Schwermetalle

Der Titel dieses Artikels ist mehrdeutig. Zum gleichnamigen Comic-Magazin siehe Schwermetall (Comic), zum Alternativtitel des Zeichentrickfilms aus dem Jahr 1981 siehe Heavy Metal (Film).

Mit der Bezeichnung Schwermetalle wird willkürlich eine Gruppe von Metallen zusammengefasst. Durch das Fehlen einer eindeutigen wissenschaftlich akzeptierten Definition des Begriffes „Schwermetall“^[1][2] gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Definitionen in der Literatur.^[3] Eine Studie der IUPAC^[4] fand mindestens 38 Definitionen des Begriffes, der angefangen von der Dichte, dem „Atomgewicht“ oder der Ordnungszahl bis zu den chemischen Eigenschaften oder der Toxizität reicht. Folglich unterscheiden sich Listen von „Schwermetallen“ von einem Satz von Richtlinien zu einem anderen; dabei werden oft auch Halbmetalle wie z. B. Arsen mit eingeschlossen.^[1] Der Begriff wird oft ohne Angabe der Metalle, auf die er sich bezieht, verwendet. Die IUPAC empfiehlt daher, den Begriff künftig nicht mehr zu verwenden. In der Öffentlichkeit gelten oft alle mit dem Begriff „Schwermetall“ bezeichneten Stoffe als toxische Substanzen.^[1] Insbesondere die Verwendung des Begriffs in diesem Sinn ist äußerst problematisch, da viele der damit bezeichneten Elemente für den Menschen essentiell sind. Aus den oben aufgeführten Gründen ist die Bezeichnung aller anderen Metalle als Leichtmetalle ebenso undefiniert.^[5]

Begrifflichkeit

In der Technik fallen unter den Begriff Schwermetall alle NE-Metalle und deren Legierungen mit einer Dichte > 5 g/cm³.^[6]

Zu den „Schwermetallen“ werden üblicherweise unter anderem die Edelmetalle sowie Bismut, Eisen, Kupfer, Blei, Zink, Zinn, Nickel, Cadmium, Chrom und Uran gerechnet.

Der Abbau von „Schwermetallen“ geht häufig mit einer hohen Belastung der Böden einher. An Stellen im Harz, im Siegerland und der Aachener Umgebung hat sich beispielsweise auf den durch Erzbergbau belasteten Böden azonale Vegetation spezifischer Pflanzengesellschaften ausgebildet. Dort bilden die Galmeipflanzen Schwermetallrasen aus.

* Halbmetalle

Herkunft

Geologen nehmen an, dass der Großteil der Schwermetalle in der Erdkruste von Asteroiden stammt. Vor 4,5 Mrd. Jahren – als der Erdmantel noch flüssig war – sanken die Schwermetalle zum Erdmittelpunkt und bildeten den Erdkern. Untermauert wird diese Vermutung durch eine Studie mit Wolfram, welches aus Grönland stammt. In der Gesteinsprobe fand sich 13-mal häufiger das Isotop ¹⁸²W als in Gesteinsproben anderer Orte. Matthias Willbold von der University of Bristol, der Erstautor der Studie sagt: „Die meisten der Edelmetalle, auf denen unsere Wirtschaft und viele wichtige industrielle Prozesse basieren, kamen durch einen glücklichen Zufall auf unseren Planeten - als die Erde von rund 20 Trillionen Tonnen Asteroidenmaterial getroffen wurde“.^[7][8]

Eigenschaften

Essentielle Schwermetalle

Manche Schwermetalle sind in kleinen Mengen lebenswichtig für den Menschen, sie werden dann als Spurenelemente bezeichnet. Dazu gehören: Chrom, Eisen, Cobalt, Kupfer, Mangan, Molybdän, Nickel, Vanadium, Zink und Zinn.

Gesundheitsschädliche Schwermetalle

Viele Schwermetalle sind für den menschlichen Organismus gesundheitsschädlich oder giftig, da sie nicht abgebaut werden können. Sie werden meist über die Nahrungskette aufgenommen und gelangen so in den menschlichen Körper.

Blei

Blei besitzt eine kumulative Wirkung und wirkt bei der Aufnahme durch Nahrung und Atemluft schon in geringen Spuren als chronisches Gift. Es reichert sich in Knochen, Zähnen und im Gehirn an und beeinträchtigt die Funktionsfähigkeit des Nervensystems. Besonders Kinder sind gefährdet, sie zeigen oft Intelligenz-, Lern- und Konzentrationsstörungen. Auch die Immunabwehr kommt bei Bleivergiftungen zu Schaden, daraus folgt eine erhöhte Infektanfälligkeit.

Die größte Quelle für Bleivergiftung war in Westeuropa bis in die achtziger Jahre Benzin, dem Tetraethylblei zugesetzt wurde, um die Klopffestigkeit zu erhöhen. Seit der Wiedervereinigung wird auch in Ostdeutschland ausschließlich bleifreies Benzin verwendet, so dass seitdem auch dort die Blutwerte für Blei bei der Bevölkerung zurückgehen. Weltweit wird allerdings noch in Afrika und weiten Teilen Asiens verbleites Benzin verwendet – mit den entsprechenden gesundheitlichen Folgen.

Seit 1973 wurden in Deutschland keine Bleirohre mehr als Wasserleitung im Haus verbaut. Praktisch frei von Bleirohren ist der gesamte süddeutsche Raum: Seit über hundert Jahren wurden dort keine Bleirohre mehr verlegt. Der Grenzwert für Blei im Leitungswasser liegt seit dem 1. Dezember 2003 bei 0,025 Milligramm pro Liter und ab 1. Dezember 2013 bei 0,01 Milligramm pro Liter.^[9]

Cadmium

Cadmium und seine Verbindungen sind schon in geringen Konzentrationen giftig. Es hat sich im Tierversuch als krebserzeugend erwiesen und ist erbgut- und fruchtschädigend. Der Körper eines Erwachsenen enthält ca. 30 mg Cadmium, ohne dass es für den Aufbau von Körpersubstanzen benötigt wird. Es gehört zu den nichtessentiellen Elementen. Die orale Aufnahme von löslichen Cadmium-Salzen kann Erbrechen und Störungen im Verdauungstrakt, Leberschädigungen und Krämpfe verursachen. Die Inhalation von Cadmium-Dämpfen ruft Reizungen der Atemwege und Kopfschmerzen hervor. Chronische Vergiftungen äußern sich durch den Ausfall des Geruchsvermögens, Gelbfärbung der Zahnhälse, Blutarmut und Wirbelschmerzen, in fortgeschrittenem Stadium durch Knochenmarkschädigungen und Osteoporose. Cadmium ist vermehrt in Verruf gekommen seit dem Auftreten der oft tödlich endenden Itai-Itai-Krankheit in Japan, die mit schweren Skelettveränderungen einhergeht. Die Anreicherung von Cadmium in der Leber und vor allem in der Niere ist besonders bedenklich. Bei Rauchern wurden etwa doppelt so hohe Gehalte von Cadmium wie bei Nichtrauchern festgestellt. Die durchschnittliche Belastung mit Cadmium durch Rauchen beträgt 0,002 mg bis 0,004 mg pro Tag. Mit der Nahrung nimmt der Mensch täglich etwa 0,01 mg bis 0,035 mg Cadmium auf. Laut WHO liegt der kritische Grenzwert pro Tag bei 0,01 mg pro kg Körpermasse. Die biologische Halbwertszeit beim Menschen beträgt etwa 10 bis 35 Jahre.

Quecksilber

siehe auch Quecksilbervergiftung

siehe auch Minamata-Krankheit

siehe auch Quecksilber-Emissionen bei Kompaktleuchtstofflampen

Metallisches Quecksilber kann als Quecksilberdampf über die Lunge in den Körper aufgenommen werden. Es reizt die Atem- und Verdauungswege, kann zu Erbrechen mit Bauchschmerzen führen und auch Schäden an Nieren und am Zentralnervensystem hervorrufen.

Kupfer

Kupfer zählt zu den lebensnotwendigen Spurenelementen.^[10] Spezielle Verbindungen jedoch können beim Verschlucken großer Mengen Schwäche, Erbrechen und Entzündungen im Verdauungstrakt verursachen. Akute Vergiftungen durch sehr hohe Mengen sind beim Menschen selten, da zwangsläufig Erbrechen ausgelöst wird. Kupfer wirkt in zahlreichen chemischen Prozessen katalytisch, dies betrifft sowohl Stoffwechselvorgänge als auch Reaktionen, die z.B. bei der Müllverbrennung ablaufen.

Kupfer muss vom Menschen jeden Tag in ausreichender Menge aufgenommen werden. Die Speicherkapazität im Körper ist begrenzt. Der tägliche Bedarf eines Erwachsenen liegt bei etwa 1 bis 2 Milligramm. Zahlreiche Nahrungsmittel enthalten dieses Spurenelement, hierzu zählen insbesondere Nüsse, bestimmte Fisch- und Fleischsorten sowie einige Gemüse^[11]. Kupfer kann auch durch kupfrige Wasserleitungen ins Trinkwasser gelangen, allerdings nur, wenn das Trinkwasser längere Zeit in den Leitungen gestanden hat. Nur bei Wässern mit geringem pH-Wert ist dies mengenmäßig von Bedeutung. In diesem Fall wird empfohlen, abgestandenes Wasser ablaufen zu lassen. Frisches Wasser, das nicht in Leitungen stagniert, wird durch die Werkstoffe, die in der Hausinstallation verbaut wurden, grundsätzlich nicht in seiner Zusammensetzung verändert. Die Trinkwassernormen der WHO und der EU erlauben einen maximalen Kupfergehalt von 2 mg pro Liter. Die deutsche Trinkwasserverordnung übernahm diesen Wert, der mit der Änderungsverordnung zur Trinkwasserverordnung 2011 auf 2,0 mg pro Liter präzisiert wurde.^[12]

Ein Kupfergehalt von zwei Milligramm pro Liter verleiht Wasser bereits einen metallischen Geschmack, fünf Milligramm pro Liter machen es ungenießbar. Nach derzeitigem Wissen wird ein mittlerer Gehalt des Trinkwassers von zwei Milligramm Kupfer pro Liter als gesundheitlich unbedenklich angesehen, dies gilt für lebenslangen Genuss. Eine stark überhöhte Kupferzufuhr über Wasser oder Nahrungsmittel kann bei Säuglingen und Kleinkindern, deren Kupferstoffwechsel noch nicht vollständig ausgebildet ist, zur frühkindlichen Leberzirrhose führen.^[9] Dies liegt mit daran, dass der spezifische Gesamtbestand des Kupfers im Körper von Säuglingen schon bei Geburt von Natur aus relativ hoch ist. Bei Jugendlichen und Erwachsenen wird überschüssiges Kupfer ähnlich wie bei Vitamin C wieder ausgeschieden.

Vom Umweltbundesamt wurde 2011 der Entwurf der trinkwasserhygienisch geeigneten metallischen Werkstoffe veröffentlicht, Kupfer ist hierbei für alle Bauteiltypen enthalten.^[13] Bei Wässern mit einem niedrigen pH-Wert sollten Kupferbauteile auf der Innenoberfläche verzinnt sein – DIN 50930-6 gibt hierzu detaillierte Beschreibungen der wasserseitigen Rahmenbedingungen. Eine genaue Prüfung ist bei Hausbrunnen notwendig, weil Hausbrunnenwasser vielfach nicht aufbereitet wird. Von dieser Ausnahme abgesehen ist das Trinkwasser aber deutlich besser als sein Ruf und kann unbedenklich auch von Kindern reichlich getrunken werden.^[9]

Obwohl Kupfer für den Menschen zu den lebensnotwendigen Spurenelementen zählt, wirkt es auf viele Mikroorganismen wachstumshemmend oder sogar aktiv antimikrobiell. Gezielt genutzt wird diese Eigenschaft für Kontaktoberflächen im medizinischen Bereich als ergänzende Maßnahme im Kampf gegen antibiotika-resistente Keime.^[14]

Plutonium

Die für einen Menschen tödliche Dosis liegt wahrscheinlich im zweistelligen Milligrammbereich. Viel gefährlicher als die chemische Wirkung ist aber seine Radioaktivität, die Krebs verursachen kann. Zur Entstehung von Krebs reicht vermutlich eine Menge in der Größenordnung einiger Mikrogramm. Aus dieser Abschätzung wurde das weit verbreitete Missverständnis über die besondere Gefährlichkeit von Plutonium abgeleitet. Da die ausgesendete α-Strahlung durch die auf der Haut befindlichen Partikel aus abgestorbener Hornhaut abgeschirmt wird, ist Plutonium nur bei Inkorporation (beispielsweise die Inhalation von plutoniumhaltigem Staub) gesundheitsschädlich.

Verwendung

Schwermetalle werden in vielen Bereichen, zumeist aber für die Metallveredelung verwendet. Dadurch erhalten die ausgewählten Materialien spezielle Eigenschaften. Folgende Anwendungsgebiete sind heute aufgrund ihrer gesundheitsgefährdenden Wirkung verboten:

• Blei in PVC und Trinkwasserleitungen
• Blei in Lötzinn ist nach der RoHS-Richtlinie nicht mehr erlaubt (mit wenigen Ausnahmen, siehe weiter unten).
• Cadmium in der Kosmetik, Pflanzenschutz und PVC, früher auch in Akkumulatoren
• Quecksilber in Holzschutzmitteln, Imprägnierstoffen, Antifoulingfarben sowie zur Wasseraufbereitung.

Weiterhin verwendete Schwermetalle

• Blei im Lötzinn bei medizinischen Geräten, in Überwachungs- bzw. Kontrollinstrumenten, in der Luft- und Raumfahrt und im militärischen Bereich sowie für Reparaturen
• Chrom und Nickel für Stahl, Letzteres auch für Akkumulatoren
• Blei für Akkumulatoren (= aufladbare Batterien), Kabelummantelungen, Pigmenten, Legierungen sowie beim Strahlenschutz
• Quecksilber in geringen Mengen in Leuchtstofflampen und Energiesparlampen, in Thermometern, in der Apparatetechnik und zur Amalgam-Plombenherstellung
• Cadmium für Akkumulatoren (Nickel-Cadmium und Silber-Cadmium), als Korrosionsschutz für Eisen und ähnliche Metalle (durch elektrolytische Abscheidung oder physikalische Gasphasenabscheidung erzeugte Cadmium-Überzüge schützen bereits in einer Dicke von 0,008 mm gegen Korrosion), Cadmium-Pigmente und Cadmiumseife als Stabilisatoren für PVC, Cadmium-Legierungen und in der Kerntechnik als Regelstäbe in Reaktoren (Cadmium 113 hat einen besonders großen Wirkungsquerschnitt für thermische Neutronen).

Anwendung in der Medizin

• Lanthan dient als Lanthancarbonat (Phosphatbinder) zur Behandlung der Hyperphosphatämie bei niereninsuffizienten Patienten.^[15]
• Gadolinium wird komplexgebunden als Kontrastmittel bei der Magnetresonanztomographie eingesetzt, etwa das Gadopentetat-Dimeglumin. Es besteht die Gefahr einer nephrogenen systemischen Fibrose (NSF) bei niereninsuffizienten Patienten.^[16][17]

Literatur

• Jerome Nriagu: A History of Global Metal Pollution., in Science, 272/1996, S. 223–4.

Weblinks

Wiktionary: Schwermetall – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise