A2 Messverfahren zur biologischen Abbaubarkeit

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1 A2.1 Messverfahren zur biologischen Abbaubarkeit 313 A2 Messverfahren zur biologischen Abbaubarkeit Um zuverlåssig und reproduzierbar die Geschwindigkeit und das Ausmaß biologischer Abbaureaktionen zu messen, sind eine ganze Reihe international verwendeter Standard-Testverfahren entwickelt worden. Mit Hilfe dieser Tests lassen sich sowohl der Primårabbau als auch die Endabbaubarkeit von Tensiden bestimmen. Einen Ûberblick Åber wichtige Testverfahren zur Untersuchung der biologischen Abbaubarkeit bietet Abb. A2.1. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen bilden zusammen mit den Ergebnissen aus Çkotoxikologischen Studien die Grundlage zur Beurteilung der Umweltvertråglichkeit von Tensiden. Abb. A2.1 Ûberblick. Standard-Testmethoden zur biologischen Abbaubewertung von Tensiden im Waschmittel. GÅnter Wagner Copyright c 2010 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim ISBN:

2 314 A2 Messverfahren zur biologischen Abbaubarkeit A2.1 Methoden zur Untersuchung des Primårabbaus Die Primårabbaubarkeit ist nach Inkrafttreten der EU-Detergentienverordnung im Jahr 2004 nicht mehr das Zulassungskriterium får die Verwendbarkeit von anionischen und nichtionischen Tensiden in Wasch- und Reinigungsmitteln. Dennoch ist die Diskussion der dazugehçrigen Testverfahren sinnvoll, da sie seit Mitte der 1960er Jahre bis Mitte 2004 die Abbaubewertungsbasis får Tenside darstellten und gleichzeitig Åberhaupt die ersten international verwendeten Abbau-Standardtests repråsentierten. Der Auswahltest (OECD-Screening-Test) Dieses Testverfahren wird auch statisches Verfahren genannt, weil die Untersuchungssubstanz zu Versuchsbeginn einmalig zum Testansatz zugegeben wird und dann Åber die Testdauer der Abbau der Ausgangsverbindung analytisch verfolgt wird (Abb. A2.1). Messprinzip 10 mg des zu untersuchenden Tensids werden in zwei Liter einer mineralischen NåhrlÇsung gelçst und mit einer geringen Menge an Mikroorganismen (0,5 ml Abwasser/L) angeimpft. Die in einem lose verschlossenen Gefåß befindliche LÇsung wird bei 25 hc gehalten und zum Eintrag von Sauerstoff geschåttelt. Das Tensid ist dabei die einzige Kohlenstoffquelle får die Mikroorganismen. Es werden immer mehrere Ansåtze parallel untersucht, wobei definierte Standardsubstanzen (leicht bzw. schwer abbaubares Tensid) als Vergleich dienen. Zur Messung des Primårabbaus werden in regelmåßigen Abstånden, meist alle zwei Tage, Proben entnommen und die noch vorhandenen Tensidkonzentrationen bis zur maximalen Testdauer von 19 Tagen nach folgenden Methoden bestimmt: x x Bestimmung methylenblauaktiver Substanz (MBAS-Methode) zur Untersuchung anionischer Tenside; Bestimmung bismutaktiver Substanz (BiAS-Methode) zur Untersuchung nichtionischer Tenside. Der statische Auswahltest ist streng bewertend, simuliert aber keine konkrete Umweltsituation, so dass im Zweifelsfall, d. h. bei Nicht Erreichen des Abbaugrenzwerts, auf weitere Testverfahren, z. B. den praxisnahen Betåtigungstest, zuråckgegriffen werden sollte. Der Beståtigungstest (OECD-Confirmatory-Test) Mit diesem Verfahren wird der Betrieb einer biologischen Klåranlage im Modell nachgestellt (dynamisches Verfahren) (Abb. A2.1).

3 A2.1 Methoden zur Untersuchung des Primårabbaus 315 Messprinzip Ein auf Labormaßstab verkleinertes Modell der biologischen Reinigungsstufe einer Klåranlage (ca. 5 Liter Volumen) mit hoher Mikroorganismenkonzentration (Belebtschlamm einer kommunalen Klåranlage) wird mit der zu untersuchenden TensidlÇsung zusammen mit leicht abbaubaren Nåhrstoffen (synthetisches Abwasser) beschickt. Eine Dosierpumpe wird so eingestellt, dass die UntersuchungslÇsung mit einer Aufenthaltsdauer von drei Stunden das Belebungsbecken der Anlage durchlåuft. Eine weitere Pumpe belåftet den Belebtschlammbehålter und sorgt so får ausreichende Mengen Sauerstoff. Im Absetzbecken wird der Belebtschlamm vom Anlagenablauf durch Sedimentation abgetrennt und mittels einer Pumpe wieder in das Belebungsbecken zuråckgefåhrt. Aus der Differenz der Tensidkonzentrationen im Zu- und Ablauf der Anlage låsst sich der Grad des biologischen Primårabbaus bestimmen. Der Untersuchungszeitraum betrågt insgesamt vier Wochen, wobei die ersten acht bis zehn Tage zur Adaption der Bakterien an die Testbedingungen dienen (Abb. A2.2). Die Tensidkonzentrationen kçnnen durch stoff- oder substanzgruppenspezifische Analysenverfahren, z. B. als methylenblauaktive Substanz (MBAS) får anionische Tenside bzw. bismutaktive Substanz (BiAS) får nichtionische Tenside, gemessen werden. Der Beståtigungstest ist praxisnåher als der Auswahltest, jedoch hångt seine Aussagekraft von der VerfÅgbarkeit einer spezifischen Analysenmethode ab, da Abwasser ein Vielstoffgemisch darstellt. Ein wichtiger Aspekt ist, dass mit dieser Methode nicht nur die Elimination der Tenside durch den biologischen Abbau, sondern auch durch Adsorption des Tensids am Klårschlamm erfasst wird. Abb. A2.2 Verlauf des biologischen Abbaus im OECD-Confirmatory-Test.

4 316 A2 Messverfahren zur biologischen Abbaubarkeit Abb. A2.3 3-stufige Modell-Klåranlage im Labor zur DurchfÅhrung von Simulationstests. Modell-Klåranlagen kçnnen unterschiedlich aufgebaut sein. Auch eine 3-stufige Klåranlage mit zusåtzlicher Phosphor- und Stickstoff-Eliminationsstufe kann im Labormaßstab (5 L Belebungsbecken) realisiert werden (Abb. A2.3). A2.2 Methoden zur Untersuchung des Totalabbaus Seit Inkrafttreten der EU-Detergentienverordnung (2004) ist die Endabbaubarkeit får alle Tensidgruppen das maßgebliche Zulassungskriterium får den Einsatz in Wasch- und Reinigungsmitteln. Sie wird grundsåtzlich in PrÅfverfahren des Screening-Testtyps ermittelt, d. h. die nachfolgend diskutierte kontinuierliche Endabbau-Testmethode hat zwar im Kontext der aktuellen gesetzlichen Testanforderungen keine Relevanz, stellt aber als Klåranlagen-Simulationstest dennoch ein testmethodisch wichtiges Pendant zu den Screeningtests dar. Alle zur EndabbaubarkeitsprÅfung maßgeblichen Screeningstests basieren auf den international verwendeten Standardtests får leichte biologische Abbaubarkeit (ready biodegradability) der OECD und entsprechen auch den in der EU-Chemikaliengesetzgebung verankerten (End-)AbbauprÅfmethoden. Tests auf leichte biologische Abbaubarkeit (OECD 301A-F) Grundsåtzlich entspricht der Versuchsaufbau der statischen Tests zur Bestimmung der Totalabbaubarkeit organischer Verbindungen der in Abb. A2.1 gezeigten Screening-Testmethodik: Ein Testgefåß enthålt eine mineralische NåhrlÇsung und die zu untersuchende Testsubstanz als alleinige Kohlenstoffquelle. Nach Be-

5 A2.2 Methoden zur Untersuchung des Totalabbaus 317 impfung mit Mikroorganismen (Abwasser bzw. Klårschlamm aus einer kommunalen Klåranlage) erfolgt eine Inkubation Åber 28 Tage, wobei der Totalabbau je nach Testverfahren mit Hilfe eines hierzu geeigneten Analysenparameters verfolgt wird (Abb. A2.1). Der Totalabbau organischer Verbindungen wird z. B. beim GF-Test (Geschlossener-Flaschen-Test bzw. Closed Bottle Test, OECD 301D) durch die Bestimmung des biochemischen Sauerstoffbedarfs (BSB) nach 7, 14, 21 bzw. 28 Tagen gemessen. Dabei wird die Abnahme des im Wasser gelçsten Sauerstoffs mit dem bei 100%igem Abbau theoretisch zu erwartenden Sauerstoffverbrauch in Beziehung gesetzt. Als Bezug dient die vollståndige Oxidation der Untersuchungssubstanz, wie sie sich Åber den chemischen Sauerstoffbedarf (CSB) feststellen låsst. Das Untersuchungsergebnis wird in BSB 28 /CSB angegeben. Dasselbe Messprinzip wird auch bei dem Manometric Respirometry Test (OECD 301F) und dem MITI-Test (OECD 301C) angewandt. Eine får schwerlçsliche Verbindungen besonders geeignete Variante stellt der Two-phase Closed Bottle Test (ISO 10708:1997) dar. Eine weitere Methode zur Bestimmung des Mineralisationsumfangs einer organischen Testverbindung ist die Messung der CO 2 -Produktion, wie im Falle des CO 2 -Evolutionstests (Sturm-Test, OECD 301B). Der Totalabbau nichtflåchtiger, wasserlçslicher Testverbindungen kann schließlich auch noch Åber den Parameter der DOC-Abnahme (DOC = gelçster organisch gebundener Kohlenstoff) erfasst werden; dieses Messprinzip liegt dem DOC-die-away-Test (OECD 301 A) und dem modifizierten OECD Screening Test (OECD 301 E) zugrunde. Bei diesen auf Messung der Kohlenstoff-Abnahme beruhenden Tests wird nicht nur der zu CO 2 mineralisierte, sondern auch der in Biomasse umgesetzte Anteil der Testsubstanz erfasst. Da dieses Messverfahren bei Vorliegen schwerlçslicher Anteile der Testsubstanz oder der Abbauzwischenprodukte zu falsch positiven Abbauresultaten fåhren kçnnte, sind Ergebnisse aus DOC-basierten Abbautestverfahren nur unter bestimmten Voraussetzungen zum Nachweis der gesetzlich geforderten Mindest-(End-)Abbaubarkeit von Tensiden akzeptiert. Generell gilt aber, dass aufgrund der Strenge der OECD Tests auf leichte Abbaubarkeit (ready biodegradability) bei Ûberschreiten festgelegter Abbaugrenzwerte (60 % CO 2 bzw. BSB/CSB, 70 % DOC-Abnahme) får eine Testverbindung die Schlussfolgerung gerechtfertigt ist, dass der Endabbau in der Umwelt schnell und letztlich vollståndig erfolgt. Coupled-Units-Test (OECD 303 A) Diese Untersuchungsmethode ist eine Weiterentwicklung des OECD-Confirmatory-Tests. Der Aufbau ist allerdings komplizierter und besteht aus zwei parallel betriebenen Belebtschlammanlagen wie sie får den Beståtigungstest notwendig sind (Abb. A2.4).

6 318 A2 Messverfahren zur biologischen Abbaubarkeit Abb. A2.4 Messprinzip zur Untersuchung der vollståndigen biologischen Abbaubarkeit nach dem Coupled-Units-Test. Messprinzip Eine Belebtschlammanlage wird mit gemischtem Abwasser (Kontrollanlage) oder NåhrlÇsung (Versuchsanlage) beschickt, die andere Anlage erhålt die identische NåhrlÇsung mit Zusatz der Untersuchungssubstanz. Der gelçste organische Kohlenstoff (DOC-Wert) im Zu- und Ablauf beider Anlagen wird gemessen. Aus der Differenz der Messergebnisse in den beiden Anlagen låsst sich das Abbau- bzw. Eliminationsverhalten des untersuchten Stoffes feststellen. Damit beide Anlagen eine identische Aktivitåt (gleiche biologische Basis) zeigen, wird der Schlamm in regelmåßigen Abstånden teilweise ausgetauscht, daher auch der Name gekoppelte Einheiten = coupled units. Mit dem Coupled-Units-Test låsst sich praxisnah der Totalabbau von Tensiden erfassen, wobei der Einfluss adsorptiver Eliminationsprozesse wåhrend der mehrwçchigen Testdauer rechnerisch beråcksichtigt werden kann. Die Testverhåltnisse entsprechen in etwa realistischen Klåranlagenbedingungen.