Zigarettenkippen als Quelle für Nikotin im urbanen Wasserkreislauf

Zigaretten enthalten eine Mischung von zahlreichen Substanzen mit toxischen Effekten wie z.B. Schwermetalle, polyaromatische Kohlenwasserstoffe, Ethylphenol und Nikotin. Nikotin besitzt ein sehr hohes humantoxikologisches und ökotoxikologisches Potenzial (1). Nikotin konnte bereits in der aquatischen Umwelt nachgewiesen werden. In Oberflächengewässern mit Konzentrationen im unteren µg/L-Bereich (2, 3, 4) und in Trinkwasser im unteren ng/L-Bereich (5). Quelle für Nikotin sind sogenannte Life-style-Produkte wie Zigaretten und Produkte zur Rauchentwöhnung. Der Eintrag von Nikotin in die aquatische Umwelt erfolgt in der Regel über gereinigtes Abwasser. Ein weiterer Eintragspfad könnte der Eintrag von Nikotin aus Zigarettenstummeln sein, denn ein weitverbreiteter und überall aufzufindender Bestandteil von Müll im städtischen Bereich sind Zigarettenstummel. Im Rahmen einer kleinen Studie wurde die Verteilung von Zigarettenstummeln in einer Großstadt (Berlin) untersucht (6) sowie der Nikotingehalt, der durch Regenereignisse ins Kanalnetz gelangen kann. Hier werden die Ergebnisse bezüglich des Nikotineintrags dargestellt.

 
Mit einer Rauchmaschine (Heinrich Borgwaldt GmbH, Hamburg) wurden Zigaretten auf eine Länge von 3,7 cm abgeraucht (Standardkippe). Die Länge entspricht der durchschnittlichen Länge weggeworfener Zigarettenstummel (N = 124, (6)). Um einen Anhaltspunkt über die Nikotinmenge einer Standardkippe zu bekommen, wurden zuvor gewogene Kippen in je 1 L Reinstwasser gelegt (n = 3; 275, 296 und 304 mg, Braunglasflasche) und in definierten Zeitintervallen beprobt. In einem weiteren Experiment wurde ermittelt, wie viel Nikotin durch ein Regenereignis in die wässrige Phase gelangen kann. Hierfür wurden fünf gewogene Standardkippen (0,28, 0,27, 0,30, 0,28 0,32 g) auf ein Edelstahlblech (0,16 m2, Neigung von 2%), das auf einer Waage montiert war, gelegt. Die Kippen wurden dann über 15 Tage je einmal pro Tag beregnet (0,18 mm/min; 1,44 mm/d). Die täglich anfallenden Proben wurden gesammelt und bei 4°C dunkel aufbewahrt. Nach den 15 Tagen wurden die Kippen getrocknet (50°C) und das restliche Nikotin der fünf Standardkippen mit je 250 ml Reinstwasser gelöst (24 h).


Der Nikotingehalt der Proben wurde durch LC-ESI-MS/MS Analytik bestimmt (HP 1100, Agilent; Quattro Micro, Waters). Das Nikotin wurde im selected ion monitoring Modus detektiert (Produktionen: m/z 117 und 130). Contin-d3 (Produktionen: m/z 101 und 180) wurde als interner Standard eingesetzt. Die Trennung erfolgte über eine Synergi MAX-RP Säule (4 µm, 80 Å, 150 x 2 mm, Phenomenex). Eluent war Reinstwasser und Methanol, beide mit 1 mmol Ammoniumacetat versetzt. Kalibriert wurde von 50 bis 800 µg/L Nikotin (R2 > 0,998).

Die Vorversuche bezüglich der maximalen Menge an Nikotin, das bei Kontakt mit Wasser in die wässrige Phase übergehen kann, beträgt zwischen 5,5 und 6,8 mg/g Stummel (Abbildung 1).

<br />Abbildung 1: Übergang von Nikotin pro g Zigarettenstummel in die wässrige Phase (n= 3; A, B, C).

Die freigesetzte Nikotinmenge ist für zwei der untersuchten Kippen (A und C) annähernd gleich, während für die dritte Kippe (B) eine höhere Menge an Nikotin in der wässrigen Phase festgestellt wurde. Als Grund hierfür können unterschiedliche Nikotingehalte selbst innerhalb einer Zigarettenmarke verantwortlich sein, da es sich um ein Naturprodukt handelt. Bezogen auf den Mittelwert (5,9 mg/g) der drei Analysen sind 60 % der maximal extrahierbaren Nikotinmenge nach 60 min. in die Wasserphase übergegangen und über 90 % nach 240 min. Es kann also damit gerechnet werden, dass diese Menge auch nach Regenfällen freigesetzt wird, insbesondere wenn Kippen in Wasserlachen liegen. In der EU werden tabakhaltige Abfälle mit einer Nikotinmenge von 0,5 mg/g als gefährlich eingestuft (7), dieser Wert wird von einer weggeworfenen Zigarettenkippe um Faktor 12 übertroffen.

 
Abbildung 2 zeigt die durch Regenereignisse freigesetzte Nikotinmenge in mg pro g Zigarettenstummel und die kumulative Nikotinmenge.

<br />Abbildung 2: Freigesetzte und kumulierte Nikotinmenge pro g Zigarettenstummel durch Beregnung.

Bereits durch die ersten beiden Beregnungen sind über 70 % des Nikotins in die Wasserphase übergangen. Die kumulative Nikotinmenge nach 15 Tagen bzw. nach einer Beregnung mit insgesamt 21,6 mm beträgt 3,8 mg/g Zigarettenkippe. Nur 0,16 mg Nikotin pro g Stummel konnte im Batch-Versuch nach dem Beregnungsexperiment nachgewiesen werden, was allerdings an der zuvor durchgeführten Trocknung der Stummel liegen kann. Die Batch-Versuche haben gezeigt, dass im Mittel 5,9 mg Nikotin pro g Stummel freigesetzt werden kann, dies bedeutet, dass die freigesetzte Menge durch Regenereignisse lediglich 55 % beträgt. Gründe für den niedrigen Anteil können die unterschiedliche Kontaktart und- zeit sein, sowie Verluste durch Verdampfung und Transformation.


Um die Bedeutung des Eintrages von Nikotin in die aquatische Umwelt durch Regenwasser abschätzen zu können, wurde die Nikotinkonzentration für den Abfluss ins Oberflächenwasser und ins Grundwasser (Versickerung), für zwei Flächen mit unterschiedlicher Versiegelung berechnet (8). Laut Umweltatlas (8) betrug von 1909 bis 1990 die durchschnittliche Niederschlagsmenge in Berlin 596,3 L/m2 und im Durchschnitt gab es 172 Regentage pro Jahr. Demnach beträgt die durchschnittliche Regenmenge pro Regenereignis 3,5 L/m2. In Berlin können im Mittel 2,7 Zigarettenkippen pro m2 gefunden werden (6). Eine Kippe hat ein durchschnittliches Gewicht von 0,29 g (siehe Experimentelles), sodass pro m2 0,78 g Kippe vorliegen. Durch ein Regenereignis können 3,8 mg/g Stummel an Nikotin freigesetzt werden bzw. für 0,78 g Kippe/m2 eine Menge von 3 mg/m2 Nikotin. Unter Berücksichtigung der durchschnittlichen Regenmenge von 3,5 L/m2 pro Regenereignis entspricht dies einer Nikotinkonzentration von 0,86 mg/L. Basierend auf dieser Konzentration wurde die zu erwartende Nikotinkonzentration für den Oberflächenabfluss und die Versickerung für zwei unterschiedliche Flächenarten berechnet (Tabelle 1).

<br />Tabelle 1: Berechnete Nikotinkonzentration.

Werden Zigarettenkippen auf Stadtflächen entsorgt, so kann durch den Oberflächenabfluss eine Nikotinkonzentration von über 400 µg/L in Oberflächengewässer gelangen. Im Fall von Parkanlagen ist diese Konzentration durch den geringeren Anteil an Oberflächenabfluss mit 20 µg/L erheblich geringer. Im Fall von Stadtplatz und Parkanlage kann eine hohe Nikotinkonzentration dem Grundwasser durch Versickerung zugeführt werden (ca. 250 µg/L). Der Eintrag von Nikotin in die aquatische Umwelt durch weggeworfene Zigarettenstummel scheint also beachtlich zu sein.


Weggeworfene Zigarettenkippen enthalten eine große Menge Nikotin. Das Nikotin kann durch Regenereignisse aus Zigarettenstummeln gelöst werden und so mit dem Oberflächenabfluss in Oberflächengewässer gelangen wie auch durch Versickerung das Grundwasser erreichen. Angemerkt sei hier, dass ein Teil des Nikotins auch in die Atmosphäre übergehen kann, da die Substanz relativ leicht flüchtig ist. Die Konzentration an Nikotin, die über das Regenwasser in die Oberflächengewässer gelangen kann oder durch Versickerung das Grundwasser erreichen kann, hängt von der Art und der Versiegelung der Fläche ab. Die Regenwasserkonzentration wird dann bei Eintritt ins Oberflächen- oder Grundwasser verdünnt, allerdings könnte die resultierende Konzentration im Bereich des PNEC von 2,4 µg/L (2) und darüber liegen. Diese Studie soll u.a. durch die Analyse von Oberflächenwasser und ggf. Regenwasserproben weiter geführt werden.

Literatur

1) Muñoz, I.; José Gómez, M.; Molina-Díaz, A.; Huijbregts, M. A. J.; Amadeo R. Fernández-Alba, A. R.; García-Calvo, E. (2008) Ranking potential impacts of priority and emerging pollutants in urban wastewater through life cycle impact assessment. Chemosphere, 74(1), 37-44.


2) Valcarcel, Y.; Alonso, S. G.; Rodriguez-Gil, J. L.; Gil, A.; Catala, M. (2011). Detection of 505 pharmaceutically active compounds in the rivers and tap water of the Madrid Region (Spain) and potential ecotoxicological risk. Chemosphere, 84, 1336-1348.


3) Stuart, M.; Lapworth, D.; Crane, E.; Hart, A. (2012). Review of risk from potential emerging contaminants in UK groundwater. Sci Total Environ, 416, 1-21.


4) Benotti, M. J. and Brownawell, B. J. (2007). Distributions of pharmaceuticals in an urban estuary during both dry- and wet-weather conditions. Environ Sci & Technol, 41, 5795-5802.


5) Boleda, M. R.; Huerta-Fontela, M.; Ventura, F.; Galceran, M. T. (2011). Evaluation of the presence of drugs of abuse in tap waters. Chemosphere, 84, 1601-1607.


6) Roder Green, A.L.; Putschew, A.; Nehls, T. (2014) Littered cigarette butts as a source of nicotine in urban waters. Journal of Hydrology, im Druck.


7) Civilini, M.; Domenis, C.; Sebastianutto, N.; de Bertoldi, M. (1997). Nicotine decontamination of tobacco agro-industrial waste and its degradation by micro-organisms. Waste Manag Res, 420 (15), 349-358.


8) http://www.stadtklima.de