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Im Element – Warum Thallium und andere Spurenelemente zum Umweltproblem werden und was man dagegen tun kann

Dr. Natalia Ospina-Alvarez. Foto: Karla Fritze.

Dr. Natalia Ospina-Alvarez. Foto: Karla Fritze.

Sie sind überall: im Boden, im Wasser, teilweise sogar in der Luft. Doch oft in so geringen Mengen, dass sie kaum nachweisbar sind. Viele Spurenelemente sind zwar schon seit Langem grundsätzlich bekannt. Doch mehr oder weniger nur dem Namen nach. Erst jetzt, wo sie industriell genutzt und damit teuer werden, machen sich weltweit Forscher daran, mehr über sie herauszufinden. Einem davon, Thallium, spürt die Geowissenschaftlerin Dr. Natalia Ospina-Alvarez nach.

3. Haupt- bzw. Borgruppe im Periodensystem der Elemente, Symbol: Tl, Ordnungszahl: 81. Grau und weich, Blei sehr ähnlich und hochgiftig. Thallium, schon 1861 von dem Engländer Sir William Crookes und dem Franzosen Auguste Lamy entdeckt, ist unter den Elementen kein absolut unbekanntes mehr. „Und doch wissen wir eigentlich nicht viel über Thallium“, sagt Natalia Ospina-Alvarez. „Wo es natürlicherweise vorkommt etwa, wie es mit anderen Elementen interagiert und welche Bedeutung es in verschiedenen Konzentrationen für die Umwelt hat.“

Von „Laborkuriositäten“ zu Schlüsselrohstoffen neuer Technologien

In den Fokus rückte Thallium wie andere Spurenelemente auch, als es zum Problem wurde. Zahlreiche Spurenelemente, vor allem Metalle, findet man seit einigen Jahrzehnten vermehrt in neuen technischen Geräten wie Computern, Smartphones oder Tablets – etwa in Akkus oder als Bestandteile von Schaltkreisen. Landen diese unrecycelt auf dem Müll, dringen die Stoffe früher oder später in den Boden. Auch im Umfeld von Minen, wo große Mengen Gestein, die sonst nur in tieferen Schichten lagern, bewegt werden und an die Oberfläche gelangen, werden Spurenelemente freigesetzt. Und zwar in weit höheren Konzentrationen, als es sie dort natürlicherweise gibt. Damit werden sie zur Gefahr für Pflanzen, Tiere und Menschen. Thallium beispielsweise ist schon in einer Dosis von 800 Milligramm tödlich für einen Erwachsenen. Grund genug, um zu untersuchen, wie sein Vorkommen in der Umwelt besser überwacht werden kann. Gegenwärtig forschen Wissenschaftler aus 22 Ländern im europaweiten COST-Netzwerk NOTICE zu sogenannten technologiekritischen Elementen. Dazu gehören so namhafte Metalle wie Platin, Indium und Iridium, aber auch weniger bekannte wie die meisten Metalle der Seltenen Erde, etwa Europium, Promethium oder Ytterbium, sowie einige andere wie Gallium, Germanium – und Thallium. Die einstigen „Laborkuriositäten“ haben sich inzwischen zu Schlüsselrohstoffen neuester Technologien gemausert. Doch in welchen chemischen Verbindungen sie in der Umwelt vorkommen, wie sie sich verändern, wie sie transportiert werden und vor allem welchen Einfluss sie auf natürliche Kreisläufe haben, ist bislang weitgehend unbekannt, bestenfalls umstritten. Von den Auswirkungen, die sie auf Flora, Fauna und Mensch in höheren, giftigen Konzentrationen haben, ganz zu schweigen.

Erster Schritt ist ein Verfahren zum Nachweis giftiger Konzentrationen

Die Arbeit, die vor den Forschern liegt, ist gewaltig. Denn gerade die geringen Konzentrationen, so toxisch sie auch sein mögen, machen den Nachweis der Spurenelemente schwierig. Letztlich muss für jedes Element ein eigenes Analyseverfahren entwickelt werden, wie Natalia Ospina-Alvarez erklärt, die im NOTICE-Netzwerk für Thallium zuständig ist. „Es ist ein bisschen wie beim Kuchenbacken. Man braucht die richtige Mischung der Zutaten.“ Die Untersuchung von Spurenelementen ist für die Ozeanografin nicht neu. 2003 arbeitete sie in einem Meeresforschungsprojekt im Norden Spaniens, als sie in einigen Proben ungewöhnlich große Mengen Arsen fand. Kurzerhand startete sie ein Parallelprojekt und beschäftigt sich seitdem intensiv mit der Analyse toxischer Stoffe und der Frage, wie ihre Freisetzung in der Umwelt am besten überwacht werden kann.
Seit 2013 arbeitet Natalia Ospina-Alvarez nun gemeinsam mit Kollegen in Polen an geeigneten Methoden, um Thallium nachzuweisen und seine Konzentration zu bestimmen. Dabei gilt es, einige Schwierigkeiten zu überwinden: So lassen sich Bodenproben nicht auf demselben Weg analysieren wie solche, die aus dem Meer gewonnen werden. „Salzwasserproben zu analysieren ist viel aufwendiger und dauert auch länger“, sagt die Forscherin. Vor allem aber ist Thallium nicht gleich Thallium: „Thallium gibt es in zwei Formen, als einwertiges und als dreiwertiges Thallium“, erklärt die Wissenschaftlerin. „Dreiwertiges ist viel giftiger als einwertiges, aber seine Konzentration ist wesentlich geringer.“ Den Forschern ist es nun erstmals gelungen, die zwei zu trennen. Dadurch konnte die Nachweismethode für beide angepasst werden. Hohe toxische Thallium-Vorkommen sind damit nachweisbar. Anhand von Bodenproben aus Regionen, von denen man vermutete, dass sie kontaminiert sind, ist dies bereits gelungen. Den ersten Schritt haben Natalia Ospina-Alvarez und ihr Kollege also gemacht. „Wir arbeiten jetzt daran, die sogenannte Hintergrundkonzentration von Thallium zu bestimmen.“ Langfristig geht es darum herauszufinden, wie sich das Element natürlicherweise verhält. Erst dann lässt sich sinnvoll danach fragen, wie Thallium Umweltkreisläufe verändert und möglicherweise beeinträchtigt, wenn wir es weiter so intensiv nutzen. 
Für Natalia Ospina-Alvarez heißt das: wieder raus aus dem Labor und zurück ans Meer. Denn sie will sich in der nächsten Phase des Projektes darum kümmern, eine Methode zur Bestimmung natürlicher Thallium-Konzentrationen in Küstenregionen zu entwickeln. „Die Analyse ist ziemlich komplex“, sagt sie. „Aber sie liegt mir.“ Kein Wunder, die gebürtige Kolumbianerin verbrachte ihr halbes Leben an Ozeanküsten. Ihr Vater war Segler, ihr Bruder ist Meeresbiologe. Zum Studieren ging sie nach Spanien, seitdem ist sie überall in der Welt zu Hause, wo ihre Forschung sie hinführt: Spanien, Neuseeland, Portugal, Polen – und jetzt Potsdam: „Ich bin viel herumgekommen. Das hilft mir als Wissenschaftlerin, offen zu bleiben – für andere Denkweisen, andere Arten zu arbeiten“, meint sie. Bei der Feldarbeit müsse man schnelle Entscheidungen treffen, hier in Deutschland sei alles sehr organisiert. Diese Mischung sei nicht das Schlechteste, um im aktuellen Multikulti-Netzwerk NOTICE alle unter einen Hut zu bekommen.

Pflanzen können die Giftstoffe aus dem Boden holen

Ziel des Netzwerkes sei es gleichwohl nicht nur, längst überfällige Grundlagenforschung nachzuholen. Die Wissenschaftler wollen auch aufmerksam machen – darauf, dass es Zeit wird, mit Elementen, über die so wenig bekannt ist, verantwortungsbewusster umzugehen. „Wir wollen zeigen, wie wichtig diese Elemente sind und dass wir mehr über sie herausfinden müssen, denn sie können gefährlich sein.“ Zugleich suchen die Forscher nach Verfahren, wie bereits verseuchte Böden oder Gewässer wieder dekontaminiert werden können. Und zwar mithilfe von Pflanzen. Phytosanierung lautet das Stichwort. Dabei werden bestimmte Pflanzen dafür genutzt, um die Schadstoffe aus dem Boden zu ziehen. Während einige Pflanzen die Stoffe aufnehmen und speichern, wandeln andere sie chemisch um und deaktivieren sie dadurch. Für Thallium haben Natalia Ospina-Alvarez und ihre Kollegen Experimente mit der Senfpflanze durchgeführt, die als „Biostaubsauger“ diente. „Wir haben Pflanzreihen angelegt und diese verschieden hohen Thallium-Konzentrationen ausgesetzt“, erklärt die Wissenschaftlerin. „Während sie bei sehr hohen Dosen absterben, gedeihen die Pflanzen auch bei mittleren Mengen Thallium nach einer Anlaufphase, in der sie sich an das Element zu gewöhnen scheinen, sehr gut.“ Noch wissen die Forscher nicht genau, was die Pflanzen mit dem Thallium machen. Aber auch hier sollen die kommenden Monate Aufschluss geben.

Thallium ist ein Metall (Elementsymbol: Tl, Ordnungszahl: 81), das zwar nicht selten ist, aber in nur wenigen Mineralien und häufig als Begleitelement vorkommt. Verwendet wird das weiche, graue und hämmerbare Metall u.a. für verschiedene optische Gläser, in Thermometern und als Hochtemperatursupraleiter. Es ist hochgiftig.

Als Spurenelemente gelten chemische Elemente, die allgemein in geringen Konzentrationen auftreten. Dabei hängt die Häufigkeit, die ein Element zum Spurenelement macht, davon ab, in welcher Umgebung es betrachtet wird – also beispielsweise im menschlichen Körper, dem Planeten Erde oder dem Sonnensystem.

Bei der Phytosanierung werden Pflanzen zur Sanierung von verunreinigten Böden oder des Grundwassers eingesetzt. Dabei wird unterschieden zwischen der Phytoextraktion, bei der die Pflanzen die Stoffe in ihre Biomasse aufnehmen und dort speichern, und der Phytodegradation, bei der sie die Schadstoffe chemisch verändern und dabei inaktivieren. Zudem haben Wissenschaftler bereits vor Jahrzehnten entdeckt, dass sich das Prinzip auch zur Gewinnung von Rohstoffen aus dem Boden gewinnen lässt – als Phytomining.

Die Wissenschaftlerin

Dr. Natalia Ospina-Alvarez studierte Meeresbiologie sowie Ecology und Sustainable Management of Coastal and Marine Systems an der Universität Barcelona. Seit 2016 ist sie im Rahmen des Research Fellow Programms des Forschungsschwerpunktes Erdwissenschaften an der Universität Potsdam.
Universität Potsdam
Institut für Erd- und Umweltwissenschaften
Karl-Liebknecht-Str. 24–25
14476 Potsdam
E-Mail: ospina@geo.uni-potsdam.nomorespam.de 
http://nospina.tumblr.com/ 

Das Projekt

Im EU-geförderten „Network on Technology-Critical Elements – from Environmental Processes to Human Health Threat’s (2015–2019)“ (COST Action TD1407) haben sich Wissenschaftler aus 22 Ländern zusammengeschlossen, um sogenannte „technologiekritische Elemente“ zu erforschen. Dabei handelt es sich vor allem um Metalle der Platin-Gruppe (Ir, Os, Pd, Pt, Rh and Ru), die meisten der Seltenerdmetalle (Ce, Dy, Er, Eu, Gd, Ho, La, Lu, Nd, Pr, Sm, Tb, Y, Yb) sowie einige weitere Elemente (Ga, Ge, In, Nb, Ta, Te, Tl). 
https://www.costnotice.net/

Die hier vorgestellte Forschung ist verbunden mit der Forschungsinitiative NEXUS: Earth Surface Dynamics, die unterschiedlichste wissenschaftliche Aktivitäten der Region Berlin-Brandenburg aus dem Themenfeld Dynamik der Erdoberfläche bündelt. Die Universität Potsdam (UP), gemeinsam mit ihren Partnern des Helmholtz-Zentrums Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum (GFZ), des Alfred-Wegener-Instituts für Polar und Meeresforschung (AWI) sowie mit Partnern des Potsdam Instituts für Klimafolgenforschung (PIK), des Naturkundemuseums Berlin (MfN) und der Technischen Universität Berlin (TUB) verbindet hierzu die herausragende Expertise in den Geo-, Bio, Klima- und Datenwissenschaften.

Text: Matthias Zimmermann
Online gestellt: Marieke Bäumer
Kontakt zur Online-Redaktion: onlineredaktion@uni-potsdam.nomorespam.de

Diesen und weitere Beiträge zur Forschung an der Universität Potsdam finden Sie im Forschungsmagazin Portal Wissen