Hintergrund

Künstliche Süßstoffe werden weltweit in großen Mengen als Ersatz für Zucker (Saccharose) verwendet, Tendenz steigend (Research and Markets 2019). Für die Lebensmittelindustrie sind sie vor allem als Zuckeraustauschstoffe in Diätprodukten von Bedeutung (Yebra-Biurrun 2019). Sie haben eine deutlich höhere Süßkraft als Saccharose. Vier der am häufigsten eingesetzten künstlichen Süßstoffe sind Acesulfam, Cyclamat, Saccharin und Sucralose. Der Mensch scheidet den überwiegenden Teil der Süßstoffe unverdaut wieder aus und damit gelangen diese ins Abwasser (Renwick 1986; Roberts et al. 2000). Dadurch finden sich auch Anreicherungen von Süßstoffen und deren Abbauprodukten im Grundwasser. Acesulfam, Cyclamat und Saccharin sind in den 1990er-Jahren nach europäischem Lebensmittelrecht zugelassen worden. Sucralose ist in Europa seit dem Jahr 2004 zugelassen (Süßstoff Verband e. V., o.J.). Der Zeitraum zwischen der Zulassung der hier betrachteten Süßstoffe und den ersten Veröffentlichungen von Forschungsergebnissen bezüglich des Vorkommens in der Umwelt und insbesondere im Grundwasser zeigt eine große Lücke zwischen Verwendung und Erkenntnissen. Buerge et al. (2009) berichteten erstmals vom Vorkommen von Acesulfam im Grundwasser in Europa. In ihrem Untersuchungsgebiet bei Zürich konnten im Grundwasser keine weiteren der hier betrachteten Süßstoffe nachgewiesen werden. Cyclamat und Saccharin wurden erstmals von Van Stempvoort et al. (28,29,a, b) in einem Untersuchungsgebiet in Kanada im Grundwasser gefunden. In der Schweiz wurde Saccharin als erstes von Buerge et al. (2011a) im Grundwasser bestimmt. In Lubick (2008) wird auch die Zulassung der Süßstoffe als Nahrungszusatz ohne Kenntnisse über die Auswirkungen auf die Umwelt angesprochen. Die hier betrachteten Süßstoffe sind allerdings nicht weltweit zugelassen. Beispielsweise ist die Verwendung von Cyclamat in den USA seit 1970 untersagt. Grund hierfür war eine an Ratten durchgeführte Studie von Oser et al. (1975), in der Cyclamat zu Blasenkrebs geführt hatte. Weitere Studien konnten allerdings keinen Zusammenhang zwischen Cyclamat und Krebserkrankungen feststellen (Scheurer et al. 2009). Um eine bessere Wasserlöslichkeit zu gewährleisten, werden Süßstoffe meist in der Form von Kalium- oder Natriumsalzen verwendet (LUBW 2018). Durch die hohe Wasserlöslichkeit von Süßstoffen sind Sorptionsprozesse sehr gering bis nicht vorhanden und das Medium Wasser ist für das Vorkommen der Süßstoffe in der Umwelt am relevantesten (Buerge et al. 2011a; Storck et al. 2015). Bisher wurden die Süßstoffe Acesulfam, Cyclamat, Saccharin und Sucralose im Zu- und Ablauf von Kläranlagen, in Klärschlamm, in Oberflächengewässern, im Grundwasser und im Trinkwasser nachgewiesen (Buerge et al. 2009; Scheurer et al. 2009; Tran et al. 2014; Tran et al. 2015). In China konnten Süßstoffe auch in der Atmosphäre an Staubpartikel haftend nachgewiesen werden (Gan et al. 2014). Nach aktuellen wissenschaftlichen Erkenntnissen sind künstliche Süßstoffe im Grundwasser, und somit auch im Trinkwasser, auch in den höchsten gemessenen Konzentrationen in Deutschland nicht gesundheitsgefährdend (LUBW 2018). Vom SCF (Scientific Committee on Food) und JECFA (Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives) werden ADI-Werte (Acceptable Daily Intake) für die Süßstoffe Acesulfam, Cyclamat, Saccharin und Sucralose zwischen 5–15 mg/kg Körpergewicht pro Tag angegeben. Dies sind deutlich höhere Werte, als die Mengen, die ein Mensch pro Tag durch Trinkwasser aufnehmen kann (Kroger et al. 2006; BFR, 2014). Die gemessenen Konzentrationen an Acesulfam im Wasser sind außerdem deutlich unter der Geschmacksschwelle (Buerge et al. 2009, 2011b). Bisher gibt es in Deutschland und Europa keinen gesetzlichen Grenzwert für künstliche Süßstoffe im Grundwasser. Nach dem Europäischen Fließgewässermemorandum (IAWR et al. 2013) wird allerdings für schwer abbaubare Spurenstoffe ohne bekannte Wirkungen für Fließgewässer aus denen Trinkwasser gewonnen wird ein Grenzwert von 1 µg/l gefordert.

Eintragspfade von Süßstoffen ins Grundwasser

Die Hauptquellen von künstlichen Süßstoffen im Grundwasser ist der Konsum von süßstoffhaltigen Lebensmitteln und die Landwirtschaft. In Deutschland wird ein Großteil des Absatzes an Süßstoffen für SoftdrinksFootnote 1. Mit dem Abwasser kommen die Stoffe über Kläranlagen in Oberflächengewässer. Ein Teil davon gelangt direkt durch Versickerung ins Grundwasser. Ebenso erfolgen Einträge durch defekte Rohrleitungen. In der Landwirtschaft werden Süßstoffe als Zusatz in der Tiernahrung verwendet. In der Europäischen Union ist Saccharin als Zusatzstoff in der Schweinezucht registriert und wird zur Entwöhnung von Ferkeln von der Muttermilch und zur Umstellung auf festes Futter verwendet (Buerge et al. 2011a; EFSA FEEDAP Panel 2018). Eine Studie von Li et al. (2020) untersuchte das Vorkommen von Süßstoffen in der Schweinemast durch eine globale Datenanalyse und einer Fallstudie in China. Wie im Zusammenhang mit der Schweinezucht erwartet, wurde Saccharin am häufigsten und mit den höchsten Konzentrationen nachgewiesen. Ein weiterer Eintragspfad in der Landwirtschaft sind Sulfonylharnstoffherbizide, bei denen Saccharin als Metabolit in den Boden und somit ins Grundwasser gelangt (Roberts et al. 1998). Beispiele für Sulfonylharnstoffherbizide sind Propoxycarbazone, Mesulfuron-methyl und Tribenuron-methyl.

Material und Methoden

Das Grundwasser wird in Deutschland aufgrund der fehlenden rechtlichen Vorgaben in der Regel nicht systematisch auf Süßstoffe beprobt. Für die Auswertung zum Vorkommen der Stoffe Acesulfam, Cyclamat, Saccharin und Sucralose im Grundwasser in Deutschland, konnten aktuelle Monitoringdaten aus sieben Bundesländern analysiert werden (Abb. 1). Die Daten umfassen Messwerte von insgesamt 3311 Messstellen und erstrecken sich über die Jahre 2013–2019. Da zu den Messstellen keine weitergehenden Stammdaten- und Lageinformationen verfügbar waren, wurde eine ganzheitliche Betrachtung der Funde der einzelnen Stoffe vorgenommen. Um einen Überblick über die zur Verfügung stehenden Daten zu erhalten, wurde die Anzahl der verschiedenen Messstellen, die je Jahr und Süßstoff in einem Bundesland beprobt wurden, berechnet.

Abb. 1 Fig. 1
figure 1

Anzahl verschiedener Messstellen nach beprobtem Süßstoff, je Bundesland und Jahr

Number of different monitoring sites according to the sweetener sampled, per federal state and year

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Dabei ist zu erkennen, dass Baden-Württemberg und Hessen die über die Jahre konsistentesten Datensätze in Bezug auf die Anzahl an Messstellen haben. Für Acesulfam lagen neben diesen zwei Bundesländern auch Messwerte aus Nordrhein-Westfalen, Schleswig-Holstein, Bayern, Sachsen-Anhalt und Sachsen vor. Für Cyclamat waren nur Werte aus Baden-Württemberg, Hessen und Schleswig-Holstein vorhanden. In diesen Bundesländern und in Nordrhein-Westfalen gibt es auch Messstellen, an denen Saccharin beprobt wurde. Für Sucralose lagen nur Messwerte aus Baden-Württemberg und Hessen vor. Da es für keinen der Süßstoffe einen Grenzwert oder ein Bewertungskriterium gibt, wurden zunächst nicht die gemessenen Konzentrationen, sondern das Vorhandensein der Süßstoffe im Grundwasser analysiert und die Bestimmungshäufigkeiten je Süßstoff und Jahr, als auch über die Jahre aggregiert berechnet. Für die weiteren Analysen wurden die Daten aus den Bundesländern zu einem Datensatz zusammengefasst, um näherungsweise Aussagen für ganz Deutschland treffen zu können. Bei der Betrachtung der Fundhäufigkeiten und Konzentrationen der gemessenen Werte, wurde mit dem 90-Perzentil gearbeitet. Messwerte, die unter der Bestimmungsgrenze lagen, wurden als halbe Bestimmungsgrenze in die Berechnungen mit einbezogen.

Ergebnisse

Für Acesulfam lag die Bestimmungshäufigkeit bei 32,4 % aller Beprobungen. Die anderen Stoffe wurden deutlich weniger oft bestimmt: Cyclamat in 10,4 %, Saccharin in 4,4 % und Sucralose in 7,6 % der Fälle. Die gesamte Anzahl an Messwerten ist für Acesulfam am höchsten, gefolgt von Saccharin, Cyclamat und Sucralose (Abb. 2). Dies ist auch in den nach Jahren aufgeschlüsselten Daten erkennbar (Tab. 1). Die Anzahl an verschiedenen Messstellen und die Anzahl an Messwerten zeigen, dass in den Jahren 2015–2018 deutlich mehr Beprobungen für die vier Süßstoffe Acesulfam, Cyclamat, Saccharin und Sucralose durchgeführt wurden. Im Jahr 2015 steigt die Anzahl sprunghaft an, geht jedoch für das Jahr 2019 wieder zurück. Unter allen vier Süßstoffen wurde Acesulfam nicht nur insgesamt, sondern auch in jedem Jahr am häufigsten bestimmt.

Abb. 2 Fig. 2
figure 2

Bestimmungshäufigkeit und Anzahl beprobter Messstellen aggregiert über die Jahre 2013–2019

Determination frequency and number of sampled measuring points aggregated (2013–2019)

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Tab. 1 Table 1 Bestimmungshäufigkeit der Süßstoffe je JahrDetection frequency of the sweeteners per year
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Bei der Betrachtung der Messwerte je Süßstoff innerhalb der Messwert-Gruppen zeigt sich, dass Acesulfam nicht nur am häufigsten bestimmt wurde, sondern auch die gemessenen Konzentrationen höher sind, als die der anderen Süßstoffe (Abb. 3 und 4). Die zweithöchsten Konzentrationen sind für Cyclamat feststellbar. Die geringsten für Saccharin. Nach Jahren aufgeteilt lassen sich Trends in der Verteilung der Messwert-Gruppen erkennen (Abb. 4). Für Acesulfam und Cyclamat geht der prozentuale Anteil an Messwerten in der in Klasse ≥ 1 μg/l nach 2014 deutlich zurück. Dies sind allerdings auch die Süßstoff-Jahr Kombinationen mit der geringsten Anzahl an Messwerten im Gegensatz zu den anderen Jahren. Für beide Süßstoffe lässt sich nach 2016 auch in dieser Abbildung der bereits festgestellte Trend in der Abnahme der Bestimmungshäufigkeit deutlich erkennen. Für Acesulfam gehen alle Anteile in den Gruppen mit Messwerten > Bestimmungsgrenze zurück. Für Cyclamat sind nach 2016 die Anteile > Bestimmungsgrenze insgesamt rückläufig, jedoch nehmen die Anteile in den Klassen ≥ 0,1 μg/l bis < 1 μg/l und ≥ 1 μg/l zu. Für Cyclamat standen 2019 allerdings auch wieder weniger Messwerte zur Verfügung. Der Süßstoff mit der niedrigsten Bestimmungshäufigkeit, Saccharin, zeigt auch sehr wenige Messwerte in den größeren Messwert-Gruppen. Für Sucralose hingegen zeigt sich eine über die Jahre fast kontinuierliche Zunahme (Ausnahme in 2018) an Messwerten in den zwei oberen Messwert-Gruppen. Die Größenordnungen der gemessenen Werte unterscheiden sich zwischen den Stoffen sehr stark. Für Acesulfam beträgt der höchste gemessene Wert im gesamten Datensatz 52,6 µg/l. Für Cyclamat, Saccharin und Sucralose sind die Maximalwerte mit 4,0 µg/l, 4,2 µg/l bzw. 3,0 µg/l deutlich geringer. Für Acesulfam lagen im Rohdatensatz einige sehr große Ausreißer vor. Für die anderen Süßstoffe waren derart starke Ausreißer nicht vorhanden. Deshalb wurden die Auswertungen auf Grundlage der 90-Perzentile vorgenommen. Die statistischen Kenngrößen zur den wichtigsten Lageparametern sind in Tab. 2 aufgeführt.

Abb. 3 Fig. 3
figure 3

Messwerte der beprobten Süßstoffe nach Messwert-Gruppen als prozentuale Anteile aggregiert über die Jahre 2013–2019 (BG Bestimmungsgrenze)

Measured values of the sampled sweeteners aggregated according to measured value groups as percentages over the years 2013–2019 (BG Limit of quantification)

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Abb. 4 Fig. 4
figure 4

Relative Anteile der Messwerte der beprobten Süßstoffe nach Messwert-Gruppen über die Jahre (BG Bestimmungsgrenze)

Relative amount of the measured values of the sampled sweeteners according to groups of measured values over the years, (BG Limit of quantification)

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Tab. 2 Table 2 Statistische Zusammenfassung der 90-Perzentile der Messwerte je Süßstoff in µg/lStatistical summary of the 90 percentile of the measured values per sweetener in µg/l
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Diskussion

Die Auswertung zeigt, dass Acesulfam in deutschen Grundwässern weit verbreitet ist und bei vermehrter Beprobung auch die Bestimmungshäufigkeit steigt. Bei Acesulfam ist ein Rückgang der prozentualen Anteile an hohen Werten erkennbar. Dies kann auf den erhöhten Abbau von Acesulfam in Kläranlagen in den letzten Jahren zurückzuführen sein und deckt sich mit den Ergebnissen von Kahl et al. (2018) und Reemtsma [2020]. In dieser Studie konnte schon für 2013–2016 gezeigt werden, dass die Konzentrationen von Acesulfam in den Flüssen Rhein und Elbe um 70–80 % gesunken waren. Wie in der Einleitung erwähnt, wird Saccharin in der Schweinemast als Zusatz in Futtermitteln verwendet. Da im Rahmen dieser Arbeit keine signifikante länderübergreifende Belastung des Grundwassers mit Saccharin festgestellt werden konnte, kann darauf geschlossen werden, dass in Deutschland entweder wenig Saccharin in Futtermitteln verwendet wird oder der Eintragspfad von Saccharin über die Landwirtschaft an den betrachteten Messstellen für das Grundwasser keine Bedeutung hat. Die in den Grundwasserberichten LUBW (2018) und HLNUG (2018) verwendeten Daten wurden auch für diesen Bericht herangezogen. In den Grundwasserproben in Hessen wird, wie auch in Baden-Württemberg und in diesem Bericht, Acesulfam am häufigsten und mit den höchsten Werten nachgewiesen. Die anderen Stoffe werden in den Grundwasserproben aus Hessen meist unter der Bestimmungsgrenze und sonst nur knapp darüber nachgewiesen (HLNUG 2018). Die in diesem Bericht verwendeten Daten für Cyclamat, Saccharin und Sucralose über die Jahre 2013–2019 bestätigen dies nur für Saccharin. Weitere Messwerte aus Grundwasserberichten liegen aus Frankreich, dem Elsass, Rheinland-Pfalz und Basel-Stadt sowie Basel-Land vor (APRONA et al. 2018). Auch im Elsass wurde Acesulfam mit einer hohen Bestimmungshäufigkeit von 72 % (n = 100 Messstellen) am häufigsten bestimmt. Cyclamat und Sucralose (je 18 %) und Saccharin (5 %) wurden deutlich weniger oft bestimmt, allerdings mehr als in den diesem Bericht zugrunde liegende Daten. Die höchste gemessene Acesulfamkonzentration von 1 µg/l im Elsass ist jedoch weit unter den in Deutschland gemessenen Werten. In Rheinland-Pfalz wurde Acesulfam an 86 Messstellen untersucht mit einer Bestimmungshäufigkeit von 24 % (Maximalwert: 2 µg/l). Die Bestimmungshäufigkeit, nicht aber der Maximalwert, liegt in der Größenordnung der Ergebnisse dieser Arbeit. In Basel und Umgebung ergab sich bei 34 Messstellen eine Bestimmungshäufigkeit von 100 % mit einem Maximalwert von 1,1 µg/l. Saccharin wurde hier an 50 % der Messstellen nachgewiesen. Die Anzahl der Messstellen war im Elsass, in Rheinland-Pfalz und in Basel im Gegensatz zu den in diesem Bericht verwendeten Daten sehr gering. Bei den Daten aus dem Elsass, Rheinland-Pfalz und Basel ergaben sich trotz geringer Messstellenanzahl sehr hohe Bestimmungshäufigkeiten. Dies könnte darauf hindeuten, dass die Messwerte sehr stark von den äußeren Bedingungen der Messstellen abhängen und geographisch nah beieinander liegende Messstellen ähnliche Ergebnisse liefern. Auch in Österreich wurden im Grundwassermonitoringprogramm 2014 an 54 ausgewählten Grundwassermessstellen Acesulfam und Sucralose als Abwasserindikatoren gemessen (BMG 2015). Die Konzentration von Acesulfam im Grundwasser überschritt an 65–68 % der Proben die Bestimmungsgrenze von 0,005 µg/l. Die Maximalkonzentration von 2,1 µg/l lag auch hier deutlich unter den in diesem Bericht ausgewerteten Daten. Die Ergebnisse zu Sucralose decken sich bezüglich der Bestimmungshäufigkeit mit den Daten aus diesem Bericht. Sucralose wurde in Österreich an 8 % aller Proben, aber mit einer sehr geringen Maximalkonzentration von 0,044 µg/l, detektiert. Im landesweiten Grundwassermonitoringprogramm der Schweiz wurden für Acesulfam und Sucralose Konzentrationen von mehr als 0,1 µg/l festgestellt. Acesulfam wurde dabei wiederholt auch mit Konzentrationen über 1 µg/l gemessen (BAFU 2019).

Übergreifend wurden Acesulfam und Sucralose am häufigsten bestimmt (Buerge et al. 2009, 2011a; Scheurer et al. 2009; Ferrer und Thurman 2010; Van Stempvoort et al. 2011b; Storck et al. 2016) (siehe Luo et al. 2019 für einen Überblick). Diese Tatsache bestätigt die geringere Abbaufähigkeit von Acesulfam und Sucralose gegenüber Cyclamat und Saccharin. In der Literatur (Buerge et al. 2011a; Van Stempvoort et al. 2011b) und in diesem Bericht wurden dennoch teils hohe Messwerte für die eigentlich gut abbaubaren Süßstoffe Cyclamat und Saccharin gefunden. Dies zeigt, dass sowohl die Abbauraten als auch Sorptionsprozesse unter bestimmten Bedingungen nicht stattfinden oder gehemmt sind. Für Acesulfam wurden in Deutschland und in Kanada Werte im Grundwasser in derselben Größenordnung wie in diesem Bericht gefunden (Maximalwert: 58 µg/l bzw. 33,6 µg/l) (Scheurer et al. 2009; Van Stempvoort et al. 2011b).

Eine Auswertung nach den Standorten der Messstellen und Umwelt‑/Bodenbedingungen war mit den für diese Arbeit zur Verfügung stehenden Daten nicht möglich. Dennoch hat dies großen Einfluss auf die Interpretation der Daten und sollte in weitergehenden Analysen mit betrachtet werden.

11 % der Messstellen der in diesem Bericht verwendeten Daten wurden nur einmal in den Jahren 2013–2019 beprobt. 67 % der Messstellen wurden zwar mehrmals beprobt, allerdings nur innerhalb eines Jahres. Für eine aussagekräftige Trendanalyse werden konsistentere Datensätze benötigt, in der alle Messstellen über alle Jahre beprobt werden und eine höhere zeitliche Auflösung vorweisen. Die vielen Einzelmessungen in den vorliegenden Daten zeigen, dass es sinnvoll ist, die Daten aus den Bundesländern zusammengefasst für Deutschland zu analysieren, wie es im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt wurde. Anzumerken ist auch, dass für Sucralose nur Daten aus zwei Bundesländern vorlagen. In diesen beiden Bundesländern wurde allerdings Sucralose an vielen Messstellen beprobt. Die Inhomogenität in den Messstellen erklärt in Teilen auch die unterschiedliche Streuung der Messwerte über die Jahre. Da die Verweilzeiten von Grundwasser in der Regel mehrere Jahre, teils Jahrzehnte betragen, bedingen sich die Messungen über die Jahre. Das Fehlen eines landesweiten Datensatzes findet sich auch in anderen Ländern, wie beispielsweise der Schweiz (Stand 2016). Daraufhin wurde in der Schweiz die Maßnahme ergriffen, Acesulfam ab 2015 in das Langzeitmonitoring des Grundwassers aufzunehmen (BAFU 2019).

Fazit

In den bisherigen Untersuchungen zu Süßstoffen im Grundwasser in Deutschland, wurden immer ausschließlich regionale bzw. lokale Aspekte betrachtet. Mithilfe der für diese Arbeit verwendeten Daten konnte erstmals eine Beschreibung der aktuellen Belastungssituation über mehrere Bundesländer durchgeführt werden. Dennoch ist aufgrund einer fehlenden übergreifenden Monitoringstrategie eine valide Gesamtaussage zur Belastungssituation in Deutschland nicht möglich. Eine Ursache für die heterogene Überwachung in den Bundesländern ist das Fehlen regulatorischer Schwellenwerte. Auch in anderen Ländern ist das zu beobachten. Auch wenn von Süßstoffen keine nachgewiesene toxikologische Gefährdung ausgeht, so sind es doch für das Trinkwasser unerwünschte Stoffe, deren Regulierung zumindest geprüft werden sollte.