Polycyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK)
Polycyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) sind eine umweltgeologisch besonders wichtige Schadstoffgruppe. Sie treten nicht als einzelne Substanz, sondern fast immer als Stoffgemische auf und sind vor allem dort von Bedeutung, wo organisches Material unvollständig verbrannt ist oder wo teer- beziehungsweise ölhaltige Produkte verwendet wurden. Aufgrund ihrer Persistenz, ihrer Adsorption an Feinstaub und Bodenpartikel sowie ihrer Gefahr für Gesundheit und Umwelt spielen PAK eine wichtige Rolle bei der Bewertung von Altlasten, belasteten Böden, Rückbaumaterialien und industriell genutzten Flächen.
Definition und Stoffgruppe
PAK sind organische Verbindungen, die aus zwei bis sieben kondensierten – also zusammenhängenden - aromatischen Ringen aufgebaut sind. Die Stoffgruppe ist sehr groß und umfasst mehrere tausend bis etwa 10.000 Einzelverbindungen. In der Umweltanalytik und Altlastenbewertung wird sich häufig an den sogenannten EPA-PAK16 orientiert, also einer etablierten Auswahl von 16 besonders (abfall-)relevanten Einzelverbindungen. Benzo[a]pyren nimmt dabei eine Sonderstellung ein, weil es in der Analytik oft als Leitsubstanz herangezogen wird.
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Entstehung und Auftreten
PAK entstehen hauptsächlich bei unvollständiger Verbrennung oder Pyrolyse organischer Materialien wie Holz, Kohle, Erdöl oder Abfällen. Wichtige Quellen sind daher Hausbrand, Straßenverkehr, Industrieprozesse, Kokereien, Gaswerke, Abfallverbrennung und Brandereignisse. Sie entstehen dort stets als ungewollte Nebenprodukte. Daneben kommen PAK auch petrogen vor, also in fossilen Rohstoffen wie Erdöl, Kohle und daraus hergestellten Teerprodukten. Umweltgeologisch bedeutsam sind damit sowohl pyrogene als auch petrogene Einträge.
Im technischen Bereich treten PAK besonders häufig in Form von teerhaltigen Baustoffen auf. Typische Verdachtsmaterialien sind teerhaltige Dachbahnen, ältere Gussasphalte, teerhaltiger Straßenaufbruch sowie bestimmte Kleber und Abdichtungen.
Stoffeigenschaften und Umweltverhalten
Für das Umweltverhalten von PAK ist vor allem die schlechte Wasserlöslichkeit verantwortlich. In organischen Phasen lösen sich PAK dagegen gut und binden außerdem gut an Ruß-, Staub- und Bodenpartikeln. Mit steigender Ringzahl nehmen Wasserlöslichkeit und Flüchtigkeit in der Regel ab, während Sorption und Persistenz zunehmen. Gerade PAK mit höherer Ringzahl (ab 5-6 Ringe, z.B. Benzo[a]pyren) verbleiben deshalb oft über lange Zeit in Böden, insbesondere in humoserem Oberboden. Sie binden praktisch vollständig an die Feststoffmatrix. Niedermolekulare PAK (2-3 Ringe, z.B. Naphthalin) sind hingegen durchaus wasserlöslich und sehr flüchtig. Das ist besonders relevant für die Bodenluft- und Grundwasseranalytik.
In Böden wird die Anreicherung von PAK vorrangig durch den Gehalt und die Zusammensetzung von organischer Substanz bestimmt. Bodenorganik ist der wichtigste Sorptionspartner, weil er die Mobilität, Verfügbarkeit und Persistenz dieses Schadstoffs beeinflusst. Besonders stabile organische Fraktionen fördern die langfristige Bindung von PAK in Böden. Zusätzlich tragen auch Tonminerale und feinkörnige Bodenfraktionen zur Sorption bei, sodass sich PAK häufig in humosreicherem Oberboden und dessen feinsten Anteilen anreichern.
Für die Umweltgeologie bedeutet das: PAK werden in Mineralen nicht strukturell eingebaut, sondern überwiegend an Oberflächen gebunden, also adsorbiert. Ihre Retention hängt dadurch stark von Korngröße, organischem Kohlenstoff, schwarzem Kohlenstoff/Ruß, Huminstoffen und dem Anteil von Tonmineralen ab.
Umwelt- und Gesundheitsrelevanz
PAK sind aus medizinischer Sicht problematisch, weil viele Vertreter krebserregende, mutagene und teils reproduktionstoxische Eigenschaften besitzen. Das Umweltbundesamt beschreibt die Stoffgruppe insgesamt als besorgniserregend „für Mensch und Umweltorganismen“. Einzelne PAK erfüllen zudem die Kriterien: persistent, bioakkumulierend und toxisch (PBT). Benzo[a]pyren ist der am besten untersuchte Vertreter. Er gilt als karzinogen für den Menschen.
Die Aufnahme kann inhalativ, oral und dermal erfolgen. Umweltrelevant sind vor allem PAK-haltige Feinstäube, kontaminierte Nahrungsmittel sowie direkter Kontakt mit teerhaltigen Materialien. Da PAK häufig partikelgebunden transportiert werden, betreffen Expositionswege nicht nur die Luft, sondern auch Böden, Staub, Sedimente und belastete Bauprodukte. Ihre Lipophilie hat außerdem die Bindung von PAK im Fettgewebe von Organismen zur Folge, wo sie Mensch und Tier langfristig schaden können.
PAK als Altlast
PAK treten typischerweise an alten industriellen Standorten mit ehemaliger Kohle-, Teer-, Gaswerks-, Kokerei-, Holzschutz- oder Straßenbaunutzung auf. Auch Auffüllungen, Deponien, Bahnbrachen, Industrieareale und Flächen mit Brand- oder Rußeintrag können betroffen sein. Damit gehören PAK zu den klassischen organischen Parametern bei Altlastenerkundungen.
Gleichzeitig sind sie aber auch bei Bestandsgebäuden ein wichtiges Thema, weil sie in älteren Baustoffen, Abdichtungen und Bodenaufbauten - mal mehr, mal weniger gut gebunden - vorkommen können.
Besonders relevant sind PAK in der Umweltgeologie bei belasteten Böden, Rückbaumaterialien und Bauabfällen. Es steht nicht nur die Bewertung möglicher Risiken für Mensch und Umwelt im Vordergrund, sondern auch die fachgerechte Untersuchung, Einstufung und Entsorgung beziehungsweise Wiederverwertung der belasteten Materialien.
PAK werden auch in Zukunft noch eine wichtige Rolle in der Umweltgeologie spielen. Insbesondere durch die fortlaufende Bewertung historisch belasteter Flächen und dem Umgang mit PAK-haltigen Bauabfällen im Zuge der Kreislaufwirtschaft.
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Referenzen
- Umweltbundesamt: Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK)
- Umweltbundesamt: Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe
https://www.umweltbundesamt.de/publikationen/polyzyklische-aromatische-kohlenwasserstoffe
- United States Environmental Protection Agency (US EPA) (1984): Method 610 – Polynuclear Aromatic Hydrocarbons. Appendix A to 40 CFR Part 136.
https://www.epa.gov/sites/default/files/2015-10/documents/method_610_1984.pdf
- IARC: Some Non-heterocyclic Polycyclic Aromatic Hydrocarbons and Some Related Exposures
- Cornelissen, G.; Gustafsson, Ö.; Bucheli, T. D.; Jonker, M. T. O.; Koelmans, A. A.; van Noort, P. C. M. (2005): Extensive sorption of organic compounds to black carbon, coal, and kerogen in sediments and soils: Mechanisms and consequences for distribution, bioaccumulation, and biodegradation. Environmental Science & Technology, 39(18), 6881–6895. https://doi.org/10.1021/es050191b
- Bayerisches Landesamt für Umwelt: Schadstoffratgeber Gebäuderückbau – PAK (Polycyclische Aromatische Kohlenwasserstoffe), Merkblatt 502
https://www.lfu.bayern.de/abfall/schadstoffratgeber_gebaeuderueckbau/suchregister/doc/502.pdf
- Bayerisches Landesamt für Umwelt: Straßenaufbruch
https://www.lfu.bayern.de/abfall/mineralische_abfaelle/strassenaufbruch/index.htm
- Ukalska-Jaruga, A. et al. (2020): The Impact of Organic Matter on Polycyclic Aromatic Hydrocarbon (PAH) Availability and Persistence in Soils
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC7321076/
- Umweltbundesamt (Hrsg.) (2016): Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe – Umweltschädlich! Giftig! Unvermeidbar? Hintergrundpapier, Januar 2016, 26 Seiten. https://www.umweltbundesamt.de/system/files/medien/376/publikationen/polyzyklische_aromatische_kohlenwasserstoffe.pdf#page=6
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- Dieser Artikel wurde geschrieben und gegengelesen von:
- M.Lang
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