Mobilität: Wie hoch ist die Gefahr, dass eine Chemikalie das Grundwasser erreicht?

Wenn eine Chemikalie in Europa zugelassen werden soll, muss unter anderem untersucht werden, ob von dieser Chemikalie Gefahren für die Umwelt ausgehen. Dabei wird neben der Giftigkeit/Wirkung auf Umweltorganismen auch untersucht, wie sich die Chemikalie in der Umwelt ausbreitet, wenn sie beabsichtig oder unbeabsichtigt dorthin gelangt.

In der Umwelt bewegt sich eine Chemikalie nicht selbstständig fort, sondern immer nur in Verbindung mit einem Transportmedium, in der Regel Luft oder Wasser. Da nicht leicht flüchtige Chemikalien in den meisten Fällen in Böden oder Gewässer gelangen, ist es von besonderer Bedeutung, wie sich die Chemikalie mit Wasser durch einen Boden bewegt. Der Boden hat hier eine besondere Schutzfunktion, da er beim Versickern von z.B. Regenwasser darin gelöste Chemikalien aus dem Wasser herausfiltern kann. Aufgrund dieser Filterfunktion des Bodens gelangen die meisten Chemikalien nicht ins Grundwasser, was für die Versorgung der Menschen mit sauberem Trinkwasser von entscheidender Bedeutung ist.

Ob eine Chemikalie gut oder weniger gut von einem Boden aus dem Wasser gefiltert wird, kann mit dem sogenannten „Sorptionskoeffizient“ beschrieben werden. Während Chemikalien mit hohen Sorptionskoeffizienten sehr stark von Böden festgehalten werden, sind Chemikalien mit niedrigen Sorptionskoeffizienten potenziell eine Gefahr für das Grundwasser. Daher ist die Kategorie „mobil (M)“ oder „sehr mobil (vM)“ in der Chemikalienregulation besonders wichtig.

Bestimmung des Sorptionskoeffizienten durch Labormethoden und Computermodelle

Für die Bestimmung des Sorptionskoeffizienten stehen verschiedene Methoden zur Verfügung, die von einer vollständig computerbasierten Abschätzung aufgrund der Molekülstruktur („QSAR“) bis zu aufwendigen experimentellen Untersuchungen in gewachsenen Bodenkernen mit radioaktiv markierten Chemikalien reichen. Dazwischen gibt es Labormethoden verschiedener Komplexität zur Abschätzung der Mobilität. In der Chemikalienregulation werden zunächst Daten aus den Labormethoden verwendet. Nur in Ausnahmefällen werden noch Studien mit Bodenkernen durchgeführt, da diese inzwischen gut mit Computermodellen simuliert werden können, wenn entsprechende Daten aus Laborversuchen vorliegen.

Die heute gängigen Labormethoden zur Bestimmung der Mobilität wurden ursprünglich überwiegend für die Untersuchung von Pflanzenschutzmitteln entwickelt. Diese sind meist eher weniger mobil und der Messbereich der aktuellen Labormethoden ist entsprechend eher auf diese mittlere Mobilität optimiert. Mit der REACH Chemikalienregulation kommen inzwischen aber ganz andere Chemikalien in den Fokus der Betrachtung. Darunter sind auch viele in Böden sehr mobile Chemikalien, z.B. ionisierbare organische Chemikalien oder stark polare Substanzen. Für diese Chemikalien funktionieren die etablierten Laborverfahren nicht mehr zuverlässig, was zu einer großen Unsicherheit hinsichtlich des Transportverhaltens führt. Auch wenn die Tests durchaus den Hinweis geben, dass diese Chemikalien in Böden mobil sein werden, so ist eine numerische Bestimmung des Sorptionskoeffizienten oft nicht möglich. Da die regulatorische Bewertung auf diesen numerischen Werten des Sorptionskoeffizienten beruhen, ist das ein Problem.

Verschiedene Ansätze zur Bestimmung der Mobilität

Während die aktuellen Laborverfahren auf der Sorption der Chemikalien an der organischen Bodenmatrix („Humus“) basieren, ist es möglich, dass ionische Chemikalien vor allem mit den teilweise geladenen Bodenmineralien (z.B. Tonminerale) wechselwirken. Um dies zu untersuchen, verfolgen die Wissenschaftler der Abteilung Ökologische Chemie des Fraunhofer IME unter der Leitung von Dr. Dieter Hennecke zwei unterschiedliche Ansätze:

Die Bodensäulenmethode

In einem vom Industrieverband CEFIC finanzierten Projekt wird die Mobilität von sehr polaren organischen Chemikalien in Bodenmaterial aus einer Uferfiltration untersucht. Dazu wird das Material in Bodensäulen gepackt und die Chemikalie in Wasser, das die Säule in einer konstanten Geschwindigkeit durchfließt, gelöst über die Säule „gezogen“. Aufgrund der Wechselwirkungen der Chemikalie mit dem Bodenmaterial kommt es dabei zu einer verzögerten Ankunft der Chemikalie am Säulenausgang. Mit dieser Verzögerung kann mit einem angepassten Computermodell der Sorptionskoeffizient berechnet werden. Das Besondere an dem Bodenmaterial ist das weitgehende Fehlen von organischem Kohlenstoff, so dass der beobachtete Rückhalt praktisch vollständig der Wechselwirkung mit der mineralischen Bodenmatrix zugeschrieben werden kann. Wie bei allen neuen Methoden gibt es auch hier zunächst einige unerwartete Herausforderungen zu überwinden, wie z.B. unerwartet starker Abbau einer der gewählten Testsubstanzen während der Säulenpassage oder dem Stören des anorganischen Tracers (KBr) bei der nachfolgenden chemischen Analytik des Säuleneluats. Durch den Einsatz einer radioaktiv markierten Testsubstanz konnte aber dennoch erfolgreich der Sorptionskoeffizient bestimmt werden. Die aus diesem Experiment generierten Daten werden verwendet, um den Säulenversuch weiter zu optimieren und auch für die anderen Testsubstanzen experimentelle Sorptionskoeffizienten zu ermitteln. Nach erfolgreicher Entwicklung ist das Ziel, die Bodensäulenmethode als Referenzmethode für die Ermittlung der Mobilität hochmobiler organischer Chemikalien zu etablieren. Integraler Bestandteil des Projekts ist die Anpassung der Modelle, die aus den Säulendaten belastbare numerische Sorptionskoeffizienten ableiten. Diese Arbeiten werden in Kooperation mit Wissenschaftlern der Universität Kopenhagen (DTU) durchgeführt.

In einem zweiten von der britischen Umweltagentur initiierten Projekt wird eine Screeningmethode entwickelt, um mit verhältnismäßig geringem experimentellen Aufwand den Sorptionskoeffizienten anhand des Rückhalts der Chemikalie in einer kommerziell erhältlichen analytischen HPLC-Trennsäule abzuschätzen. Eine solche Methode wurde in den 90er Jahren vom Fraunhofer IME für moderat mobile Chemikalien entwickelt (OECD 121), hat aber Grenzen für sehr mobile Chemikalien. Durch Anpassung der verwendeten Säulenmaterialien wird aktuell versucht, die relevanten Wechselwirkungen mobiler Chemikalien in humusarmen Böden besser abzubilden. Dafür dringend benötigt wird eine Referenzmethode, die gerade im beschriebenen CEFIC Vorhaben entwickelt wird.

Die hohe Relevanz der Arbeiten wurde deutlich beim Mobility Workshop in der Bibliothek der »Royal Society of Chemistry« in London im November 2025 (»Mobilität polarer und ionisierbarer Stoffe in der Umwelt«). Neben Vertretern aus der Industrie waren auch zahlreiche Vertreter aus der Chemikalienregulation anwesend. Insbesondere die Dringlichkeit der Arbeiten wurde mehrfach betont, da bereits aktuell Chemikalien klassifiziert werden hinsichtlich ihrer Mobilität, basierend auf Daten aus den aktuellen Testrichtlinien, die für die Testung mobiler Chemikalien gar nicht geeignet sind und keine belastbaren Daten liefern.

Der Leaching Calculator

Während des Workshops wurde mit dem Leaching Calculator eine Entwicklung aus der Abteilung Bioinformatik und Modellierung von Dr. Judith Klein vorgestellt, die anhand des Sorptionskoeffizienten und der biologischen Abbaurate eine erheblich bessere Aussage zum Transportverhalten einer Substanz machen kann, als das bisher der Fall ist. Beide Parameter hängen zusammen und ein starker Rückhalt in der im Vergleich zum Grundwasserleiter biologisch viel aktiveren oberen Bodenschicht führt bei biologisch abbaubaren Chemikalien dazu, dass sie lange genug dort zurückgehalten werden, um vollständig eliminiert werden zu können. Dies wird im Leaching Calculator jetzt berücksichtigt.