3.3 Meßbedingungen

Zur Bestimmung der Schwermetallgehalte in den Fischleberproben wurden die Elemente Zn, Cd, Pb und Cu nach kombiniertem Mikrowellendruckaufschluß inversvoltammetrisch gemessen.

Zur Absicherung der ermittelten Werte wurden die Elemente Zn und Eisen mit der Flammen-AAS (Gerät PE-5000, Fa. Perkin-Elmer), Cu und Cd mit der Graphitrohr-AAS (Z3030, Fa. Perkin-Elmer) bestimmt. Die Spurenbestimmung von Pb wurde mittels FI-GFAAS durchgeführt. Ferner wurden Kontroll-messungen mit der GF-AAS (4100-Zl, Fa. Perkin-Elmer) auf Pb vorgenommen. Da die Empfindlichkeit dieser Methode normalerweise für den unteren µg/l-Konzentrationsbereich nicht ausreicht, wurde die Probe durch 15-faches Pipettieren eines 15 µl-Probenvolumens mit jeweils anschließender Trocknung im Graphitrohr angereichert und vermessen.

14.3.4 Ergebnisse der Schwermetallbestimmungen in Fischleberproben

Bei der Untersuchung der Fischleberproben streuten die Elementgehalte über einen großen Bereich. Zn-Gehalte wurden von 28.6 bis 335.2 µg/g, Cu-Gehalte von 3.6 bis 185.8 µg/g und Cd-Gehalte von 0.02 bis 1.51 µg/g bestimmt. Vergleichende Analysen mittels F-AAS und GF-AAS zeigten für die meisten Proben eine hohe Übereinstimmung für die Elemente Zn, Cd und Cu wie Abb. 66 - Abb. 68 verdeutlichen.

Abb. 66 Bestimmung von Zn mit der Voltammetrie und F-AAS

Abb. 67 Bestimmung von Cd mit der Voltammetrie und GF-AAS

Abb. 68 Bestimmung von Cu mit der Voltammetrie und F-AAS

Die Pb-Gehalte wurden mit der Voltammetrie zwischen 0.04 und 0.36 µg/g bestimmt. Bei einzelnen Proben zeigte sich zwar eine gute Übereinstimmung, allgemein fallen die Minderbefunde gegenüber der FI-GFAAS (Abb. 69) jedoch auf.

Abb. 69 Bestimmung von Pb mit der Voltammetrie und FI-GFAAS

Bei einzelnen Aufschlußlösungen der Fischleberproben war nach vorangegangenem Mikrowellendruckaufschluß noch eine schwach gelbliche Verfärbung erkennbar. Bei der Nachmessung dieser Aufschlußlösungen wurden nach einer zusätzlichen UV-Bestrahlung höhere Pb-Gehalte festgestellt. Da der Restkohlenstoffgehalt die Pb-Bestimmung mit der DPASV stark beeinträchtigt, war der Mikrowellendruckaufschluß mit anschließendem Eindampfen für diese sehr komplexe Matrix nicht für alle Proben ausreichend. Unter Berücksichtigung der stark schwankenden Lipidgehalte von Brassenlebern aus der Elbe (1989) von 1,3 bis 13,0 % in der Trockenmasse [218] müßte bei Vorliegen von mehr Probenmaterial eine Aufschlußoptimierung durchgeführt werden.

14.3.5 Diskussion der Schwermetallgehalte in Fischleberproben

Für die Ermittlung von Konzentrationsgradienten der untersuchten Elemente wurden von jeder Probenahmestation vier bis sieben Leberproben aufgeschlossen. Die erhaltenen Schwermetallgehalte wurden für jede Station gemittelt. Die Spurenmetalle Cd und Pb sind in Abb. 70 dargestellt.

Da es sich hier um einen stark limitierten Umfang von Stichproben handelt, können die Daten einzelner oder weniger biologischer Proben nicht mehr Informationen liefern, als es der Stichprobenumfang erlaubt. Zudem ist bei kleiner Stichprobenanzahl und einem nur näherungsweise bekannten Streumaß die Schwermetallbelastung der Fische an den einzelnen Stationen nicht immer unterscheidbar. Nur bei den Ergebnissen für Pb ist die Voraussetzung homogener Varianzen für eine einfaktorielle Varianzanalyse [224] für die Beziehung zwischen Bleigehalt und Probenahmestation erfüllt, hier liegen keine signifikanten Unterschiede zwischen den Stationen vor.

Bei Zn, Cd und Cu können meist nur die höchsten Mittelwerte mittels t-Test für Mittelwertdifferenzen [225] von anderen Probenahmestationen unterschieden werden. Liegen keine signifikanten Abweichungen der Schwermetallgehalte der aufgeführten Stationen vor, ist eine sinnvolle Interpretation der Meßergebnisse nicht möglich.

Die Cd-Gehalte bewegen sich um 0,2 µg/g bei den Stationen um Steti und dem Vergleichswert Mühlenberger Loch (M-Loch, bei Hamburg), während bei den Fischleberproben der Stationen Prossen und Dresden ein deutlicher Anstieg der Cd-Gehalte zu verzeichnen ist. Der Spitzenwert bei Dresden erreicht einen Cd-Gehalt von 0,93 µg/g. Auffällig ist hierbei die besonders hohe Standardabweichung dieser Spitzenwerte. Ausreißerverdächtige Werte dürfen bei dem geringen Probenumfang nicht eliminiert werden (Grubbs-Test). Trotzdem wird eine Unterscheidung dieses erhöhten Mittelwertes der Stationen Dresden und Prossen von den Stationen um Steti (-2, 0, 1,5 und 3 km), Barby und Mühlenberger Loch durch einen t-Test bestätigt.

Die erhöhten Cd-Gehalte dieser Stationen können mit der hohen Schadstoff-belastung der Elbe durch Schwermetallemissionen der Industriebetriebe im Großraum Dresden zusammenhängen.

Die Pb-Gehalte hingegen liegen ohne extreme Schwankungen in dem Bereich von 0,15 bis 0,27 µg/g (FI-GFAAS: 0,2 – 0,3 µg/g). Aus den neueren Daten (Tab. 49) über Pb-Konzentrationen des Elbwassers geht hervor, daß diese im untersuchten Elbverlauf keinen großen Schwankungen unterworfen sind und durchgängig in der Nähe der Bestimmungsgrenze der GF-AAS von 5 µg/l gemessen wurden. Allerdings liegen hierzu keine Daten aus dem Einmündungsbereich von Saale und Mulde vor.

Abb.70 Bestimmung von Cd und Pb in Leberproben von Brassen aus der Elbe

Die Fischleberproben wurden ebenfalls im Hinblick auf mögliche Schwankungen der Zn- und Cu-Gehalte untersucht (Abb. 71). Die mittleren Zinkgehalte bewegen sich zwischen 100 µg/g und Spitzenwerten um 200µg/g bei den Stationen Prossen und Barby.

Abb.71 Bestimmung von Zn und Cu in Leberproben von Brassen aus der Elbe

Die mittleren Cu-Gehalte hingegen sinken in Steti zunächst von 110 µg/g auf 45 µg/g, steigen in Prossen wieder auf 90 µg/g an und sinken zwischen Barby und Mühlenberger Loch von über 80 µg/g wieder auf unter 40 µg/g.

Diese Ergebnisse scheinen den Schluß zuzulassen, daß die Elbe von Prossen bis Barby stärker als an den anderen Stationen mit Cu belastet ist. Tendenziell wurden an diesen Stationen auch höhere Zn -Gehalte gefunden.

Die relativ hohen Werte für Cd (0.29 µg/g) und Cu (110.7 µg/g) sowie die Höchstwerte für Pb (0.27 µg/g) und Zn (228.5 µg/g) für die erste Station 2 km vor Steti lassen einen Zusammenhang mit dem Zellulosewerk SEPAP Steti und der Einmündung der ihrerseits anthropogen stark belasteten Moldau vermuten.

Das SEPAP-Werk verursacht zudem eine hohe Belastung der Elbe mit organischen und chlororganischen Verbindungen [226]. Das Gebiet um Steti wurde zusammen mit drei weiteren Bereichen in der Tschechischen Republik von der Internationalen Kommission zum Schutz der Elbe (IKSE [222]) als “besonders belastet“ eingestuft.

Dieser Zusammenhang ist nach statistischer Prüfung der Mittelwerte auf signifikante Unterschiede der bei dieser Untersuchung gewonnenen Daten jedoch nicht nachweisbar.

Allgemein sind Literaturdaten für Fischleberproben von Brassen bzw. verwandten Fischen im Ökosystem Elbe selten, so daß sich die in Tab. 51 angegebenen Vergleichsdaten auf vier Brassen und acht Plötzen beziehen.

Daher wurden zusätzliche Daten von Klieschen aus dem Nordseebereich hinzugezogen.

Die Literaturdaten für Fischleberproben von Brassen und Plötzen liegen in der gleichen Größenordnung wie die aus eigenen Untersuchungen erhaltenen Daten, wenn auch die Höchstwerte für Cu und Zn um ca. den Faktor 5 gegenüber den Leberproben von Brassen des gleichen Lebensraumes erhöht sind. Der Höchstwert für Zn kann aber durchaus mit den Höchstwerten von Plötzen aus der Elbe oder von Klieschen aus der Nordsee verglichen werden.

Auch die Gehalte an Cd und Pb sind mit den Literaturdaten vergleichbar, obwohl hier nur Daten für den Lebensraum Elbe zur Verfügung stehen, die aus Proben von Plötzen gewonnen wurden. Tendenziell wurden in den Nieren der Plötze mehr Cd und Pb gefunden als in den Lebern der Brassen in eigenen Untersuchungen.

Abschließend ist hervorzuheben, daß die Voltammetrie als vollautomatische Analysenmethode vorteilhaft zur Bestimmung von Schwermetallen in dieser sehr komplexen Fischmatrix eingesetzt werden konnte und auch vergleichbare Ergebnisse zu den atomspektrometrischen Methoden erzielt wurden. Eine Interpretation der Belastungssituation im Rahmen eines Biomonitoring-programms gestaltet sich jedoch aufgrund des geringen Probenumfangs als äußerst schwierig und es ist fraglich, ob die ermittelten Werte als repräsentativ für die einzelnen Stationen angesehen werden können.

15 Zusammenfassung

[217] Arbeitsgemeinschaft für die Reinhaltung der Elbe: Schwermetalldaten der Elbe 1984-1988 (1988).

[218] Kamman, U.: Metallothioneine und polychlorierte Biphenyle in Fischen aus Elbe und Nordsee. Dissertation , Fachbereich Chemie, Universität Hamburg. In: Schriften der Bundesforschungsanstalt für Fischerei, Nr. 22, Hamburg (1995).

[219] Jedamsky-Grymlas, J.; Kamman, U.; Tempelmann, A.; Karbe, L.; Siebers, D.: Biochimical responses and environmental contaminants in breams (Abramis brama L.) caught in the river Elbe. Ecotoxicology and Environmental Safety, 31 (1995) 49-56.

[220] Müller, G.; Furrer, R.: Die Belastung der Elbe mit Schwermetallen. Erste Ergebnisse der Sedimentuntersuchungen: Naturwissenschaften, 81 (1994) 401-405.

[221] Jahresbericht 1992, Teil Gewässergüte. Untersuchung zur Schwermetallanreicherung in Fischen der Elbe und ausgesuchter Nebengewässer. Staatliches Amt für Umweltschutz Magdeburg (1992).

[222] IKSE, Internationale Komission zum Schutz der Elbe:Gewässergütebericht Elbe 1989 von der Quelle bis zur Mündung. Forschungsinstitut für die Wasserwirtschaft, Prag; Wasserwirtschaftsdirektion „Untere Elbe“, Magdeburg; Wassergütestelle Elbe, Hamburg (1991).

[223] Elbebericht – Gewässergütebericht Elbe 1993. Landesamt für Umwelt und Geologie, Freistaat Sachsen.

[224] Janssen, J.; Laatz, W.: Statistische Datenanalyse mit SPSS für Windows,
(2. neubearbeitete Auflage) Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1997.

[225] Sachs, L.: Statistische Methoden: Planung und Auswertung
(7. Überarbeitete Auflage) Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, (1993).

[226] IKSE, Internationale Komission zum Schutz der Elbe:
Erstes Aktionsprogramm (Sofortprogramm) zur Reduzierung der Schadstofffrachten in der Elbe und ihrem Einzugsgebiet, Magdeburg (1991).

[227] Protasokowicki, M.: Preliminary studies on selected elements in organs of dab Limanda Limanda and their relation to fish disease state, Mar. Ecol. Prog. Ser., 91 (1992) 57-90.

[228] Claussen, D.: Levels and spatial distribution of trace metals in dabs (Limanda Limanda) of the southern North Sea. Mitt. Geol.-Paläont. Inst. der Universität Hamburg, Heft 65 (1988) 467-496.

[229] Kremer, H.: Verteilungsmuster der Schwermetalle Blei, Cadmium und Quecksilber in Weich- und Hartgeweben mariner Säugetiere aus deutschen Küstengewässern. In: Schriften der Bundesforschungsanstallt für Fischerei, Nr. 21 (1994) Hamburg.