Broschüre 1996

Nachweis von Toxinen in der Umwelt

Giftstoffe oder Toxine, wie wir Chemiker sagen, finden sich überall in der Umwelt. Ihr Nachweis unterscheidet sich grundsätzlich nicht von demjenigen ungiftiger Stoffe. Es ist die organische analytische Chemie, die versucht, die Fragen nach dem Aufbau, der Reinheit und dem Vorhandensein einer organischen Verbindung zu beantworten. Stellt man einen neuen Stoff her, so muss man sicher sein, dass dieser die gewünschte Struktur hat und auch genügend rein ist. Wird dieser dann in grösseren Mengen angewendet, so kann er in die Umwelt gelangen und dort zu unerwünschten Nebeneffekten führen. Er kann aber auch zusätzlich durch Mikroorganismen in neue Verbindungen umgewandelt werden, die harmloser oder auch wesentlich bedenklicher sein können.

Ein Teilgebiet, das in unserer Forschungsgruppe bearbeitet wird, ist der Nachweis von Verbindungen, die für die Umwelt problematisch sein können. Diese haben in der Natur oft eine Lebensdauer von Jahren, breiten sich via Atmosphäre oder Gewässer weiter aus und reichern sich in der Nahrungskette bis zu 1 Million und mehr Mal an. Viele sind zudem in geringsten Mengen toxisch und können in fetthaltigen tierischen Nahrungsmitteln zu Konzentrationen angereichert werden, die gesundheitlich bedenklich sind.

Um das Auftreten eines Umweltproblems rechtzeitig entdecken zu können, müssen solche Stoffe sehr frühzeitig und in geringsten Spuren in der Umwelt nachgewiesen werden. Da einige Verbindungsklassen wie die Dioxine schon im Bereich von 10-9 g giftig sind, sollten noch Mengen in der Grössenordnung von 10-12 g oder weniger nachweisbar sein (10-12 g verhalten sich zu 1 g wie das Volumen eines Schnapsglases zum Volumen der Ostsee). Wir verwenden dafür sehr empfindliche Methoden mit hoher Selektivität wie die Massenspektrometrie. Bei dieser Messtechnik überführen wir die Verbindungen in Ionen, die dann weiter in Bruchstücke zerfallen, welche charakteristisch für die Substanz sind. Das Herauslösen der Substanzen aus der Probe und die selektive Anreicherung der zu untersuchenden Verbindungen sind Probleme, die wir vorher lösen müssen. Oft enthalten 10 g Probe nicht mehr als 10-10 g Substanz. Dabei müssen wir aufpassen, dass diese winzigen Substanzmengen nicht an Oberflächen von Behältern und Geräten haften bleiben und so verschwinden. Ausserdem müssen wir unter extrem sauberen Bedingungen arbeiten, damit die Proben im Labor nicht verschmutzt werden.

Die Giftigkeit einer Verbindung ist sehr stark vom räumlichen Aufbau und der genauen Anordnung der Atome abhängig. So können Moleküle, die sich nur an einer Stelle in der Anordnung zweier Atome unterscheiden und sonst genau gleich aufgebaut sind, völlig verschiedene Giftigkeit zeigen. Solche Moleküle nennt man Isomere. Es gibt aber auch Moleküle, die als Bild und Spiegelbild existieren. Ein Modell dafür sind unsere Hände, die nicht miteinander zur Deckung gebracht werden können. Solche spiegelsymmetrische Moleküle werden als Enantiomere bezeichnet. Ihre toxischen Eigenschaften können ebenfalls extrem verschieden sein.

Bei der Herstellung von technischen Produkten wie z.B. Pflanzenschutzmitteln entstehen oft komplizierte Gemische von Isomeren und Enantiomeren. Sobald diese in die Umwelt gelangen, wird das ursprüngliche Konzentrationsverhältnis durch Abbau und Umwandlung in Mikroorganismen oder Tieren stark verändert. Oft sind es die giftigsten Isomere und Enantiomere, die am wenigsten abgebaut werden.

Chlordan und Toxaphen sind Pflanzenschutzmittel, die in grossen Mengen angewendet wurden und teilweise immer noch eingesetzt werden. Toxaphen ist mit 1,2 Millionen Tonnen das weltweit am häufigsten angewendete Pestizid. Es besteht aus vielen Hunderten von Isomeren und Enantiomeren. Beide Verbindungsklassen haben eine sehr hohe Lebensdauer in der Umwelt, sind in grösseren Mengen unter anderem krebserregend und schädigen das Nervensystem.

Die toxikologischen Eigenschaften von Isomeren und Enantiomeren sind unterschiedlich. Es ist deshalb sehr wichtig, solch komplexe Verbindungsgemische in die einzelnen Isomeren und Enantiomeren aufzutrennen und so nachzuweisen. Die Frage, wie man 10-10 bis 10-12 g von Dutzenden sehr ähnlichen Verbindungen gleichzeitig in Isomeren und Enantiomeren trennen kann, ist für uns eine grosse Herausforderung. Wir massschneidern hierzu spezielle Trennkapillaren, wobei sehr viel Intuition und Erfahrung benötigt werden. Damit gewinnen wir Informationen, die zeigen, wie Isomere und Enantiomere eines Pflanzenschutzmittels von Organismen sehr unterschiedlich angereichert und abgebaut werden. Sogar der Gesundheitszustand hat einen Einfluss auf die Abbaubarkeit einer toxischen Verbindung. Die nachfolgende Abbildung zeigt, dass die Mengenverhältnisse einiger Isomeren und Enantiomeren im Pflanzenschutzmittel Chlordan durch Anreicherung in Fischen aus dem Nordatlantik sehr stark verändert werden.


Trennung und massenspektrometrischer Nachweis von sterisch sehr ähnlichen Strukturen (Isomeren) im technischen Pestizidgemisch Chlordan (A). Die Verbindungen U82, cis-(cs), trans-Chlordan (tr) und MC5 liegen zusätzlich als Enantiomere (Doppelsignale) vor. Das Mengenverhältnis (Signalhöhe) zwischen den Isomeren und Enantiomeren ist im Hering (B) völlig anders als im ursprünglichen Pflanzenschutzmittel.


Häufig müssen auch unbekannte Abbauprodukte in einer winzigen Probe identifiziert werden. Wir sind heute in der Lage mit weniger als 10-9 g einer Verbindung herauszufinden, zu welcher Stoffgruppe die Verbindung gehört. Dazu müssen wir dann allerdings sehr anspruchvolle und aufwendige massenspektrometrische Methoden verwenden. Die nachstehende Abbildung zeigt eines unserer speziellen Massenspektrometer.


Foto L.Gysin

Massenspektrometer verschiedenster Bauarten sind für den Nachweis und die Identifizierung von umweltbelastenden Verbindungen sehr wichtig. Oft müssen diese umgebaut und weiterentwickelt werden, um den ständig wachsenden Anforderungen zu genügen. Das Bild zeigt ein Ionenfallen-Massenspektrometer, welches an die Trennmethode Flüssigchromatographie gekoppelt werden kann.


Das Gebiet der organischen analytischen Chemie ist sehr interdisziplinär. Neben Methoden aus Chemie und Physik sind Kenntnisse und Techniken aus den Materialwissenschaften, der Biologie, den Umweltwissenschaften sowie der Toxikologie wichtig. Die fachübergreifende Bedeutung macht die organische analytische Chemie spannend. Das Arbeiten mit extrem kleinen Substanzmengen und anspruchsvollen Trenn- und Nachweismethoden verlangt von uns sehr viel Disziplin und Geduld. Wir werden dafür aber auch durch die Möglichkeit belohnt, an Hand der Resultate zum Verständnis globaler Zusammenhänge und zur Lösung ökologischer Probleme beizutragen.


Foto L.Gysin

Professor Oehme promovierte 1977 an der ETH Zürich. Bis 1995 war er Abteilungsleiter am Norwegischen Luftforschungsinstitut und Professor für organische analytische Chemie an der Universität Tromsö, bis er die gleichnamige, neu errichtete Professur an der Universität Basel übernahm. Seine Interessen gelten der organischen Spurenanalytik von umweltbelastenden Verbindungen und der Untersuchung ihrer globalen Ausbreitung und Anreicherung in den Polargebieten.


 
 

Chemiestudium an der Universität Basel

Die Zeiten ändern und mit ihnen auch die Anforderungen an ein Chemiestudium. Das Departement Chemie hat auf diese Herausforderungen reagiert und nach intensiven Vorarbeiten 1991 den Studiengang revidiert. Im letzten Jahr wurden die ersten Diplome nach neuer Ordnung erteilt, was eine kurze Rückschau und Übersicht über das neue Curriculum rechtfertigt.

Die sich immer schneller ändernden Anforderungen durch die Gesellschaft machen es unmöglich, während des Studiums den benötigten Stoff für die ganze berufliche Karriere zu lernen. Die Unterteilung in die klassischen Fachgebiete verschwindet. Universale Bildung wird aber immer mehr zum unerreichbaren Wunsch. Ziel des Studiums muss es deshalb zum einen sein möglichst breit in die Sprache und die Grundlagen der Naturwissenschaften einzuführen, so dass später ein vertieftes Selbststudium erleichtert wird. Zum andern soll anhand exemplarischer Vertiefung in einzelnen Gebieten die Fähigkeit für das Selbststudium, die unabhängige Informationsbeschaffung und wissenschaftliches Arbeiten ganz allgemein vermittelt werden.

Um dieses Ziel zu erreichen, wurde der frühere starre Studienplan durch ein flexibleres Baukastensystem ersetzt:

Im ersten Jahr werden nach wie vor die Grundlagen in Mathematik, Physik, Informatik und Chemie gelegt.

Das zweite Jahr bringt die Vertiefung durch je zwei Vorlesungen in anorganischer, organischer, physikalischer und analytischer Chemie, stellt aber bereits auch Platz für das Wahlfach zur Verfügung.

Im dritten Jahr werden die vier Hauptfächer mit kurzen Vorlesungen abgeschlossen, sodass nun mehr Zeit für das Wahlfach (aus einem nicht-chemischen Gebiet) sowie für Vertiefungsblöcke vorhanden ist. Vertiefungsblöcke sind Spezialvorlesungen aus dem Gebiet der Chemie, die aus einem grösseren Angebot ausgewählt werden können.

Das vierte Jahr schliesslich umfasst nur noch Kurse nach Wahl, nämlich weitere Vertiefungsblöcke, Wahlpraktika und die Diplomarbeit.

Mit diesem Curriculum werden Grundlagen in bis zu vier Fächern - Mathematik, Physik, Chemie und dem Wahlfach - gelegt. Mit vier Vertiefungsblöcken und den Wahlpraktika, sowie der Wahl der Diplomarbeit ist die Möglichkeit gegeben, in einem fachlich begrenzten Gebiet die naturwissenschaftliche Arbeitsweise vertieft kennen zu lernen und anzuwenden. Es ist gelungen, die Studiendauer bis zum Diplom auf vier Jahre zu begrenzen. Bis zur Diplomarbeit werden in 7 Semestern 226 Semesterwochenstunden (SWS) benötigt, was einer durchschnittlichen Arbeitszeit von 32 Stunden pro Woche (ohne Übungen und Überarbeiten der Vorlesungen) entspricht. Die Figur zeigt die Aufgliederung der totalen Stundenzahl in Vorlesungen und Praktika einerseits und der Vorlesungen in obligatorische und Wahlvorlesungen bzw. Chemie und andere Fächer andererseits. Nach dem Diplom besteht die Möglichkeit eine Doktorarbeit anzufertigen.


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