Monsun entzieht den Äckern giftiges Arsen

22. Dezember 2009

Als Folge der Bewässerung mit arsenhaltigem Grundwasser kann sich das giftige Arsen im Boden von Reisfeldern anreichern und wird – bei hohen Konzentrationen – schliesslich auch in der Reispflanze eingebaut. Nun zeigen Forscher von Eawag und ETH Zürich in einem gemeinsamen Projekt mit Wissenschaftern aus Bangladesch in der renommierten Zeitschrift Nature - Geoscience, dass ein Teil des Arsens durch die Überflutung während des Monsuns wieder aus dem Boden entfernt wird.

Ein Junge aus Bashailbhog (Bangladesh) hilft in überfluteten
Reisfeldern den Forschern bei der Entnahme von Wasserproben
aus verschiedenen Tiefen des Sediments.

Millionen von Menschen weltweit trinken Wasser, dessen Arsenkonzentrationen weit über dem WHO-Grenzwert von 10 Mikrogramm pro Liter liegen. Besonders katastrophal ist die Situation in Bangladesh. Dort wurden zwischen 1980 und 1990 mit Unterstützung der Weltgesundheitsorganisation (WHO) und Unicef Brunnen gebohrt, um die Menschen mit sauberem Grundwasser aus 5 bis 50 Metern Tiefe zu versorgen. Damit sollten Durchfallerkrankungen und Choleraepidemien durch den Konsum von verschmutztem Oberflächenwasser reduziert werden. Anstatt mit gefährlichen Krankheitserregern ist das Wasser aus diesen Tiefen jedoch an vielen Orten mit Arsen belastet. Konzentrationen zwischen 0,5 bis 2500 Mikrogramm Arsen pro Liter wurden von der Eawag gemessen. «Typisch sind Verunreinigungen von 400 Mikrogramm», sagt Ruben Kretzschmar, Professor am Departement für Umweltwissenschaften der ETH Zürich und Mitautor der Studie.

Beim Menschen führt zu hoher Arsen-Konsum zu einer schleichenden Vergiftung: Zuerst treten veränderte Hautpigmentierungen auf, die sich später zu Hautkrebs entwickeln können, gefolgt von organischen und neurologischen Erkrankungen. Nach 15 bis 30 Jahren ist die Wahrscheinlichkeit an Krebs zu erkranken hoch.

Über 1000 Tonnen Arsen jährlich

Indem in Bangladesh während Trockenperioden die Reisfelder mit dem arsenhaltigen Wasser bewässert werden, gelangen jährlich schätzungsweise 1360 Tonnen Arsen in die Ackerböden. Experten befürchten eine langfristige Arsenanreicherung in den Reisböden. Bei Feldern, die während der Monsunzeit unter Wasser stehen, verringert sich der Arsengehalt der Böden während des Monsuns wieder. Wie es dazu kommt, war bis anhin nicht klar. Es wurde diskutiert, dass das Arsen in tiefere Bodenlagen transportiert werden könnte, durch mikrobielle Aktivität in die Atmosphäre gelangen könnte, oder während der Monsunüberflutungen ins Wasser gelöst und abtransportiert werden könnte.

Mit dem Boot auf dem Feld

Untersuchungen des Porenwassers der Böden und des darüberstehenden Flutwassers ermöglichten nun zu zeigen, welchen Weg das Arsen nimmt. Linda Roberts, Doktorandin an der Eawag und der ETH Zürich und Erstautorin der Publikation nahm hierfür mit Hilfe eines Bootes während des Monsun in den Jahren 2006 und 2007 auf zwei überfluteten Reisfeldern in Bangladesch Proben. Die Analysen zeigten, dass das Arsen vor allem in den obersten 10 Zentimetern Ackerboden, in dem es sich während der Bewässerung am stärksten anreichert, in die Bodenlösung mobilisiert wird und durch Diffusion in das über den Böden stehende Flutwasser gelangt. Über das Muster, wie sich das Arsen im Wasser auf dem Feld und in den Kanälen, die zu den Flüssen führen, verteilt, zeigten die Wissenschaftler, dass das Arsen mit zurückschreitender Flut zu den Flüssen transportiert wird. Auf diese Weise werden nach ihren Berechnungen 51 bis 250 Milligramm Arsen pro Quadratmeter aus den Böden in das Flutwasser ausgespült, von wo aus es in die Flüsse gelangt. Durch diesen Prozess verlieren die Böden jährlich wieder 13 bis 62 Prozent des Arsens, das ihnen zuvor durch Bewässerung zugeführt wurde.

Ein Dorfbewohner befährt mit seinem Boot Reisfelder im
Munshiganj Distrikt, Bangladesh. Viele Felder bleiben während
der Monsunzeit bis zu vier Monate lang meterhoch überflutet.

Risiko von Ernteeinbussen grösser ohne Überflutung

In einer früheren Studie untersuchten die Wissenschaftler, wie sich das Arsen durch Bewässerung im Ackerboden verteilt. Dabei konnten sie zeigen, dass besonders hohe Konzentrationen dort auftreten, wo das Wasser direkt auf das Feld geleitet wird. Auch in den weiter entfernten Ecken der Felder nehmen die Konzentrationen jedoch langsam zu, so dass die Gefahr besteht, dass sich das Arsen in der Reispflanze und dem Reis anreichert. Damit gelangt das Arsen nicht nur in die Nahrungskette, sondern kann durch seine toxische Wirkung auf die Pflanzen auch zu Ertragseinbüssen führen. «Wir schliessen aus unseren Ergebnissen, dass sich das Arsen in Gebieten, die nicht regelmässig überflutet werden, wahrscheinlich schneller anreichert, und dass das Risiko zukünftiger Ertragseinbussen in diesen Gegenden daher grösser ist», sagt Roberts. Nicht überflutete Felder sollten daher besonders sparsam bewässert werden, damit möglichst wenig Arsen in die Böden getragen wird.

Globales Problem Die Verschmutzung des Trinkwassers mit Arsen ist ein globales Problem. Betroffen sind unter anderem West Bengalen, Vietnam, Thailand, Taiwan, die Innere Mongolei, einige südamerikanische Staaten, die USA, Kanada und Bereiche Europas. Selbst in der Schweiz gibt es Gebiete mit erhöhten Arsenkonzentrationen im Grundwasser. Die Belastung des Trinkwassers mit Arsen ist dabei nur zu einem geringeren Teil von Menschen gemacht. In früheren Jahren gelangte Arsen zwar unter anderem durch Tierfutter-Zusatzstoffe und Pestizide in Böden und das Grundwasser. Für die Kontamination des Trinkwassers sind jedoch in erster Linie natürliche Arsenvorkommen verantwortlich. Diese finden sich in Festgesteinen, Schwarzschiefern, vulkanischen Sedimenten und in den Böden in der Nähe von geothermalen Quellen, doch vor allem in Fluss- und Seesedimenten. In diese gelangt es, wenn das Arsen durch Verwitterungsprozesse aus natürlich arsenhaltigen Mineralien wie beispielsweise Arsenopyrit herausgelöst wird. Solches gelöste Arsen lagert sich gerne an von Fliessgewässern transportierte eisenoxid- oder eisenhydroxidhaltige Partikel an. Seit der letzten Eiszeit vor 15 000 Jahren, als der Meeresspiegel etwa 100 Meter tiefer lag als heute, verfrachteten Flüsse wie der Ganges enorme Sedimentmengen aus dem Himalaja in das Delta. Mit dieser Sedimentfracht wurden auch beträchtliche Mengen an Arsen mitgeliefert; beides lagerte sich in den Flussbetten und besonders in den langsam fliessenden Mündungsbereichen der Ströme ab. Wird das so gebildete Sediment ausreichend mit Sauerstoff versorgt, bleibt das Arsen darin gebunden und kontaminiert das Grundwasser nicht. In der Regel wird in solchen Sedimenten aber auch organisches Material abgelagert, das den in den Sedimenten lebenden Mikroorganismen als Nahrung dient. Diese benutzen zum Abbau des organischen Materials zuerst den Sauerstoff, der frei in den Sedimenten vorliegt. Ist dieser aufgebraucht, greifen sie auf die in den Sedimenten enthaltenen Eisenoxide beziehungsweise Eisenhydroxide zurück und reduzieren diese zu zweiwertigem Eisen, welches gut löslich ist. Dies führt dazu, dass auch das an diese Stoffe gebundene Arsen freigesetzt wird.

• Linda Roberts im Interview mit BBC „Science in Action“ vom 18.12.2009
  [mp3-File, 2MB]
• Roberts LC et al.: Arsenic release from paddy soils during monsoon flooding, Nature Geoscience Published online: 13 December 2009, doi:10.1038/ngeo723
  
• Artikel aus Eawag-News 62 von 2006: Arsen im Reisfeld ­ – eine Gefahr? [pdf]

Dieser Beitrag ist eine leicht ergänzte Fassung des Beitrages für die Webzeitung ETH-Life. www.ethlife.ch; Autorin: Simone Ulmer; Fotos: Linda Roberts, Eawag.

Nachtrag vom 20. Januar 2010

Forschung löst Reaktionen aus

Die Publikation zur Arsenauswaschung hat in Bangladesch bereits zu Reaktionen geführt. Gemäss zwei Artikeln in der wichtigsten Tageszeitung Bangladeschs «The Daily Star» befasst sich bereits die Regierung mit dem Problem:

Artikel Daily Star vom 15. Januar 2010 [pdf]

Artikel Daily Star vom 16. Januar 2010 [pdf]