Einführung in polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAH)

Die erste bekannte Verwendung des Wortes aromatisch als chemischer Begriff für Verbindungen, die eine Phenylgruppe enthalten, taucht in einem Artikel von August Wilhelm von Hofmann aus dem Jahr 1855 auf, einem deutschen Chemiker, der wesentliche Beiträge zur organischen Chemie leistete. Hofmann verwendete den Begriff für eine Klasse von Benzolverbindungen, von denen viele im Gegensatz zu reinen gesättigten Kohlenwasserstoffen Gerüche (Aromen) aufweisen. Benzol (C₆H₆) ist der am wenigsten komplexe aromatische Kohlenwasserstoff und wurde als erster als solcher benannt. Die Art seiner Bindung wurde erstmals im 19. Jahrhundert von August Kekulé, dem Hauptbegründer der chemischen Strukturtheorie und der Kekulé-Struktur des Benzols, erkannt.

Was sind PAHs?

PAK sind organische Stoffe, die aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen bestehen, die in mindestens zwei kondensierten oder verschmolzenen aromatischen Ringstrukturen angeordnet sind, oder organische Verbindungen, die aus mehreren aromatischen Ringen zusammengesetzt sind. Der Hauptunterschied zwischen polyzyklischen und polynuklearen aromatischen Kohlenwasserstoffen besteht darin, dass der Begriff polyzyklisch das Vorhandensein von zwei oder mehr miteinander verschmolzenen zyklischen Strukturen beschreibt, während der Begriff polynuklear das Vorhandensein von mehr als einem Atom beschreibt.

PAK sind eine chemische Klasse, die natürlich in Kohle, Rohöl und Benzin vorkommt. Sie entstehen bei der Verbrennung von Kohle, Öl, Gas, Holz, Müll und Tabak (Zigarettenrauch enthält viele PAK). Sie entstehen auch bei der unvollständigen Verbrennung von organischem Material, beispielsweise in Motoren und Verbrennungsanlagen oder bei der Verbrennung von Biomasse in Waldbränden.

Der einfachste Vertreter der PAK ist Naphthalin, das zwei aromatische Ringe besitzt. Beispiele für Verbindungen mit drei Ringen sind Anthracen und Phenanthren. Mehr als 20% des Kohlenstoffs im Universum können mit PAK verbunden sein, die als mögliches Ausgangsmaterial für die frühesten Formen des Lebens gelten.

PAHs gehören auch zu der Klasse von Chemikalien, die als persistente organische Schadstoffe (POPs).

Liste der PAHs

Einige bekannte PAK-Verbindungen, ihre gebräuchliche Bezeichnung und ihre Eigenschaften sind:

• Naphthalin - Kampfer.
• Anthracen - Steinkohlenteer, der in Farbstoffen wie dem roten Farbstoff Alizarin verwendet wird.
• Phenanthren - Wird zur Herstellung von Farbstoffen, Kunststoffen, Pestiziden, Sprengstoffen und Drogen verwendet.
• Acenaphthylen - Farbloser kristalliner Feststoff, der in der Farbstoffsynthese, in Insektiziden, Fungiziden und bei der Herstellung von Kunststoffen verwendet wird.
• Fluoren - Bildet weiße Kristalle, die einen charakteristischen, aromatischen Geruch wie Naphthalin aufweisen. Brennbar und mit violetter Fluoreszenz. Wird zu kommerziellen Zwecken aus Steinkohlenteer gewonnen und zur Herstellung von Farbstoffen, Kunststoffen und Pestiziden verwendet.
• Fluoranthen - wird auf natürliche Weise bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen und Holz freigesetzt und ist ein Bestandteil von Farbstoffen, Arzneimitteln und Isolierölen.
• Pyren - Handelsname eines Feuerlöschers CCl4. Es ist die einzige organische Verbindung, die nicht entflammbar ist.
• Benz[a]anthracen - Entsteht bei der unvollständigen Verbrennung von organischem Material. Wird nicht kommerziell hergestellt, aber in Forschungslabors verwendet.
• Chrysen - Orthofusioniertes polyzyklisches Aren, das häufig in Steinkohlenteerpech, Kreosot oder anderen Steinkohlenteerprodukten vorkommt.
• Benzo[b]fluoranthen - Farbloser, aromatischer Kohlenwasserstoff, der aus fünf verschmolzenen Ringen besteht und bei der unvollständigen Verbrennung von organischem Material entsteht. Hauptsächlich in Benzinabgasen, Tabak- und Zigarettenrauch, Kohlenteer, Ruß, Aminosäuren und Fettsäurepyrolyseprodukten enthalten.

Einstufung von PAHs

PAK mit bis zu sechs kondensierten aromatischen Ringen werden als ‘kleine’ PAK bezeichnet, während PAK mit mehr als sechs aromatischen Ringen als ‘große’ PAK bezeichnet werden. Sie werden auch in alternative und nicht alternative Verbindungen eingeteilt.

PAK werden unterteilt in leichtmolekulare PAK mit zwei oder drei aromatischen Ringen und hochmolekulare PAK mit vier oder mehr aromatischen Ringen.

Quellen von PAHs in der Umwelt

PAK gelangen sowohl durch natürliche als auch durch vom Menschen verursachte Prozesse in die Umwelt. Die wichtigsten natürlichen Quellen für PAH in der Umwelt sind Waldbrände und vulkanische Aktivitäten. Die Verbrennung von Holz zum Heizen und Kochen war schon immer eine bedeutende anthropogene Quelle für PAK in der Atmosphäre. Seit der industriellen Revolution gibt es wichtige stationäre Quellen, wie die verarbeitende Industrie und die Stromerzeugung. Seit dem frühen 20. Jahrhundert tragen auch mobile Quellen in Form von benzin- und dieselbetriebenen Motoren wesentlich zur Gesamtbelastung der Umwelt mit PAK bei.

Kommunale Verbrennungsanlagen sind eine problematische Quelle für PAK-Emissionen, zum Teil weil es für die kommunalen Behörden schwierig ist, den Inhalt und die Zusammensetzung des Mülls streng zu kontrollieren. Zu den in Flugasche aus kommunalen Müllverbrennungsanlagen gemessenen PAK gehören in der Regel Phenanthren, Benzo(g,h,i)perylen, Fluoranthen, Benzo(a)fluoranthen, Indeno(1,2,3-c,d)pyren und Chrysen.

Mehrere Produktionstätigkeiten sind für große Umweltemissionen verantwortlich. Kohleteere sind Nebenprodukte der zerstörerischen Destillation (Verkokung) von Kohle zur Herstellung von Koks oder Gas und können Hunderte bis Tausende von einzeln identifizierbaren Chemikalien enthalten. Autoabgase von PKWs und LKWs tragen ebenfalls in hohem Maße zur PAK-Belastung der Atmosphäre bei, insbesondere in städtischen Gebieten.

Häufige Produkte, die PAH verwenden

Zu den Lebensmitteln, die geringe Mengen an PAK enthalten können, gehören gerösteter Kaffee, geröstete Erdnüsse, raffiniertes Pflanzenöl, Getreide, Gemüse und Obst. Hohe PAK-Gehalte sind aus Trockenfrüchten, Oliventresteröl, geräuchertem Fisch, Traubenkernöl, geräucherten Fleischprodukten, frischen Weichtieren, Gewürzen, Soßen und Gewürzmischungen bekannt. Eine Reihe von Kosmetika und Shampoos werden mit Steinkohlenteer hergestellt und enthalten daher PAK. Die PAK-Verbindung Naphthalin ist in einigen Mottenkugeln enthalten.

Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit

Die Auswirkungen von PAK auf die menschliche Gesundheit hängen hauptsächlich von der Dauer und dem Weg der Exposition, der Menge oder der Konzentration der PAK, denen man ausgesetzt ist, und der relativen Toxizität der PAK ab. Der Mensch kann PAK auf verschiedenen Wegen aufnehmen, z. B. durch Einatmen, Berührung mit der Haut oder durch Verschlucken. Viele PAK werden allgemein als krebserregend, erbgutverändernd und teratogen bezeichnet und stellen daher eine erhebliche Gefahr für die menschliche Gesundheit und das Wohlbefinden der Menschen dar.

Obwohl PAK im Allgemeinen eine geringe akute Toxizität für den Menschen aufweisen, wird eine erhöhte Inzidenz von Lungen-, Haut- und Blasenkrebs mit einer beruflichen Exposition gegenüber PAK in Verbindung gebracht. Wiederholter Hautkontakt mit dem PAH Naphthalin kann zu Rötungen und Entzündungen der Haut führen. Andere Verbindungen, die häufig mit PAK in Verbindung gebracht werden, können kurzfristige Symptome wie Augenreizungen, Übelkeit, Erbrechen, Durchfall und Verwirrung verursachen.

Langfristige gesundheitliche Auswirkungen der Exposition gegenüber PAK können Katarakte, Nieren- und Leberschäden sowie Gelbsucht sein. Das Einatmen oder Verschlucken großer Mengen von Naphthalin kann den Zerfall roter Blutkörperchen verursachen. Die Haut, die Lunge, die Bauchspeicheldrüse, die Speiseröhre, die Blase, der Dickdarm und die weibliche Brust sind zahlreiche Organe, die bei langfristiger PAK-Exposition anfällig für die Entwicklung von Tumoren sind. Eine PAK-Exposition kann das Risiko von Lungenkrebs sowie von Herz-Kreislauf-Erkrankungen wie Arteriosklerose, Thrombose, Bluthochdruck und Herzinfarkt erhöhen.

Auswirkungen auf Tiere

Die langfristige Exposition gegenüber geringen Mengen bestimmter PAK wie Benzo(a)pyren hat bei Labortieren Krebs verursacht. Obwohl Tierstudien negative Auswirkungen der PAK-Exposition auf die Fortpflanzung und Entwicklung gezeigt haben, wurden diese Auswirkungen beim Menschen im Allgemeinen nicht beobachtet.

PAK sind in hohem Maße fettlöslich und werden daher leicht aus dem Magen-Darm-Trakt von Säugetieren aufgenommen. Daten aus Tierversuchen zufolge werden sie durch Verschlucken, Einatmen und Hautkontakt absorbiert. Die Toxizität von PAK für aquatische Arten wird durch Stoffwechsel und Photooxidation beeinflusst. Sie sind im Allgemeinen in Gegenwart von ultraviolettem Licht schädlich. PAH haben eine mittlere bis hohe akute Toxizität für Wasserorganismen und Vögel. Forscher haben über ein erhöhtes Auftreten von Haut-, Lungen-, Blasen-, Leber- und Magenkrebs sowie von Sarkomen an der Injektionsstelle bei Tieren berichtet.

Schlussfolgerung

PAK mit ihrem Potenzial, Krebs, Mutagenität und andere gesundheitsschädliche Wirkungen zu verursachen, erfordern ein regulierendes Eingreifen. Der weit verbreitete Einsatz dieser Verbindungen in verschiedenen Industriezweigen erfordert einen strukturierten Ansatz zur Minderung ihrer Risiken. Regierungen und Aufsichtsbehörden konzentrieren sich auf die Festlegung von Normen zum Schutz der menschlichen Gesundheit und der Umwelt.

In unserem nächsten Artikel werden wir uns ansehen, was diese Institutionen tun, um eine verantwortungsvolle Regulierung dieser Stoffe zu schaffen.