Umweltkonzentrationen der Seltenerdelemente Lanthan und Gadolinium im Hamburger Stadtgebiet und die Untersuchung der ökotoxikologischen Auswirkungen mittels einer BiotestbatterieBachelorarbeit

Abstract

Die Elemente Lanthan und Gadolinium gehören zur Gruppe der Seltenerdelemente, deren Emissionen aufgrund vielfältiger Anwendung in diversen Produktbereichen steigen. Die für die Region Hamburg potentiell relevanten Lanthanquellen sind u.a. die Kohleverstromung, der Einsatz Lanthans zur Reduktion hoher Phosphatgehalte in Gewässern, und der Eintrag durch Katalysatoren. Gadoliniumquellen sind insbesondere die Anwendung als MRT-Kon-trastmittel. Das Ziel der vorliegenden Bachelorarbeit ist es, anthropogene Lanthan- und Gadolinium-konzentrationen im Hamburger Stadtgebiet zu identifizieren und die Auswirkungen der un-tersuchten Seltenerdelemente auf aquatische Organismen zu ermitteln. Dafür wurden 13 Sediment- und Wasserproben in unterschiedlichen Bereichen (urban, in-dustriell, landwirtschaftlich) des Hamburger Stadtgebietes genommen. Diese wurden durch ein externes Labor (ICP-MS Analyse) auf die Konzentrationen der beiden Elemente La und Gd untersucht. Zusätzlich wurden die Sedimentproben mittels Röntgenfluoreszenzmessung (XRF) analysiert. Dabei hat sich herausgestellt, dass die Analyse von Gadolinium aufgrund der niedrigen Umweltkonzentrationen mit dem genutzten XRF-Messgerät nicht möglich ist. Die XRF-Analyseergebnisse Lanthans wichen aufgrund der unterschiedlichen Probenmatri-ces und dem damit verbundenen Matrixeffekt deutlich von den mittels ICP-MS ermittelten Werten ab. Die La- und Gd-Konzentrationen wurden auf Grundlage der North American Shale Compo-sit (NASC) zur Basis Samariums normalisiert, um anthropogene Einflüsse zu identifizieren. In der Sedimentprobe „Eichbaumsee“ wurde eine positive Lanthananomalie festgestellt, die möglicherweise auf den anthropogenen Stoffeintrag durch die Behandlung mit lanthanhalti-gem Phosphatbinder (Phoslock®) zurückgeführt werden kann. Es hat sich herausgestellt, dass Samarium nicht zur Normalisierung von Lanthan und Gadolinium in Sedimenten ge-eignet ist, da das Adsorptionsverhältnis von Sm/Gd beziehungsweise Sm/La im Sediment zu einem anderen Stoffverhältnis führt, als dies für die NASC angenommen wird. Neben der Untersuchung von Umweltproben wurde anhand von Biotests (Algenwaschs-tumshemmtest mit Raphidocelis subcapitata und Leuchtbakterientest mit Aliivibrio fischeri) die Ökotoxizität gegenüber Modelorganismen untersucht. Dabei wurden für A. fischeri die EC50-Werte 57,5 mg La/l und 26,5 mg Gd/l ermittelt. Der ermittelte EC50-Wert ist im Ver-gleich zu dem von Weltje (2003) ermittelten Wert um den Faktor zehn höher. Dies erklärt sich durch die, infolge des höheren pH-Werts, in dieser Studie geringere Anzahl freier La3+ Ionen im Testansatz. Mit Bezug auf die durchgeführten Biotests und unter Berücksichtigung von Daten aus der Literatur wurde eine Umweltrisikobewertung für die Hamburger Standorte durchgeführt. Für die Wasserproben konnte weder durch Lanthan (PNEC 4 μg/l, RQ < 0,25) noch durch Gd (PNEC 3,8 μg/l RQ < 0,026) eine Gefährdung festgestellt werden. Für das Sediment wurden unter Einbeziehung der regionalen Hintergrundkonzentration die Grenzwerte 31 mg/kg La und 5,56 mg/kg Gd ermittelt. Die Umweltkonzentrationen in den Sedimentproben liegen alle unterhalb der Grenzwerte und weisen damit nicht auf eine Gefährdung der Orga-nismen in den beprobten Gewässern hin. Die festgestellte La-Anomalie im Eichbaumsee liegt nur knapp unterhalb des PNEC für Lanthan. Daher sollten die Werte durch weitere Proben verifiziert werden.