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Arsen (As) und Wasser

Arsen und Wasser: Reaktionen, Umwelt- und Gesundheitseffekte

Reaktionen Löslichkeit Quellen Umwelt Gesundheit Wasserbehandlung

Arsen ist in Meerwasser zu etwa 2-4 ppb, in Flüssen nur zu 0,5-2 ppb enthalten. Die Hälfte hiervon ist in Flusssedimenten partikulär gebunden. Süßwasser- und Meeresalgen haben einen Arsengehalt von 1-250 ppm, Süßwassermakrofyten von 2-1450 ppm, marine Mollusken von 1-70 ppm, marine Krustazeen von circa 0,5-69 ppm und Fische von 0,2-320 ppm (alle Werte beziehen sich auf die Trockenmasse). In einigen marinen Organismen, wie etwa Algen und Garnelen, kommt Arsen in Form von Organo-Arsenverbindungen vor.

Wie und in welchen Verbindungen reagiert Arsen mit Wasser?

Elementares Arsen reagiert unter Normalbedingungen in Abwesenheit von Luft nicht mit Wasser. Während es auch mit trockener Luft nicht reagiert, läuft es an feuchter Luft an. Diese Schicht ist erst bronzen und wird später zu einer schwarzen Oberfläche.
Ein Beispiel für eine Arsenverbindung, die mit Wasser reagiert, ist Orpiment, eine amorphe Arsenverbindung. Die Reaktionsgleichung ist dann wie folgt:

As2S3 + 6 H2O -> 2 H3AsO3 + 3 H2S

In natürlichen Gewässern spielt Arsen bei zahlreichen Oxidations- und Reduktionsreaktionen, bei Ionenaustausch, Ausfällung und Adsorptionsreaktionen eine Rolle. So führt etwa die Adsorption von Arsen an Schwebeteilchen und die Mitfällung mit Aluminium- oder Eisenhydroxiden dazu, dass ein großer Teil des Arsens vom Wasser in das Sediment gelangt. Reduktionsreaktionen oder Methylierungen können es wiederum in das Wasser zurückführen.

Wasserlöslichkeit von Arsen und/oder seinen Verbindungen

Elementares Arsen ist ein relativ schwer wasserlöslicher Stoff, wohingegen seine Verbindungen eine hohe Wasserlöslichkeit besitzen können. In wässriger Lösung ist es vor allem als HAsO42-(aq), H2AsO4- (aq), wahrscheinlich auch H3AsO4 (aq), AsO43-(aq) oder H2AsO3-(aq) zu finden.
Beispiele für Wasserlöslichkeiten von verschiedenen Arsenverbindungen sind Arsen(III)hydrid mit einer Löslichkeit von 700mg/L, Arsen(III)oxid, von dem 20 g pro Liter Wasser gelöst werden können, Arsensäure (H3AsO4.1/2 H2O) mit einer Löslichkeit von 170 g/L und Arsen(III)sulfid mit 0,5 mg/L.

Löslichkeit und wie diese beeinflusst werden kann

Wie kann Arsen ins Wasser gelangen?

Arsenverbindungen sind mit die am meisten verbreiteten Stoffe in der Erdkruste, die bei Bergbauaktivitäten freikommen und sich in der Umwelt verbreiten können. So ist etwa auch in Grundwasser Arsen zu finden, das bei der Verwitterung von Gesteinen und Böden gelöst wird. Vor allem in Gebieten mit geothermischer Aktivität können die Arsenkonzentrationen im Grundwasser hoch sein. In aquatischen Ökosystemen kommen vor allem anorganische Arsenverbindungen vor, die etwa aus Arsenolith (As2O3), Orpiment (As2S3), Arsenkies (AsFeS) und Realgar (As4S4) entstehen.
Arsen wird in verschiedenen Verbindungen vom Menschen genutzt und kann auch auf diese Art in Gewässer gelangen. Die großen Mengen Arsen, die bei vulkanischen Aktivitäten und durch Mikroorganismen freigesetzt werden, werden schon etwa durch die Verbrennung von fossilen Brennstoffen übertrumpft. Metallisches Arsen wird in Legierungen mit anderen Metallen, wie Blei oder Kupfer, verarbeitet um deren Härte zu erhöhen. Das extrem toxische Arsengas (AsH3) nimmt einen wichtigen Platz in der Herstellung von Mikrochips ein. Zur Schädlingsbekämpfung im Weinbau eingesetztes Kupferarsenitacetat ist inzwischen in vielen Ländern verboten. Auch Kupferarsenit kann als Insektizid und Fungizid verwendet werden. Andere Arsenverbindungen dienen wiederum als Holzschutzmittel, oder werden in der Glasverarbeitung, der chemischen Industrie oder zusammen mit Gallium und Indium in der Halbleitertechnik verwendet.
Holländische Maler nutzten Arsen als gelbes Pigment. Auch wurden Arsenverbindungen im ersten Weltkrieg für chemische Waffen benutzt. Im Vietnamkrieg diente Dimethylarsensäure zur Vernichtung von Reiskulturen.
Obwohl Arsen heute viel weniger genutzt wird, ist es noch immer in der Umwelt zu finden. So sind bei alten Bergwerken noch immer Konzentrationen von bis zu 30 g/kg in Böden anzutreffen.
Auch zu medizinischen Zwecken wird und wurde Arsen eingesetzt. In Heilwasser soll es gegen Asthma, hämatologische Erkrankungen, Dermatosen und Psychosen helfen. Im 19. Jahrhundert wurde die wässrige Lösung von Kaliumarsenit (Fowler’sche Lösung) zur Behandlung von u.a. chronischem Bronchialasthma und Anfang des 20. Jahrhunderts wurden weitere Arsenverbindungen zur Behandlung von Syphilis eingesetzt. Auch gegen die Schlafkrankheit und Leukämie kann es zum Einsatz kommen.
Weniger gezielt gelangen Arsenverbindungen über die Nahrung in den menschlichen Körper. Hierbei handelt es sich um etwa 90% der gesamten Arsenaufnahme, vor allem beim Konsum von Fisch(produkten). Über die Verfütterung von Fischmehl kann Arsen in Fleisch, über kontaminierte Böden in pflanzliche Lebensmittel gelangen. In Pilzen, die in der Nähe von ehemaligen Arsenschmelzen wachsen, wurden Konzentrationen von bis zu 50 mg/kg Arsen in der Trockensubstanz gefunden.

Welche Umweltprobleme können durch Wasserverunreinigung mit Arsen entstehen?

Arsen ist für einige Tiersorten essentiell und hilft bei der Proteinsynthese. Ob eine Funktion als Spurenelement für den Menschen existiert, ist nicht deutlich. Andererseits ist seine Toxizität von großer Bedeutung für Organismen. Bei Süßwasseralgen gelten Konzentrationen von 2-46 ppm als Grenze für eine Schädigung. Die LC50-Werte, die die Konzentrationen angeben, bei denen 50% einer Population stirbt, liegen beim großen Wasserfloh (Daphnia Magna) bei 7,4 ppm und bei der amerikanischen Auster bei 7,5 ppm. Diese Werte sind auf eine Zeitspanne von 48 Stunden bezogen. Der chronische Toxizitätswert, bezogen auf drei Wochen, liegt beim großen Wasserfloh bei 0,5 ppm.
Bei der Ratte wurde ein LD50-Wert, die letale Dosis, bei der 50% einer Population sterben, von 20 mg pro Kilogramm Körpergewicht festgestellt. Dies ist dann wahrscheinlich auf die karzinogene Wirkung von Arsen(III)oxid zurückzuführen. Dieser Stoff blockiert außerdem enzymatische Prozesse und gilt auch deswegen als toxisch. Bei Maus, Hamster und Ratte wurden eine embryoletale und teratogene Wirkung konstatiert. Farne weisen eine extreme Bioakkumulation von Arsen auf.
Natürlicherweise gibt es nur ein Arsenisotop, welches stabil ist. Inzwischen existieren auch 19 instabile Isotope.

Welche Gesundheitseffekte kann Arsen im Wasser verursachen?

Durch Arsen ausgelöste Erkrankungen haben ihren Ursprung meist im Konsum von kontaminiertem Trinkwasser. Früher wurde Arsen oft als Gift zu Mordzwecken verwendet, da die Symptome einer akuten Arsenvergiftung denen einer Choleraerkrankung ähneln.
Da aus Experimenten mit Tieren, wie bereits erwähnt, hervorging, dass Arsen für einige Arten essentiell ist, hat man auch eine Dosis für den Menschen, nämlich 15-25 μg abgeleitet, die er einnehmen müsste, wenn es sich bei Arsen um ein Spurenelement handelte. Diese Menge wird durch die aufgenommene Nahrung problemlos gedeckt. Die Gesamtmenge Arsen im Körper beträgt 0,5-15 mg.
Viele Arsenverbindungen werden zu 60-90 % vom Menschen resorbiert. Der Körper kann sich jedoch auch oft einfach wieder von ihnen befreien. Außerdem ist eine Gewöhnung an gewisse Mengen Arsen möglich. Kurze Zeit nach der Resorption ist das Arsen in Leber, Niere, Milz, Lunge und Verdauungstrakt zu finden. Was nicht über den Urin wieder ausgeschieden wird, findet sich später in Haut, Haaren, Nägeln, Knochen und Zähnen wieder.
Bei langzeitiger Einwirkung von Arsen auf den Körper können fast alle Organe geschädigt werden, die Pigmentierung der Haut kann sich verändern und Haarausfall und Störungen des Nagelwachstums können auftreten.
Die Toxizität von Arsenverbindungen ist sehr unterschiedlich und nimmt etwa von anorganischem Arsenit über Monomethylarsensäure bis zu Arsenocholin sehr stark ab. Die akute Toxizität von anorganischen Arsenverbindungen ist im Allgemeinen wesentlich höher als die von organischen. Als tödliche Dosis Arsenoxid gilt eine Einnahme von mehr als 100 mg. Bei Arsentrioxid gelten 10-180 mg als tödlich, und bei Arsenit geht man von 70-210 mg aus. Die giftige Wirkung rührt aus der Bindung von schwefelhaltigen Enzymen und deren Blockierung. Symptome von akuten Arsenvergiftungen sind Übelkeit, Erbrechen, Durchfall, Cyanose, Herzrhythmusstörungen, Verwirrung und Halluzinationen. Chronische Arsenvergiftungen haben hingegen eher unspezifische Symptome, wobei es sich etwa um Benommenheit, Depressionen, Schlafstörungen und Kopfschmerzen handeln kann.
Oft handelt es sich bei den durch Arsen verursachten Gesundheitsschäden nicht um akute Vergiftungen, sondern um die Entstehung von Krebs, vor allem Hautkrebs und den durch Rauchen verursachten Lungenkrebs, Blasen- und Bronchialkrebs.
Außerdem kann Arsen zu einem geringen Geburtsgewicht führen und spontane Fehlgeburten auslösen.
Da Arsen im Trinkwasser weltweit betrachtet auch heute noch von großer Bedeutung ist, hat man eine Absenkung des empfohlenen Grenzwerts von 10 μg/L vorgenommen, der jedoch in Ländern wie Vietnam und Bangladesh, wo Millionen von Menschen Trinkwasser mit einem Arsengehalt von etwa 50 μg/L zu sich nehmen, nicht erreicht werden kann. Durch dieses kontaminierte Trinkwasser treten keine akuten Vergiftungen auf, Hautveränderungen und Hautkrebs, Tumore an Lunge, Blase, Niere und Leber kommen hingegen auffallend häufig vor.

Welche Wasserreinigungstechnologien können genutzt werden um Arsen zu entfernen?

Die Beseitigung von Arsen aus Wasser kann auf verschiedene Arten erreicht werden. Möglichkeiten sind u.a. Ionenaustausch, Membranfiltration oder Eisen- und Aluminiumkoagulation. Da Trinkwasser fast ausschließlich anorganisches Arsen, meist in Form von Arsenit oder Arsenat, enthält, ist eine Bestimmung des Gesamtarsens ausreichend. Es muss also nicht zwischen verschiedenen Arten von Arsenverbindungen unterschieden werden.
Um Arsen aus Böden zu entfernen, können aufgrund der hohen Bioakkumulation übrigens Farne genutzt werden.

Die Trinkwassernormen von WHO, EU und Deutschland geben alle eine Arsenkonzentration von maximal 0,01 mg/l vor.

Trinkwassernormen im Vergleich

Quellenangaben


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