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Die Entwicklung des Periodensystems der chemischen Elemente ist eine der bedeutendsten Errungenschaften der Wissenschaft und ein verbindendes wissenschaftliches Konzept, mit weitreichenden Auswirkungen auf die moderne Praxis der Chemie, Physik, Biologie und vieler anderer Naturwissenschaften. Das Internationale Jahr des Periodensystems der chemischen Elemente im Jahr 2019 fällt mit dem 150. Jahrestag der Entdeckung des Periodensystems durch Mendelejew im Jahr 1869 zusammen – eine Zeit, um über seine Anwendung und seinen Fortschritt nachzudenken, um die weitere Erforschung unserer natürlichen und vom Menschen beeinflussten Umwelt zu ermöglichen. Es ist ein einzigartiges Werkzeug, das es Wissenschaftlern ermöglicht, das Aussehen und die Eigenschaften von Materie auf der Erde und im Universum vorherzusagen. Doch auch wenn das Periodensystem der chemischen Elemente relativ gut definiert ist, sind einige umstrittene Begriffe immer noch in Gebrauch. So wird der Begriff „Schwermetall“ seit Jahrzehnten in den Naturwissenschaften und noch mehr in den Umweltwissenschaften verwendet (Abbildung 1), vor allem bei Studien über die Auswirkungen von Umweltverschmutzung. Da die Verwendung des Begriffs zuzunehmen scheint (jährlich 8 % bis 10 % in den letzten zehn Jahren, Abbildung 2), betonen wir die Relevanz der Verwendung des Begriffs „Potenziell toxische Elemente“ (PTEs), die einer expliziteren Bestätigung bedarf, und wir veranschaulichen die chemischen Elemente, die berücksichtigt werden müssen.

Nieboer und Richardson hatten bereits 1980 vorgeschlagen, diesen unbestimmten Begriff durch eine biologisch und chemisch bedeutsame Klassifizierung zu ersetzen. Außerdem gilt der Begriff „Schwermetall“ laut der International Union of Pure and Applied Chemistry bestenfalls als ungenau und schlimmstenfalls als bedeutungslos und irreführend. Von der Verwendung dieses Begriffs wird dringend abgeraten, zumal es keine einheitliche Definition gibt. Im Jahr 2004 betrachtete Hodson sie als geochemische „Buhmänner“. Im Jahr 2007 schlug Chapman erstmals vor, diesen Begriff für die Musik und nicht für die Wissenschaft zu verwenden. Im Jahr 2010 schlugen Hübner et al. vor, von der Semantik zur Pragmatik überzugehen, während Madrid an die langjährige und manchmal vergessene Kontroverse erinnert. Nikimnaa und Schlenk beharrten weiter auf dem unscharfen Begriff. Im Jahr 2012 schrieb Chapman weiter über die Kakophonie und nicht die Symphonie um „Schwermetalle“ und Batley et al. legten eine weitere detaillierte Diskussion über die Nützlichkeit des Begriffs vor. Einige Autoren schlugen jedoch immer noch eine Form der Definition vor. Im Jahr 2010 definierte Appenroth sie in den Pflanzenwissenschaften , und im Jahr 2018 schlugen Ali und Kahn ihre eigene „umfassende“ Definition vor. In jüngerer Zeit stellten Pourret und Bollinger die Verwendung des Begriffs „Schwermetalle“ in Frage – zu verwenden oder nicht zu verwenden?

Pourret schlug eindeutig vor, diesen Begriff aus der wissenschaftlichen Literatur zu verbannen, aber warum?

Im Großen und Ganzen basiert der Begriff „Schwermetall“ auf einer Kategorisierung nach Dichte oder Molmasse (Zink oder Kupfer haben eine relativ geringe Dichte und Molmasse im Vergleich zu Lanthaniden und Actiniden). Er wird oft als Gruppenname für Metalle (d. h. Übergangsmetalle von Vanadium bis Zink) verwendet, die mit Verunreinigungen und potenzieller Toxizität in Verbindung gebracht werden. Die Liste der „Schwermetalle“ ist nicht klar definiert und vermischt oft Metalle, Metalloide und Nicht-Metalle ohne klare Definition. Letztendlich führt die pejorative Konnotation von „schwer“ in Verbindung mit der Toxizität von Metallen zu einer Art von Angst in der Gesellschaft. Alle sogenannten „Schwermetalle“ und ihre Verbindungen können eine relativ hohe Toxizität aufweisen (z. B. Blei oder Cadmium). Nichtsdestotrotz sind Metalle nicht immer toxisch und einige sind sogar essentiell – je nach Dosis und Expositionsniveau und dem aufnehmenden Organismus/Population kann das Gleichgewicht zwischen essentiell oder toxisch kippen (z.B. Nickel oder Zink).

In dieser Stellungnahme, die dem International Journal of Environmental Research and Public Health vorgelegt wurde, betrachten wir den Fortschritt in den Umweltwissenschaften und der Medizin innerhalb einer begrenzten Stichprobenpopulation. Unter den 167 Artikeln mit dem Begriff „Schwermetall“ im Titel und den 996 mit ihm im Betreff, die wir aus insgesamt 12.700 im International Journal of Environmental Research and Public Health veröffentlichten Artikeln in den weit verbreiteten Datenbanken von Scopus und dem Web of Science mit dem Suchbegriff „heavy metal“ identifiziert haben (Datenzugriff am 10. Oktober 2019), fanden wir Blei (Pb), Cadmium (Cd) und Zink (Zn) als die drei am häufigsten untersuchten Elemente (69 %, 67 % bzw. 62 % bei Berücksichtigung des Begriffs „Schwermetall“ im Titel (n = 167) und 32 %, 30 % bzw. 23 % bei Berücksichtigung des Begriffs im Betreff (n = 996); Tabelle 1 und Abbildung 4). Darüber hinaus werden diese Elemente am häufigsten mit der Überwachung auf der Grundlage von Gesamt- oder extrahierbaren Konzentrationen in Böden, Sedimenten oder Wasser in Verbindung gebracht, um die Verschmutzung zu charakterisieren, eine Risikobewertung durchzuführen und Umweltexposition und Gesundheitsgefahren zu identifizieren (Abbildung 3). Abgesehen von diesen chemischen Elementen erschien das Schlüsselwort „China“ dann in 44 % der Artikel (73/167) und 58 % der Artikel wurden von Forschern aus chinesischen Institutionen mitverfasst (97/167), was zum Teil das Aufkommen intensiver Forschungsaktivitäten zu weit verbreiteten Umweltfragen in der Region widerspiegelt. Auch das Aufkommen von Berichten in englischsprachigen Zeitschriften hat möglicherweise das Wachstum des Begriffs begünstigt, ein Ergebnis der Perpetuierung des Ansatzes einer etablierten und langjährigen Praxis.

In der Umweltwissenschaft, wird die chemische Speziation (molekulare Form) der Elemente oft übersehen. Die Tatsache, dass die chemische Speziation selten berücksichtigt wird, kann daran liegen, dass sie relativ teuer (Zeit und Ressourcen) und von Natur aus schwierig direkt zu messen ist. Manchmal wird eine Fraktionierungsanalyse durchgeführt, wie z. B. eine sequentielle chemische Extraktion, um die Zugänglichkeit von Teilen des gesamten Probeninhalts zu ermitteln. Elemente werden jedoch meist aufgrund von Hinweisen auf die Toxizität nur einiger weniger chemischer Spezies, in denen sie vorkommen, als toxisch eingestuft, und zwar oft aufgrund von akuter Exposition im Labor. Da ihre physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften von der molekularen Struktur und nicht von ihren elementaren Bestandteilen abhängen, gilt dies auch für ihre Toxizität. In der Tat hängt die Toxizität dieser PTEs, wie Blei und Cadmium, nicht nur quantitativ, sondern auch qualitativ von ihrer Speziation und Konzentration ab. Die Biozugänglichkeit und/oder Bioverfügbarkeit sollte berücksichtigt werden. Insgesamt ist die Exposition des Menschen gegenüber Blei durch den Zusatz von Tetraethyl-Blei zu Benzin als Antiklopfmittel oder zu Bleifarben gut dokumentiert. Die Blei-Säure-Batterie stellt jedoch keine direkte Bedrohung für den Menschen durch ihren Gebrauch dar, kann aber umweltgefährdende Abfälle erzeugen.

Daher ist es wichtig, dass Umweltstudien eher die vorhandene Spezies als den elementaren Bestandteil berücksichtigen, um aussagekräftige Daten zu erstellen. Damit wird klarer, dass die Nichtberücksichtigung der chemischen Speziation von Elementen zu einer schlechten Risikobewertung und einer schlechten Anwendung von Gesetzen führen kann. Gesetze und Verordnungen, die auf einer einfachen Elementaranalyse basieren, können Umweltmedien oder Produkte fälschlicherweise als toxisch betrachten und unter dem Begriff „Schwermetalle“ zusammenfassen.