Veranlassung
Im Rahmen des BMDV-Expertennetzwerks (Themenfeld 1: Klimawandel und Extreme) werden Auswirkungen von Extremwetterereignissen, z.B. Starkregen- und Trockenwetterperioden, auf den Eintrag organischer Spurenstoffe in Bundeswasserstraßen untersucht. Erste Studien zu regeninduzierten Spurenstoffeinträgen werden am Fallbeispiel der Mosel durchgeführt. Hier werden seit April 2021 während Regenereignissen Tagesmischproben von zwei Messstationen entlang des innerdeutschen Verlaufs der Mosel entnommen. Ausgewählte Proben werden durch das Verfahren des Non-Target-Screenings mittels Flüssigkeitschromatographie gekoppelt an hochauflösende Massenspektrometrie untersucht. Mithilfe von Clusteranalysen werden ereignisbezogene Eintragsmuster in den Datensätzen entschlüsselt. Über den Abgleich mit internen Datenbanken, die über 1000 bekannte Spurenstoffe und chemische Signale aus Elutionsversuchen mit Reifenabrieben umfassen, können Signale in den Umweltproben bereits bekannten Substanzen bzw. möglichen Quellen wie Reifenabrieb zugeordnet werden.
Ziele
- Erfassung regeninduzierter Spurenstoffeinträge in Bundeswasserstraßen
- Identifikation quellenspezifischer organischer Spurenstoffe als repräsentative Substanzen für zielgerichtetes Monitoring
- Identifikation relevanter Quellen und Eintragspfade für regeninduzierte Spurenstoffeinträge
- Angaben zu regen- und trockenheitsinduzierten Spurenstoffeinträgen und -konzentrationen in Bundeswasserstraßen unter Berücksichtigung von Klimaprognosen
- Erstellung eines Konzepts zur quantitativen Erfassung ausgewählter quellen- und eintragsspezifischer Spurenstoffe in Bundeswasserstraßen
- Integration ausgewählter Spurenstoffe in Gewässergütemodelle bzw. Schadstoffemissionsmodelle
Organische Spurenstoffe gelangen über verschiedene Eintragspfade, z.B. über Kläranlagenabläufe, Regenwasserkanäle und diffusen Oberflächenabfluss, in Fließgewässer. Hier werden sie in komplexen Mischungen detektiert und können ein Risiko für das Ökosystem darstellen. Die genaue Anzahl organischer Spurenstoffe ist unbekannt. Zudem variiert die Zusammensetzung der Stoffmischungen in Abhängigkeit von Konsum, Anwendungen und witterungsbedingten Einträgen. Extremwetterereignisse wie Starkregen- und Trockenwetterperioden können angesichts des Klimawandels zunehmen, sodass deren Auswirkungen auf Stoffeinträge und -konzentrationen in Gewässern zukünftig an Bedeutung gewinnen.
Durch den Klimawandel können Extremwetterereignisse zunehmen. Im Expertennetzwerk werden extremwetterbedingte Spurenstoffeinträge und deren Auswirkungen auf die Wasserbeschaffenheit in Bundeswasserstraßen untersucht.
<p>Emission von Feinstaub der Partikelgröße PM10</p><p>Staub lässt sich nach Größe in verschiedene Fraktionen einteilen. Eine relevante Fraktion des Gesamtstaubes stellen die Partikel dar, deren aerodynamischer Durchmesser weniger als 10 Mikrometer (µm) beträgt (Feinstaub – PM10). Von 1995 bis 2023 sind die Feinstaub-Emissionen um fast 46 Prozent zurückgegangen.</p><p>Emissionsentwicklung</p><p>Seit 1995 sind die Feinstaub-Emissionen in Deutschland erheblich zurückgegangen (siehe Abb. „Staub (<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/p?tag=PM10#alphabar">PM10</a>)-Emissionen nach Quellkategorien“). Durch die viel stärker fallenden Gesamtstaub-Emissionen erhöhte sich jedoch der Anteil der Feinstäube am Gesamtstaub über die Jahre deutlich.</p><p>Aufgrund der hohen <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/u?tag=Unsicherheit#alphabar">Unsicherheit</a> der Emissionsfaktoren beziehungsweise der Anteilkennzahlen für Feinstaub und fehlenden Messdaten für die Jahre vor 1995 werden die Feinstaub-Emissionen im nationalen Inventar erst ab diesem Jahr berechnet. Die PM10-Emissionen sanken von 0,34 Millionen Tonnen (Mio. t) im Jahr 1995 auf 0,18 Mio. t im Jahr 2023 (-45,7 %, siehe Tab. „Emissionen ausgewählter Luftschadstoffe nach Quellkategorien“). Dabei stammten 44,5 % der PM10-Emissionen aus Produktionsprozessen (vor allem der Herstellung von Metallen und mineralischer Produkte) und verteilten Emissionen vor allem aus dem Umschlag von Schüttgut. Mit 32,2 % liegt auch die Summe der Emissionen aus stationären wie mobilen Verbrennungsvorgängen, also vor allem Haushalten sowie dem Straßenverkehr (einschließlich der Abriebemissionen) in einer ähnlichen Größenordnung. Die Emissionen der Landwirtschaft sinken erst in den letzten Jahren leicht. Daher und durch die gleichzeitig sinkenden Gesamtemissionen stieg ihr Anteil von 10,8 % im Jahr 1995 auf 19,5 % im Jahr 2023. Von den 35,4 kt PM10 aus der Landwirtschaft resultierten dabei etwa 33 % aus der Tierhaltung, v.a. von Rindern/Milchkühen sowie von Geflügel und, zu einem geringen Teil, Schweinen. 67 % der landwirtschaftlichen PM10-Emissionen entstehen dagegen bei der Bearbeitung landwirtschaftlicher Böden.</p><p>Dank technischer Abgasreinigung und fortschreitender Elektrifizierung haben im Straßenverkehr nunmehr über 82 % des PM10 ihren Ursprung im Abrieb von Reifen, Bremsen und Straßenbelag (1995: knapp 25 %): Entsprechend rücken spätestens mit der anstehenden Euro7-Norm auch Maßnahmen zur Minderung von abrasiven Partikelemissionen in den Fokus.</p><p>Was ist Feinstaub?</p><p>Stäube sind feste Teilchen der Außenluft, die nicht sofort zu Boden sinken, sondern eine gewisse Zeit in der <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/a?tag=Atmosphre#alphabar">Atmosphäre</a> verweilen. Nach ihrer Größe werden Staubpartikel in verschiedene Klassen eingeteilt. Als Feinstaub (<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/p?tag=PM10#alphabar">PM10</a>) bezeichnet man Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser von weniger als 10 Mikrometer (µm). Der größte Teil der anthropogenen Feinstaubemissionen stammt aus Verbrennungsvorgängen (Kfz-Verkehr, Gebäudeheizung) und Produktionsprozessen inkl. Schüttgutumschlag. In geringerem Maße sind diffuse Emissionen von Gewerbe und Handel, die Landwirtschaft, Feuerwerk, Zigaretten und Grillfeuer für die Staubemissionen verantwortlich (siehe auch<a href="https://www.umweltbundesamt.de/themen/luft/luftschadstoffe-im-ueberblick/feinstaub">„Feinstaub“</a>). Feinstaub wird nicht nur direkt emittiert (primäre Partikel) sondern bildet sich auch aus Vorläuferstoffen (unter anderem aus Schwefeldioxid, Stickstoffoxid und Ammoniak) in der Atmosphäre (sekundäre Partikel).</p><p>Gesundheitliche Wirkungen</p><p>Die Größe der Staubteilchen (Partikel) und ihre chemische Zusammensetzung bestimmen die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Staubes. Für die gesundheitliche Wirkung relevant sind Eigenschaften wie <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/k?tag=Korngre#alphabar">Korngröße</a>, geometrische Form und auf der Oberfläche anhaftende Schadstoffe (siehe auch<a href="https://www.umweltbundesamt.de/themen/luft/wirkungen-von-luftschadstoffen/wirkungen-auf-die-gesundheit">"Wirkungen auf die Gesundheit"</a>und<a href="https://www.umweltbundesamt.de/daten/luft/feinstaub-belastung">"Feinstaub-Belastung"</a>).</p>
Kurzbeschreibung Ziel ist die Definition des Begriffs „Mikroplastik“ aus Reifenabrieb. Ableitung von Aussagen über „Mikroplastik“ aus Reifenabrieb aus einem Fact Sheet zum Thema Reifenabrieb und Feinstaub. In dem Feinstaub-Papier finden sich grundsätzliche Aussagen dazu, wie sich Reifenabrieb zusammensetzt (Konglomerat aus Gummi, Straßenbelag, Metallspuren etc.), dass neben dem Reifen auch Straßenbelag und Fahrstil entscheidende Faktoren sind und dass die Reifenhersteller durch abriebsärmere Mischungen bereits die Langlebigkeit der Reifen erhöht und den Abrieb gesenkt haben. Seit 2005 befasst sich auch das Tire Industry Project (TIP) unter dem Dach des Weltwirtschaftsrats für Nachhaltige Entwicklung (World Business Council for Sustainable Development – WBCSD) damit (Ergebnisse: Straßen- und Reifenpartikel grundsätzlich zu groß für Feinstaub http://www.wbcsd.org/Projects/Tire-Industry-Project/Tire-Road-Wear-Particles-TRWP; https://www.youtube.com/watch?v=qdn8mFnxDtY) Ergebnisse Fact Sheet zum Thema Reifenabrieb und Feinstaub
<p>Schwermetall-Emissionen</p><p>Hochwirksame Staubminderungsmaßnahmen und die Stilllegung veralteter Produktionsstätten in den neuen Bundesländern führten seit 1990 zu einer erheblichen Minderung der verbrennungsbedingten Schwermetall-Emissionen.</p><p>Entwicklung seit 1990</p><p>Die Emissionen der wichtigsten Schwermetalle (Cadmium, Blei und Quecksilber) sanken seit 1990 deutlich. Die Werte zeigen überwiegend Reduktionen von über 60 bis über 90 %. Der Großteil der hier betrachteten Reduktion erfolgte dabei in den frühen 1990-er Jahren, wobei wesentliche Reduktionen auch schon vor 1990 stattfanden. Vor allem die dabei angewandten hochwirksamen Staub- und Schwefeldioxid (SO2) -Minderungsmaßnahmen führten zu einer erheblichen Verringerung der Schwermetallemissionen zunächst in den alten und, nach der Wiedervereinigung, auch in den neuen Ländern, einhergehend mit Stilllegungen veralteter Produktionsstätten. In den letzten Jahren sieht man, bis auf wenige Ausnahmen, kaum weitere Verringerungen der Schwermetall-Emissionen (siehe Abb. und Tab. „Entwicklung der Schwermetall-Emissionen“).</p><p>Während die Blei-Emissionen bis zum endgültigen Verbot von verbleitem Benzin im Jahre 1997 rapide zurückgingen, folgten Zink, Kupfer und Selen im Wesentlichen der Entwicklung der Fahrleistungen im Verkehrssektor, die im langfristigen Trend seit 1990 anstieg.</p><p>Herkunft der Schwermetall-Emissionen</p><p>Schwermetalle finden sich – in unterschiedlichem Umfang – in den staub- und gasförmigen Emissionen fast aller Verbrennungs- und vieler Produktionsprozesse. Die in den Einsatzstoffen teils als Spurenelemente, teils als Hauptbestandteile enthaltenen Schwermetalle werden staubförmig oder gasförmig emittiert. Die Gesamtstaubemissionen aus diesen Quellen bestehen zwar in der Regel überwiegend aus relativ ungefährlichen Oxiden, Sulfaten und Karbonaten von Aluminium, Eisen, Kalzium, Silizium und Magnesium; durch toxische Inhaltsstoffe wie Cadmium, Blei oder Quecksilber können diese Emissionen jedoch ein hohes Gefährdungspotenzial erreichen.</p><p>Verursacher</p><p>Die wichtigste Quelle der meisten Schwermetalle ist der Brennstoffeinsatz im Energie-Bereich. BeiArsen, QuecksilberundNickelhat die Energiewirtschaft den größten Anteil, gefolgt von den prozessbedingten Emissionen der Industrie, vor allem aus der Herstellung von Metallen.Cadmiumstammt sogar größtenteils aus der Metall-Herstellung.Blei-, Chrom-, Kupfer- und Zink-Emissionen werden überwiegend durch den Abrieb von Bremsen und Reifen im Verkehrsbereich beeinflusst: die Trends korrelieren hier direkt mit der jährlichen <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/f?tag=Fahrleistung#alphabar">Fahrleistung</a>.Selenhingegen stammt hauptsächlich aus der Mineralischen Industrie, gefolgt von den stationären und mobilen Quellen der Kategorie Energie. Andere Quellen müssen noch untersucht werden, es wird jedoch erwartet, dass sie die Gesamtentwicklung kaum beeinflussen.</p><p>Verpflichtungen</p><p>Das 1998er<a href="http://www.unece.org/env/lrtap/hm_h1.html">Aarhus Protokoll über Schwermetalle</a>unter dem CLRTAP ist Ende 2003 in Kraft getreten. Es wurde im Dezember 2012 revidiert und an den Stand der Technik angepasst. Es zielt auf drei besonders schädliche Metalle ab: Cadmium, Blei und Quecksilber. Laut einer der grundlegenden Verpflichtungen muss Deutschland seine Emissionen für diese drei Metalle unter das Niveau von 1990 reduzieren. Das Protokoll betrachtet die Emissionen aus industriellen Quellen (zum Beispiel Eisen- und Stahlindustrie, NE-Metall-Industrie), Verbrennungsprozessen (Stromerzeugung, Straßenverkehr) und aus Müllverbrennungsanlagen. Es definiert Grenzwerte für Emissionen aus stationären Quellen (zum Beispiel Kraftwerken) und verlangt die besten verfügbaren Techniken (BVT) für diese Quellen zu nutzen, etwa spezielle Filter oder Wäscher für die stationäre Verbrennung oder Quecksilber-freie Herstellungsprozesse. Das Protokoll verpflichtet die Vertragsparteien weiterhin zur Abschaffung von verbleitem Benzin. Es führt auch Maßnahmen zur Senkung von Schwermetall-Emissionen aus Produkten auf (zum Beispiel Quecksilber in Batterien) und schlägt Management-Maßnahmen für andere quecksilberhaltige Produkte wie elektrische Komponenten (Thermostate, Schalter), Messgeräte (Thermometer, Manometer, Barometer), Leuchtstofflampen, Amalgam, <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/p?tag=Pestizide#alphabar">Pestizide</a> und Farben vor.</p><p>Viele dieser Maßnahmen wurden in Deutschland jedoch schon deutlich früher umgesetzt, so dass bereits in den frühen 90er Jahren deutliche Reduktionen der wichtigen Schwermetalle zu verzeichnen sind.</p>