Fortschritte in Umweltchemie und Ökotoxikologie · Ferntransport-Potenzial Fortschritte in Umweltchemie und Ökotoxikologie 256 UWSF – Z Umweltchem Ökotox 181818 (4) 2006 der

Ferntransport-Potenzial Fortschritte in Umweltchemie und Ökotoxikologie

254© 2006 ecomed verlag (Verlagsgruppe Hüthig Jehle Rehm GmbH), D-86899 Landsberg und Tokyo • Mumbai • Seoul • Melbourne • Paris

UWSF – Z Umweltchem Ökotox 1818181818 (4) 254 – 261 (2006)

Fortschritte in Umweltchemie und Ökotoxikologie *

Bestimmung des Ferntransports von persistenten organischen Spurenstoffen undder Umweltexposition mittels Modelluntersuchungen

Gerhard Lammel1**, Semeena V.S.1,2,4, Francesca Guglielmo1, Tatjana Ilyina3 und Adrian Leip2,5

1 Zentrum für Marine und Atmosphärische Wissenschaften (ZMAW), Max-Planck-Institut für Meteorologie, Bundesstr. 53,D-20146 Hamburg

2 ZMAW, Meteorologisches Institut, Universität Hamburg, Bundesstr. 55, D-20146 Hamburg3 ZMAW, Institut für Meereskunde, Universität Hamburg, Bundesstr. 53, D-20146 Hamburg4 neue Addresse: Laboratoire de Météorologie Dynamique du CNRS, Ecole Polytechnique, F-91128 Palaiseau5 neue Addresse: Institute for the Environment and Sustainability, Joint Research Centre, I-21020 Ispra

** Korrespondenzadresse ([email protected])

Abstract

Determination of Long-Range Transport of PersistentOrganic Substances and of the Environmental Exposureby Model Investigations

Background, Aim and Scope. Many environmental pollutants areslowly degrading (persistent) and very mobile. They are semivola-tile, i.e. they are partitioned between the environmental media ofsoil, water and air, and undergo long-range transport. The com-bined action of climate and substance properties determines thedistributions and fate of these substances, among them as thepersistent organic pollutants (POPs), other pesticides and indus-trial chemicals.Main Features. Multicompartment chemistry-transport modelsare under development in order to study environmental exposureon large spatial scales. These build on atmospheric and oceanicmodels.Results. The investigation of transport and fate of some POPs on theglobal scale has emphasized the significance of historically explicitand geo-referenced simulations for substance distributions, persis-tence and long-range transport potential. Apart from the substanceproperties, it is the regional climate which is most important. Thiswas illustrated by studies into the regional cycling of DDT and γ-HCH in selected tropical and extra-tropical regions.Discussion. The isolation of individual steps of subsequent cyclesof emission, transport and deposition (a so-called grasshoppereffect) in model experiments shows the potential to elucidate thecomplex superposition of substance properties and environmen-tal conditions, variable in time and space.Conclusions. The results suggest that the grasshopper effect en-hances the long-range transport potential, but is not required toexplain an accumulation in polar regions (at least for γ-HCH).Perspectives. A number of relevant scientific questions should beaddressed by exposure modelling.

Keywords: Exposure modeling; grasshopper effect; long-rangetransport potential; multicompartmental modeling; persistent or-ganic pollutants; persistence; POPs

DOI: http://dx.doi.org/10.1065/uwsf2006.09.136

Zusammenfassung

Ziel und Hintergrund. Viele Schadstoffe zeichnen sich durch eineKombination aus geringer Abbaubarkeit (Persistenz) und hoher Mo-bilität aus. Sie sind mittelflüchtig, d.h. sie verteilen sich über dieUmweltmedien Boden, Wasser, Luft und können über große Ent-fernungen transportiert werden. Klima und Stoffeigenschaften wir-ken in komplexer Weise zusammen und bestimmen globale Trans-portwege und Verteilung dieser Stoffe, zu denen die sogenanntenpersistenten organischen Schadstoffe (persistent organic pollutants,POPs) und weitere Pestizide und Industriechemikalien zählen.

Schwerpunkte. Um die Exposition der Umwelt auf großen Raum-skalen zu bestimmen, werden Multimedia-Modelle entwickeltund angewandt, die auf Zirkulationsmodellen der Atmosphäreund des Ozeans aufbauen.

Ergebnisse. Untersuchungen von Transport und Verbleib einigerPOPs auf globaler Skala unterstreichen die Bedeutung historischexpliziter und georeferenzierter Betrachtung für Verteilungen, Per-sistenz und Ferntransport-Potenzial. Neben den Stoffeigenschaftenist hierbei das regionale Klima wesentlich. Dies wurde deutlichbei der Untersuchung des Zyklierens von DDT und γ-HCH inausgewählten tropischen und außertropischen Regionen.

Diskussion. Die isolierte Untersuchung einzelner Schritte wieder-holter Emissions-Transport-Depositions-Zyklen (sog. Grashüp-fer-Effekt) ist ein Beispiel dafür, wie das komplexe Zusammen-wirken von Stoffeigenschaften und variablen Umweltbedingun-gen untersucht werden kann.

Schlussfolgerungen. Die Ergebnisse legen nahe, dass der Gras-hüpfer-Effekt das Ferntransport-Potenzial zwar erhöht, aber(zumindest für γ-HCH) keine notwendige Voraussetzung für diebesondere Exposition der Polargebiete darstellt.

Perspektive. Es stehen eine Reihe wichtiger wissenschaftlicherFragestellungen an, die mit der Expositionsmodellierung aufge-griffen werden sollten.

Schlagwörter: Expositionsmodellierung; Ferntransport-Poten-zial; Grashüpfer-Effekt; Multikompartimentmodellierung; Per-sistenz; persistente organische Schadstoffe (persistent organicpollutants, POPs)

* Die Beitragsreihe Fortschritte in Umweltchemie und Ökotoxikologie, diein loser Folge erscheint, publiziert neue, auch richtungsweisende, Resultatedieser Bereiche in einer Mischform von Übersichts- und Originalbeitrag.Die Beitragsreihe Umweltchemie und Ökotoxikologie im Kontext pu-bliziert Original- und Übersichtsbeiträge (Mini-Reviews) und integriert dieBereiche Geoökologie, Biologie, Gesundheit und Gesellschaft.

Fortschritte in Umweltchemie und Ökotoxikologie Ferntransport-Potenzial

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Einleitung

Schwer abbaubare, naturfremde Chemikalien stellen ein Ge-fahrenpotenzial dar, das wesentlich von den Stoffeigen-schaften und vom Verhalten in der Umwelt abhängt, d.h.davon, ob und in welchen Ökosystemen oder Organismen siesich anreichern und als Gifte wirken (z.B. Vallack et al. 1998,Steinhäuser 2001). Das Verständnis der weitreichenden Ver-frachtung und großräumigen Zirkulation ist deswegen vonBedeutung für die Unversehrtheit der Ökosysteme (Genom-,Organismen- und Ökosystemebenen, insbesondere im aqua-tischen Bereich) und die menschliche Gesundheit (Expositions-pfade Ernährung, aber auch Inhalation) und notwendig zurEinschätzung von Chemikalienrisiken (nationale und interna-tionale Chemiepolitik, Konventionsprozesse zum Schutz dermaritimen Umwelt). In den letzten Jahren wurden Sachstands-berichte für einzelne Regionen und den Globus insgesamtvorgelegt (UNEP 2003, WHO 2003, AMAP 2004).

Sehr viele bekannte Problemstoffe sind mittelflüchtig unddamit Multikompartimentstoffe, d.h. sie werden über meh-rere Umweltmedien verteilt und gegebenenfalls transportiert.Mittelflüchtige Substanzen sind, einmal auf Wasser, Boden oderPflanzen abgelagert, nicht dem Kreislauf entzogen, sondernwerden durch Volatilisierung in die Atmosphäre erneut mobi-lisiert. Ihr Ferntransport ist dann das Ergebnis mehrerer Emis-sions-Transport-Depositions-Zyklen (sog. Grashüpfer-Effekt;Wania & Mackay 1993). Offenkundig ist es wichtig, die Ex-position der Umwelt gegenüber solchen Stoffen zu bestim-men. Zudem liegt hier ein Interesse seitens der Grundlagen-forschung vor, weil die Komplexität des Umweltverhaltensdie herkömmlicher Luft- oder Wasserschadstoffe übersteigt.

Die räumlich und zeitlich Stoffbilanzierung auf großen Ska-len ist ausschließlich der numerischen Modellierung zugäng-lich. Ferner können Persistenz und Ferntransport-Potenzialnur mit Hilfe der Modellierung bestimmt werden (Scheringer1999). Die wissenschaftliche Beschäftigung mit Umweltche-mie auf großen Raumskalen und in mehreren Medien be-gann vor einem Jahrzehnt. Seither wurden globale, klimato-logische ein- oder zweidimensionale Multikompartiment-modelle durch Verkettung von Box-Modellen entwickelt, diejedoch eine geringe zeitliche und räumliche Auflösung ha-ben und die Umwelteigenschaften in Zeit und Raum wenigeinbeziehen (Wania & Mackay 1999, Woodfine et al. 2001).Seit etwa fünf Jahren werden von einigen ArbeitsgruppenAtmosphärenmodelle (Jacobs & van Pul 1996, Pekar et al.1999, Koziol & Pudykiewicz 2001, Lammel et al. 2001, Han-sen et al. 2004) und neuerdings auch Ozeanmodelle (Malani-chev et al. 2004, Guglielmo et al. 2004, Ilyina et al. 2006)als wesentliche Bausteine von Multikompartimentmodelleneingesetzt. Die dreidimensionale, dynamische Modellierungstellt einen erheblichen Fortschritt dar, weil sie auf validier-te Bausteine der Erdsystemforschung (Transportmodelle)aufbaut und das Zusammenwirken von Klima, geographi-schen Gegebenheiten und Stoffeigenschaften expliziter inRaum und Zeit zu erfassen vermag.

Dieser Übersichtsartikel fasst die neuesten, in der internati-onalen Literatur publizierten Ergebnisse der Arbeitsgruppezusammen. Teile dieses Beitrages erschienen zudem in ei-nem Jahrbuch (Lammel et al. 2006).

1 Methodik

Aufbauend auf dem allgemeinen Zirkulationsmodell der At-mosphäre ECHAM, in das ein vereinfachtes Chemiemodellund ein voll dynamisches Aerosolmodell integriert sind(Roeckner et al. 2003, Feichter et al. 1996, Stier et al. 2005),wurde durch Kopplung mit zweidimensionalen Modellen derBöden, des Meereises und der Vegetation sowie einem zwei-oder dreidimensionalen Modell des Ozeans (OGCM) ein glo-bales Multikompartimentmodell erzeugt (Lammel et al. 2001,Semeena et al. 2006). Wir berichten hier zusammenfassendüber Studien mit dem globalen Modell unter klimatologischenBedingungen, d.h. unter Simulation des derzeitigen Klimas,jedoch nicht historisch konkrete Episoden (s. Abschnitte 2.1,2.3, 2.4). Transport durch Meeresströmungen ist dabei nichtberücksichtigt (zweidimensionales Ozeanmodell). Die Modell-auflösung betrug dabei ca. 250 x 250 km in der Horizonta-len, bei einem Zeitschritt von 30 Minuten.

Ferner wurde aufbauend auf einem regionalen Ozean-zirkulationsmodell (Pohlmann 1996) ein regionales Modell(ca. 2.5 x 2.5 km in der Horizontalen, Zeitschritt 10 min)zur Bestimmung der Exposition des Meeres entwickelt undfür eine Meeresregion, die Nordsee, angewandt (Ilyina et al.2006; s. Abschnitt 2.2). Hierbei wurde das Modell mit his-torischen Wetterdaten angetrieben.

2 Ergebnisse

2.1 Zusammenwirken von Klima und Stoffeigenschaften

Die Verweilzeiten in den einzelnen Umweltkompartimentenund die Verhältnisse der darin gespeicherten Frachten sindfür unterschiedliche Stoffe aufgrund von Unterschieden inder Reaktivität, Wasserlöslichkeit, Dampfdruck und weite-rer Eigenschaften selbstverständlich verschieden. Wie starkdie Umwelt in emissionsfernen Gebieten kontaminiert wird,hängt vom Zusammenspiel der Stoffeigenschaften einerseitsund den Gegebenheiten in den Regionen und den Transport-prozessen von den Quellregionen dorthin andererseits ab.In Abb. 1 wird beispielhaft das Pestizid DDT in einer Quell-und zwei Rezeptorregionen herausgegriffen. Die quellfernereRegion um Alaska und Ostsibirien ist stärker betroffen alsder quellnähere indonesische Archipel. Zwar halten die Bö-den, die Vegetationsoberflächen und die Mischungsschichtdes Ozeans in dieser tropischen Region DDT im Mittel län-ger zurück als in der borealen Vergleichsregion. Die Trans-porte in die Region geschehen aber vor allem aus dem tropi-schen Pazifik, also einer Reinluftregion, während Ostsibirienund Alaska stark von Luftmassen beeinflusst werden, dieauf ihrem Weg Quellregionen Ostasiens passieren. In beidenRezeptorregionen wird DDT über die Jahre angereichert,weil mehr eingetragen wird als durch Ausgasung wiederentfernt wird (s. Abb. 1). Dies geschieht in Ostsibirien undAlaska rascher als im indonesischen Archipel. Tatsächlichgibt es sogar Jahreszeiten in denen dieser Teil Südostasiensaufgrund verzögerter Ausgasung aus Böden und der ozeani-schen Deckschicht zur Quellregion für DDT wird. DieseStoffflüsse unterliegen dabei einer hohen interannuellen Va-riabilität, die stärker ist als die wichtiger Klimavariabler, etwa


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der Niederschläge (Semeena et al. 2006). In der Simulationwird ein pseudo-steady state-Zustand erreicht, der sich durchdie interannuelle Variabilität von einem reinen steady state-Zustand unterscheidet (sichtbar in Abb. 1).

2.2 Bedeutung des Ozean-Atmosphäre-Austausches

Der Austausch von organischen Spurenstoffen an der Meeres-oberfläche umfasst die Prozesse trockene Deposition vonGasmolekülen, an Partikeln sorbierten oder in Regentrop-fen mitgeführten Molekülen, sowie die Ausgasung. Ob inder Gischt gebildete Seesalzpartikeln organische Molekülein nennenswerten Mengen von der Wasseroberfläche in diePartikelphase des Aerosols transferieren, ist nicht bekannt.Für die molekularen Austauschprozesse ist der Luft-Wasser-

Verteilungskoeffizient (Henry-Koeffizient) die entscheidendeSteuergröße. Abb. 2 zeigt den Vergleich von Beobachtungs-und Modelldaten der Konzentration von γ-HCH im oberflä-chennahen Nordseewasser (Ilyina et al. 2006). Im Modellwurden die Einträge in die Nordsee durch die Flüsse, ausder Atmosphäre und durch Meeresströmungen vom offe-nen Ozean, sowie die Vorbelastung (vor Beginn der Simu-lation) auf der Basis von Messungen bzw. davon abgeleite-ten Sätzungen vorgegeben. Die Netto-Gasflüsse von γ- undα-HCH an der Meeresoberfläche sind stark variabel undvon der Variabilität der Umweltbedingungen Temperatur,Advektion, ozeanische Zirkulation, Flusseinträge etc. be-stimmt. Während in der offenen Nordsee im Zeitraum 1996–2001 nur Netto-Deposition auftrat (Abb. 3d), werden vomregionalen Expositionsmodell in der Deutschen Bucht auch

Abb. 1: Saisonalität des Netto-Depositionsflusses von DDT, also atmosphärische Deposition abzüglich Volatilisierung (d.h. Emission einschließlichReemission) in der Quellregion Südasien (ganzjährige Ausbringung in der Landwirtschaft, blaue Linie), und den gleich großen Rezeptorregionen (jeweilseinschließlich benachbarter Meeresgebiete) indonesischer Archipel (grün) und Ostsibirien mit Alaska (rot). Monatsmittel in den Jahren 6–10 des Eintragsin die Umwelt in ng/Tag

Abb. 2: Vergleich von Beobachtungs- und Modelldaten der Konzentration von γ-HCH im oberflächennahen Nordseewasser, (a) in der Deutschen Bucht,(b) in der offenen Nordsee, im Zeitraum 1995–2001. Orte in der Karte (c) lokalisiert



Perioden mit Netto-Ausgasung der beiden Isomeren berech-net (Abb. 3b). Die Stoff-Bilanzen (Tab. 1) sind jedoch sehrsensitiv gegenüber dem Henry-Koeffizienten, so dass des-sen ungenaue Kenntnis (und die der Temperatur-Abhängig-keit; Kucklick et al. 1991, Sahsuvar et al. 2003) sich stark

auf die Vorhersagbarkeit der Stoffverteilungen und -flüsseauswirken kann. Ähnliche Schlussfolgerungen waren für dasNordmeer und für polychlorierte Biphenyle in der Ostseegemacht worden (Sahsuvar et al. 2003, Bruhn et al. 2001).

Abb. 3: Zeitserien von (a, c) Luft- und Wassertemperatur, Windgeschwindigkeit und (b, d) des Netto-Gasflusses von γ- und α-HCH an der Meeresober-fläche, (a, b) in der Deutschen Bucht und (c, d) in der offenen Nordsee. Orte: siehe Abb. 2

Stoff γ-HCH α-HCH

Meeresregion Südl. Nordsee a Dt. Bucht Südl. Nordsee a Dt. Bucht

Jahr 1996 2001 1996 2001 1996 2001 1996 2001

Inventar (t) (Sensitivität b) 3.03 (13%)

1.39 (5%)

0.31 (40%)

0.18 (27%)

1.17 (66%)

0.45 (74%)

0.14 (16%)

0.04 (25%)

Nasse Deposition (t·a–1) 5.47 1.67 0.35 0.11 0.81 0.22 0.05 0.01

Trockene Deposition (t·a–1) 8.85 2.34 0.76 0.21 8.98 2.56 0.77 0.24

Volatilisierung (t·a–1) 3.42 1.59 0.61 0.33 4.29 0.98 0.67 0.18

Abbau (t·a–1) 0.002 0.001 0.0002 0.0001 0.003 0.001 0.0002 0.0001

Sedimentation (t·a–1) 1.96 0.98 0.06 0.03 0.97 0.39 0.03 0.01

Resuspension (t·a–1) 0.21 0.10 0.007 0.21 0.05 0.02 0.002 0.001 a südlich von 57°N b gegenüber Unsicherheiten des Luft-Wasser-Verteilungskoeffizienten nämlich gemäß Kucklick et al. 1991, bzw. Sahsuvar et al. 2003

Tabelle 1: Bilanzen von HCH-Isomeren für zwei Regionen der Nordsee, 1996 und 2001: Ozeanisches Inventar und vertikale Flüsse



2.3 Untersuchung von Emissions-Transport-Depositions-Zyklen– der Grashüpfer-Effekt

Eine wichtige Hypothese der Umweltchemie besagt, dass diebeobachtete Anreicherung von vielen persistenten und bio-akkumulativen Schadstoffen in den Polargebieten, also fernabder Anwendungsgebiete, eine Konsequenz des Grashüpfer-Ef-fekts sei in Verbindung mit stärkerer Kondensation in kaltenGebieten (Wania & Mackay 1993). Die Bedeutung des Gras-hüpfer-Effekts (multi-hop) auf das Ferntransport-Potenzial vonorganischen Stoffen, DDT und Hexachlorcyclohexan (HCH),im Gegensatz zu einmaligem Transport (single-hop), wurdedurch Separation der beiden Transportmodi im Modell-experiment erstmals untersucht (Semeena & Lammel 2005).DDT und HCH sind historisch gesehen die weltweit bedeu-tendsten Insektizide. Während DDT wegen seiner chronischen'Nebenwirkungen' für Nichtzielorganismen nur noch in tro-pischen Ländern und fast ausschließlich in Gesundheits-programmen (Vorbeugung gegen Wirte des Malaria-Erregers)eingesetzt wird und das Isomer α-HCH, weil ohnehin nichtinsektizid wirksam, heute verboten ist, ist γ-HCH (Lindan)

Stoff DDT γ-HCH

Transportmodus Multi-hop Single-hop Multi-hop Single-hop

Gesamtinventar 95 520 240 1000

Inventar in der Arktis / Antarktis (t) a 7 / 2 22 / 9.9 32 / 4 53 / 14

Inventar in der Grenzschicht / Stratosphäre (t) b 39 / 12 172 / 78 112 / 26 420 /110

Gesamtdeposition (t·a–1) 2112 6540 6170 16010

Deposition in den Ozean (t·a–1) 43 37 39 33

Deposition in die Arktis (t·a–1) a 353 / 46 347 / 7.2 2040 / 85 2720 / 11

Verhältnis der anteiligen Depositionen in Arktis und Antarktis zu deren Flächenanteil a,c 2.1 0.7 4.1 2.1 a Arktis: 66.5°N–90°N, Antarktis: 66.5°S–90°S b Planetarische Grenzschicht: 750–1000 hPa, Stratosphäre: 10–100 hPa c 8% der Erdoberfläche befindet sich jenseits von 66.5°N oder 66.5°S

Tabelle 2: Atmosphärisches Inventar und Depositionsflüsse von DDT und γ-HCH in der unter den Transportmodi Grashüpfer-Effekt (multi-hop) undeinmaliger Transport (single-hop): Gesamtinventar im Jahresmittel des zehnten Jahres nach Einbringung in die Umwelt

Abb. 4: Atmosphärische Fracht (Gesamtsäulendichte in µg/m²) von γ-HCH (Schattierung) und durch erneute Volatiliserung remobilisierter Anteil davon(Isolinien). Jahresmittel im zehnten Jahr des Eintrags in die Umwelt

ein in sehr vielen Landwirtschaften, auch von Industriestaa-ten, bedeutsames Pestizid. Der Grashüpfer-Effekt verändertdie Verteilung über die verschiedenen Umweltmedien underhöht die Persistenz von DDT und HCH. Lindan ist, wennauf Landoberflächen deponiert, flüchtiger, wird aber durchNiederschlag auch rascher aus der Atmosphäre entfernt alsDDT. Entsprechend der geografischen Verteilung der in derLandwirtschaft verbrauchten Mengen der beiden Insektizi-de resultieren unterschiedliche Ausbringungsverteilungen.

Modellergebnisse zeigen, dass beides, sowohl die Verteilungnach der Emission, wie auch der Grashüpfer-Effekt für denFerntransport bedeutsam sind. Der Grashüpfer-Effekt bewirkteine Anreicherung in den Polargebieten. Darüber hinaus sagtdas Modellexperiment eine Anreicherung von γ-HCH, nichtaber von DDT, in der Arktis und Antarktis sogar ohne Gras-hüpfer-Effekt voraus, allein aufgrund des Transports vor derDeposition (Tab. 2). Innerhalb der atmosphärischen Grenz-schicht und nahe der Ausbringungsregionen überwiegt derGrashüpfer-Transportmodus (Abb. 4 und Abb. 5). Die Wahr-scheinlichkeit in der freien Troposphäre und in noch höhe-



ren Luftschichten bereits remobilsierte γ-HCH-Moleküle an-zutreffen ist höher als für DDT-Moleküle, was mit raschererAuswaschung und Volatilisierung von γ-HCH an den Ober-flächen zusammenhängt.

2.4 Ferntransport-Potenzial und Persistenz

Das Schicksal einer Chemikalie, ausgedrückt in Ferntrans-port-Potenzial und Persistenz, wird neben Klima und Stoff-eigenschaften auch davon kontrolliert, wann und wo dieSubstanz in die Umwelt gelangt Das wurde am Beispiel derSimulation des Umweltverhaltens der Insektizide DDT undα-HCH unter Szenarien der Emission in ausgewählten Län-

dern deutlich (Abb. 6; Leip & Lammel 2004): DDT erwiessich als der generell langlebigere Stoff, doch das nicht überallund zudem mit sehr unterschiedlichem Abstand zu α-HCH.Ein Indikator für das Ferntransport-Potenzial, die effektiveAusbreitungstendenz (Leip & Lammel 2004), zeigt eine ähn-lich starke Abhängigkeit vom Ausbringungsort. Infolge desVerbots von DDT in der Landwirtschaft vieler Länder, zu-nächst in den mittleren Breiten und später auch in den Sub-tropen und Tropen, war auch das Umweltverhalten diesesStoffes einem historischen Wandel unterworfen, wobei dieglobal gemittelte Anzahl der Emissions-Transport-Deposit-ions-Zyklen (von 1.8 nach 2.6), die mittlere atmosphärischeVerweildauer (von 4.4 nach 5.4 d) von 1970 bis 1990 zu-nahm und das Ferntransport-Potenzial (für meridionale Trans-porte in Tab. 3) 1980 gegenüber 1970 zunahm und bis 1990wieder abnahm (Semeena & Lammel 2003).

3 Schlussfolgerungen und Ausblick

Die Bestimmung der Umweltexposition auf großen Raum-skalen gegenüber langlebigen Schadstoffen mit Hilfe derModellierung ist ein Fachgebiet, indem noch methodischeEntwicklungen notwendig sind. So sind etwa die Implika-tionen der (modellinhärenten) Mittelung in Raum und Zeit(Hertwich 2001, Lammel 2004) noch nicht vollständig un-tersucht. Die Modellvalidierung ist eine stete Aufgabe, fürdie Monitoringdaten gebraucht werden. Es bestehen zumTeil noch erhebliche Unsicherheiten in der Beschreibung ei-niger Prozesse, denen die Stoffe in der Umwelt unterliegen,und sogar in der Beschreibung von Stoffeigenschaften. DieModellierung ist hilfreich diesen Forschungsbedarf mittelsSensitivitätsstudien zu identifizieren (siehe Henry-Koeffizi-ent, Abschnitt 2.2) und unersetzbar zur Ableitung von räum-lich und zeitlich großskaligen Stoffbilanzen. Selbst Untersu-

Tabelle 3: Charakteristika der globalen meridionalen Verteilung von DDT in der Umwelt: Geographische Breiten der 5-, 50- und 95-Perzentilen derkumulativen, zonal gemittelten Verteilungen (von 90°S bis 90°N) des Gesamtinventars von DDT im Jahresmittel des zweiten Jahres nach Einbringung indie Umwelt, sowie (in Klammern) zum Zeitpunkt der Einbringung

Abb. 5: Zonal gemittelte globale Verteilungen der atmosphärischen Kon-zentrationen von DDT und γ-HCH gesamt (oben) und reemittierter Anteil(unten). Jahresmittel im zehnten Jahr des Eintrags in die Umwelt in pg/kg

Abb. 6: Indikatoren zur Charakterisierung räumlicher und zeitlicher Aspekte des Umweltverhaltens von DDT und α-HCH: Effektive Ausbreitungstendenz(spatial spreading in km), und Gesamtverweildauer in der Umwelt (persistence in Tagen). Jahresmittel im zweiten Jahr des Eintrags in die Umwelt

Ausbringungsjahr 5-Perzentil 50-Perzentil 95-Perzentil

1970 11.6°N (12.4°N) 43.5°N (40.9°N) 56.3°N (52.4°N)

1980 4.6°N (13.9°N) 28.9°N (26.9°N) 53.3°N (48.0°N)

1990 12.8°N (14.8°N) 27.1°N (25.7°N) 37.4°N (33.0°N)



chungen, die vorläufigen Charakter haben mögen, gewäh-ren wesentliche Einblicke in die Zyklen wichtiger Spuren-stoffe. Die hier vorgestellten Ergebnisse unterstreichen zudemdie Notwendigkeit der Anwendung hochentwickelterMultikompartiment-Chemie-Transport-Modelle: Diese ver-sprechen, der enormen Komplexität des Zusammenwirkensvon Stoffeigenschaften und variablen UmweltbedingungenRechnung tragen zu können, bedürfen aber im Gegensatzzu einfacheren Box-Modellen in Zeit und Raum aufgelösterEmissionsdaten. Die isolierte Untersuchung einzelner Pro-zesse bei der Überlagerung von Chemie und Transport istnur dieser Modellierung zugänglich, wie am Beispiel desGrashüpfer-Effektes illustriert wurde (Abschnitt 2.3). Die-ser Zugang wird derzeit erweitert, indem die relative Bedeu-tung ozeanischer und atmosphärischer Transporte durch iso-lierte Bilanzierung einzelner Schritte im Zyklieren vonSpurenstoffen in einer Modellversion mit dreidimensiona-lem Ozean untersucht wird (Guglielmo et al. 2004).

Es gibt zahlreiche weitere wichtige Fragestellungen, die mitder Expositionsmodellierung aufgegriffen werden sollten:

• Die Bedeutung der atmosphärischen Transporte, Windeund Ablagerungen für die Anreicherung in Polar- undalpinen Regionen (z.B. Grimalt et al. 2001) bedarf derweiteren Untersuchung, wobei die Austauschprozesse anEis bzw. die Einträge, trocken und nass, in Gebirgslagenvom Modell aufgelöst werden müssten.

• Welche Rolle die Verteilungen in den heterogenen Um-weltmedien Luft und Wasser, also zwischen Gas und Par-tikel bzw. zwischen Meerwasser und suspendiertem Par-tikel, für den Ferntransport spielen, ist bislang nur inAnsätzen erkennbar (Franklin et al. 2000, Dachs et al.1999) und bedarf noch der Quantifizierung.

• Die Prozessbeschreibung in den Modellen muss deswe-gen weiter vorangetrieben werden (z.B. Goss 2003).

• Zur Bewertung von Stoffrisiken wären die kombiniertenVerteilungen von Ausgangsverbindungen und Metaboli-ten zu bestimmen – zumindest dann, wenn auch die Me-taboliten persistent sind (z.B. Fenner et al. 2002).

• Ein vollständiger historischer Stoffzyklus, von der erstenAusbringung in die Umwelt bis zum Abklingen nach ei-nem Moratorium wurde noch nicht simuliert.

• Schlussendlich sollten bei der Untersuchung von Trendspersistenter Umweltschadstoffe auch die Einflüsse einesveränderlichen Klimas einbezogen werden, insbesonderedort, wo bereits heute dramatische Klimaveränderungenzu beobachten sind, so in der Arktis (AMAP 2004).

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Eingegangen: 16. Mai 2006Akzeptiert: 13. September 2006

OnlineFirst: 13. September 2006

Environ Sci Pollut Res 11 (1) 41 – 48 (2004)

The Effect of Export to the Deep Sea on the Long-Range Transport Potentialof Persistent Organic PollutantsMartin Scheringer1*, Maximilian Stroebe1, Frank Wania2, Fabio Wegmann1 and Konrad Hungerbühler1

1Institute for Chemical and Bioengineering, Swiss Federal Institute of Technology Zürich, 8093 Zürich, Switzerland2Department of Physical and Environmental Sciences, University of Toronto at Scarborough, Toronto, Ontario, Canada M1C 1A4

* Corresponding author ([email protected])

DOI: http://dx.doi.org/10.1065/espr2003.11.176

Abstract

Background. Export to the deep sea has been found to be a rel-evant pathway for highly hydrophobic chemicals. The objec-tiveof this study is to investigate the influence of this process on thepotential for long-range transport (LRT) of such chemicals.

Methods. The spatial range as a measure of potential for LRT iscalculated for seven PCB congeners with the multimedia fate andtransport model ChemRange. Spatial ranges for cases with andwithout deep sea export are compared.

Results and Discussion. Export to the deep sea leads to increasedtransfer from the air to the surface ocean and, thereby, to lowerspatial ranges for PCB congeners whose net deposition ratecon-stant is similar to or greater than the atmospheric degrada-

tion rate constant. This is fulfilled for the PCB congeners 101,153, 180, and 194. The spatial ranges of the congeners 8, 28, and52, in contrast, are not affected by deep sea export. With exportto the deep sea included in the model, the spatial ranges of theheavier congener are similar to those of the lighter ones, whilethe intermediate congeners 101 and 153 have the highest poten-tialfor long-range transport.

Conclusions. Transfer to the deep ocean affects the mass bal-anceand the potential for LRT of highly hydrophobic chemi-cals andshould be included in multimedia fate models contain-ing a com-partment for ocean water.

Keywords: Deep sea export; exposure modeling; long-rangetransport; multimedia model; PCBs; persistent organic pollut-ants(POPs)

Documents

Fortschritte in Umweltchemie und Ökotoxikologie · Ferntransport-Potenzial Fortschritte in Umweltchemie und Ökotoxikologie 256 UWSF – Z Umweltchem Ökotox 181818 (4) 2006 der