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Praxis der Naturwissenschaften Chemie in fünf Teilen ab Heft 45 (1996) 7 Autor: Norbert Lüdtke

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  Umweltorientierung als Leitkonzept für den Chemieunterricht
  1 Leitideen eines ökologischen Lernens
  1.1 Vorbemerkung

Die Überlegungen dieses Artikels gehen einerseits von den Leitideen Interdisziplinarität, Situations-, System-, Handlungs- und Problemorientierung aus, basierend auf den "Kriterien der Umwelterziehung" von Bolscho, Eulefeld und Seybold [10]. Andererseits stützen sie sich auf substanzbezogene, medienbezogene, spartenbezogene und wirkungsbezogene Konzepte und Kriterien, die die Grundzüge einer Ökologischen Chemie bilden [27]. Insgesamt entsteht so an konkreten Themen die Skizze eines umweltintegrierenden Chemieunterrichts.

  1.2 Analyse des Ist-Zustandes

Eine 1985 erstmals durchgeführte und 1991 wiederholte Untersuchung zur "Praxis der Umwelterziehung" führte zu aufschlußreichen Ergebnissen [1]:

  • In den Jahrgängen 9 bis 12 wurden 1985 durchschnittlich 5-6 Umweltthemen pro Schuljahr unterrichtet.
  • Die meisten Themen werden in Einzel- oder Doppelstunden behandelt (1985: 87%, 1991: 71%). Umwelthemen werden 1991 in längeren, zusammenhängenden Phasen unterrichtet.
  • 1985 wurden 20% aller Umweltthemen werden im Chemieunterricht behandelt, 1991 nur noch 7,6 %. Spitzenreiter im Chemieunterricht sind globale Probleme, Luft und mit weitem Abstand Energie und Wasser.
  • Nur 16,1 % (1985) bzw. 20,5 % (1991) der umweltbildenden Unterrichtseinheiten werden fächerübergreifend unterrichtet; fächerübergreifendes Teamteaching wird nur in 9,2% (1985) bzw. 10,2% (1991) aller Fälle praktiziert.

Gemessen an einem didaktischen Konzept der Umwelterziehung, das die behandelten Themen hinsichtlich Handlungsorientierung, Problemorientierung, Situationsorientierung und Systemorientierung untersuchte, ergab sich für das Fach Chemie 1985:

  • 8,1 % der behandelten Themen entsprachen dem Konzept von Umwelterziehung; 55,4% entsprachen ihm nicht!
  • 36,5% der behandelten Themen wurden verbal problemorientiert unterrichtet.

Für 1991 lagen die entsprechenden Zahlen leider nicht vor.

Lehmann [9] faßt die Ergebnisse von vier Projekten (1985-1992) zusammen: "Mit der Durchführung vermehrter Umweltprojekte in der Schule dagegen werden deutlich die symbolischen Handlungsweisen verstärkt, das bedeutet, diese Schüler informieren sich und andere (z.B. ihre Familie) verstärkt über Umweltschutzsachverhalte. Dies ist übrigens das einzige Mal in unseren Gesamtdaten, wo unterrichtsmethodisch erfragte Gegenheiten einen nachweisbaren Einfluß auf bestimmtes ökologisches Handeln haben."

   
  1.3 Leitideen eines umweltintegrierenden Chemieunterrichts
  1.3.1 Leitidee 1: Interdisziplinarität

Die oft erhobene Forderung nach Interdisziplinarität ist in der Realität der Schulwelt schwierig umzusetzen, da Unterricht meist "Fach"-Unterricht ist. Hier wäre ein neues Selbstverständnis nötig. Arbeitsgemeinschaften, Wahlpflichtkurse, Projekttage und -wochen bieten Gelegenheiten, Chemie und Umwelt interdisziplinär zu verbinden. Dabei bieten sich besonders an:

  • Kooperation mit anderen Fächern
  • Zusammenarbeit mit Umweltexperten außerhalb der Schule (Umweltberater, Umweltzentren, Umweltbeauftragte, Umweltschutzorganisationen),
  • Betriebsbesichtigungen und Exkursionen zu Firmen, Behörden, Labors, zum Wasserwerk, Kraftwerk, Klärwerk und zu Untersuchungsämtern
  • Integration von Umweltaspekten in Betriebspraktika
  • Kooperation mit berufsbildenden Schulen und Nutzung ihrer Einrichtungen.

Also: Nutze die Fachkenntnisse von Spezialisten.

  1.3.2      Leitidee 2: Situationsorientierung
 

Die direkte Umwelt der Schüler soll Anlässe oder Bezüge liefern für die Auseinandersetzung mit einem Thema. Sie verlangt Betroffenheit durch möglichst aktuelle, konkrete und lokale Umweltsituationen (z.B. Unglücksfälle mit Chemikalien am Ort, Per in Olivenöl, Glykol im Wein). Situationsorientierung meidet das Abstrakte und ermöglicht "Begreifbarkeit". Sie fördert den persönlichen Einsatz zu gesellschaftlich bedeutsamem Handeln und setzt unmittelbare Erfahrung mit realen Situationen voraus. Für die Chemie bedeutet dies, sich mit dem Verhalten eines Stoffes in der alltäglichen, näheren Umwelt zu beschäftigen, Erfahrungen mit der Natur zu bieten. Diese "anschaulichen" Situationen müssen aber für den Unterricht erschlossen werden, um nicht nur ein Öko-Alibi zu bleiben.

Also: Achte auf die Geschehnisse vor Ort

  1.3.3      Leitidee 3: Systemorientierung
 

Systemorientierung bedeutet, ein Thema nicht isoliert anzugehen, sondern deutlich zu machen, daß ein Vorgang nicht auf eine Ursache und eine Wirkung begrenzt werden kann. Das Erkennen von Neben-, Rück- und Wechselwirkungen soll zur Vorstellung einer Welt als vernetztem System führen, in dem jeder Eingriff im Kleinen und im Großen wahrnehmbar ist.

Zur Verdeutlichung kann das Sphärenmodell dienen (Abb.1). Es ermöglicht die Einteilung unserer stofflichen Umwelt in Sphären und Bereiche, die wiederum in Objekte zerlegt werden können. Es erlaubt, Teilsysteme zu benennen und Wechselwirkungen zu zeigen. Verfeinerungen sind möglich, ja gewünscht, doch steigern sie sehr schnell die Komplexität.

Also: Vorsicht vor vorschnellen Schlüssen!

  1.3.4      Leitidee 4: Handlungsorientierung
 

Handlungsorientierung meint ein Lernen mit Kopf und Hand über alle fünf Sinne, das praktisches, intellektuelles, kreatives und organisatorisches Handeln umfaßt. Sie erfordert ein offenes Wahrnehmen der Umwelt, kreatives Denken und geplantes Handeln für eine bewußt gestaltete Umwelt und Zukunft und sollte zu sichtbaren Ergebnissen führen. Den Schülern sollen Möglichkeiten individuellen und gemeinschaftlichen Handelns auch außerhalb der Schule vermittelt werden. So kann Handlungsorientierung der Faszination einfacher Lösungen entgegenwirken.

  1.3.4.1 Fachorientierte Methoden und Arbeitsweisen
 

Schülerzentrierte Unterrichtsformen sind besonders geeignet: Projektarbeit, Projektwochen, Arbeitsgemeinschaften, Exkursionen, Plan-, Rollen- und Simulationsspiele, Ergebnispräsentation, Pressekontakte und Öffentlichkeitsarbeit fördern das umweltorientierte Handeln von Lehrern und Schülern. Man sollte auch an lebensnahe Experimente, Praktika vor Ort, Literaturrecherche in Bibliotheken und Pressearchiven, Zusammenarbeit mit Fachleuten in Instituten, Behörden, Firmen und Umweltschutzverbänden denken.

  1.3.4.2 Ökologische Methoden und Arbeitsweisen
 

Diese Arbeitsweisen umfassen die Bewertung von Umweltchemikalien, Expositionsanalyse, Wirkungsanalyse, Festlegung und Bestimmung von Gütestandards und Grenzwerten u.a.m. Das Gefüge von "Denken-Wahrnehmen-Handeln" im naturwissenschaftlichen Experiment sollte durch die Frage ergänzt werden: Ist das, was ich tue, ökologisch sinnvoll und unbedingt nötig?Im Experiment zeigt sich dies durch gezieltes und planvolles Vorgehen bei der Auswahl von Geräten und Chemikalien ebenso wie im überlegten Umgang mit Geräten und Stoffen; insbesondere bei der Berücksichtigung von Sicherheits- und Umweltschutzvorschriften, bei den verwendeten Mengen und bei der Entsorgung von Stoffen.Ökologisch bewußtes Vorgehen bemüht sich um umfassende Beobachtungen, die Formulierung neuer Fragestellungen, eine kritische Auswertung, die Einordnung des Ergebnisses in Zusammenhänge und reflektiert auch über Verbesserungen zur Verringerung der Umweltbelastung.Also: Lernmöglichkeiten durch eigenes Tun bevorzugen und dabei die Umwelt mitbedenken!

  1.3.5      Leitidee 5: Problemorientierung
 

Problemorientierung soll sich an der Lebenswirklichkeit orientieren und das Lernen im Leben verankern. Interessengegensätze und Bedürfnisse von Betroffenen führen zu Konflikten, die aus der Begegnung mit der Realität erwachsen. Umweltkonflikte sind keine singulären Ereignisse, keine Zufälle oder unvermeidbares Schicksal, sondern meist das Ende einer langen Geschichte.

  1.3.5.1 Konflikte und Interessen
 

Eine allein stofforientierte Behandlung (z. B. der Fluorkohlenwasserstoffe, kurz CFKW´s) befaßt sich mit physikalischen und chemischen Eigenschaften und mit typischen Reaktionen sowie Möglichkeiten der Herstellung. Auf dieser Grundlage sind die Umweltkonflikte beim Umgang mit dieser Stoffklasse nicht abzuleiten. Dazu sind fachfremde Ansätze zu berücksichtigen:

CFKW´s sind billig, einfach in großen Mengen zu produzieren und bieten viele Vorteile; die Chlor-Chemie hat eine jahrzehntealte Tradition; Kühlschränke und Spraydosen gehören in jeden Haushalt; CFKW´s sieht man nicht; CFKW´s sind in der Atmosphäre stabil und wandern langsam in die oberen Luftschichten; Sprays sind einfach handhabbar; die Produktionsumstellung auf Ersatzstoffe erfordert hohe Investitionen; das Ozonloch macht sich nur langsam bemerkbar ... 

Diese Aspekte lassen sich nicht allein mit chemischen Methoden erfassen. Letztlich muß der Konflikt interdisziplinär und politisch-gesellschaftlich gelöst werden. In der Diskussion stehen mögliche und noch nicht wahrnehmbare Gefahren in der Zukunft konkretem Verzicht und individuell erfahrbaren Nachteilen in der Gegenwart gegenüber. Problemorientierung muß daher deutlich machen, wie Umweltkonflikte zustande kommen und wie man mit ihnen umgeht.

  1.3.5.2 Umweltpolitische Grundsätze

Die Enquete-Kommission "Schutz des Menschen und der Umwelt" des Deutschen Bundestages formulierte Leitbilder einer Stoffpolitik in vier grundlegenden Regeln:

       Die Abbaurate erneuerbarer Ressourcen darf ihre Regenerationsrate nicht überschreiten. Dies entspricht der Forderung nach Aufrechterhaltung der ökologischen Leistungsfähigkeit, d.h. (mindestens) nach Erhaltung des von den Funktionen her definierten ökologischen Realkapitals.

Nicht erneuerbare Ressourcen sollen nur in dem Umfang verwendet werden, in dem ein physisch und funktionell gleichwertiger Ersatz in Form erneuerbarer Ressourcen oder höherer Produktivität der erneuerbaren sowie der nicht-erneuerbaren Ressourcen geschaffen wird.

       Stoffeinträge in die Umwelt sollen sich an der Belastbarkeit der Umweltmedien orientieren, wobei alle Funktionen zu berücksichtigen sind, nicht zuletzt auch die "stille" und empfindlichere Regelungsfunktion.       

Das Zeitmaß anthropogener Einträge bzw. Eingriffe in die Umwelt muß im ausgewogenen Verhältnis zum Zeitmaß der für das Reaktionsvermögen der Umwelt relevanten natürlichen Prozesse stehen.

Über diese grundlegenden Ziele hinaus werden eine Vielzahl sozialer, ökonomischer und ökologischer Ziele formuliert und strategische Handlungsansätze einer Stoffpolitik vorgeschlagen.

In diesem Paket von Zielen und Handlungsansätzen finden sich nach mehrjähriger Arbeit die Interessen verschiedenster gesellschaftlicher Gruppen implizit und explizit wieder, z.B. von Bundesregierung, Parteien, Gewerkschaften, BUND, Industrie und anderen.

Das Sondergutachten "Abfallwirtschaft des Sachverständigenrates für Umweltfragen notiert [11]: "Abfallwirtschaft in einer umweltbewußten Gesellschaft verlangt eine Lenkung von Stoffströmen lange vor der Entscheidung, ob ein Gegenstand zu Abfall wird. Daher bleibt kein anderer Weg als die Einflußnahme auf unternehmerisches Handeln in der Weise, daß Herstellungsverfahren und Erzeugnisse, die mit größeren Abfallproblemen verbunden sind, von vornherein gar nicht oder so entwickelt werden, daß die daraus ergebenden Umweltbelastungen internalisiert werden können. Um dies zu erreichen, muß das gesamte wirtschaftliche Geschehen auf Abfallentstehung und -behandlung durchleuchtet werden, wobei ökologische Überlegungen voranzustellen sind."

 

SPD und IG Chemie, Papier, Keramik fordern "...eine verstärkte stoffbezogene Gesamtbeurteilung ...Eine vorsorgende Chemiepolitik fragt nach dem Nutzen chemischer Produkte für den Menschen, zielt also auf den sozialen und volkswirtschaftlichen Nettonutzen ihres Einsatzes; sie bewertet die positiven und negativen Wirkungen eines Stoffes, einschließlich seiner Neben- und Umwandlungsprodukte bei der Produktion, Anwendung und Beseitigung von Chemikalien. Dabei spielen betriebswirtschaftliche Gesichtspunkte eine Rolle, dürfen jedoch keinen Vorrang haben. ..."

Das Öko-Institut dehnt das Konzept einer Chemiewende noch weiter aus: "Der Ressourcenverbrauch und Chemikalieneinsatz werden vermindert. Der Pro-Kopf-Verbrauch in der Bundesrepublik wird langfristig umwelt- und sozialverträglich und wird dies auch als Pro-Kopf-Verbrauch der Welt. ..."

Die GRÜNEN begründen ihre Kritik mit der Eingriffstiefe in Naturzusammenhänge und stellen die synthetische Chemie neben Atomtechnik und Gentechnik. Sie fordern eine sanfte Chemie, bei der möglichst wenig modifizierte naturnahe Roh- und Werkstoffe eingesetzt werden sollen, durch deren Nutzung die vorgegebenen Stoffkreisläufe nicht empfindlich gestört werden.

Der BUND hat für die Chemiepolitik gefordert [7]: Die Produktion und Anwendung von Chemikalien ist so gering wie möglich zu halten, da letztlich jeder Stoffumsatz zu Umweltbelastungen führen muß (Minimierungsgebot).

Chemikalien sollen in geschlossenen Kreisläufen eingesetzt werden, damit sich die Stoffrisiken verringern lassen. Schaffung einer Abfallwirtschaft: Verwendungsmöglichkeiten müssen schon bei der Stoffentwicklung und -produktion mit berücksichtigt werden (Recyclingprinzip).

Chemikalien müssen so konzipiert sein, daß sie sich in natürliche Stoffkreisläufe einbinden lassen (Grundsatz des ökologischen Designs).

Die chemische Industrie strebt durch integrierten Umweltschutz eine verfahrenstechnische Optimierung mit Hilfe aller chemischen, physikalischen und biologischen Möglichkeiten an, bei der Rohstoff- und Energieeinsatz minimiert, Reststoffe vermieden, vermindert, wiederverwertet und schließlich umweltgerecht entsorgt werden. Integrierter Umweltschutz umfaßt darüber hinaus die Entwicklung umweltverträglicher Produkte.

Die Bundesregierung hat "das Ziel, immer stärker weg von nachgeschalteten Reinigungstechniken zu kommen, hin zu einem in die Produktionsprozesse und Produkte integrierten Umweltschutz. ... Um diese Entwicklung voranzutreiben, ist der verstärkte Einsatz wirtschaftlich wirkender Instrumente nötig." Dies erfordert auch "zunehmend eine ökologische Orientierung anderer umweltrelevanter Handlungs- und Politikbereiche. Es kommt darauf an, die Erfordernisse des Umweltschutzes in andere Politikbereiche zu integrieren, insbesondere in die Energie-, Verkehrs- und Landwirtschaftspolitik."

Die zugrundeliegenden Interessen aller Beteiligten führen diskursiv und durch Werteabwägung zu unterschiedlichen Schlußfolgerungen und Konsequenzen
  2 Ein kompartiment-bezogenes Konzept am Beispiel der Qualitätsbeurteilung von Wasser
  2.1          Ziele und Vorgehensweise

Die Umwelt kompartiment-bezogen[1] zu betrachten, heißt zunächst ganz pragmatisch Bereiche ähnlicher Zusammensetzungen und Eigenschaften abzugrenzen, wie Luft, Boden, Wasser, Lebewesen. Weitere sinnvolle Bereiche sind Nahrungsmittel, Innenräume sowie ländliche und städtische Umgebungen.

Gasförmige und flüchtige Stoffe sind meist in der Luft zu suchen, schwer abbaubare Stoffe akkumulieren meist im Wasser und das Vorkommen gesundheitsschädlicher Stoffe interessiert besonders in Nahrungsmitteln.

Gesetze und Verordnungen (TA Luft, Abwasser, Abfall), Grenzwerte (MAK-Werte, MIK-Werte) und Gütestandards (Trinkwasser-Standard, Lebensmittel-Untersuchungen) orientieren sich an diesen Bereichen. 

Ziel der kompartiment-bezogenen Arbeitsweise ist es nun, ein derartiges Umweltkompartiment auf seine Zusammensetzung hin zu untersuchen und hinsichtlich vorgegebener Gütestandards zu bewerten. Für das Kompartiment Wasser gibt es keine übergeordnete Bewertung - zu unterschiedlich sind Nutzung und Qualitätsansprüche an unterschiedliche Wässer. Die Vielfalt möglicher Wasserformen erfordert zunächst eine weitere Differenzierung, z.B. in Trinkwasser, Regenwasser, Schwimmbadwasser, Grundwasser, Fließgewässer usw. 

Zur Methodik der kompartiment-bezogenen Arbeitsweise gehören die Analyse des Umweltkompartiments, der Vergleich der natürlicher Zusammensetzung mit der Verschmutzung durch biogene und anthropogene Quellen, die Betrachtung und Einordnung des Kompartiments in den Kreislauf der Erde und ebenso die des Schadstoffs in eventuelle natürliche Kreisläufe (Schwefel, Stickstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff), Untersuchung von Zusammenhängen zwischen Emissionen und Immissionen nach Ort, Quelle und Menge, mögliche Reaktionen im betreffenden Kompartiment und in den Senken, Nutzung des Kompartiments durch den Menschen [12].

  2.2          Umsetzung im Chemieunterricht
Unterrichtsgegenstände

Die kompartiment-bezogene Arbeitsweise ist möglich anhand der Untersuchung eines Gewässers [1, 7,12, 13]; Untersuchung von saurem Regen [13]; Luftschadstoff Schwefeldioxid [5]; Qualität von Trinkwasser [14]; Untersuchung von Wurst [15].

Ein mögliches Unterrichtsprojekt soll im folgenden am Beispiel der Gewässeruntersuchung knapp skizziert werden:

Situationsorientierung

Ein Gewässer in der Nähe der Schule wird untersucht; ein Bach, ein See, ein Fluß oder auch das Grundwasser, das ein Gärtner in der Nachbarschaft angezapft hat. Vielleicht ist eine Grundwasserentnahmestelle der Wasserwerke in der Umgebung - über die Probenahme läßt sich mit den Wasserwerken reden.

Handlungsorientierung

Das Gewässer wird zunächst erkundet, danach kartiert. Dabei werden Zuläufe und Abflußrohre gesucht, der Bewuchs an den Rändern bestimmt, Bebauung und Nachbarschaft des Ufers aufgenommen. Pflanzen und Tiere werden bestimmt, einzelne Parameter chemisch untersucht und anhand aller Ergebnisse die Gewässergüte bestimmt. Fachleute aus Behörden und Betrieben können interviewt werden, die Zusammenarbeit mit anderen Schulen könnte zum Aufbau eines Netzwerkes führen. Als Abschluß bietet sich vielleicht eine Präsentation in Form einer Ausstellung an, mit Fotos, einem Modell des Baches, Diagrammen, Untersuchungsergebnissen, Video- und Diavorführungen usw. Weitergehend könnte daraus eine Bach-Patenschaft erwachsen, mit Müllsammel-Aktionen, Aufklärung der Anwohner und Bepflanzungsaktionen.

Systemorientierung

Der Bach (oder See) wird in sein natürliches und anthropogenes Umfeld eingeordnet: Woher erhält er sein Wasser? Welche Mengen führen die einzelnen Zuflüsse, wohin fließt das Wasser ab? Wofür wird der Bach genutzt? Als Kühlwasser, Abwasserkloake, zur Gartenbewässerung, zur Erholung, zum Schwimmen, zur Fischzucht ... Welche Veränderungen bringen diese Nutzungen für den Bach mit sich? Wie verändert er das Klima in der Umgebung (Nebel, Luftfeuchtigkeit, Kühle im Sommer)? Welchen Pflanzen und Tieren bietet er Lebensraum, die nur am Bach leben? Was bedeutet er für die Menschen, die dort wohnen: Last durch Mücken, Erholungswert, Geruchsbelästigung? Wie hat sich der Bach in den letzten Jahren und Jahrzehnten verändert? Interviews mit älteren Menschen aus der Gegend und Heimatkundeforschung können folgen.

Problemorientierung

Welche Lebensqualität bietet der Lebensraum des Baches? Ist er naturnah oder sehr künstlich (verrohrt, Betonbett)? Wie ist die vor Ort wahrnehmbare Wasserqualität (klar, stinkend, schlammig, kloakig)? Warum wird der Bach als Abfallhalde benutzt? Wer leitet welche Mengen welcher Stoffe ein? Dürfen die Einleiter das? Gibt es keine anderen Möglichkeiten? Wie läßt sich der Bach naturnah gestalten?

Interdisziplinarität

Biologie (Bestimmung der Pflanzen und Tiere, des BSB/Biologischen Sauerstoffbedarfs, der Gewässergüte)

Geographie (Kartierung des Baches, Gewässer als Wirtschaftsgut, Nutzungsarten, ökonomische und ökologische Auswirkungen, Stadtentwicklung und Bedeutung des Baches im städtischen Umfeld)

Deutschunterricht (historische Gewässerverschmutzung [17], Dokumentation der Arbeitsergebnisse in Berichten, Präsentation der Arbeitsergebnisse, Interviewführung, Kooperation mit Presse und Behörden, Vorträge, Presseartikel)

Gesellschaftslehre (historische Entwicklung der Nutzung des Gewässers; Gab es früher keine Umweltverschmutzung? Wie gehen die Parteien mit Gewässerverschmutzung um?)

Informatik (Einsatz des Computers für Berechnungen des Chemischen Index, zur Dokumentation (Gewässer-Datenbank aufbauen) und zur Präsentation, Teilnahme an Mailboxen oder Datenfernübertragung).

  2.3          Die Bestimmung der Gewässerqualität im Unterricht

Das ganze Projekt kann an dieser Stelle nicht umfassend dargestellt werden. Die Bestimmung der Gewässergüte und deren Bewertung sind jedoch zentrale Schritte der ökologischen Arbeitsweise - erst dadurch erhebt sich dieses Projekt deutlich über den fachorientierten Chemie- oder Biologieunterricht.

Alle Verfahren der Bestimmung der Gewässergüte beruhen auf chemischen und/oder biologischen Untersuchungen von genau festgelegten Einzelparametern. So führt die Bestimmung und Auszählung von Mikro- und Makroorganismen eines Gewässers zur Einordnung in ein siebenstufiges Saprobiensystem. Analog führt die Bestimmung von Sauerstoffsättigung, BSB5-Wert, Temperatur, Ammonium-, Nitrat-, Phosphat-Gehalt, pH-Wert und Leitfähigkeit zum Chemischen Index (CI). Sowohl das Saprobiensystem als auch der Chemische Index sind den vier standardisierten Gewässergüteklassen zugeordnet (Tab. 1). In beiden Fällen werden die bestimmten Parameter unterschiedlich gewichtet und nach einem vorgegebenen Berechnungsverfahren zu einem Index zusammengefasst (Tab. 2). Für den Unterrichtet aufbereitet finden sich Versuchsvorschriften, Arbeitsblätter, Auswertungsbogen, Diagramme zur Bestimmung des Chemischen Index in [18]. Ebenfalls unterrichtsbezogen und sehr ausführlich mit umfangreichen Bestimmungstafeln geht [19] auf chemische und biologische Gütebestimmungen ein. Fundierte Ansätze für eine fächerübergreifende Umwelterziehung am Beispiel "Gewässer im Stadtteil" zeigt [20]. Auch hier finden sich Arbeitsblätter, Experimente und zahlreiche praktische Hinweise zur Durchführung eines solchen Projekts.

Chemische und biologische Methoden ergänzen sich: während die Einteilung in Saprobiensysteme eher wirkungsorientiert arbeitet, kann der Chemische Index Aussagen über Ursachen der Umweltverschmutzung machen. Zusammen läßt sich damit ein Gewässer umfassender beurteilen. Beide Systeme orientieren sich schwerpunktartig an der Belastung mit organischen, biologisch abbaubaren Stoffen. Die biologische Methode ermöglicht nach einmaliger Untersuchung eine Aussage über die Gewässergüte und ist damit meist schneller als die chemische Vorgehensweise. Während die chemische Beschaffenheit des Wassers schnellen und oft extremen Schwankungen unterworfen sein kann, gibt der biologische Zustand eine Aussage über die Beschaffenheit während eines längeren Zeitraums, da durch Lebensdauer und Entwicklungsstufen der untersuchten Organismen auch ältere und länger zurückliegende Belastungen erfaßt werden. Andererseits kann nicht ermittelt werden, ob die Beeinflussung des Gewässers klimatisch oder chemisch bedingt ist. Auch sind Salzbelastungen biologisch schwierig erfaßbar. Chemische Analysen informieren über das Wasser im Augenblick der Probenahme, so daß für genauere Aussagen kontinuierliche oder mindestens Wiederholungsmessungen nötig sind. Das Ergebnis der chemischen Analysen zeigt die Ursachen für biologische Veränderungen auf und benennt Art und Menge der Schadstoffe.

  3           Ein substanzorientiertes Konzept am Beispiel des Dioctylphthalats
  3.1          Ziele und Vorgehensweise

Das substanzorientierte Konzept zielt darauf ab, den Lebenslauf eines einzelnen Stoffes qualitativ und quantitativ genau zu erfassen und damit mögliche regionale und globale, kurzfristige und langfristige Einflüsse auf die Umwelt zu erkennen bzw. vorauszusagen. Grundsätzlich lassen sich Stoffe mit folgenden Parametern beschreiben:

1.     Produktion

2.     Anwendungsmuster

3.     Ausbreitung in der Umwelt

4.     Persistenz und Abbau

5.     Umwandlung

6.     Ökotoxikologisches Verhalten

  3.2          Umsetzung im Chemieunterricht
Unterrichtsgegenstände

Für schulische Zwecke gilt es zusätzlich didaktische und methodische Kriterien zu berücksichtigen. Ein für die Behandlung im Unterricht auszuwählender Stoff sollte

  •        den Schülern direkt oder indirekt durch seine Anwendungen bekannt sein, um Bezüge zur Lebenswelt herstellen zu können;
  •        in lokalen Umweltbereichen vorhanden sein;
  •        selbst oder über seine Stoffklasse experimentell zugänglich sein, sei es durch Analyse, Synthese, Untersuchung der Eigenschaften oder Wirkungen;
  •        hinreichend gut untersucht sein, um auf chemisch-ökologische Informationen zugreifen zu können;
  •        auf die eine oder andere Weise umweltrelevant sein, um für die Untersuchung an Bedeutung zu gewinnen;
  •        toxikologisch unbedenklich sein, um mit dem Stoff in der Schule arbeiten zu können.

Diese Anforderungen erschweren eine Auswahl erheblich und es gibt wohl keinen Stoff, der allen Kriterien gleichermaßen genügt. Denkbar wäre die Behandlung von Halogenkohlenwasserstoffen am Beispiel 134a, Pestiziden am Beispiel DDT, Waschmitteln am Beispiel Phosphat oder NTA, Lösungsmitteln am Beispiel Ethanol oder Toluol, Kunststoffen am Beispiel PVC.

Situationsorientierung

Situationsorientierung kann sich ergeben durch in der Umgebung vorhandene Produktionsbetriebe von Weichmachern; Vorkommen von Weichmachern oder Folgeprodukten in Produkten des Alltags, in Luft, Wasser oder Sedimenten der Umgebung.

Handlungsorientierung

Handlungsorientierung ist möglich durch Betriebserkundungen, Suche nach Produktionsstätten von Weichmachern und/oder Kunststoffen, Interviews bei Industrie- und Handelskammern, Firmen und Verbänden (z.B. Verband der kunststofferzeugenden Industrie), Literaturrecherchen zu Produktions- und Verwendungsmengen von Weichmachern, den Nachweis von Weichmachern in Produkten des Alltags [30, S. 329], in Wasser, Luft und Sedimenten; die Herstellung von Weichmachern, Experimente zur Wirkungsweise von Weichmachern (Dibutylphthalat in Polystyrol, Glyzerin in Polyvinylalkohol) [29], die Entfernung von Weichmachern aus PVC [31, S. 429], Vergleich von Hart- und Weich-PVC

Systemorientierung

Systemorientierung findet statt durch Erarbeitung des Stoffflusses in Produktion, Weiterverarbeitung, Verteilung und Verwendung oder durch Herstellung von Zusammenhängen zwischen Technosphäre und Biosphäre bezüglich Eintrag, Abbau und Anreicherung. Die Wechselwirkung zwischen Bedürfnissen der Verbraucher, technische Realisierung der gewünschten Produkte durch Zugabe von Weichmachern und Emission kann diskutiert werden. Folgende Kategorien erlauben die Einordnung in systemare Zusammenhänge:

  • Der emittierte Stoff wird auch von natürlichen Emissionsquellen freigesetzt. Die anthropogene Emission liegt im Rahmen der natürlichen Hintergrundbelastung. (Z. B.: Die Salzbelastung der Meere durch zusätzliches Natriumchlorid aus den Flüssen.)
  • Der emittierte Stoff kann biotisch oder abiotisch abgebaut werden. Die Emission überschreitet dabei nicht die Aufnahme- und Abbaufähigkeit der natürlichen Senken, so daß sich bei einer bestimmten Umweltkonzentration ein Fließgleichgewicht einstellt und der betreffende Stoff langfristig natürlich abgebaut wird. (Z. B.: Ethanol)
  • Der emittierte Stoff ist in der unbelasteten Umwelt kaum meßbar und ist nicht durch natürliche Senken abbaubar. In einer Expositions- und Wirkungsanalyse werden seine Umweltfolgen bewertet. Nach einer Werteabwägung wird ein stoffspezifischer Emissionsgrenzwert festgelegt. (Z.B.: Asbest)
  • Jede Emission des Stoffes erscheint als unverantwortlich. Konsequenz ist ein Produktionsverbot oder ein absolut geschlossenes Produktionssystem mit entsprechenden Sicherheitsvorrichtungen. (Z. B.: Pentachlorphenol (PCP) und Fluorchlorkohlenwasserstoffe

Problemorientierung

Problemorientierung bietet die Belastung von Lebensmitteln durch Kunststoffverpackungen und die darin enthaltenen Weichmacher, Einsatz von Weichmachern in Kinderspielzeug, akute und chronische Wirkungen von Weichmachern, Zusammenhang mit Allergiehäufigkeit, Gründe für den Einsatz von Weichmacher.

Interdisziplinarität

Interdisziplinäres Vorgehen ist möglich durch Beteiligung technischer Fragestellung (Produktion, Verarbeitung, Verwendung, gezielte Eigenschaftsveränderungen von Kunststoffen); durch Beteiligung biologischer Fragestellungen (Auswirkung auf Biota, gesundheitliche Fragen, toxikologische Bewertung), durch gesellschaftliche Fragestellungen (Ursachen für die Verbreitung von Kunststoffen, zugrundeliegende Bedürfnisse); durch wirtschaftliche Fragestellungen (Produktionsvolumen von Weichmachern, Bedeutung in der Industrie, Preisgestaltung, Alternativen). Diese Fragestellungen können im Chemieunterricht integriert oder arbeitsteilig in andere Fächer berücksichtigt werden.

  3.3       Substanzorientierte Untersuchung von Dioctylphthalat (DOP) im Unterricht

Es kommt nun darauf an, die Parameter mit Inhalt zu füllen. Brauchbare Quellen für viele Stoffe sind [22]-[25], außerdem Stoffberichte des Beratergremiums für umweltrelevante Altstoffe (BUA) der Gesellschaft Deutscher Chemiker [26] und [27].

Für diesen Beitrag wurden Phthalate am Beispiel DOP (Dioctylphthalat (auch DEHP: Di(2-ethylhexyl)phthalat) ) ausgewählt, weil sie in großen Mengen produziert werden, in zahlreichen Gegenständen des Alltags enthalten sind (vor allem als Weichmacher in PVC), sie durch anthropogene Emission in der Natur nahezu ubiquitär vorkommen, sie vergleichsweise gut untersucht, experimentell zugänglich und gering akut toxisch sind.

Produktion

Die Produktionsdaten sind grundsätzlich bekannt, jedoch nicht leicht zugänglich, da viele Angaben und Daten von den Firmen als Betriebsgeheimnis angesehen werden. Gleiches gilt auch für die Produktionsbedingungen, die Ausbeute, Art von Katalysatoren, Mengen der Nebenprodukte, Abfälle, Verunreinigungen im Produkt sowie Energieverbrauch. Anthropogen und biogen erzeugte Mengen sollten stets verglichen werden.

1977 wurden weltweit etwa 4 Millionen Tonnen Weichmacher produziert, davon sind 67% Phthalate. 1983 wurden in der BRD 327,4 kt Phthalat-Weichmacher produziert, davon 216,4 kt DOP (1982: 339,7 kt bzw. 217,7 kt). Ein großer Teil wird exportiert: 1982 wurden lediglich 180 kt in Deutschland verbraucht, davon 47% C8-Phthalate (DOP und DIOP). [26] Zur Herstellung und den zugrundeliegenden Reaktionen siehe [27].

Die Produktionsverfahren bestimmen meist über Art und Menge der Nebenprodukte, Verunreinigungen und Abfälle. Phthalate werden in geschlossenen Anlagen hergestellt. Eine 35.000-Tonnen-Anlage emittiert etwa 0,16 t/Jahr in das Abwasser und 0,2 t/Jahr in die Luft. Bei der Verarbeitung von Weich-PVC und dessen Beschichtung werden wesentliche Mengen emittiert, nämlich 0,01-8% (bezogen auf die verarbeitete Masse DOP). In Deutschland gab es 1985 etwa 60-80 Beschichtunganlagen mit einer Kapazität von 30-35 kt DOP, davon hatte die Hälfte eine Abluftreinigung, davon wiederum die Hälfte eine thermische Nachverbrennung, die andere Hälfte hatte Aerosol- bzw. Elektrofilter. Ohne Abluftreinigung werden 8%, mit Aerosolfilter nur 0,2% emittiert, die thermische Nachverbrennung emittiert kaum noch. Folgende Verarbeitungsverfahren emittieren in Luft/in Wasser: Kalandrieren (0,25%/0%), Extrudieren (0,03%/0,01%, Spritzguß (0,03%/0%), Farben und Lacke (0%/0%), sonstige Verfahren (0,8%/0,5%), Mischverfahren (0,02%/0%). Nach Gewichtung der Anteile ergibt sich ein Verlust von 0,8% der verarbeiteten Weichmachermasse.

Trotz geringer Wasserlöslichkeit und niedrigem Dampfdruck werden jährlich aus den Produkten schätzungsweise 1% der verarbeiteten Weichmachermasse an die Umwelt abgegeben. Weltweit werden ca. 92 kt jährlich durch Verarbeitung, ca. 200 kt durch deponierte Abfälle [24] an die Umwelt abgegeben

Anwendungsmuster

Aus dem stoffspezifischen Anwendungsmuster ergeben sich unterschiedliche Ausbreitungsmöglichkeiten und -mengen in die Umwelt, abhängig davon, ob der Stoff geschlossen (CFKW in Kühlschränken, Lösungsmittel in Lackierkabinen der Autoindustrie) oder offen (Lösungsmittel aus Lacken und Farben für den Heimwerkerbereich, Pestizide in der Landwirtschaft), nur lokal (Lösungsmittel in Chemischen Reinigungen, Industriechemikalien) oder global (Lösungsmittel aus Klebern, Spraydosen) verwendet wird. Phthalate dienen überwiegend (1985 zu etwa 87%) als Weichmacher, vor allem in PVC. Der Rest geht in die Bereiche fettfreie Schmiermittel, Schaumverhütungsmittel, Lösungsmittel, Trägerflüssigkeit in Parfüms und Kosmetika, Pestiziden, Insektenvertreibungsmittel, Dispersionen, Kautschuk, Farben sowie als Vorprodukt anderer Stoffe. Anwendungsbereiche des daraus hergestellten Weich-PVC sind Folien (28%), Fußbodenbeläge (23%), Kabelindustrie (20%), Beschichtungen (11%), Schläuche und Profile (10%), Pastenverarbeitung (6%) und Sonstiges (2%).

Ausbreitung in der Umwelt

Der erste Ausbreitungsschritt hängt wesentlich von der technischen Umgebung und dem Verhalten des Anwenders ab. Danach sind Abfall, Abluft und Abwasser den unkontrollierbaren Einflüssen der Geosphäre ausgesetzt. Chemisch-physikalische Eigenschaften des Stoffes, klimatische sowie geologische Bedingungen beeinflussen die weitere Ausbreitung und Verteilung des Stoffes. Das Ergebnis einer solchen Verteilung ist mit den zugehörigen Stoffströmen für Hexachlorphenol in Abb. 2 dargestellt.

Ist ein Stoff persistent genug und wird er in hinreichender Menge produziert, so wird er ubiquitär nachweisbar sein. Seine Eigenschaften führen zu einer heterogenen Verteilung zwischen Luft, Boden und Wasser, zur Aufnahme und Akkumulation in Organismen und zu den dazugehörigen Transportvorgängen.

In der Umgebung von Müllverbrennungsanlagen wurden 300 ng DEHP/m3(Ontario,Kanada) gemessen, in New Yorker Großstadtluft 10 -17 ng DEHP/m3, in anderen Städten bis 130 ng DOP/m3 [24]. Durch Ausdünstung aus PVC-Böden fand sich in Raumluft 150-260 g/m3 [24]. In neuen Autos finden sich ca. 300 g/m3 [24]. Reinluftgebiete enthalten 0,4 ng/m3DEHP (Golf von Mexiko) bzw. < 3 ng/m3 (Nordatlantik, Nordpazifik) [24]. Das Regenwasser über dem Meer enthält < 0,2 g/l [24] im Golf von Mexiko; 2 ppb DEHP im offenen Meer; 6,6 ppb DEHP fand sich im Sediment des Rheins; 7 - 71 ppm DEHP in japanischen Flüssen; 80 - 1360 ppb DEHP (Flußsedimente); 0,1 - 2,19 ppb DEHP in Flußwasser. Binnengewässer enthalten bis 10 g/l [24], Meerwasser bis 0,7 g/l [24]; Sedimente wenige g/l bis zu 1 x 10 5[24]. Biologisches Material enthält 1-19.000 g/kg [24]; 5-35 ppm DOP im Fettanteil von Milch und Käse [24]; bis über 10.000 g/kg [24] im Herzmuskeln von Säugetieren; Blutkonserven enthielten 26,4 mg DOP/l nach 11 Tagen und 102 mg DOP/l nach 24 Tagen [24].

Es ist außerdem nicht auszuschließen, daß DOP durch Biogenese gebildet werden kann, da es bereits 1932 (also vor der industriellen Massenproduktion) als Produkt von Azobacter chroococcum gefunden wurde. 2-Ethylhexanol, die Alkoholkomponente von DOP, wurde in Waldböden gefunden. [26] In Nahrungsmitteln enthaltene Phthalate stammen aus der Verpackung und werden in fetthaltigen Nahrungsmitteln stärker angereichert

Bioakkumulation und Katabolismus

Versuche ergaben Anreicherungsfaktoren von 108.000 bei der Mückenlarve Culex pipiems quinquefasciatus, 54.000 für die Alge Oedogonium cardiacum, 21.500 für die Schnecke Physa, 2.500 für die Miesmuschel Mytilus edulis, 1.380 für die Elritze Pimephales promelas, 130 für den Fisch Gambusia affinis. Der Abbau erfolgte in Elritzen gut (50% in sieben Tagen), jedoch geringer bei Schnecke, Wasserfloh und der Wasserpflanze Elodea canadensis, 80% Abbau in vier Tagen beim Flohkrebs Gammarus pseudolimnaeus. [26]

Verteilung und Transport

DOP wird in Luft, Wasser, Boden und Biota gefunden, jedoch weisen die Meßwerte starke Schwankungen über mehrere Größenordnungen auf, dabei ist ein Trend zu höheren Konzentrationen in der Nähe von Ballungsräumen deutlich. Eine Bilanzierung scheint nicht möglich. Wegen der geringen Wasserlöslichkeit (0,041 mg/l bei 20° C) und des geringen Dampfdrucks (10-6 mbar bei 20 °C) sind Boden und Sediment vermutlich die bedeutendsten Senken. Trotz erheblicher Produktionsmengen, die überwiegend offene Anwendung und diffuse Verbreitung hat sich durch Löslichkeit, Verdünnung und Abbau ein Konzentrationsgleichgewicht eingestellt. Dabei ist der biologische Abbau bis in den Mikrogramm-Bereich erheblich bedeutender als der photochemische, jedoch abhängig von der heterotrophen Aktivität. [26]

Persistenz, Abbau und Umwandlung

Unter Persistenz versteht man die Beständigkeit organischer Chemikalien in der Umwelt (alle anorganischen Chemikalien sind hochgradig persistent durch die Stabilität der Elemente). Für Produktion, Lagerung und Anwendungszeitraum ist die Persistenz eines Stoffes erwünscht, danach ist sie unerwünscht. Eine optimale Chemikalie ist solange stabil, bis sie ihren Zweck erfüllt hat und hinterläßt danach keinen organischen Rückstand. Nur Mineralisation, der Abbau zu Kohlenstoffdioxid, Wasser und anderen stabilen anorganischen Molekülen, führt zum „Verschwinden“ der Substanz.

Der eigentliche Vorgang der Umwandlung ist kaum vom Abbau zu trennen. Man unterscheidet abiotische Umwandlung (z.B. durch Sauerstoff, Licht, Wasser) und biotische Umwandlung durch Lebewesen und deren Enzyme

Biologischer Abbau

Prinzipiell scheint ein Abbau möglich, jedoch sind die Bedingungen nicht sehr klar; meist scheint jedoch eine Adaptation der Mikroorganismen nötig zu sein. Im BSB-Test fand sich nach 20 Tagen kein Abbau; mit Hefeextrakt, Flußwasser oder Belebtschlamm schwanken die Ergebnisse zwischen 30% Abbau in 10 Tagen und 90 % in sechs Tagen. Nach Impfung mit Nocardia erythropolis wurden 90% Abbau nach einem Tag erzielt. Wahrscheinlich werden die Diester beim Abbau in Bakterien durch Abspaltung der Alkoholkomponente zunächst in Monoester, dann in Phthalsäure umgesetzt. Aus dieser entsteht durch Decarboxylierung Brenzcatechin (Benzol-1,2-diol) oder Benzol. Alle Spaltprodukte werden dann über bekannte Abbauwege in die elementaren Stoffwechselwege eingeschleust und mineralisiert. Eine detaillierte Darstellung der Abbaureaktionen findet sich in [27].

Photochemischer Abbau

DOP ist photochemisch abbaubar mit einer Halbwertszeit von einem Tag. Beim Photoabbau von phthalathaltigem PVC zerfiel der Weichmacher teils in kleinere Moleküle, teils ging er feste Bindungen mit den Polymerketten ein. Insgesamt ist der photochemische Abbau unbedeutend im Vergleich zum Abbau im Boden.

Ökotoxikologische Wirkungen

sollen an dieser Stelle ausgeklammert werden, da das folgende Kapitel sich ausführlich mit ökotoxikologischen Aspekten beschäftigt.

 

 

4 Das wirkungsbezogene Konzept am Beispiel von Benzol

  4.1          Ziel und Vorgehensweise

Ziel des wirkungsorientierten Konzeptes ist es, mögliche Folgen und Schäden eines Stoffes/einer Stoffgruppe auf Biota vorherzusagen, bereits sichtbare Folgen nach Schädigungsgraden einzustufen sowie Therapiemaßnahmen zu entwickeln. Die Herstellung einer bislang nicht produzierten Chemikalie, neue Anwendungszwecken einer Chemikalie, das Bekanntwerden einer bislang unerkannt gebliebenen Gefährdung oder geänderte gesetzliche Vorschriften können den Anlaß zur Bewertung eines Stoffes geben.

Das Gefährdungspotential eines Stoffes läßt sich nicht auf einen Zahlenwert reduzieren, wie dies bei anderen Eigenschaften (Dichte, Brechungsindex, Schmelztemperatur usw.) möglich ist. Jede Gattung, jede Art, ja jedes individuelle Lebewesen kann anders auf den Stoff reagieren. Zunächst muß ein Bewertungsziel definiert werden, das die zu untersuchende Situation begrenzt und die Erstellung eines stoffspezifischen Gefährdungsprofils ermöglicht:

  •       Welcher Stoff bzw. welche Stoffgruppen sollen untersucht werden?
  •       Soll die Wirkung auf den Menschen, auf bestimmte Tier- oder Pflanzenarten, auf aquatische oder terrestrische Organismen, auf das Klima oder die Lebensraumqualität untersucht werden?
  •       Welche Umweltmedien haben Priorität: Grundwasser, Regenwasser, Flüsse, Seen, Nahrungsmittel, Böden in Gärten oder Kindergärten, Luft an Arbeitsplätzen oder in Wohnräumen?
  •       Auf welchen Produktlinien und Anwendungsbereichen liegt der Untersuchungsschwerpunkt?

 Auch ein noch so giftiger Stoff kann seine Wirkung nicht entfalten, wenn er nicht in der Umwelt verteilt wird. Diese Überlegung bedingt eine doppelte Vorgehensweise: es muß sowohl eine

 Expositions- als auch eine Wirkungsanalyse durchgeführt werden. Beides erfordert aussagekräftige und hinreichende Daten, die, soweit sie nicht aus der Literatur beschaffbar sind, experimentell bestimmt werden müssen

  4.1.1     Die Expositionsanalyse

Die Expositionsanalyse soll zeigen, wie und in welchen Mengen ein Stoff in die Umwelt gelangt, wie er dort verteilt, angereichert oder abgebaut wird, wie er sich räumlich und zeitlich verhält. Als Maß für das Umweltverhalten dienen die Expositionsfaktoren (Abb. 1b). Diese Faktoren sind Ausdruck einer vereinfachten Modellvorstellung unserer Umwelt. Daher geben sie nur das Verhalten eines Stoffes in dieser Modellumwelt wieder. Aus Daten, die bei eindeutigen Laborbedingungen gewonnen wurden, müssen Rückschlüsse auf das Verhalten in der Umwelt gezogen werden. Dies führt zu Vereinfachungen und häufig zu gravierenden Fehlern, da das reale Umweltgeschehen multifaktoriell und stochastisch beeinflußt ist. Als Ausweg bieten sich Freilandversuche als quasi-kontrollierte Umweltverschmutzung an; auch Unfalldaten können ausgewertet werden.

 Expositionsfaktoren sind nicht meßbar, sondern werden aus gemessenen chemisch-physikalischen Daten abgeleitet oder mit gemessenen Werten korreliert (Abb. 1c). So wird der Verteilungskoeffizient eines Stoffes zwischen Octanol und Wasser korreliert mit der Eigenschaft dieses Stoffes, sich im Fettgewebe von Organismen anzureichern und dient als Maß für die Bioakkumulation.

 Wenig besser sieht es aus bei den zu ermittelnden Daten aus der Technosphäre. Wieviel wird von diesem Stoff hergestellt, wie rein ist er, enthält er Verunreinigungen, wer verwendet ihn wofür in welchen Mengen? Oftmals stehen Betriebsgeheimnisse, Patentfragen oder politisch-wirtschaftliche Interessen einer Veröffentlichung wichtiger Daten entgegen

  4.1.2      Die Wirkungsanalyse

Unabhängig von der Expositionsanalyse wird die Wirkungsanalyse durchgeführt. Ordnet man mögliche Wirkungen den Ökosphären zu (Abb. 1d), so findet man:

  •       Korrosion und Qualitätsminderung als Wirkung von Schadstoffen auf Artefakte (Schwefeldioxid auf Gebäude, Streusalz auf Autokarosserien);
  •       Klimaänderung als Wirkung von Schadstoffen in der Luft (Smog, Ozonloch, Treibhauseffekt);
  •       Erosion als Wirkung auf den Boden (Aluminiumionen in versauertem Waldboden, Freisetzung von Schwermetallen aus Sedimenten durch NTA);
  •       Lebensraumveränderung durch Verschmutzung von Boden, Luft, Wasser;
  •       toxikologische Effekte auf Organismen.

Im allgemeinen wird die Wirkungsanalyse mit ökotoxikologischer Untersuchung gleichgesetzt.

Eine Klassifizierung möglicher ökotoxikologischer Schädigungsgrade zeigt Tabelle 1. In Biotests werden Wirkungen auf einzelne Spezies untersucht und daraus Rückschlüsse auf Wirkungen im Ökosystem gezogen. Dieses Verfahren ist nicht nur wegen der multifaktoriellen Bedingungen in Ökosystemen fragwürdig. Hinzu kommt, daß sich Störungen im Ökosystem über einen langen Zeitraum durch die verschiedenen Organisationsebenen (Abb. 3) fortsetzen. Wirkungen sind oft erst nach Monaten und Jahren beobachtbar. Während die Untersuchung der akuten Toxizität auf Bakterien, Algen, Daphnien und Fische in Zeiträumen von 3-96 Stunden ermittelt wird, dauern Tests auf chronische Toxizität 16 Stunden bis 21 Tage. Über die Probleme und Grenzen der Ökotoxikologie siehe [41]. Unterscheiden sollte man zwischen der Wirkung eines Stoffes und seinem Gefährdungspotential: auch wenn der Stoff isoliert und nicht in der Umwelt verbreitet ist, so bleibt sein Gefährdungspotential bestehen, ohne Wirkung zu zeigen.

 Die OECD beurteilt einen Stoff nach dem in Abb. 4 dargestellten Schema: Ausgehend vom Grunddatensatz einer Chemikalie, der für eine bestimmte Fragestellung erweitert werden muß, wird nach jedem der toxikologischen Test der Quotient aus "no observed effect level" (NOEL) und der "predicted environmental concentration" (PEC) gebildet und mit "Sicherheitsfaktoren" (X1, X2, X3) verglichen, die von Test zu Test enger gezogen sind. Deren Festlegung unterliegt allerdings der Einschätzung durch Gremien, Forschende, Auftraggeber und entspringt rückkoppelnd aus der Risikobewertung.

  4.1.3     Die Risikoabschätzung

Über Exposition, Wirkung und Gefährdungspotential eines Stoffes muß Klarheit bestehen, um Risiken abschätzen zu können. Die technische Risikodefinition: "Risiko ist das Produkt aus Schaden und Wahrscheinlichkeit des Schadenseintritts" läßt sich nicht auf die Ökotoxikologie übertragen. Stattdessen wäre das ökosystemare Risiko als Produkt aus Exposition und Wirkung bzw. Gefährdungspotential zu begreifen. Dementsprechend lassen sich Extremfälle unterscheiden:

1.    Ohne Exposition auch kein Risiko.

2.    Ohne Gefährdungspotential auch bei Exposition kein (oder nur geringes) Risiko.

3.    Bei gegebener Exposition und vorhandenem Gefährdungspotential des Stoffes besteht ein deutliches Risiko.

 Der letzte Fall muß weiter differenziert werden, um Risiken möglichst exakt zu beschreiben und um eine geeignete Öko-Prophylaxe betreiben zu können. Eine detaillierte Risikoabschätzung erfolgt durch Einstufung des Falls nach Abb. 5: Mögliche Wirkungen sind differenziert nach lokalen, regionalen und globalen Wirkungsradien sowie nach der zeitlichen Reichweite der Schädigung (akut, subchronisch, chronisch). In einer dritten Dimension könnte man sich dieses Raster noch um den Grad der Schädigung erweitert denken.

  4.1.4     Die Bewertung

Die beschriebenen Methoden ermöglichen zwar die Erfassung des Gefährdungspotentials einzelner Stoffe, aber nur sehr eingeschränkt von Stoffgemischen, wie sie in der Umwelt vorliegen. Die Übertragung von Laborergebnissen auf die Umwelt ist streng genommen unzulässig. Hinzu kommt, daß Ökosysteme dynamisch sind: sie haben eine Geschichte und unterliegen Veränderungen, reagieren flexibel auf Störungen. Eine Bewertung setzt aber einen Vergleich mit einem "Normalzustand" voraus, der oft unbekannt ist. Tatsächlich eingetretene Änderungen müssen nicht unbedingt schädlich sein. Daher ist die Festlegung von Grenzwerten zur Immissionskontrolle sehr fragwürdig. Ökotoxikologische Erkenntnisse können jedoch gut zur Emissionskontrolle eingesetzt werden, um Expositionen zu verringern. Im Bewußtsein möglicher Risiken kann schließlich die eigentliche Bewertung der Umweltchemikalie erfolgen. Nach der Abwägung der Interessen aller Beteiligten und nach einer Einschätzung übergeordneter Werte wird eine Entscheidung gefällt. Im Widerstreit meist wirtschaftlicher Kräfte werden auf der Basis meist technischer Möglichkeiten und unter Berücksichtigung gesellschaftlicher Werte politisch tragbare Maßnahmen getroffen. Da das Gefährdungspotential eines Stoffes und dessen Eigenschaften unveränderlich sind, können diese Maßnahmen nur bei den Expositionsfaktoren der Technosphäre greifen. Einen Überblick über den beschriebenen Ablauf gibt Abb. 6.

  4.2          Umsetzung im Chemieunterricht
Unterrichtsgegenstände

Alle Stoffe kommen in Frage, die ein Gefährdungspotential für die Umwelt aufweisen. Dies sind chlorhaltige Verbindungen, z. B. DDT, PCDD, PCP, PCB sowie Formaldehyd, Benzol, Pestizide, Cadmium, Blei, Asbest u.v.a.m. Die Unterrichtenden stehen vor dem Dilemma einen Stoff auszuwählen, der einerseits ökotoxikologisch bedeutsam und andererseits harmlos genug ist, um damit im Unterricht experimentieren zu können. Als Unterrichtsthemen kommen in Frage: Untersuchung des Arbeitsplatzes einer Sekretärin hinsichtlich der Belastung durch 1,1,1-Trichlorethan aus Tipp-Ex-Flaschen oder die ökotoxikologische Untersuchung von Boden, Luft, Wasser und Biota in der Umgebung von Tankstellen auf Benzol. Im Experiment kann Benzol dann oft durch Toluol oder Xylol ersetzt werden.

Situationsorientierung

Situationsorientierung läßt sich schaffen über Emissionen in der näheren Umgebung: Vielleicht findet sich Formaldehyd, das aus unbeschichteten Spanplatten ausdünstet; PCB aus den Kondensatoren der Leuchtstoffröhren in der Schule; Bleibelastung eines Schrottplatzes durch Bleiakkumulatoren; Pestizide in der Landwirtschaft; Atrazin im Grundwasser; Rüstungsaltlasten im Boden; Quecksilber aus Amalgamplomben; Schwermetallbelastungen in der Umgebung von Hochöfen, Gießereien oder galvanischen Betrieben; Radonbelastung in Kellern und Gebäuden, Chlorkohlenwasserstoffe in der Umgebung von chemischen Reinigungen; Trichlorethan aus Tipp-Ex-Flaschen; Lösungsmittel aus Klebern, Benzol im Tankstellenbenzin. Einige Zeitungsausrisse über Benzobelastung enthält [36].

Handlungsorientierung

Am Beispiel von Benzol in Tankstellenbenzin ist Handlungsorientierung möglich durch Erstellung eines Emissionskatasters (Gehalt des Tankstellenbenzins an Benzol, Menge des verdunstenden Benzols beim Tankvorgang, Menge des unverbrannten Benzols in den Autoabgasen, Benzolgehalt in Luft, Boden, Wasser, Pflanzen, Tieren, Menschen in Abhängigkeit von der Entfernung zu einer Tankstelle bzw. Kreuzung), durch Ermittlung der Expositionsfaktoren (Mobilität, Akkumulation, Abbau etc.), durch Ermittlung des Gefährdungspotentials von Benzol bzw. Tankstellenbenzin (Toxizitätstests mit Bakterien, Algen, Daphnien, Fischen, Pflanzen), durch Ermittlung der Produktionsdaten und Transportwege, durch Ermittlung der Wirkungen (Befragung bei Tankstellenbediensteten, Ärzten, Gesundheitsamt), durch Vorschläge zur Verringerung der Emissionen (Aktivkohlefilter, Saugrüssel, Änderung der Produktionsanlagen), durch Interviews mit Produzenten und Politikern, Besichtigung einer Raffinerie. Einige Ansätze zum experimentellen Umgang mit Benzol und ähnlichen Stoffen enthält [36].

Prozeßorientierung

Prozeßorientierung ist möglich durch Einordnung der Benzol-Problematik in Herstellungszusammenhänge: Zusammensetzung von Erdöl, Umwandlungsprozesse in der Raffinerie durch Cracken und Reformen, Anforderungen moderner Motoren an Klopffestigkeit des Benzins, Vor- und Nachteile anderer Zusätze, Verwendungsmöglichkeiten des Benzols in anderen Wirtschaftszweigen. Auch Freisetzung, Mobilität, Akkumulation und Abbau können im Zusammenhang betrachtet werden und führen zu einer prozeßorientierten Betrachtung des Ökosystems.

Problemorientierung

Problemorientierung findet sich auf allen Ebenen: Welche gesundheitlichen Schäden gibt es bei Tankstellenbediensteten und Autofahrern? Wie läßt sich die Benzolbelastung beim Tanken vermindern? Wie effektiv sind die einzelnen Maßnahmen, was kosten sie und wie aufwendig ist ihre technische Umsetzung? Welche Konflikte entstehen aus den unterschiedlichen Interessen von Autofahrern, Tankstellenbesitzern und -angestellten, Raffineriebetriebern und Motorenherstellern? Welche Probleme entstehen bei der Schließung einer Tankstelle für spätere Nutzer?

Interdisziplinarität

Fachübergreifendes Vorgehen kann erfolgen, indem technische Aspekte (Arbeitsweise des Otto-Motors, Siedeanalyse von Kraftstoffen, Abstimmung von Kraftstoff und Motor; Prozesse bei Reformierung und Cracken), wirtschaftliche Aspekte (Kosten von Benzol, Kosten der Benzolherstellung aus Toluol, Kosten der Extraktion aus Otto-Kraftstoff, Vergleich der extrahierten Mengen zu den aus Toluol hergestellten Mengen), biologische Aspekte (ökotoxikologische Wirkungen, Metabolismus von Benzol), gesellschaftliche Aspekte (Arbeitsbedingungen an Tankstellen, Risikobewußtsein und -bereitschaft bei Autofahrern im Vergleich zu anderen kanzerogenen Stoffen), informationsverarbeitende Aspekte (Aufbau einer Benzol-Datenbank, Präsentationsgrafik, Erstellen einer Dokumentation) berücksichtigt werden.

  4.3          Die Erstellung eines Expositions- und Wirkungsprofils
 

Benzol ist vergleichsweise gut untersucht worden. Ausführliche Angaben zu emittierten Mengen, Mobilität, Persistenz, Akkumulierbarkeit, Schadwirkungen, Vorkommen in der Umwelt, Handhabbarkeit und Analytik enthält [22], außerdem wird im Zwischenbericht der Enquetekommission "Schutz des Menschen ..." [11] ausführlich und beispielhaft eine wirkungsbezogene Untersuchung von Benzol durchgeführt. Luftqualitätskriterien für Benzol sowie zahlreiche Materialien über Verwendung von Benzol in der chemischen Industrie und verarbeitungsspezifische Emissionen enthält [37].

  4.3.1     Die Expositionsanalyse
 

Benzol ist in Rohöl und zahlreichen Folgeprodukten enthalten. Zusätzlich wird es während der Raffinierung (katalytische Reformierung) gebildet. Bei der Ethylenherstellung entsteht im Steam-Cracker Pyrolysebenzin mit bis zu 40% Benzol, das ebenfalls in die Kraftstoff-Herstellung eingeht. Im fertigen Otto-Kraftstoff (31.000 kt/a) hat Benzol einen Volumenanteil von 1,7-2,5% (527-775 kt/a). 90% der jährlichen Emissionsmenge von 56 kt Benzol stammen aus Kraftstoffen, der Abgas-Katalysator bewirkt eine Minderung um etwa 75%; die chemische Industrie emittiert dagegen nur 40 t/a (1991). Ausführliche Übersicht über die Emissionsmengen in [11]. Übrigens sind in etwa 10-100 g Benzol/Zigarette enthalten, die Benzolbelastung eines Rauchers ist etwa zehnmal größer als die eines Nichtrauchers. Zur Zeit werden jährlich 1.656 kt/a Reinbenzol hergestellt, davon etwa 22% durch kosten- und energieaufwendige Dealkylierung von Toluol. Aufgrund seiner Flüchtigkeit verteilt sich Benzol vor allem in der Luft, die Belastung von Boden und Wasser (mit Ausnahme des Grundwassers) ist unbedeutend. Ländliche Luft enthält weniger als 1 g/m3, in der Umgebung von Kokereien werden 7-15 g/m3, an Hauptverkehrsstraßen 20-30 g/m3 gemessen, in Raucherhaushalten findet man 11 g/m3 Innenraumluft [11]. Im Innenraum von Kraftfahrzeugen fand man 40-60 g/m3, im Tankstellenbereich bis zu 3 mg/m3 [36]. Die Benzolbelastung unterschiedlicher Personengruppen in städtischen Bereichen untersucht [38]. Eine Zusammenfassung über die Benzolbelastung der Einwohner der Stadt Ahlen durch eine Kokerei findet sich in [37].

Sowohl Bio- als auch Geoakkumulation von Benzol sind gering; in der Luft wird Benzol durch indirekte Phototransformation abgebaut

  4.3.2      Die Wirkungsanalyse
 

Benzol ist kanzerogen - daher gibt es keinen Grenzwert, unterhalb dessen Benzol ungefährlich wäre. Das Leukämierisiko steigt mit der Dauer der Exposition und mit der Expositionshöhe; meist wurden kanzerogene Leukozyten jedoch erst ab 60 ppm festgestellt. Die Latenzzeiten lagen zwischen 3 und 24 Jahren [38]. Es wirkt außerdem zentraldepressorisch, hämatotoxisch, gentoxisch und ist haut- und schleimhautreizend. Benzol gelangt über Atemwege, Verdauungssystem und Haut in den Körper, passiert aufgrund seiner Lipophilie die Zellmembranen und gelangt so in alle Zellen des Organismus, insbesondere wird das Knochenmark geschädigt und kann Leukämie auslösen. Der Metabolismus von Benzol ist in groben Zügen aufgeklärt [36].

  4.3.3     Die Risikoabschätzung
 

Benzol ist in jeder Konzentration gefährlich: eine geringe Umweltbelastung hat lediglich ein geringeres Risiko zur Folge. Es sind vier Gruppen benzolbelasteter Personen zu unterscheiden; in Klammern ist jeweils das Leukämierisiko angegeben (zum Vergleich: Bewohner ländlicher Gebiete (24 h/d) 1: 60.000):

1.     Arbeitnehmer, die gegenüber Benzol beruflich exponiert sind (Arbeitsplatz Tankstelle 1:150 bei 8h/d über 20 Jahre);

2.     Verkehrsteilnehmer, die im Kraftfahrzeuginneren erhöhten Benzolkonzentrationen ausgesetzt sind (Innenraum Auto 1:300.000 bei 2h/d);

3.     Anwohner verkehrsreicher Straßen (1:6.000 bei 24 h/d);

4.     Aktiv- und Passivraucher.

  4.3.4     Die Bewertung
 

Das Wissen der Bevölkerung über die Benzolbelastung durch Kraftfahrzeug-Emissionen und an Tankstellen ist gering; überdies ist die Risikoakzeptanz hoch, da die Nutzung von PKWs für nahezu alle Menschen einen hohen persönlichen Nutzen darstellt. Die weitere Senkung des Benzolgehaltes in Kraftstoffen führt nur zu einer geringen Senkung der Emissionen, da Benzol bei der Verbrennung im Motor u.a. durch Dealkylierung von Toluol de-novo-synthetisiert wird.

Maßnahmen zur Minderung der Benzolemission sind:

Verringerung der Gesamtfahrleistung, Verringerung des Kraftstoffverbrauchs, Senkung des Benzolgehalts in Kraftstoffen, Erhöhung der Katalysatorwirksamkeit, Einrichtung von Gaspendelsystemen, Adsorption von Kraftstoffdämpfen im Tank, Verringerung des Benzol-Grenzwertes, Einsatz von Atemschutzgeräten an relevanten Arbeitsplätzen, Aufklärung benzolexponierter Arbeitnehmer

  5           Das spartenbezogene Konzept am Beispiel der   Chemiefaserproduktion
  5.1          Ziel und Vorgehensweise

Das spartenbezogene Konzept umfaßt die systemanalytische und stoffstrombezogene Untersuchung der produzierenden und verarbeitenden Industrien und Gewerbebetriebe hinsichtlich Emissionen, Produktionsrückständen, Sonderabfällen, produzierte Gütern und deren Beseitigung nach ihrer Nutzung sowie den damit verbundenem Energieverbrauch mit abschließender Bewertung aller Phasen. Diese Untersuchung umfaßt weder den gesamten Konzern noch einen einzelnen Betrieb, sondern lediglich eine bestimmte Sparte, z.B. Anorganika, Düngemittel, Lacke, Fotochemie, Klebstoffe, Bautenschutz, Petrochemie usw. Je nach leitendem Interesse müssen diese Sparten weiter aggregiert oder segregiert werden. Ein Vergleich der spartentypischen Emissionen würde eine Prioritätenreihe für innovativen Umweltschutz ergeben.

Einzelaspekte der Systemanalyse betreffen den Wärmefluß, Sekundärenergiefluß, Hauptsstoffflüsse, Emissionen, Nebenprodukte, Abfälle sowie die jeweils eingesetzten Technologien zum Transport, Lagern, Verarbeiten, Umwandeln der Stoffe. Innerhalb der Systemgrenzen beschreiben Fließschemata die Zusammenhänge, außerhalb der Systemgrenzen werden Input/Output bzw. Senken/Quellen der Stoffströme gekennzeichnet. Ansätze zu spartenbezogenen Betrachtungen finden sich in [27] für die Sparten der chemischen Industrie und der Abwasser- und Abfallwirtschaft.

Eine grobe Bewertung der verwendeten Technologien ist über folgende Hierarchisierung möglich :

Erste Stufe

Verteilungstechniken (Schallschutzfenster, hohe Schornsteine, Verdünnung von Abwasser) antworten mit technischen Mitteln auf die Frage: Wie können Immissionen gesenkt werden? Nicht Stoffmengen werden verringert, sondern Stoffmengenkonzentrationen.

Zweite Stufe

Schadensminimierung als Technik, Abfälle zu entsorgen - anfallende Stoffe werden nach Schadenskategorien sortiert (Hausmüll, Sondermüll), eventuell konzentriert (Schlamm aus Kläranlagen, Asche aus Müllverbrennungsanlagen) und entsprechend ihrem Gefährdungspotential deponiert, d.h. natürlichen Stoffkreisläufen für kurze, mittlere oder längere Zeiträume weitgehend entzogen (Hausmüll-, Sondermülldeponie, Meeresgrund, Salzlagerstätten).

Dritte Stufe

Minderungs- oder "End-of-pipe"-Techniken wie beispielsweise Filter, Gaswäsche oder andere Rückhaltetechniken senken zwar die emittierte Stoffmenge, nicht aber die als Abfall anfallende Stoffmenge eines Verfahrens - sie verlagern stoffliche Probleme an andere Orte, z.B. aus der Luft in die Deponie.

Vierte Stufe

Umweltschutz durch Verfahrensoptimierung setzt z.B. auf regelungstechnische Maßnahmen, auf Optimierung des Betriebs, partielle Verfahrensänderungen oder -umbau. Emissionen und entstehende Stoffmengen werden innerhalb der Möglichkeiten eines Verfahrens gesenkt. (Z. B.: Ölvorwärmung in Ölheizungen, Motoreinstellung bei Fahrzeugen, Regelung der Raumheizung)

Fünfte Stufe

Umweltschutz durch Optimierungen der Stoffe oder Stoffströme sucht nach Nutzungsmöglichkeiten für unvermeidlich anfallende Abfallstoffe. Dazu zählen alle Formen von Recycling, wie unternehmensinternes Recycling, Rücknahme von Produkten, Pfandregelungen, Weiterverarbeitung von Emissionen zu Nebenprodukten. (Z.B.: Glas- und Papierrecycling)

Sechste Stufe

Substitution eines Verfahrens oder einer Anlage durch ein umweltgerechteres Verfahren mit höherem Wirkungsgrad, weniger Nebenprodukten und Abfällen oder mit recyclingfreundlicherem Produkt. (Z.B.: Ersatz der Chlorbleiche bei Papier durch Ozonbleiche)

Siebte Stufe

Substitution des Produktes (und damit des Verfahrens und der Anlage) durch ein anderes, das sich nach seiner Nutzung in natürliche Kreisläufe einfügen läßt. (Z.B.: Kompostierbare Joghurtbecher)

Achte Stufe

Minimierung des Verbrauchs durch den Endverbraucher, Verzicht oder bewußterer Stoff- und Energieeinsatz.

  5.2          Umsetzung im Chemieunterricht

Mögliche Unterrichtsgegenstände

Waschmittelindustrie, Kraftwerke, Abwasserwirtschaft, Papierindustrie, Raffinerien, Petrochemie, Chlorchemie, Textilindustrie, Autoindustrie

Situationsorientierung

Gegenstand einer spartenbezogenen Untersuchung kann jede stoffumsetzende Sparte sein, Anlaß dazu können Produktionsbetriebe in der Umgebung liefern.

Handlungsorientierung

Es bieten sich Markterkundungen, Betriebserkundungen, Befragungen von Produzenten, Händlern, Industrie- und Handelskammer, Gewerbeaufsicht an. Stoffumsetzende Prozesse können im Unterricht untersucht werden auf Kuppelprodukte, Ausbeute, Konkurrenzreaktionen, beteiligte Stoffe (Katalysatoren), Wasser- und Energiebedarf, Emissionen in Luft und Wasser, Schlammbildung, Qualität der Produkte.

Problemorientierung

Was geschieht in den Betrieben mit Kuppelprodukten? Lassen sich Vermarktungsmöglichkeiten finden oder bilden sie Abfallstoffe? Wie lassen sich Emissionen senken, Ausbeuten erhöhen, Wasser- und Energiebedarf minimieren?

Prozeßorientierung

Stoffflüsse können zurückverfolgt werden zu Grundstoffen einerseits, zu Produkten und Abfallstoffen andererseits. Recyclingmöglichkeiten werden untersucht sowie die Einbindung von Stoffflüssen in andere Prozesse. Die internationale Marktverflechtung kann betrachtet werden unter dem Aspekt des Stoffaustausches über Grenzen.

Interdisziplinarität

Ansatzpunkte bieten sich für Technik (Produktionsverfahren testen und optimieren), Wirtschaft (Verwertbarkeit von Kuppelprodukten und Abfallstoffen; Geheimhaltung und Patentfragen), Gesellschaftslehre (Zusammenhang zwischen Stoffflüssen, Produktqualität und Verbraucherbedürfnissen).

  5.3          Die spartenbezogene Untersuchung der      Chemiefaserproduktion
 

Die Sparte der Chemiefaserindustrie läßt sich differenzieren in die Verwendung anorganischer Rohstoffe (z.B. Glasfasern), Verwendung natürlicher Polymerer (z. B. Cellulosefasern, Casein), Verwendung synthetischer Polymerer (z.B. Polymerisat-, Polykondensat-, Polyadditionsfasern). Die Gruppe der Polymerisatfasern sei hier stellvertretend hervorgehoben und umfaßt Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid, Polyacryl u.a.m. [2]

Die Hauptlinie der textilen Kette umfaßt die Gewinnung der Grundchemikalien und die anschließende Produktion der Synthesefaser aus den Grundchemikalien; die Herstellung von Fasern, Garnen, Textilien; die Veredelung (Vorbehandlung, Färbung, Druck, Ausrüstung); die Konfektionierung sowie Gebrauch und Entsorgung.

Mit dieser Hauptkette verknüpft sind Nebenketten, z.B. Herstellung und Verarbeitung der Textilhilfschemikalien

 

1991 wurden weltweit 19,34 Millionen Tonnen Synthesefasern produziert, davon 1,046 Millionen Tonnen in Deutschland. In Deutschland wurden 31% der produzierten Menge im Bekleidungssektor verarbeitet: 90 kt Polyester, 60 kt cellulosische Fasern, 30 kt Polyamid und 20 kt Polyacryl (1990). 33% der Fasern wurden für technische Zwecke, 36% für Heimtextilien verwendet.

Die in Tab. 5 aufgeführten Daten sind dem Bericht der Enquete-Kommission entnommen. Der Energieverbrauch für Polymerisation und Spinnerei liegt zwischen 25 und 35 MJ pro Kilogramm hergestellte Faser, jedoch ist der Energieverbrauch bei Polyacryl seit 1980 um etwa 40% gesunken.

Petrochemische Grundstoffe werden aus Rohöl teils durch Trennung, teils durch Umwandlung gewonnen. Nur 6% dieser Rohstoffe werden zur Faserproduktion eingesetzt, der Rest dient zur Herstellung von Thermoplasten und Lösungsmitteln. Genauere Angaben sind nicht verfügbar, jedoch lassen sich die zur Produktion nötigen Rohölmengen als Äquivalent abschätzen (Tab. 5).

Katalysatoren, Stabilisatoren und andere Stoffe sind Firmengeheimnis; die Tabelle enthält daher nur bruchstückhafte Informationen. Die eingesetzten Hilfsmittel verbleiben auf den Synthesefasern, bei Polyacryl sind dies bei der Auslieferung 0,2-2% (Massenanteil). Im Verlauf der textilen Kette verringert sich dieser Anteil auf weniger als 0,01 %.

 

Zum nächsten Schritt der textilen Kette, der Textilveredelung, gehören alle Verfahren, die eine Änderung der optischen-, Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften bewirken (Färben, Bleichen, Bedrucken, Mercerisieren,Chlorieren, Fixieren, Carbonisieren etc.). Sie arbeiten überwiegend umweltoffen und haben daher eine hohe Umweltbedeutung. Schätzungsweise gibt es 7.000-8.000 Textilhilfsmittel, die auf 400-600 verschiedenen Wirkstoffen aufbauen. Hinzu kommen noch etwa 4.000 Farben, von denen allerdings nur etwa 800 in nennenswerten Mengen verbraucht werden. In Deutschland wurden etwa 340 kt (1992) Textilhilfsmittel und 180 kt Farben (1990) produziert, davon wurden 110 kt Textilhilfsmittel und 9 kt Farben für Bekleidungstextilien in Deutschland eingesetzt. Außerdem kommen noch etwa 100 kt sonstige Chemikalien (Säuren, Laugen, Salze) zur Anwendung. Wegen der Vielzahl beteiligter Stoffe sind kaum quantitative Einzelaussagen möglich.

Bei der Produktion von Textilhilfsmitteln entstehen kaum Koppelprodukte, lediglich bei Farben ist dies häufiger der Fall. Für den Bereich der Textilveredelung werden etwa 7% der Verarbeitungsenergie eingesetzt. Der Wasserverbrauch liegt bei 50-100 Liter/ kg Textilgut. Emissionen in die Luft liegen im ppm-Bereich, Abwasser enthält unter 1% Abfallstoffe. Pro Tonne produzierter Farbmittel bleiben zurück: etwa 0,1 t als Deponierückstand, 150 m3 biologisch zu reinigendes Abwasser, 120 kg chemischer Sauerstoffbedarf, 30 kg Ammonium, 1 kg adsorbierbares organisches Halogen (AOX), 0,1 kg Schwermetall (Chrom, Kupfer u.a.).

Zur Vorbehandlung, Färbung, Ausrüstung und Druck von Synthesefasern werden etwa 5-10 MJ/ kg Energie eingesetzt. Der Energieverbrauch in diesem Segment ist sehr hoch und bewirkt die stärksten Umweltbelastungen in Textilveredelungsbetrieben. Die Qualitätsanforderungen an das Betriebswasser sind hoch und liegen teilweise über den Trinkwasseranforderungen. Die Einsatzmengen steigen von der Garnveredlung (60-160 l/kg) über die Maschenveredlung (150-230 l/kg) bis zur Gewebeveredlung (200-350 l/kg) an, analog gilt dies auch für die Energiemengen. Insgesamt entstehen bei der Textilveredlung etwa 50 kt Klärschlamm jährlich.

 

Eine bedeutende Phase der textilen Kette, die Nutzung, hebt sich insbesondere durch die ökologisch bedeutsame Wäschepflege hervor. 200 kt Schmutz werden jährlich von den Bekleidungstextilien in Waschvorgängen entfernt, dazu verhalfen 1988 85 kt Waschmittel und 315 kt Waschhilfsmittel (z.B. Weichspüler). Hier ist die Betrachtung einer Nebenkette interessant: während die Herstellung einer Waschmaschine 2.000 MJ Energie benötigt, verbraucht sie in 14 Jahren bei 250 Waschvorgängen pro Jahr sowie 1,16 kWh Strom und 80 Liter Wasser pro Waschvorgang, insgesamt 48.000 MJ Energie. Für die Herstellung werden 6.150 Liter Wasser benötigt, während des Betriebs verbraucht sie 280.000 Liter. Für 1 Kg private Arbeitskleidung, die wöchentlich gewaschen wird und vier Jahre hält, verbraucht man in dieser Zeit 4.620 Liter Wasser, 100 MJ für die Herstellung des Waschmittels, 625 MJ zum Waschen, 915 MJ zum Trocknen und 260 MJ zum Bügeln.

  6           Schlußbemerkung
 

Während der Arbeit an diesem Beitrag erschien der Bericht der Enquete Kommission "Schutz des Menschen und der Umwelt ...". Seine Informationen sind an vielen Stellen hier eingeflossen und erlaubten es oft, informative Lücken zu schließen. Die dort zusammengetragenen Informationen übertreffen in Struktur, Tiefe und Breite alles, was es vorher gab. Dieser Bericht sei allen Chemielehrern empfohlen, die ihren Unterricht umweltbezogen orientieren und auf eine informative Basis stellen wollen.

  Literatur
 

[1] Deutsche Gesellschaft für Umwelterziehung (Hrsg.), Modelle zur Umwelterziehung in der Bundesrepublik Deutschland. Kiel 1989

[2] G. Ropohl, Eine Systemtheorie der Technik. Hanser Verlag, München/Wien 1979

[3] R. Becks/G. Ropohl, Produktion. Reihe Lehrerhandbücherei Technik, Band 7. Verlag Barabara Franzbecker, Salzdethfurth 1984

[4] Projektgruppe Ökologische Wirtschaft (Hrsg.), Produktlinienanalyse: Bedürfnisse, Produkte und ihre Folgen. Volksblatt Verlag, Köln 1987

[5] N. Lüdtke, Luftschadstoff Schwefeldioxid - Ein Beispiel für die praktische Umsetzung umweltbildender Leitlinien im Chemieunterricht. Praxis (Chemie) 41, 3, S. 27-35 (1992)

[6] Technik-Unterricht: Forum e.V. (Hrsg.), Die Herstellung von Vergaserkraftstoff aus Rohöl. Eigenverlag TUF e.V. Duisburg, Memelstraße 75, 1986

[7] BUND (Hrsg), Umweltbilanz: Die Ökologische Lage in der Bundesrepublik Deutschland. Verlag Rasch und Röhrig, 1988

[8] D. Bolscho et al. "Schulische Umwelterziehung in Deutschland: Zentrale Ergebnisse einer empirischen Erhebung" in: "Hansjörg Seybold, Dietmar Bolscho (Hg.) "Umwelterziehung: Bilanz und Perspektiven" IPN/Kiel 1993

[9] Jürgen Lehmann "Umwelterziehung, Umweltprobleme und ökologisches Handeln" in: "Hansjörg Seybold, Dietmar Bolscho (Hg.) "Umwelterziehung: Bilanz und Perspektiven" IPN/Kiel 1993

[10] D. Bolscho, G. Eulefeld, H. Seybold, "Umwelterziehung: Neue Aufgaben für die Schule." Urban & Schwarzenberg 1980, jetzt: Beltz-Grüne Reihe

[11] Enquete-Kommission "Schutz des Menschen und der Umwelt" des Deutschen Bundestages (Hg.) "Verantwortung für die Zukunft. Wege zum nachhaltigen Umgang mit Stoff- und Materialströmen." Zwischenbericht. Economica-Verlag Bonn 1993

[12] G. Hauschild, Einige Möglichkeiten, die das Thema Wasser für eine Projektarbeit bietet Chem. Sch. 40,4, S.145-149 (1993)

[13] W. Jansen, A. Block und J. Knaack, Saurer Regen - Ursachen, Analytik, Beurteilung. Metzlersche Verlagsbuchhdlg. Stuttgart 1987

[14] J. Sütterlin, Motivation contra Lehrplan? - Nitrat im Trinkwasser! NiU (Chemie) 1, 3, S. 19-27 (1990)

[15] R. Kemen, Methoden chemischer Analysen am Beispiel der Untersuchung von Wurst, NiU (Chemie )1, 3, S. 28-31 (1990)

[16] FWU Film Fließgewässer

[17] W. Raabe, Pfisters Mühle in Sämtliche Werke, Band 16, Vandenhoeck & Ruprecht, Göttingen 1961

[18] I. Pongratz, B. Ruf, Chemischer Index und Gewässergüte Verlag Dr. Flad Stuttgart 1991

[19] G. Barndt, B. Bohn, E. Köhler "Biologische und chemische Gütebestimmung von Fließgewässern". Schriftenr. d. Vereinig. Deutscher Gewässerschutz e.V. (VDG), Band 53, Mathias-Grünewald-Straße 1-3, Bonn, 2. Auflg. 1988/89

[20] Freie und Hansestadt Hamburg - Behörde für Schule, Jugend und Berufsbildung, Gewässer im Stadtteil. Ansätze für eine fächerübergreifende Umwelterziehung in den Sekundarstufen I und II Hamburg 1993

[21] Kemper et al., Zum Thema Weichmacher, Phthalsäuredialkylester, pharmakologische und toxikologische Aspekte. Frankfurt: VKI 1983

[22] Gerhard Rippen "Handbuch der Umweltchemikalien", Ecomed Verlagsgesellschaft Landsberg/Lech 1984

[23] Römpp, Stichwort Phthalsäureester

[24] Römpp Lexikon Umwelt, 9.A., Stichwort Phthalsäureester

[25] Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie. Weinheim 5.A. seit 1985

[26] Beratergremium für umweltrelevante Altstoffe BUA d. Ges. Dt. Chemiker (Hrsg.), D-ethylhexylphthalat. Weinheim VCH 1986

[27] Friedhelm Korte (Hrsg.), Lehrbuch der Ökologischen Chemie. 2. Auflage Thieme Verlag Stuttgart 1987

[28] Klaus Ehlert, Rudolf Engler, Erwin Wiederholt "Weichmacher: Verwendung und Analytik", PdN Chemie 30(1981)6, 184-190

[29] U. Brunner, Weichmacher machen Kunststoffe mechanisch brauchbar. Zwei einfache Experimente. NiUP/C 1986

[30] Manfred Jäckel (Hrsg.) Chemie heute Sekundarbereich II. Schroedel Schulbuchverlag 1988

[31] Manfred Just, Albert Hradetzky, "Chemische Schulexperimente" Band 4. Vlg. Harri Deutsch Frankfurt 1978

[32] BUA-Bericht Benzol, 1988

[33] A.L. Bridie, C.J.M. Wolff, M. Winter "BOD and COD of some petrochemicals" Water Res. 13 (1979), 627-630

[34] K.S. Price, G.T. Waggy, R.A. Conway "Brine shrimp bioassay and seawater BOD of petrochemicals" J. Water Poll. Contr. Feed 46 (1974), 63-77

[35] Umweltbundesamt (Hg.): R. Nolte, R. Joas "Handbuch Chlorchemie I" (TEXTE 55/91), "Handbuch Chlorchemi II" sowie der zugehörige Literaturband. Berlin 1992

[36] Landesinstitut für Schule und Weiterbildung in Nordrhein-Westfalen (Hg.) "Sicherheits- und Umwelterziehung im Chemieunterricht: Benzol und andere aromatische Verbindungen" Soest 1993

[37] Umweltbundesamt (Hg.) "Luftqualitätskriterien für Benzol" Texte 6/82. Berlin 1982

[38] H.W. Chriske, A. Brockhaus, U. Ewers "Benzolbelastung von im Außen- und Innenbereich tätigen Personen einer verkehrsreichen Großstadt" in: Arbeitsmed. Sozialmed. Präventivmed. 26 (1991), 483-485

[39] Werksverwaltung Umweltschutz (Hg.) "Symposium für Umweltschutz" Bayer AG Leverkusen 1990

[40] "Muconaldehyd - Ursache für Benzol -Tumoren?" ChiuZ 21(1987) H.1, 34

[41] A. Kettrup, C. Steinberg, D. Freitag "Ökotoxikologie. Wirkungserfassung und Bewertung von Schadstoffen in der Umwelt." UWSF-Z. Umweltchem. Ökotox. 3(6) 370-377 (1991)

[42] LIS (Hrsg.)

"Die Immissionsbelastung durch Benzol in Nordrhein-Westfalen"

LIS-Berichte 82, Essen, 198

  Abbildungsverzeichnis
 

Abb. 1a         Sphärenmodell

Abb. 1b         Expositionsfaktoren

Abb. 1c         Grundgrößen zur Abschätzung der Expositionsfaktoren

Abb. 1d         Sphärentypische Wirkungen von Umweltchemikalien

Abb. 2            Konzentration und Verteilung von Hexachlorbenzol in der Umwelt (aus: [39])

Abb. 3            Zugänglichkeit und Bedeutung unterschiedlicher  Organisationsebenen der Biosphäre (aus: [39])

Abb. 4            Schema der OECD zur Durchführung toxikologischer  Untersuchungen als Basis der Gefährdungsabschätzung  durch eine Chemikalie

Abb. 5            Grob-Raster zur Risikoabschätzung für ein gegebenes  Untersuchungsziel

Abb. 6            Handlungsablauf zur Bewertung von Umweltchemikalie

  Tabellenverzeichnis
 

Tab. 1             Systeme zur Bestimmung der Gewässergüte

Tab. 2             Parameter und Wichtungen unterschiedlicher Systeme zur  Bestimmung der Gewässergüte

Tab. 3             Stufenschema der Schädigungsgrade der Ökosphäre durch  Chemikalien (aus [27])

Tab. 4             Ökotoxikologische Daten über Benzol

Tab. 5             Spartenbezogene Untersuchung der  Synthesefaserproduktion

 

Tab. 2

Parameter und Wichtungen unterschiedlicher Systeme zur Bestimmung der Gewässergüte

Parameter

Wichtungen nach

 

GREEN

[20]

BACH

[18,20]

Temperatur

0,10

0,08

Sauerstoffgehalt in mg/l

0,17

0,20

BSB-5 in mg/ml

0,11

0,20

pH-Wert

0,11

0,10

Nitrat-Gehalt in mg/l

0,10

0,10

o-Phosphat-Gehalt in mg/l

0,10

0,10

Ammonium-Gehalt in mg/l

-

0,15

elektrische Leitfähigkeit in S/cm

-

0,07

Sichttiefe in cm

0,08

-

Gesamtfeststoffe in mg/l

0,07

-

Coliforme Bakterien in Kol./100 ml

0,16

-

  Kontakt & weitere Informationen

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