Im Gegensatz zum Radiocäsium ist Kalium-40 ein natürlicherweise auf der Erde vorkommendes Nuklid. Das Isotop war bereits – zusammen mit den anderen Elementen – bei der Entstehung der Erde vorhanden. Aufgrund seiner, mit 1,28 Mrd. Jahren, langen Halbwertszeit ist es heute noch auf der Erde vorhanden. K-40 ist ein radioaktives Isotop von Kalium, es kommt mit 0,0119% im natürlichen Kalium vor. Ein Gramm natürliches Kalium enthält 31,6 Bq K40 (Seelmann-Eggebert et al. 1981, Wiechen et al. 2010).
Radioaktiver Zerfall & Halbwertszeit
Die K-40 Aktivität kann zur quantitativen Bestimmung des Gesamtkaliums herangezogen werden. K-40 zerfällt, unter Aussendung von ß-Strahlen, in stabiles Calcium-40, mit einer Zerfallswahrscheinlichkeit von 89% und über Gammazerfall in stabiles Argon-40 mit einer Zerfallswahrscheinlichkeit von 11% (Lederer et al. 1967). Die K-40 Aktivität wird über Gammazerfall, bei einer Energie von 1.461 keV bestimmt. Die Halbwertszeit beträgt 1,28 Mrd. Jahre.
Übersicht
Hier einige wichtige Fakten in der Übersicht
| Kalium 40 |
|
| Strahlenart | Gammastrahlen, Betastrahlen |
| physikalische Halbwertszeit | 1,28 Mrd. Jahre |
| biologische Halbwertszeit Mensch | ca. 10 – 30 Tage |
| effektive Halbwertszeit Mensch | ca. 10 – 30 Tage |
| Anreicherung im | Muskelgewebe |
| Herkunft, Bildung | bereits seit der Entstehung der Gesteine |
| Grenzwert* für Milch u. Milcherzeugnisse | kein Grenzwert |
| Grenzwert übrige Lebensmittel | kein Grenzwert |
Gammaspektrum
In der Abbildung 1 ist ein Gammaspektrum von Kalium-40 dargestellt. Der Full Energy Peak ist am rechten Bildrand bei 1.460,81 keV zu sehen. Gemessen wurde eine Hirschtrüffel Probe an einem Reinstgermaniumdetektor am Labor für Radioisotope (LARI), der Universität Göttingen. Auf der Ordinate sind die gemessenen Impulse und auf der Abszisse die Energie aufgetragen. Die prozentuale Ausbeute pro Zerfall beträgt für K-40 11%.
Abb. 1: Gammaspektrum von Kalium-40 einer Messung an Hirschtrüffel. Quelle: LARI
Aktivität im Körper eines Menschen
Kalium und damit auch radioaktives K 40 sind in den meisten biologischen und terrestrischen Stoffen vorhanden, z.B. ist es ein Makronährelement für Pflanzen. Wo immer es Kalium gibt, gibt es Kalium-40.
Da Kalium wie auch andere essentielle Elemente einer homöostatischen Regulation unterliegen, ist auch die K-40 Aktivität im Körper weitgehend konstant. Dies bedeutet, daß die interne Strahlenexposition direkt aus der charakteristischen Kaliumkonzentration eines Organismus zuverlässig abgeschätzt werden kann.
Im Körper eines 70 kg schweren Menschen sind etwa 164 g Kalium enthalten und damit die Aktivität von 5.200 Bq K-40. Aufgrund seines Vorkommens in fast allen Nahrungsmitteln, verursacht dieses Nuklid den größten Anteil an der durch Ingestion entstehenden, natürlichen Strahlenbelastung des Menschen. Aufgrund der langen Halbwertszeit hat sich die Menschheit damit auch mit natürlicher Radioaktivität im Körper entwickelt. Der Umrechnungsfaktor von mmol nach mg ist 3,9102: mg/dl = mmol/l x 3,9102.
Unterschiede zwischen Männern und Frauen
Etwa 60% des Gesamtkaliums des Körpers befindet sich im Muskelgewebe, der Rest verteilt sich auf die anderen Gewebe und Organe (He et al. 2003). Da sich der Anteil des Muskelgewebes sowohl zwischen Männer und Frauen als auch mit zunehmendem Alter verändert, variiert auch die Gesamtkörper Aktivität durch Kalium 40.
Da Frauen einen geringeren Anteil Muskelgewebe am Körpergewicht haben als Männer, enthält ihr Körper auch weniger Kalium und damit auch K-40.
Aktivität variiert je nach Lebensalter
Da mit steigendem Lebensalter der Prozentanteil des Muskelgewebes am Körpergewicht abnimmt, haben ältere Menschen gleichen Geschlechts geringe Ganzkörper-Kalium-40 Gehalte als jüngere.
Studie I: In einer in den USA durchgeführten Studie wurde das Alter von 30 und 31 Jahren für Frauen bzw. Männer als Altersschwelle festgelegt, nach denen der Ganzkörperkaliumgehalt und damit K-40 abnehmen (Tabelle 1).
Tabelle 1: Kalium-40 Aktivität in Bq pro Kilogramm Körpergewicht von Frauen und Männer nach Altersklassen (n=188), berechnet aus Kaliumdaten von Kehayias et al. 1997
| Altersgruppe | Frauen | Männer |
| Jahre | K-40 Bq/kg | K-40 Bq/kg |
| 20-30 | 52,8 | 65,1 |
| 30-40 | 50,2 | 60,0 |
| 40-50 | 44,6 | 54,4 |
| 50-60 | 42,7 | 53,1 |
| 60-70 | 43,0 | 53,7 |
| 70-80 | 39,2 | 49,3 |
| 80-90 | 39,8 | 46,1 |
Entsprechend den Schwankungen im Kaliumgehalt beim Menschen, schwanken auch die K-40 Gehälter. Nach Untersuchungen von Oberhausen 1963 liegt die Schwankungsbreite, ausgedrückt durch die Standardabweichung je nach Geschlechts- und Altersgruppe zwischen 11 – 14%.
Studie II: Aus den Ganzkörperuntersuchungen des Bundesamts für Gesundheit (BAG) der Schweiz an jungen Erwachsenen errechnen sich die folgenden K40 Aktivitäten pro Kilogramm Körpergewicht:
Frauen 1,83 g K/kg = 57,8 Bq K-40/kg
Männer 2,29 g K/kg = 72,4 Bq K-40/kg
Untersucht wurden von 1974 bis 2015 insgesamt 1.442 Personen. Die Untersuchungen ergaben eine mittlere Zunahme der Gesamtkörperkalium-40 Aktivität der Probanden in den letzten 10 Jahren. Die Autoren geben als Ursache eine, auch in anderen Ländern zu beobachtende Gewichtszunahme an.
Diese Untersuchungen entsprechen vermutlich eher den Verhältnissen in Deutschland, da die Studie I in Amerika in den 90ziger Jahren durchgeführt wurde und die Ernährungsgewohnheiten der Schweizer repräsentativer für die in Deutschland sind.
Studie III: Rabitsch und Kahr (1991) haben die Kalium-40 Aktivität von Muskelgewebe Verstorbener gammaspektrometrisch vermessen und diese Mittelwerte publiziert.
Frauen 100,0 Bq K-40/kg (n=114)
Männer 109,0 Bq K-40/kg (n=186)
Die im Vergleich zu anderen Studien erhöhten Werte können wie folgt erklärt werden: Da reines Muskelgebe gemessen wurde liegen die Werte höher als bei Ganzkörpermessungen die auch z. B. Fettgewebe mit geringerem Kaliumgehalt einbeziehen.
Stoffwechsel
Kalium-40 verhält sich im Körper genauso wie andere Kaliumisotope. Kalium wird bei Einnahme fast vollständig absorbiert und wandert schnell vom Magen-Darm-Trakt in den Blutkreislauf. Das Kalium-40, das nach Einnahme oder Inhalation in den Blutkreislauf gelangt, wird schnell auf alle Organe und Gewebe verteilt. Kalium-40 wird mit einer biologischen Halbwertszeit von 30 Tagen aus dem Körper ausgeschieden. Der Kaliumgehalt des Körpers unterliegt einer strengen homöostatischen Kontrolle (bei der die zurückgehaltene Menge vom Körper aktiv reguliert wird, um den für Systemfunktionen erforderlichen Normalbereich zu erreichen) und wird nicht durch Schwankungen der Umgebungsbedingungen beeinflusst. Daher ist der Kalium-40-Gehalt im Körper konstant.
Dynamik und Messwerte der Kalium-40 Aktivität in Biomedien
Im Folgenden werden Messwerte der Aktivität aus verschiedenen Biomedien präsentiert und Zusammenhänge erklärt. Hier sind die Daten zu Kalium 40 in Böden zu finden.
K-40 in Pflanzen
Im Rahmen verschiedener Forschungsarbeiten, aber auch in eigenen Untersuchungen, beschäftigen wir uns seit über 3 Jahrzehnten mit der Dynamik von K-40 in Waldökosystemen.
Aktivität in Bäumen
In der Tabelle ist die Kalium-40 Aktivität verschiedener Baumkompartimente angegeben. Die Arbeiten wurden 1994 im Rahmen des Forschungsvorhabens „Radioaktivität in Wildtieren “ durchgeführt (Fielitz 1994). Die Aktivitätangaben beziehen sich auf Trockengewicht.
| Baumkompartiment (Alter) | ||
| Probefläche B1 | n | K-40 [Bq/kg] |
| Fichte (110 Jahre) | ||
| Nadeln | 12 | 200 |
| Äste | 22 | 120 |
| Rinde | 12 | 36 |
| Holz | 24 | 41 |
| Wurzeln < 5 mm | 6 | 95 |
| Wurzeln > 5 mm | 6 | 56 |
| Buche (80 Jahre) | ||
| Blätter | 22 | 280 |
| Rinde | 2 | 74 |
| Holz | 8 | 46 |
| Birke (30 Jahre) | ||
| Blätter | 2 | 260 |
| Rinde | 2 | 60 |
| Holz | 2 | 46 |
| Probefläche B2 | ||
| Fichte (110 Jahre) | ||
| Nadeln | 18 | 190 |
| Äste | 16 | 240 |
| Rinde | 2 | 120 |
| Holz | 3 | |
| Buche (100 Jahre) | ||
| Blätter | 42 | 290 |
| Knospen | 8 | 370 |
| Holz | 1 | |
| Eberesche (60 Jahre) | ||
| Blätter | 15 | 550 |
| Knospen | 6 | 310 |
Die K-40 Messdaten der einzelnen Kompartimente waren z.T. normal, z.T. log-normal verteilt. So betrug z.B. der arithmetische Mittelwert der spezifischen K-40 Aktivität in Rinde der Fichten (Picea abies) auf B1 36 Bq/kg, der Median 38 Bq/kg, bei einem Minimalwert von 14 Bq/kg und einem Maximalwert von 61 Bq/kg. Dagegen lag der arithmetische Mittelwert von Nadeln dieser Bäume bei 200 Bq/kg, der Median bei nur 130 Bq/kg, während die Messwerte von 63 – 620 Bq/kg reichten.
Im Durchschnitt wurden die höchsten spezifischen Kalium 40 Aktivitäten bei allen Baumarten in den Blattorganen, die niedrigsten im Holz festgestellt. Nur Rinde von Fichte enthielt auf B1, mit 36 Bq/kg im Mittel weniger K-40 als Holz, mit 41 Bq/kg. Dieser Unterschied ist nicht signifikant (P<0.05).
Buche
Blätter von Buche (Fagus sylvatica) auf B1 enthielten, mit durchschnittlich 280 Bq/kg etwa gleich viel K-40 wie solche auf B2 mit 290 Bq/kg, ebenso Fichtennadeln mit 200 Bq/kg bzw. 190 Bq/kg. Auf B1 waren die mittleren spezifischen K-40 Aktivitäten im Holz aller untersuchten Baumarten etwa gleich hoch: Fichte 41 Bq/kg, Buche 46 Bq/kg und Birke (Betula pendula) 46 Bq/kg.
Auch Block (1993) fand bei Untersuchungen über das Verhalten von Radiocäsium und K-40 an einem Fichtenbestand in Rheinland-Pfalz, in Nadeln die höchsten, in Holz die niedrigsten spezifischen K-40 Aktivitäten. Zum gleichen Ergebnis kamen Ulrich et al. (1986) für die Verteilung von Gesamtkalium in verschiedenen Kompartimenten bei Buche und Fichte im Solling.
Das Verteilungsmuster der K-40 Aktivität kommt offenbar durch unterschiedlichen Kaliumbedarf der verschiedenen Pflanzengewebe zustande. Besonders Blattgewebe haben, aufgrund ihrer Photosynthese-Leistung, einen hohen Stoffwechsel und enthalten in ihrem Cytoplasma relativ viel Kalium. Holzgewebe besteht dagegen zum überwiegenden Teil aus abgestorbenen, der Festigung des Baumes dienenden Zellen mit einem dementsprechend geringen Kaliumgehalt.
Vorrat bzw. Inventar in einem Fichten-Waldökosystem
Wie sieht die Verteilung und Akkumulation von K 40 in einem Waldökosystem aus? Exemplarisch wurde dazu auf einer Dauerprobefläche (B1) im Bayerischen Wald das Inventar bestimmt (Abbildung 2). Der besseren Übersicht wegen sind die Vorräte von in den verschiedenen Systemkompartimenten in der Abbildung prozentual, auf den Gesamtvorrat bezogen, grafisch dargestellt.
Abb. 2: Vorrat von K-40 in einem Fichtenbestand auf B1 in % vom Gesamtvorrat, Probenahme 1989 – 1992. 100 % K-40 = 55.800 Bq/qm
Der K-40 Vorrat betrug insgesamt 55.800 Bq/qm. Davon waren nur 2.600 Bq/qm in der Biomasse der Fichte vorhanden, der überwiegende Teil war, mit 1.200 Bq/qm im Holz gebunden. Die Vorräte in der Waldbodenvegetation und in Pilzen zusammen waren, mit rund 30 Bq/qm sehr gering, der Vorrat in Tieren spielt, mit weniger als 1 Bq/qm keine Rolle. Nahezu der gesamte K-40 Vorrat, nämlich 53.200 Bq/qm befand sich im Boden (0 – 20 cm), wobei der Anteil im Mineralboden, mit 48.800 Bq/qm, 11mal höher war als der in der Humusauflage, mit 4.400 Bq/qm.
K40 Aktivität in Lebensmittel
Aufgrund seines natürlichen Anteils am Kalium enthalten fast alle biologischen Produkte auch radioaktives Kalium. Das Bayerische Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit hat eine Tabelle mit dem den üblichen Bandbreiten von K-40 Aktivitäten in ausgewählten Lebensmittel veröffentlicht. Die Daten beziehen sich auf Frischgewicht.
| Lebensmittel | Kalium 40 [Bq/L bzw. kg] |
| Milch | 40–60 |
| Fleisch Schwein | 30–140 |
| Fleisch Rind | 50–150 |
| Fleisch Kalb | 50–140 |
| Fleisch Geflügel | 40–130 |
| Gemüse | 30–150 |
| Obst | 30–150 |
| Haselnüsse | 186–272 |
| Honig | 30–200 |
Danach beträgt die K-40 Aktivität von Milch üblicherweise 40 – 60 Bq/kg, im Fleisch von Schweinen und Rindern etwa 30 – 150 Bq/kg. In Haselnüssen werden zwischen 186 bis 272 Bq/kg und 30 bis 200 Bq/kg in Honig gemessen.
Wein
Eine Online Recherche zur die Kalium-40 Aktivität von Wein liefert nur dürftige Informationen. Laut der Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg (LUBW) wurde in Baden-Württemberg in 2006 durchschnittlich 41 Bq K-40/l gemessen. Der Maximalwert war 88 Bq K-40/l Wein.
Milch
Auch bei Milch finden sich nur mit Mühe Messwerte. Das LUBW gibt für Milch aus Baden-Württemberg in 2006 im Mittel 41 Bq K-40/l und ein Maximalwert von 88 Bq K-40/l an.
Das Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz in Nordrhein-Westfalen gibt für Milch von Erzeugern 54 Bq K-40/l (n=81) (Maximalwert 67 Bq K-40/l) und für die Kalium-40 Aktivität in Milch aus dem Handel durchschnittlich 55 Bq/l (Maximalwert= 65 Bq/l). „Erzeuger“ sind Produkte, die in Nordrhein-Westfalen hergestellt werden.
Suchanfragen bei Google Trends
Wie häufig wird nach Kalium-40 bei Google gesucht? Die Antwort kann bei Google Trends abgefragt werden (Abbildung 3):
Abb. 3: Suchvolumen von „Kalium-40“ bei Google Trends in Deutschland. Entwicklung von 2004 – 20018. Quelle: trends.google.de
Das Interesse ist gering und hat sich in den letzten 10 Jahren nur wenig verändert, tendenziell ist es rückläufig.
Weitere Informationen, Berechnungen und Messwerte
News
Wissenschaftliche Dienste Deutscher Bundestag Strahlenbelastung bestimmter Lebensmittel – „Die natürliche Radioaktivität in Nahrungsmitteln, die zur Strahlenbelastung des Menschen beiträgt, ist hauptsächlich durch das Kaliumisotop Kalium-40 und die langlebigen Radionuklide der Uran-Radium-Zerfallsreihe und der Thorium-Zerfallsreihe bedingt“. Quellink
Literatur
Anderson E., C., Langham W., H., 1959: Average potassium concentration of the human body as a function of age. Science. Sep 18; 130 (3377): 713–714
Block J., 1993: Verteilung und Verlagerung von Radiocäsium in zwei Waldökosystemen in Rheinland-Pfalz insbesondere nach Kalk- und Kaliumdungüngen. Diss. Forstliche Fakultät, Uni. Göttingen
Fielitz U., 1994: Radioaktivität in Wildtieren. Abschlussbericht über das Forschungsvorhaben. Inst. f. Wildbiologie und Jagdkunde der Univ. Göttingen 119 pp.
He Q., Heo M, Heshka S, Wang J, Pierson RN Jr, Albu J, Wang Z, Heymsfield SB, Gallagher D., 2003: Total body potassium differs by sex and race across the adult age span. Am J Clin Nutr. Jul; 78 (1):72-7.
Kehayias J., J., Fiatarone M., Zhuang H., Roubenoff R., 1997: Total body potassium and fat: relevance to aging. Am J Clin Nutr.; 66: 904–10.
Kiefer H., und Koelzer W., 1992: Strahlen und Strahlenschutz.
Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz in Nordrhein-Westfalen, Strahlenschutzvorsorge in Nordrhein-Westfalen Gemeinsamer Jahresbericht 2014, der fünf amtlichen Messstellen für Umweltradioaktivität
Lederer, M., Hollander, J.M., Perlmann, I., 1967: Table of isotopes. Wiley and Sons. New York.
LUBW Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg, Radioaktivität in Baden-Württemberg 2002 – 2011
Oberhausen E., 1963: Die Altersabhängigkeit des Kalium- und Cäisium-137-Gehaltes des Mensehe. Diss., Universität des Saarlandes.
Rabitsch H., Kahr G., 1991: Abschätzung der internen Strahlenbelastung durch radioaktives Jod und Cäsium für die erwachsene Bevölkerung. ITPR 91017, Universität Graz
Rahola T, Suomela M., 1975: On biological half-life of potassium in man. Ann Clin Res 7:62–5
Seelmann-Eggebert W., Pfennig G., Münzel H., 1981: Karlsruher Nuklidkarte. Gesellschaft für Kernforschung mbH. Karlsruhe, 5. Aufl.
Ulrich B., Mayer R., Matzner E., 1986: Vorräte und Flüsse der chemischen Elemente. in: Ellenberg H., Mayer R., Schauermann J. (eds.): Ökosystemforschung: Ergebnisse des Sollingprojekts 1986-1986. Ulmer Verlag, Stuttgart: 375-415.
Wiechen A., Rühle H., Vogel K., 2010 : Bestimmung des Kaliumgehaltes über die Kalium-40 Aktivität.Messanleitung für die „Überwachung radioaktiver Stoffe in der Umwelt und externer Strahlung“. ISSN 1865-8725