Die Umweltprobenbank: Mobiles Labor füllt Probenbank des Bundes

  • Abb. 1: Technische Besonderheiten des epidemiologischen Labors des Fraunhofer Instituts. Blau: Empfang und Datenkontrolle; orange: Zahnstatus und Blutentnahme; grün: BSL-2 Labor; gelb: Technik. Insgesamt 54,2 m2. (Quelle Fraunhofer IBMT) Abb. 1: Technische Besonderheiten des epidemiologischen Labors des Fraunhofer Instituts. Blau: Empfang und Datenkontrolle; orange: Zahnstatus und Blutentnahme; grün: BSL-2 Labor; gelb: Technik. Insgesamt 54,2 m2. (Quelle Fraunhofer IBMT)
  • Abb. 1: Technische Besonderheiten des epidemiologischen Labors des Fraunhofer Instituts. Blau: Empfang und Datenkontrolle; orange: Zahnstatus und Blutentnahme; grün: BSL-2 Labor; gelb: Technik. Insgesamt 54,2 m2. (Quelle Fraunhofer IBMT)
  • Abb. 2: Zwischen 1998 und 2008 konnte eine Abnahme von Weichmachern (DnBP, DEHP, DiBP, BzBP) im Urin junger Erwachsener durch die Analyse von Proben der UPB nachgewiesen werden. Zeitgleich nahmen nichtregulierte Weichmacher (DiNP) in ihrer Konzentration im Urin zu. Zur visuellen Veranschaulichung werden die einzelnen Messwerte der Jahre miteinander linear verbunden [2]. (Quelle Umweltbundesamt)
  • Abb. 3: Mobile medizinische Einheiten. Zusammen mit mehreren Partnern entwickelte das IBMT in den letzten Jahren Lösungen für medizinische und biologische Labore basierend auf einem breiten Spektrum an Fahrzeugkonzepten. (Quelle Fraunhofer IBMT)

Umweltprobenbank - Chemikalien begleiten den Menschen ein Leben lang. Neue Stoffe tauchen in der Umwelt und im Menschen auf. Welche es sind, und in welchen Konzentrationen sie auftreten, lässt sich dank der Umweltprobenbank untersuchen.

Die Umweltprobenbank des Bundes (UPB) ist ein zentrales Element der Bundesregierung zur Überwachung und Dokumentation von Schadstoffen in Mensch und Umwelt [1]. Sie sammelt und archiviert seit den frühen 1980er Jahren Schwebstoffe und tierische Proben aus Flüssen und Seen sowie von Meerestieren, Meerespflanzen und Seevögeln, aber auch Proben an Land lebender Tiere und an Land wachsender Pflanzen. Neben diesen Umweltproben werden auch Humanproben wie Körperflüssigkeiten und Haare von Menschen gesammelt und analysiert. Diese Biobank ist eine Reise in die Vergangenheit, sie dokumentiert Schadstoffgeschichte.

Die Umweltprobenbank des Bundes wird vom Umweltbundesamt (UBA) im Auftrag des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit (BMUB) koordiniert. Seit dem Jahr 2012 ist das Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik (IBMT) im Auftrag des UBA mit der Sammlung und Archivierung von Humanproben betraut. Die Probenahme umfasst Studierendenkollektive von vier Universitäten mit der Randbedingung, dass es sich hierbei um gesunde junge Erwachsene, ohne erkennbare spezifische Schadstoffbelastung handelt. Jährlich werden hierzu in Münster, Halle / Saale, Greifswald und Ulm jeweils 100 bis 150 Studierende akquiriert, die freiwillig Blut und Urin abgeben und einen umfangreichen Fragebogen bezüglich ihrer Lebensumstände und potenzieller Belastungsquellen ausfüllen.

Identische Bedingungen an unterschiedlichen Standorten
Bis 2012 wurden die Proben in den Räumen der kooperierenden universitären Institute entnommen. Im Rahmen des Projekts „Labor der Zukunft entwickelte das IBMT im Jahr 2012 ein mobiles Labor, das es erstmals ermöglichen sollte die Probenahmen von Humanproben der UPB auf einer mobilen und hoch standardisierten Plattform zu realisieren.

Im Jahr 2013 wurden daher die Probenahmestandorte zum ersten Mal mit einem mobilen epidemiologischen Labor in Form eines mehr als 16 Meter langen Sattelschleppers angefahren.

In ihm verbirgt sich ein voll ausgestattetes medizinisch-analytisches Labor der biologischen Sicherheitsstufe 2. Gleichzeitig bietet es ausreichend Fläche für ärztliche Untersuchungen. Erstmalig sind somit in allen vier Städten identische Bedingungen für die Probenahme gegeben.

Das mobile Labor der Zukunft
Das mobile Labor ist mit modernster Technik ausgestattet und erfüllt damit die notwendigen Qualitätskriterien für Probenahme und Vor-Ort-Analytik (s. Abb. 1). Im Heck des Fahrzeugs befindet sich ein Tiefkühltank zur Aufnahme der anfallenden Proben. Dieser Tank kann ohne vorheriges Umladen von jeder Probenahme direkt in die Umweltprobenbank gebracht werden. Um auch kleinste Umweltveränderungen sicher nachweisen zu können, sind eine hohe Qualität und verfahrenstechnische Konstanz der Probenahme, der Aufbereitung und Konservierung unabdingbar. Aus diesem Grund setzen die Forscher auf Automatisierung der Dokumentation und des Einfrierprozesses unter standardisierten Bedingungen.

Ein Teil der jährlich gesammelten Proben wird direkt nach der Entnahme zur Erstcharakterisierung im Hinblick auf Umweltschadstoffe zur Poliklinik für Umweltmedizin der Universität Erlangen überführt. Der Großteil der Proben wird jedoch unter standardisierten Kryobedingungen in die Umweltprobenbank eingelagert.

Archiv für Humanproben
Seit Beginn der Sammlung in den frühen 1980er Jahren wurden mehr als eine Viertelmillion Humanproben gesammelt, die nun in der Umweltprobenbank lagern. Das Archiv der UPB ist seit 2012 eine alte Bunkeranlage nahe Münster. Tiefgekühlt in Kryotanks ist das Schadstoffgedächtnis der Deutschen deponiert. Hinter den beiden Stahltüren des Bunkers befindet sich eine 500 Quadratmeter große Halle. Die Anlage ist so konstruiert, dass sie Bombenangriffen standhält. Die Überwachungsanlagen sind rund um die Uhr aktiv, ebenso wie die Kontrollen der Temperatur in den Tanks der Humanproben. Server stehen im Nebenraum und melden die Daten ins Technikzentrum der Außenstelle des IBMT im nahen Münster. Sollte hier ein Parameter kritische Grenzen überschreiten oder gar etwas ausfallen, wäre das Personal binnen zwanzig Minuten vor Ort. Dieser Standort bietet ausreichend Platz, um bis ins Jahr 2040 Proben sicher und redundant überwacht zu lagern. Die Bunkeranlage bietet zudem die Möglichkeit weitere technische Entwicklungen im Bereich der Kryotechnik voranzutreiben.

Mithilfe der Umweltprobenbank lassen sich auch Belastungen längst vergangener Tage jederzeit überprüfen. Die Humanproben werden bei tiefkalten Temperaturen unter minus 150 °C gelagert. Biologische, chemische und physikalische Prozesse laufen bei diesen Temperaturen nur äußerst langsam ab, sie werden quasi angehalten. Die Konzentration fast aller Stoffe im Blut oder Urin bleibt dadurch über die Jahre hinweg praktisch unverändert.

Doch wozu dieser Aufwand?
Die UPB ist dauerhaft als ein Instrument der umweltpolitischen Vorsorge eingerichtet worden. Mit ihr erhält das BMUB unverzichtbare Erkenntnisse hinsichtlich der Erfolgskontrolle umweltpolitischer Maßnahmen und der Prioritätensetzung künftiger vorsorgender Umweltschutzaktivitäten. Aus der Vielzahl der bisher durchgeführten Studien an Humanproben zeigen zwei Beispiele das Potential der UPB besonders gut auf: Zum einen die kontinuierliche Abnahme von Blei im Blut der Probanden nach Erlass des Benzinbleigesetzes sowie weiterer Maßnahmen zur Verringerung des Eintrags von Blei in die Umwelt. Durch die jährliche Analyse der Proben direkt nach ihrer Gewinnung konnte hier in ‚Echtzeit‘ verfolgt werden, wie die mittleren Bleikonzentrationen von 80 µg/l in 1984 auf nunmehr 10 µg/l abnahmen. Zum Anderen wurde in retrospektiven Analysen der zeitliche Konzentrationsverlauf von Phthalaten im Urin erfasst und die Abnahme solcher Weichmacher belegt, deren Verwendung eingeschränkt oder verboten wurde [2] (s. Abb. 2). In einer aktuellen retrospektiven Messung konnte zudem die Zunahme des Phthalat-Substituts 1,2-Cyclohexandicarbonsäurediisononylester im Urin der Probanden nachgewiesen werden [3].

Literatur
[1] BMU: Umweltprobenbank des Bundes - Konzeption. 2008 http://www.umweltprobenbank.de/en/documents/11426
[2] Göen T. et al.: IJHEH 215, 36-45 (2011)
[3] Schütze A. et al.: IJHEH 217, 421-426 (2014)

Autoren
Dr. Christa Schröter-Kermani1, Dr. Dominik Lermen2, Daniel Schmitt2,
1Umweltbundesamt, Berlin, 2Fraunhofer IBMT, St. Ingbert

 

 

 

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Corrensplatz 1
14195 Berlin

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