Anleitung Anleitung zur Messung des Cadmi­um­ge­halts in Pilzen 1.756 / ~9 Reinhard W. . 2014

Bestimmung von Kadmium in Pilzen

Fragestellung:

Beschreiben Sie wie Sie bei der Bestimmung von Kadmium in Pilzen vorgehen, beginnend von der Probenvorbereitung, über die Analyse (erklären Sie die angewendete Technik) bis zur Auswertung.

Stellen Sie auch Überlegungen an welche Kadmiumemittenten in Frage kommen und ab welchen Mengen von wildwachsenden Pilzen beim Verzehr eine Gesundheitsgefahr bestehen könnte.

Inhaltsverzeichnis

1. Vorkommen, Verwendung und Anreicherung

Kadmium kommt in geringer Konzentration in der Erdkruste vor und ist damit ein seltenes Metall. Die Konzentration an Kadmium im Boden ohne zusätzliche Emittenten liegt bei 0,1 – 1,6 mg/kg. Natürlich kann Kadmium daher nicht abgebaut werden, wird aber stattdessen als Nebenprodukt bei der Zinkverhüttung gewonnen.

Kadmium wird in technischen Prozessen, wie der Herstellung von Bakterien oder als Rostschutzmittel für Eisenwerkstoffe verwendet. Außerdem wird es auch häufig als Stabilisator bei Kunststoffen verwendet.

Durch Verbrennungsprozesse fossiler Brennstoffe oder als Bestandteil in Schlamm gelangt Kadmium in die Umwelt und wird dort von Pflanzen aus dem Boden aufgenommen. Außerdem ist Kadmium ein Bestandteil von Kunstdünger und gelangt so auch auf die landwirtschaftlichen Flächen.

Kadmium ist außerdem in vielen Kunststoffen enthalten und wird bei der Verbrennung dieser Kunststoffe freigesetzt. Bei Müllverbrennungen führt dies dazu, dass die umliegende Umwelt das Kadmium aufnimmt und verarbeitet.

Da sich Kadmium im Boden anreichert, wird es von den Pflanzen, wie zum Beispiel von Weizen, Salat oder Pilze, hauptsächlich über die Wurzeln aufgenommen und im Gewebe gespeichert. Über die Nahrungskette gelangt dieses Element in den tierischen und schließlich in den menschlichen Körper, wo es sich in der Leber und den Nieren anreichert.

2. Schädigung des Körpers

Kadmium wird aus dem Magendarmtrakt zu etwa 5% in den Körper aufgenommen. Es lagert sich zum größten Teil in den Nieren ab, aber auch in anderen Organen wie Leber, Schilddrüse, Bauchspeicheldrüse, Speicheldrüsen und Knochen sind Kadmiumablagerungen nachzuweisen. Da Kadmium nur sehr langsam wieder aus dem Organismus ausgeschieden wird, findet mit zunehmendem Lebensalter eine Anreicherung im Körper statt. Hauptspeicherorgan sind dabei die Nieren, welche auch das Hauptzielorgan der Toxizität sind. Empfindlichste Zeichen einer Kadmiumintoxikation sind Störungen der Nierenfunktion.
Inhalativ aufgenommene Kadmiumhaltige Stäube und Aerosole können beim Menschen Lungenkrebs auslösen. Raucher haben daher eine 5-fach erhöhte Kadmium Blutkonzentration und ein erhöhtes Lungenkrebsrisiko.

Bei oraler Zufuhr von Kadmium mit der Nahrung ist nach derzeitigem Kenntnisstand jedoch nicht mit einem erhöhten Krebsrisiko zu rechnen.

Zeichen einer Kadmiumvergiftung sind unter anderem Erschöpfung, Rückenschmerzen, Übelkeit und dunkler Urin.

Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) hält für den normalgewichtigen Erwachsenen eine Kadmium-Aufnahme von 0,52 mg pro Woche nicht lebensbedrohlich.

3. Anreicherung in Pilzen

Pilze sammeln selektiv Schwermetalle und radioaktive Stoffe und erreichen so den höchsten Kadmiumgehalt in der gesamten Umwelt.

Schwermetalle, wie Blei, Quecksilber, Thallium oder Kadmium gelangen aus Industrie und Haushalt in die Umwelt und werden von den Pilzen eingesammelt. Die Der Kadmiumgehalt in Pflanzen ist weitgehend vom Standort abhängig. Dennoch geht er auf natürliche Ursachen zurück und steht nicht so sehr im Zusammenhang mit zunehmenden Umweltbelastungen, wie andere Schwermetalle wie zum Beispiel Blei. Pilze aus jahrhundertealten Sammlungen sind demnach genauso stark mit Kadmium belastet wie frisch gesammelte Exemplare.

Das Kadmium wird zu mehr als 50% in Spross, Blätter und Früchte geleitet. Besonders Champignonarten, aber auch Maronenröhrlinge sammeln selektiv Kadmium. Das Schwermetall scheint aber nach neueren Untersuchungen hauptsächlich in der Fruchtschicht des Pilzes konzentriert zu werden. So kann man die Belastung niedrig halten, wenn man Lamellen oder Poren entfernt. Eine gesundheitsgefährdende Belastung wird aber bei normalem Pilzgenuss nie erreicht.

4. Kadmiumgehalte in Lebensmitteln in mg/kg Frischsubstanz

Fischwaren 0,010 Weizen 0,056 Pilze 0,200 Obst 0,009 Kaffee 0,016 Schokolade 0,072 Mineralwasser 0,002 Eier 0,012 Rindfleisch	0,010
Schweinefleisch		0,010
Schweineniere		0,691
Rinderniere		0,619
Reis		0,025
Kartoffeln		0,047
Milch		0,002
Hühner		0,025

5. Kadmiumgehalt in Pilzen

Der Kadmiumgehalt wurde von insgesamt 402 wildgewachsener Arten bestimmt und lag bei Frischpilzen zwischen 0,01 und 10,8 mg/kg. Der Kadmiumgehalt von Pilzen ist sehr species- und gattungsabhängig.

Kadmiumarme Pilze waren weit in der Ãœberzahl.

89% der untersuchten Pilze enthielten weniger als 5 mg/kg Kadmium, 68% sogar weniger als 2 mg/kg Kadmium

41 Pilzarten wiederrum enthielten einen Kadmiumgehalt von mehr als 10 mg/kg. Russula Arten (Täublinge) erreichen den höchsten Kadmiumgehalt, welcher den höchstens Grenzwert weit überschreiten.

Kadmiumreiche Pilze erreichen einen erheblich höheren Kadmiumgehalt als im Boden überhaupt vorhanden ist, daraus kann man schließen, dass Pilze die einzelnen Schwermetalle aus den Boden gezielt herausfiltern.

Im einzelnen Fruchtkörper ist der Kadmiumgehalt im Stiel am niedrigsten, am höchsten wiederrum ist er in den Lamellen und in der Röhrenschicht. Die Lamellen enthalten 5-mal mehr Kadmium wie im Hut des Pilzes.

6. Methoden zur Bestimmung von Kadmium

In der Analytik kommt für die Kadmiumbestimmung häufig die Graphitrohr AAS und die ICP/MS zum Einsatz.

1. Nassaufschluss (Mikrowellenaufschluss)

Aufschlussverfahren werden grundsätzlich dafür eingesetzt um Feststoffe in flüssiger Form zu erhalten. Die Ziele sind daher die komplette Zersetzung der Matrix, die vollständige Lösung der Elemente und die Vermeidung von Kontamination.

Um Feststoffe aufzuschließen werden hohe Temperaturen und Drucke verwendet. Bei einem Nassaufschluss, der am häufigsten durchgeführt wird, wird Säure und meist Wasserstoffperoxid hinzugefügt um die Oxidation zu beschleunigen.

Speziell bei dem Mikrowellenaufschluss werden die Substanzen nicht direkt erwärmt, sondern durch IR-Strahlen. Diese bringen die Moleküle zu schwingen und heizen sie dadurch auf dadurch entsteht ein Druck von ca. 100 bar im Gefäß.

Der Aufschluss dauert 1 – 2 Stunden.

Am häufigsten wird Salpetersäure verwendet, da sie ein starkes Oxidationsmittel ist und ideal für AAS und ICP ist. Außerdem stellt die überschüssige Säure die zurückbleibt stellt kein Problem da.

Vorteile:

Extreme Zeitersparnis

Deutlich geringer Stromverbrauch

Tiegelschonung durch den Wegfall der Veraschung

2. HPA (High Pressure Asher)

HPA (Hochdruckverascher) wird dafür eingesetzt Substanzen aufzuschließen. Hierbei wird in einer Druckkammer ein Quarzgefäß eingebracht, das 0,2 – 0,5 g der Probe beinhaltet. Zur Probe wird Säure (Salpetersäure) und abhängig von der Probe auch Wasserstoffperoxid hinzugefügt.

Die Probe wird direkt durch einen Metallblock auf ca. 300 °C erhitzt, das dazu führt das im Gefäß CO2 entsteht.

In der Druckkammer wirkt ein Druck von 100 – 130 bar auf das Quarzgefäß um den Druck der im Quarzgefäß entsteht (CO2) entgegenzuwirken.

Mit dieser Methode erreicht man eine vollständige Mineralisierung und minimalste Kontamination der Probe. Durch das robuste Quarzgefäß kommt es zu keiner Deformation. Dadurch bekommt man eine maximale Aufschlussrate.

Die Aufschlusszeit beträgt 2 – 4 Stunden.

3. Graphitrohr AAS

Bei der Graphitrohr-AAS wird die Probe nicht wie bei der F-AAS mit der Flamme verdampft und atomisiert, sondern in einem kleinen Graphitrohr. Das Graphitrohr wird unter Schutzgas, in diesem Fall Argon, durch elektrischen Strom zum Glühen gebracht wird.

Der große Vorteil gegenüber der F-AAS ist, dass die Probe quantitativ in den Strahlengang gebracht und dort auch länger verbleibt.

Die Nachweisgrenze bei dieser AAS liegt 2-3 Größenordnungen unter der F-AAS, da die Probe für längere Zeit zur Verfügung steht. Dadurch können mit dieser Methode kleinere Konzentrationsbereiche bestimmt werden. Zum Vergleich, für die Graphitrohr AAS benötigt man für Kadmium ein Probevolumen von 0,001 - 0,01µL und bei der F-AAS einige 0,5 - 10 µL. Da die Konzentration an Schwermetallen in Pilzen sehr gering ist, wird diese Methode in Betracht gezogen.

Nachteile der Graphitrohr-AAS sind jedoch die geringe Präzision (5-10%) und die hohe Empfindlichkeit gegenüber Matrix-Effekten. Organische Verbindungen können den Verdampfungsprozess beeinflussen und Interferenzen hervorrufen.

Dennoch eignen sich beide Verfahren für schnelle serielle Messungen einer Vielzahl von Proben.

4. ICP-MS

Die ICP-MS (Induktiv gekoppeltes Plasma mit Massenspektrometer) beruht auf das System die Probe mit einer 5000°C heißen Flamme zu ionisieren. Für die Erzeugung des Plasmas und kühlen der Umgebung wird ionisiertes Argon verwendet. Nach der Ionisation werden die Ionen in das Vakuum-System des Massenspektrometers geleitet. Das Massenspektrometer sorgt dafür, dass die Ionen der Masse nach getrennt werden. Da jedes Element eine andere Masse verfügt, kann jedes Element charakteristisch bestimmt werden.

Die Nachweisgrenze der ICP/MS liegt bei den meisten Elementen bei 0,001 – 0,1 ng/L.

Heutzutage ist es sogar möglich, die einzelnen Ionen nach der Massentrennung zu detektieren um die Menge des Elementes zu bestimmen.

Die ICP wird sehr oft für die Bestimmung von Schwermetallen verwendet, da sie eines der Geräte mit der besten Selektivität ist.

Dennoch gibt es immer wieder Probleme, wie zum Beispiel Untergrundrauschen, Interferenzen oder Transmission des Systems, die die Messung erschweren.

5. ICP-OES

Die ICP-OES basiert auf die optische Untersuchung der emittierten Strahlung im Plasma. Die Grundlage dafür ist, dass die Plasmafakel die Atome anregt und diese die jeweilige Strahlung emittieren.

Dennoch wird die ICP-OES für die Analyse von Kadmium nicht herangezogen, da sie eine geringere Nachweisgrenze im Gegensatz zu anderen Messmethoden (z.B.: ICP-MS) verfügt.

Diese Methode wird sehr häufig in der Wasser- und Bodenanalyse eingesetzt.

7. Bestimmungen

1. Mirkowellenaufschluss

Für die Bestimmung von Kadmium werden die Pilze nur mechanisch gereinigt, bei 40°C getrocknet und danach in einer elektrischen Schlagmühle zermahlen. Zwischen den Arbeitsschritten lagert das Material staubfrei in verschlossenen Plastikbehältern.

Der Probenaufschluss erfolgt in Druckschlussbomben mit Tefloneinsätzen. In jeden Einsatz werden 200mg Pilzsubstanz eingewogen, mit 1,5 - 2 ml HNO3 (65%) versetzt und für zwei Stunden auf 170°C erhitzt. Anschließend wird mit destilliertem Wasser auf 10ml aufgefüllt.

2. Graphitrohr AAS

Der Messbereich liegt bei Kadmium zwischen 0,21 und 1,50 µg/L und wird bei 228,8 nm gemessen. Die Probelösung muss vor der Messung 1:10 – 1:100 verdünnt werden.

Vorgang:

Trocknung 1: Der Ofen wird für 30 Sekunden auf 90 – 130°C aufgeheizt um die Probe einzuengen und zu trocknen

Trocknung 2: Der Ofen wird für 20 Sekunden auf 400°C aufgeheizt um die Probe vollständig (Kristallwasser) zu trocknen

Pyrolyse: Der Ofen wird für 30 Sekunden auf 400 – 1500°C (abhängig von der Probe) aufgeheizt um alle organischen Bestandteile zu verbrennen (auch Veraschung genannt)

Atomisierung: Der Ofen wird für etwa 5 Sekunden auf 1500 – 2500°C aufgeheizt um die Probe zu atomisieren

Dieser Teil wird am meisten beansprucht, da die AAS innerhalb von einer Sekunde ihre gesamte Leistung zur Verfügung stellt um eine maximale aufheizrate zu erzielen.

Durch die dadurch entstehende Dichte der Atomwolke, ergibt sich eine maximale Empfindlichkeit.

Ausheizen: Am Ende der Analyse wird die Probe etwa für 3 Sekunden auf 2800 °C erhitzt um die Probe vollständig zu atomisieren

Die Standards müssen so gewählt werden das diese den Messbereich abdecken. In diesem Fall liegen die Standards zwischen 0,21 und 1,50 µg/L

Die Auswertung erfolgt bei dieser Methode am besten mit dem Standard-Additionsverfahren. Mit diesem Verfahren kann die Konzentration an Kadmium in der Probe leicht ermittelt werden.

Additionsverfahren: Mit diesem Verfahren können Fehler und Matrixeffekte bei niedrigen Konzentrationen minimiert werden. Der Unterschied zwischen dem Internen Standard und dem Verfahren ist das hier eine definierte Menge der selben Substanz zur Probe hinzugefügt wird.

Problem: Durch die Graphitrohrtechnik können Bestandteile der Probelösung zu Interferenzen führen, welche Einfluss auf die Messergebnisse haben.

3. Bestimmung mit ICP/MS

Der Messbereich von Kadmium liegt bei 0,01 – 0,1 µg/L. Die Standards werden daher so hergestellt, dass sie den gesamten Messbereich abzudecken.

Die Proben sollten vor der Messung 1:10 – 1:100 verdünnt werden um nicht über den Messbereich hinauszukommen.

Die Auswertung erfolgt durch lineare Regression.

Literatur:

Moodle…