MÖGLICHE BEINTRÄCHTIGUNG DER OLFAKTORISCHEN LEISTUNGSFÄHIGKEIT VON SPRENGSTOFFSPÜRHUNDEN DURCH DIE STÖRSUBSTANZEN PETROLEUM UND N-DECAN*

Ziel dieser Arbeit war es zu untersuchen, ob durch die Anwesenheit der Störsubstanzen Petroleum oder n- Decan der Geruch des Sprengstoffes Trinitrotoluol (TNT) überlagert werden kann.

Methoden: Es wurden niedrige Konzentrationen (5-15 ppmV) und Sättigungskonzentrationen von Petroleum (450 ppmV) und n-Decan (725 ppmV) in spezielle Riechboxen geleitet. Anschließend wurde geprüft, inwieweit dadurch die Spürarbeit nach dem Sprengstoff TNT bei auf diesen Sprengstoff ausgebildeten Hunden (n = 8) beeinflusst wurde. Die Untersuchungen erfolgten als Doppelblindstudie unter standardisierten Versuchsbedingungen in einem speziell dafür umgebauten Kühlcontainer, bei einer Umgebungstemperatur von 20±1°C.

Ergebnisse: Weder Petroleum noch n-Decan konnten die Hunde bei der Sprengstoffsuche nach TNT beeinflussen. Die Detektionsraten von TNT lagen bei der Störsubstanz Petroleum bei 97,5 % (niedrige Konzentration) beziehungsweise 99,1 % (Sättigungskonzentration). Die Ergebnisse der Detektionsrate von n- Decan betrugen 100 % (niedrige Konzentration) beziehungsweise 99,0 % (Sättigungskonzentration).

Schlussfolgerungen: Die olfaktorische Sensibilität der getesteten Spürhunde gegenüber TNT wurde durch die Substanzen Petroleum und n- Decan nicht beeinflusst. Da TNT aufgrund seines niedrigen Dampfdruckes für Hunde relativ schwer olfaktorisch wahrzunehmen ist, kann davon ausgegangen werden, dass die Untersuchungsergebnisse auch auf andere, für Hunde besser wahrnehmbare, Sprengstoffe übertragen werden können. Damit kann auch bei der Anwesenheit von bewusst als Störsubstanzen ausgebrachten Mengen an Petroleum oder n-Decan eine zuverlässige Sprengstoffdetektion angenommen werden.

Summary 

Background: Explosive sniffer dogs of the Bundeswehr are an approved support for demolition charge detection since about 20 years. How far dogs are obstructed in the detection of explosives by use of masking-substances is unclear. Aim of this study was to analyze if the presence of masking-substances (petroleum and n-decan) can decrease the sensitivity of explosive sniffer dogs.

Methods: Low (5-15 ppmV) and saturation concentrations of petroleum (450 ppmV) and n-decane (725 ppmV) were directed into sniffing boxes to test whether the concentration levels of the masking-substances had an influence on the detection ability of trained dogs (n = 8) on trinitrotoluene (TNT). The double blind study was carried out under standardized test conditions in a specially designed container (ambient temperature 20±1°C).

Results: Neither petroleum nor n-decan showed a significant effect on the detection ability. Detection rates for TNT were in pre - sence of petroleum 97.5 % (low concentration) respectively 99.1% (saturation concentration) and of n-decan 100 % (low concentration) respectively 99.0% (saturation concentration).

Conclusions: Petroleum and n-decan had no significant effect on the olfactory sensitivity of dogs against TNT. Due to its low vapor pressure TNT is relatively difficult to detect for dogs. Therefore the results of this study can also be transferred to other explosives, which are easier to find by dogs. Based on this results reliable detection of explosives by explosive sniffer dogs can be postulated even in presence of an intentional placed maskingsubstance such as petroleum or n-decan.

1. Einführung 

In den derzeitigen Einsätzen der Bundeswehr stellen Angriffe mit improvisierten Sprengfallen (Improvised Explosive Devices, IED) eine der größten Gefahren für die eigenen Kräfte und deren Einrichtungen dar. Angriffe mit IED führen in den Einsatzgebieten zu einer steigenden Zahl von Verlusten unter den Soldaten wie auch unter der Zivilbevölkerung, weshalb der rechtzeitigen Detektion von Sprengfallen höchste Priorität zukommt.

Erfolgreiche, bei der Bundeswehr bereits seit fast 20 Jahren erprobte Biosensoren zur Detektion von Explosivstoffen sind Sprengstoff- beziehungsweise Kampfmittelspürhunde. Sprengstoffspürhunde können aufgrund ihrer überragenden Riechleistung Sprengstoffe auch in geringsten Mengen wahrnehmen. Der Biosensor Hund hat gegenüber den verschiedenen technischen Sensoren zur Sprengstoffdetektion, die sich zurzeit auf dem Markt befinden, viele Vorteile. Hunde sind mobil, zeigen das Vorhandensein von Sprengstoffen direkt an und können auch bei ungünstigsten Umweltbedingungen wie Sand, Staub, Hitze und hoher Luftfeuchtigkeit eingesetzt werden. Sie lassen sich schnell und ohne großen Aufwand auf neue Sprengstoffgemische, wie sie bei den improvisierten Sprengfallen verwendeten werden, nachkonditionieren. Jedoch unterliegt der Einsatz von Spürhunden auch bestimmten Limitierungen. So können Hunde Sprengstoffe nur über die Gasphase wahrnehmen. Inwieweit Spürhunde durch die Anwesenheit anderer Substanzen bei der Detektion von Sprengstoffen beeinflusst werden können, ist nicht geklärt. Die Möglichkeit, dass feindliche Kräfte versuchen, IED mit Hilfe anderer Substanzen zu überdecken, stellt eine ernst zu nehmende Bedrohung dar. Der Versuch, Petroleum als Störsubstanz zu nutzen, ist bereits im Einsatz beobachtet worden.

In der wissenschaftlichen Literatur gibt es verschiedene Thesen, inwiefern die olfaktorische Wahrnehmung einer Substanz durch die Anwesenheit einer weiteren Substanz beziehungsweise mehrerer Stoffe gestört werden kann. Eine Theorie geht davon aus, dass es zu einer Konkurrenz an der Bindungsstelle von Riechrezeptoren kommen kann. Wenn zwei Substanzen am selben Rezeptor binden und eine von beiden eine höhere Affinität zu dem Rezeptor hat, kann der Geruchseindruck der anderen Substanz verändert oder völlig blockiert werden (1). Eine andere Theorie geht davon aus, dass Geruchsmischungen als ein einheitlicher Geruch wahrgenommen werden und dass die Fähigkeit, Einzelgerüche aus einem Mischgeruch identifizieren zu können, stark limitiert ist. So haben Studien an Menschen gezeigt, dass diese bereits Probleme haben, eine ihnen gut bekannte Substanz aus einem Gemisch aus lediglich zwei Substanzen zu erkennen (2, 3, 4). Aus Versuchen an Nagern war ersichtlich, dass die Überlagerung eines Geruchs in einem Gemisch aus zwei Komponenten abhängig von der Konzentration der Einzelsubstanzen war (5, 6). Jedoch konnte aus unterschiedlichen Studien auch abgeleitet werden, dass die Fähigkeit, Einzelkomponenten aus einem Mischgeruch heraus zu erkennen, durch Training oder wiederholte Exposition gegenüber den Einzelkomponenten verbessert werden kann (7, 8, 9).

2. Methoden

Das Forschungsvorhaben wurde von der Schule für Diensthundewesen der Bundeswehr zusammen mit dem Institut für Detektionstechnologien des Fachbereichs angewandte Naturwissenschaften der Hochschule Bonn-Rhein- Sieg durchgeführt. Die Hauptversuche starteten im Mai 2011 und endeten im August 2011.

2.1 Riechboxen 

Um die gewünschten Konzentrationen von Petroleum und n-Decan in der Umgebung der Sprengstoffproben sicherstellen zu können, wurden sogenannte „Riechboxen“ entwickelt und eingesetzt. Die Riechboxen wurden aus Aluminium gefertigt, damit sich die Oberflächen leicht von eventuellen Kontaminationen reinigen ließen. Das Volumen der Riechboxen betrug circa 45 l. Der Corpus der Riechboxen verfügte im unteren Bereich über Anschlüsse zur Gasversorgung mit den Maskierungssubstanzen und mit Frischluft. Im Frontbereich befand sich ein Deckel, der mit Hilfe von Seilzügen geöffnet und geschlossen werden konnte. Im Inneren der Riechboxen, auf Höhe der Deckel, waren die Probekörper auf Schienen so angebracht, dass die Hunde beim Spüren ihre Nasen in die Riechboxen strecken mussten, um die Probenkörper gerade noch erreichen zu können (Abb 1).

2.2 Probenkörper

Als Sprengstoff wurde Trinitrotoluol (TNT) gewählt, da er in den meisten militärischen Sprengstoffen enthalten ist und damit ein weites Feld von Sprengstoffgemischen abgedeckt werden konnte. Als Probenkörper wurden für den Versuch Echtstoff-Mikromengen-Prüfkörper (EMPK) entwickelt und eingesetzt. Die TNTPrüfkörper wurden mit 500 µg TNT beladen. Die „inerten“ Prüfkörper wurden nach exakt demselben Verfahren angefertigt, enthielten aber kein TNT. Jeweils 6 Prüfkörper wurden in handelsübliche Puderzuckerdosen aus Metall gegeben (Abb 2), sodass die TNT-Gesamtkonzentration, die von den Hunden aufzuspüren war, bei 3 000 µg lag. Alle Prüfkörper und Metalldosen wurden alle 1 bis 2 Wochen ausgewechselt.

2.3 Einstellung der Störsubstanzkonzentrationen 

In Vorversuchen wurde ermittelt, mit welchen Konzentrationen an Petroleum oder n-Decan gerechnet werden muss, wenn diese über einem Sprengkörper verschüttet werden. Dazu wurden in einem geschlossenen Raum Petroleum beziehungsweise n-Decan in einer Wanne ausgeschüttet und nach einigen Stunden die Konzentration direkt über der verschütteten Substanz und im Abstand von circa 50 cm gemessen. Die Konzentration in diesem Abstand lag sowohl bei Petroleum als auch n-Decan unter 10 ppm. Deshalb wurde der Bereich für die niedrige Störsubstanzkonzentration, im Folgenden „niedrige Konzentration“ genannt, zwischen 5-15 ppmV eingestellt. Die Konzentration direkt über der verschütteten Substanz lag nahe der Sättigungskonzentration der Störsubstanzen, gemessen bei Raumtemperatur (circa 20°C). Daher wurde im Versuch die maximal mögliche Sättigungskonzentration, im Weiteren als „hohe Konzentration“ bezeichnet, gewählt. Diese variierte für Petroleum zwischen 350-450 ppmV und für n-Decan zwischen 575-725 ppmV.

Da die Abdampfrate von Explosivstoffen sehr stark von der Umgebungstemperatur abhängt, wurden die Versuche unter standardisierten Umweltbedingungen in einem speziell dafür umgebauten Kühl-Container durchgeführt. Die Lufttemperatur im Container wurde während der Tests mit Hilfe einer Klimaanlage auf 20°C ± 1°C eingestellt und gehalten. Über Computer gesteuerte Mass-Flow-Controller konnte der Fluss der kontaminierten Luft in den Riechboxen eingestellt und geregelt werden. In Vorversuchen wurde überprüft und gewährleistet, dass die Störsubstanzkonzentration in den Riechboxen für alle Hunde in einem Versuchsdurchgang sowie zwischen den Durchgängen eines Versuchstages gleich blieb.

2.4 Diensthunde 

Die Untersuchung wurde mit 8 Diensthunden durchgeführt (6 Labrador Retriever, 1 Golden Retriever, 1 Malinois). Das Versuchsvorhaben wurde im Vorfeld der zuständigen Behörde angezeigt und der Tierschutzkommission für den Geschäftsbereich des BMVg vorgestellt. Um die Hunde nicht zu überlasten, wurden pro Versuchstag 4 bis 7 Suchdurchgänge durchgeführt. Alle im Versuch eingesetzten Hunde hatten keine Vorerfahrungen mit dem Sprengstoff TNT und wurden erst im Rahmen des Versuches auf den Sprengstoff TNT ausgebildet.

2.5 Versuchsaufbau

Um eine unbewusste Beeinflussung der Versuchsergebnisse durch die beteiligten Personen ausschließen zu können, wurde der Versuchsaufbau als Doppelblindstudie gewählt. Weder der Hundeführer, noch die Person, welche die Anzeige der Hunde bewertete, wusste zu Beginn des Testdurchganges an welcher Stelle sich die Riechbox mit TNT befand. Zusätzlich befand sich eine Person in einem vom Container separierten Raum. Sie dokumentierte die Anzeige der Spürhunde und beobachtete deren Arbeit über eine Kamera, die im Container angebracht war. Damit konnte die auswertende Person weder sehen noch hören, ob die Hunde nach der Anzeige belohnt wurden. Die Position der mit TNT versehenen Riechbox war nur der Person bekannt, welche die Riechboxen anhand der fortlaufend durchnummerierten Testdurchläufe bestückte. Die Position der mit TNT versehenen Riechbox in den einzelnen Testdurchläufen war vor Beginn der Versuche durch ein Zufallsverfahren festgelegt worden. Nach erfolgter Anzeige wurde dem Hundeführer durch diese Person mitgeteilt, ob die Anzeige richtig oder falsch war, damit der Hund durch den Hundeführer belohnt werden konnte (Anzeige richtig) oder ohne Belohnung aus dem Container geführt wurde (Anzeige falsch). Die Versuche wurden in sogenannte „90 %- Versuche“ und „Störsubstanzversuche“ mit den Störsubstanzen Petroleum und n-Decan unterteilt.

Vor dem Start der jeweiligen Störsubstanzversuche wurden die Hunde mittels der 90 %-Versuche überprüft. Bei den 90 %-Versuchen wurde keine Störsubstanz verwendet und das Such- und Anzeigeverhalten der Hunde überprüft. Die Hunde mussten aus einer Suchreihe mit 6 Riechboxen (1 Box mit TNT-Probenkörper, 5 mit inerten Probenkörpern) die mit TNT versehene Box aufspüren und anzeigen (3). Hunde, die eine Erfolgsquote von mindestens 90 % erreichten, wurden in ihrem Trainingszustand als „auf Stand“ eingestuft und in den anschließenden „Störsubstanzversuchen“ eingesetzt.

Die Störsubstanzversuche waren in die Blöcke „Petroleum“ und „n-Decan“ unterteilt. Auch bei den Störsubstanzversuchen mussten die Hunde aus einer Reihe mit 6 Riechboxen, diejenige herausfinden, die mit TNT versehen war. Beide Störsubstanzen starteten mit der niedrigen Konzentration.

Insgesamt wurden 7 Versuchsblöcke durchgeführt: 1. 90 %-Versuche, 2. Petroleum niedrige Konzentration, 3. 90 %-Versuche, 4. Petroleum hohe Konzentration, 5. 90 %-Versuche, 6. n-Decan niedrige Konzentration und 7. n- Decan hohe Konzentration.

3. Ergebnisse 

3.1. 90 %-Versuche

Die angestrebte Erfolgsquote betrug bei dieser Versuchsreihe 90 %. Erreicht wurde eine Erfolgsquote von mindesten 91 % pro Hund. Die Gesamtquote in der Summe aller durchgeführten Versuche über alle Hunde war 96,8 %.

3.2 Störsubstanzversuche

Die Ergebnisse der Störsubstanzversuche sind in Abbildung 4 für Petroleum und in Abbildung 5für n-Decan dargestellt. Die Erfolgsquote variierte zwischen 97,5 % und 100 %. Bei detaillierter Betrachtung der Erfolgsquoten aufgegliedert auf die einzelnen Hunde ergab sich eine geringste Erfolgsquote von 92,3 %. Sie trat im ersten Versuchsblock mit der niedrigen Petroleumkonzentration auf. Der Überblick über die Summe aller Maskierungsversuche (n = 829) zeigt eine Gesamterfolgsquote von 98,9 %.

4. Diskussion

Die in der Literatur beschriebene schlechte olfaktorische Analysefähigkeit von Einzelgerüchen aus einem Mischgeruch konnte in dieser Studie nicht beobachtet werden. Die Detektionsrate der Hunde lag hier stets über 92 Prozent und damit weit über den in der Literatur angegebenen Werten.

Die Theorie einer möglichen Rezeptorkonkurrenz im olfaktorischen System (1), bei der TNT-Rezeptoren durch Störsubstanzen belegt oder blockiert und damit nicht mehr ansprechbar sind, kann mit den Ergebnissen dieser Studie für die Substanzen Petroleum und n-Decan ausgeschlossen werden. Die Beobachtungen von anderen Arbeitsgruppen (5, 6), dass das Geruchsbild einer Substanz durch andere Störsubstanzen überlagert werden kann, vor allem bei steigender Konzentration der Störsubstanz, konnte in dieser Studie ebenfalls nicht bestätigt werden. Auch die Sättigungskonzentration der beiden Störsubstanzen Petroleum und n-Decan hatte keinen nachweisbaren Effekt auf die TNT-Detektionsrate der geprüften Hunde.

Die Versuchsergebnisse dieser Studie unterstützen jedoch die Ergebnisse verschiedener Arbeitsgruppen (7, 8, 9), dass durch intensives Training mit einer bestimmten Substanz die Fähigkeit der olfaktorischen Detektion dieser Substanz aus Mischgerüchen deutlich gesteigert werden kann. Die Hunde hatten in allen Versuchsblöcken sehr gute Detektionsraten, somit war dieser Trainingseffekt statistisch nicht nachweisbar. Jedoch trat beim ersten Kontakt mit einer Störsubstanz (Versuchsblock 1: Petroleum niedrige Konzentration) die höchste Zahl von Fehlanzeigen auf (5 Fehlanzeigen bei 203 Suchen). In den folgenden Störsubstanzversuchen lag die Fehlerquote stets darunter.

5. Schlussfolgerungen

Die Versuchsergebnisse zeigen klar, dass die Substanzen Petroleum und n- Decan nicht in der Lage waren, den Geruch von TNT für die im Versuch eingesetzten Spürhunde zu überdecken. Auch bei den Durchgängen mit hohen Konzentrationen konnten keine Leistungseinbußen bei der Detektion von TNT beobachtet werden. Da in realen Spüreinsätzen zudem die Konzentration der untersuchten Störsubstanzen deutlich niedriger liegen dürfte, lässt sich schlussfolgern, dass in der Praxis keine der beiden Substanzen fähig ist, den Geruch von TNT zu überlagern.

TNT besitzt einen relativ niedrigen Dampfdruck (3,0 x 10-6 Torr bei 25°C) und ist für Hunde relativ schwer zu detektieren. Viele andere Sprengstoffe haben einen höheren Dampfdruck und sind daher für Hunde besser olfaktorisch wahrzunehmen. Zudem ist TNT in den meisten militärischen Sprengstoffen enthalten. Daher ist eine Übertragung der Ergebnisse dieser Studie auf eine große Bandbreite von Sprengstoffgemischen gerechtfertigt.

Die vorliegende Studie erbrachte den Nachweis, dass die Effektivität von Sprengstoffspürhunden bei der Sprengstoffsuche durch Petroleum oder n-Decan nicht beeinflusst werden kann. Der Biosensor Hund ist auch in Anwesenheit von Störsubstanzen ein zuverlässiger und hoch sensibler Detektor und somit ein unersetzlicher Helfer beim Aufspüren von Sprengsätzen.

Literaturverzeichnis

1. Wilson DA, Mainen ZF: Early events in olfactory processing. Annual Review of Neuroscience 2006; 29: 163-201.
2. Laing DG, Francis GW: The capacity of humans to identify odors in mixtures.Physiology and Behavior 1989; 46: 809- 814. 
3. Laing DG, Glemarec A: Selective attention and the perceptual analysis of odor mixtures. Physiology and Behavior 1992; 52: 1047-1053.
4. Livermore A, Laing DG: The influence of chemical complexity on the perception of multicomponent odor mixtures. Perception and Psychophysics 1998; 60: 650-661.
5. Kay LM, Crk T, Thorngate J: A redefinition of odor mixture quality. Behavioral Neuroscience 2005; 119: 726-733. 
6. Sokolic L, Laing DG, McGregor LS: Aymmetric suppression of components in binary aldehyde mixtures: behavioral studies in the laboratory rat. Chemical Senses 2007; 32: 191-199
7. Mandairon N, Stack C, Linster C: Olfactory enrichment improves the recognition of individual components in mixtures. Physiology and Behavior 2006; 89: 379- 384.
8. Fletcher ML, Wilson DA: Experience modifies olfactory acuity: acetocholine-dependent learning decreases behavioral generalization between similar odorants.Journal of Neuroscience 2002; 22: 201.
9. Fletcher ML, Wilson DA: Olfactory bulb mitral-tufted cell plasticity: odorant-specific tuning reflects previous odorant exposure. Journal of Neuroscience 2003; 23: 6946- 6955.

Fotos:

Abb. 1 und 2: Schule für Diensthundewesen.

Abb. 3: Christoph Görgen, Schule für Diensthundewesen.

Datum: 21.09.2012