n der chemiedidaktischen Literatur werden toxikologische Fragestellungen in anderen Zusammenhängen oft theoretisch mitbehandelt, aber eine für den Unterricht geeignete experimentelle Erschließung der Toxikologie und besonders ihrer Grundlagen hat bisher nicht stattgefunden. Meistens werden nur spezielle Aspekte, einzelne Gifte oder Stoffgruppen betrachtet. Vielfach publiziert sind die Enzymhemmung durch Schwermetalle und Nachweisreaktionen für Gifte. Die medizinische Behandlung von Schwermetallvergiftung wurde auch schon thematisiert. Wendet man sich der Biologiedidaktik zu, so ist festzustellen, dass dort abgesehen von der Enzymhemmung und Nachweisen ebenso wenig Experimente zur Toxikologie vorgestellt werden. Es finden sich neben der genauso vorhandenen theoretischen Behandlung vor allem Unterrichtsmaterialien zu Giftpflanzen und –tieren.
Doch auch für das Thema „Toxikologie“ gilt selbstverständlich, dass die experimentelle Behandlung im Unterricht einer rein theoretischen Erarbeitung vorzuziehen ist. Empirische Untersuchungen belegen, dass der Chemieunterricht von den Schülern eher als positiv erlebt wird, wenn experimentiert wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurden deshalb Experimente entwickelt, mit deren Hilfe im Chemieunterricht ein Basiswissen zur Toxikologie erarbeitet werden kann. Insbesondere können den Schülern anhand der Versuche Antworten auf folgende Fragen gegeben werden: Was ist ein Gift? Wie reagiert ein Organismus auf ein Gift? Was bewirkt ein Gift im Organismus? Wie kann eine Vergiftung behandelt werden und worauf sollte dabei geachtet werden?
Zunächst werden daher theoretische Grundlagen erarbeitet, wobei die aufgeführten Fragen im Mittelpunkt stehen (Kapitel2). Im Folgenden werden dann methodisch-didaktische Überlegungen angestellt. Ausdrücklich wird darauf eingegangen, welche Bezüge die Toxikologie zur Erfahrungswelt der Schüler hat, was für und was gegen eine Behandlung im Unterricht spricht und an welchen Stellen die Versuche im Lehrplan eingeordnet werden können (Kapitel3). Im Anschluss daran werden die Versuche vorgestellt, die sich als im Unterricht einsetzbar erwiesen haben, um das Thema „Toxikologie“ experimentell zu erarbeiten (Kapitel4). Zum Abschluss werden Anregungen zur weiteren Vertiefung des Themas im Rahmen fachdidaktischer Arbeiten gegeben und die gefundenen Ergebnisse sowohl zusammengefasst als auch kritisch bewertet (Kapitel5).
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Allgemeines
2.1.1 Toxikologie – eine Definition
2.1.2 Gift – eine Annäherung
2.1.3 Aufgaben der Toxikologie
2.1.4 Quellen der toxikologischen Erkenntnis
2.1.5 Häufigkeit von Vergiftungen und Vergiftungsmöglichkeiten
2.2 Toxikokinetik
2.2.1 Invasion
2.2.1.1 Liberation
2.2.1.2 Resorption
2.2.1.2.1 Eintrittspforten
2.2.1.2.2 Resorptionsmechanismen
2.2.1.2.3 Einflussfaktoren
2.2.1.2.4 Resorptionsmodelle
2.2.2 Distribution
2.2.3 Evasion
2.2.3.1 Exkretion
2.2.3.2 Biotransformation
2.2.3.2.1 Phase-I-Reaktionen
2.2.3.2.2 Phase-II-Reaktionen
2.2.3.2.3 Biotransformation von Acetylsalicylsäure
2.2.3.2.4 Beeinflussung der Biotransformation
2.2.3.2.5 Entgiftung und Giftung
2.3 Toxikodynamik
2.3.1 Einteilung toxischer Wirkungen
2.3.2 Auswirkungen von Mischintoxikationen
2.3.3 Wirkungsmechanismen von Giften
2.3.4 Zusammenfassung toxischer Wirkungen
2.4 Therapie der Vergiftungen
2.4.1 Allgemeines Vorgehen
2.4.2 Primäre Giftentfernung
2.4.2.1 Vergiftung durch Inhalation
2.4.2.2 Vergiftung durch Hautkontamination
2.4.2.3 Orale Vergiftung
2.4.2.3.1 Induzierte Emesis
2.4.2.3.2 Magenspülung
2.4.2.3.3 Adsorbentien
2.4.2.3.4 Forcierte Diarrhö
2.4.2.3.5 Ortho- und anterograde Darmspülung
2.4.2.3.6 Lokalantidote
2.4.3 Sekundäre Giftentfernung
2.4.3.1 Hyperventilation
2.4.3.2 Forcierte Diurese
2.4.3.3 Hämodialyse
2.4.3.4 Hämofiltration
2.4.3.5 Hämodiafiltration
2.4.3.6 Hämoperfusion
2.4.3.7 Plasmapherese
2.4.3.8 Plasmaperfusion
2.4.3.9 Austauschtransfusion
2.4.3.10 Peritonealdialyse
2.4.3.11 Unterbrechung des enterohepatischen Kreislaufs
2.4.4 Antidote
3 Fachdidaktischer Teil
3.1 Toxikologie im Chemieunterricht – Pro und Kontra
3.2 Fachdidaktischer Kommentar zu den Experimenten
3.2 Einordnung in den Lehrplan des Landes Hessen
4 Experimenteller Teil
4.1 Grundlagen der Toxikologie
4.1.1 Herstellung von Nähragarplatten
4.1.2 Hemmung des Wachstums von Milchsäurebakterien auf Nähragarplatten (verändert nach [126, S. 67-69, 14])
4.1.3 Hemmung des Wachstums von Milchsäurebakterien in einer Nährlösung in Abhängigkeit von der Konzentration (verändert nach [126, S. 146-148])
4.2 Toxikokinetik
4.2.1 Herstellung der 1-Dodecanol-Collodium-Membranen (verändert nach [129, S. 75])
4.2.2 Untersuchung von starken und schwachen Elektrolyten mit dem Permeationsmodell nach FÜRST und NEUBERT
4.2.3 Untersuchung von Nicotin in saurer und alkalischer Lösung mit dem Permeationsmodell
4.2.4 Nachweis von Ammoniumionen in Zigarettentabak, unbehandeltem Tabak und verschiedenen Rohtabaken
4.2.5 Dünnschichtchromatographie von Acetylsalicylsäure und ihrer Hauptmetaboliten Salicylsäure und Salicylursäure
4.2.6 Erstellung von Eichkurven
4.2.7 Bestimmung der Übertrittsgeschwindigkeiten von Acetylsalicylsäure und ihrer Hauptmetaboliten Salicylsäure und Salicylursäure mit dem Permeationsmodell
4.2.8 Bestimmung der Übertrittsgeschwindigkeiten von Benzoesäure und Hippursäure mit dem Permeationsmodell
4.3 Toxikodynamik
4.3.1 Katalasehemmung durch Kupfer (verändert nach [21, S. 302f.])
4.3.2 Ureasehemmung durch Schwermetalle (verändert nach [20, S. 137])
4.3.3 Modellversuch zur Störung der Blutgerinnung
4.3.4 Vergiftung durch Methämoglobinbildner
4.4 Therapie der Vergiftungen
4.4.1 Nachweis von Amanitinen
4.4.2 Milch als Lokalantidot
4.4.3 Kaliumhexacyanoferrat(II) als Antidot bei Vergiftungen mit Kupfer(II)-salzen
4.4.4 Herstellung von „Aktivkohle“
4.4.5 Therapie der Methämoglobinvergiftung
4.4.6 EDTA als Antidot bei Schwermetallvergiftungen
4.4.7 Modellversuch zur Hämodialyse
4.4.8 Modellversuch zur Hämoperfusion
4.4.9 Modellversuch zur forcierten Diurese (Bestimmung der Übertrittsgeschwindigkeit von Salicylsäure bei verschiedenen Konzentrationen mit dem Permeationsmodell)
4.4.10 Gefährdung durch eine falsche Antidottherapie (schnelle Variante)
4.4.11 Gefährdung durch eine falsche Antidottherapie (langsame Variante)
4.4.12 Modellversuch zur Magenperforation durch eine falsche Antidottherapie
5 Zusammenfassung und Schlussbemerkungen
6 Messwerte
6.1 Messwerte aus Versuch 4.2.7
6.1.1 Acetylsalicylsäure (Messung 1)
6.1.2 Acetylsalicylsäure (Messung 2)
6.1.3 Salicylsäure (Messung 1)
6.1.4 Salicylsäure (Messung 2)
6.1.5 Salicylursäure (Messung 1)
6.1.6 Salicylursäure (Messung 2)
6.2 Messwerte aus Versuch 4.2.8
6.2.1 Benzoesäure (Messung 1)
6.2.2 Benzoesäure (Messung 2)
6.2.3 Hippursäure (Messung 1)
6.2.4 Hippursäure (Messung 2)
6.3 Messwerte aus Versuch 0
6.3.1 Salicylsäure (c = 5,00 mmol/L) (Messung 1)
6.3.2 Salicylsäure (c = 5,00 mmol/L) (Messung 2)
6.3.3 Salicylsäure (c = 1,07 mmol/L) (Messung 1)
6.3.4 Salicylsäure (c = 1,07 mmol/L) (Messung 2)
Zielsetzung & Themen
Ziel dieser Arbeit ist es, die Toxikologie experimentell in den Chemieunterricht der Sekundarstufe II zu integrieren und Schülern ein grundlegendes Verständnis für Wirkungsweisen und Gefahren von Giften zu vermitteln, um Ängste abzubauen und einen sachlichen Umgang mit Chemikalien zu fördern.
- Grundlagen der Toxikologie und Giftdefinitionen
- Toxikokinetische Prozesse: Aufnahme, Verteilung und Elimination
- Toxikodynamik: Wirkungsmechanismen und Schädigungen
- Experimentelle Erschließung der Toxikologie durch Schulversuche
- Therapiemöglichkeiten bei Vergiftungen im Experiment
Auszug aus dem Buch
2.1.2 Gift – eine Annäherung
Während man den Begriff Toxikologie also erst seit gut 400 Jahren verwendet, waren die Menschen zu allen Zeiten mit Giften konfrontiert. Die Feuerstellen der Urmenschen produzierten erhebliche Mengen an Kohlenmonoxid. Die Menschen lernten, welche Pflanzen essbar waren, welche sie meiden mussten und dass zu lange gelagerte Nahrung sterbenskrank machen kann. Die Gefährlichkeit von Schlangenbissen wird ihnen wohl ebenfalls bewusst gewesen sein. Es verwundert daher nicht, dass die natürlichen Gifte von Pflanzen und Tieren schon früh als Waffen verwendet wurden und Gifte auch in der Geschichte immer wieder eine Rolle spielten. Mit Gift präparierte Pfeile sollen bereits vor 18 000 Jahren gebraucht worden sein. Toxische Substanzen werden aber nicht allein zum Töten verwendet, sondern auch als Genussgifte gebraucht. Der Chemiker ERNST FREIHERR VON BIBRA stellte 1855 dazu fest: „Nirgends auf der ganzen Welt wird ein Land gefunden, dessen menschliche Bewohner sich nicht irgend eines narkotischen Genussmittels bedienen.“ (zitiert nach [48, Vorwort]) Bereits seit dem 7. Jahrtausend v. Chr. wurde beispielsweise in Mesopotamien Bier gebraut.
Schließlich zeugt auch die bewusste Anwendung bestimmter Stoffe zur Hinrichtung, Abtreibung, Betäubung oder als Quelle der Wahrsagung in sehr früher Zeit von einem umfangreichen toxikologischen Erfahrungswissen. Um 1500 v. Chr. wird im altägyptischen „Papyrus-Ebers“ auf die Giftigkeit von Safran hingewiesen und von der Strafe des Pfirsich (Blausäure) gesprochen. Die hinduistische Medizin kannte um 900 v. Chr. Arsen, Opium und Eisenhut als Gifte. Letzterer wurde von den alten Chinesen als Pfeilgift verwendet. Im Jahr 82 v. Chr. erließ Sulla das erste bekannte Gesetz gegen Gifte, das die sorglose Ausgabe von Giften verbot. Kaiser Trajan sah sich schließlich im Jahr 117 n.Chr. genötigt, das Anbauen von Eisenhut zu verbieten, da die Morde mit dieser Pflanze überhand nahmen. Die besondere Angst vor Giften spiegelt sich in der Bestrafung von Giftmördern wieder. Im Codex Iustinianus aus dem Jahr 529 wurde festgestellt: „Es ist schlimmer einen Menschen durch Gift zu vernichten, als durch das Schwert.“ (zitiert nach [39, S. 55]) Auch Kaiser Friedrich I. Barbarossa (1122-1190) scheute sich nicht Gifte einzusetzen.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Die Einleitung diskutiert das weit verbreitete, meist negative Bild der Chemie in der Gesellschaft und begründet die Notwendigkeit, Toxikologie als Thema in den Chemieunterricht zu integrieren, um Ängste abzubauen und Sicherheitskompetenzen zu fördern.
2 Theoretische Grundlagen: Dieses Kapitel vermittelt kompaktes Hintergrundwissen über die Definition von Giften, die zwei Hauptdisziplinen Toxikokinetik und Toxikodynamik sowie die therapeutischen Maßnahmen bei Vergiftungen.
3 Fachdidaktischer Teil: Der fachdidaktische Teil erörtert die Pro- und Kontra-Argumente für das Thema im Unterricht, kommentiert die Auswahl der verwendeten Experimente und ordnet sie in den hessischen Lehrplan ein.
4 Experimenteller Teil: Dieser umfangreiche Abschnitt stellt detaillierte Anleitungen und Auswertungen für zahlreiche Schulversuche zu den Grundlagen, der Kinetik, der Dynamik und der Therapie von Vergiftungen bereit.
5 Zusammenfassung und Schlussbemerkungen: Das abschließende Kapitel resümiert die Arbeit, bestätigt die Eignung der Toxikologie für den experimentellen Chemieunterricht und hebt die Bedeutung einer ausgewogenen Darstellung hervor.
6 Messwerte: Dieser Teil dient als Verweis auf die digitalen Messdaten, die zur Auswertung der Versuche verwendet wurden.
Schlüsselwörter
Toxikologie, Gift, Vergiftung, Toxikokinetik, Toxikodynamik, Antidot, Chemieunterricht, Schulversuch, Biotransformation, Resorption, Diffusion, Sicherheitsunterweisung, Gefahrenstoff, Lehrplan, Experiment.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Konzeption und experimentellen Umsetzung des Themas Toxikologie für den Chemieunterricht an Gymnasien, um Schülern fundiertes Wissen über Gifte und den Umgang mit Gefahrstoffen zu vermitteln.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Zentral sind die theoretischen Grundlagen der Toxikokinetik (Aufnahme, Verteilung, Ausscheidung) und Toxikodynamik (Wirkungsmechanismen), ergänzt durch fachdidaktische Überlegungen und praktische Experimente.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel ist es, den Chemieunterricht durch praktische Experimente bereichernd zu gestalten, sodass Schüler lernen, die chemischen Grundlagen von Giftwirkungen zu verstehen und irrationale Ängste vor der Chemie abzubauen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit basiert auf einer wissenschaftlichen Facharbeit, die theoretische Grundlagen aus Literaturquellen mit eigenen experimentellen Untersuchungen zur Stoffpermeation und Enzymhemmung verbindet.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in einen umfangreichen theoretischen Abschnitt über die Prinzipien der Toxikologie und einen experimentellen Teil, in dem zahlreiche Schulversuche zu Grundlagen, Kinetik, Dynamik und Antidot-Therapie detailliert beschrieben werden.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Begriffe sind Toxikologie, Gift, Vergiftungsprophylaxe, experimentelle Erschließung im Chemieunterricht, Toxikokinetik und Toxikodynamik.
Wie unterscheidet sich die Wirkung von Giften bei Kindern und Erwachsenen?
Bei Kindern stehen akzidentelle Vergiftungen im häuslichen Umfeld im Vordergrund (Neugier, In-den-Mund-Stecken), während bei Erwachsenen suizidale Absichten und der Gebrauch von Medikamenten häufiger auftreten.
Welche Bedeutung hat die "Giftdefinition" von Paracelsus heute?
Die Erkenntnis, dass nicht die Substanz an sich, sondern die Dosis die Giftigkeit bestimmt ("allein die Dosis macht das Gift"), bildet auch heute noch das fundamentale Prinzip der Toxikologie.
Wie wird die "Biotransformation" in der Arbeit erklärt?
Sie bezeichnet die chemische Umwandlung von Substanzen im Organismus, um lipophile (fettlösliche) Stoffe in hydrophile (wasserlösliche) Produkte zu überführen, die der Körper besser ausscheiden kann.
- Quote paper
- Thorsten Dollmetsch (Author), 2004, Toxikologie - Todsicher ein Thema für den Chemieunterricht, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/73039
