Die Giftzwerge

Wieso ist Arsen im Grundwasser in einigen Ländern so ein Problem?

Obwohl es auch in Europa arsenhaltige Minerale gibt, verseuchen sie hier nicht in dem Maße das Grundwasser wie auf demn indischen Subkontinent. Bakterien spielen eine Schlüsselrolle bei der gefährlichen Freisetzung des Arsens

Arsen gilt weltweit als einer der häufigsten chemischen Schadstoffe im Grundwasser. Besonders heftig leiden darunter die Menschen in Bangladesch und im nordöstlichen Indien (Arsen im Trinkwasser und Der große Durst). Nun gibt es zwar die Möglichkeit, tiefere Brunnen zu bohren, Filteranlagen zu installieren oder auch Farne zu pflanzen (vgl. Nature, 409, 2002), um arsenfreies Wasser zu gewinnen.

Doch echte Wissenschaftler begeistern solche Lösungen nicht. Sie wollen wissen, welche Mechanismen die Auslösung von natürlichem Arsen in wasserführenden Sedimenten begünstigen. Ein Forscherteam der Universitäten von Manchester, Großbritannien, und Kalyani, Indien, ist dabei einen Schritt weiter gekommen. Im aktuellen Nature stellt es seine Ergebnisse vor.

Das schleichende Gift

In den 70er-Jahren wurden im Zuge gut gemeinter Hilfsprogramme in Südasien zahlreiche neue Trinkwasserbrunnen gebaut. Erst viel später stellte man fest, dass das Grundwasser hohe Konzentrationen von Arsen enthält. Allein in Bangladesch trinken derzeit geschätzte 30 Millionen Menschen Wasser, dessen Arsengehalt um das Fünffache über dem WHO-Limit (10 µg/L) liegt und das seine verheerende Wirkung erst nach Jahren entfaltet. Zwischen 35 und 77 Millionen Bangladescher gelten als chronisch vergiftet.

Arsen: mobil und toxisch

Arsen geht viele Verbindungen ein. Zu seinen chemischen Besonderheiten gehören vier Oxidationsstufen: Der Oxidationszustand der anorganischen Arsenspezies As(III) (Arsenit) und As(V) (Arsenat) ist entscheidend für die Toxizität und die Mobilität des Elements.

Mit einem Massenanteil von 0,00055 Prozent steht Arsen nur an 47. Stelle der Elementhäufigkeit in der Erdhülle. Doch in geringen Konzentrationen kommt Arsen praktisch überall im Boden vor. Während es, bedingt durch die hydrogeologischen Verhältnisse, bei uns im Boden bleibt, wird das in den Sedimenten ruhende Gift im Gangesdelta chemisch umgewandelt und gelangt hochkonzentriert ins Grundwasser. Was dabei vor sich geht, ist noch nicht völlig geklärt. Eine Rolle spielen dabei vermutlich Abwässer, Überdüngung mit Phosphat, intensives Pumpen und vor allem: Mikroorganismen, die das Gift im Rahmen ihres Stoffwechsels freisetzen.

Elektronendonor kurbelt die Mobilität an

Die britisch-indische Forschergruppe um Jonathan R. Lloyd, vom Department of Earth Sciences und Wiliamson Research Centre for Molecular Environmental Science der Universität von Manchester nahmen sich die Sedimente des arsenreichen Chakdaha Blocks im Distrikt Nadia in Westbengalen vor, um die biogeochemischen Voraussetzungen zu identifizieren, die zu einer maximale Freisetzung von Arsen in den Grundwasserleitern des Gangesdeltas führen.

Bei ihren Versuchen mischten die Forscher die Sedimentproben mit künstlichem Grundwasser und setzten sie bei einer Temperatur von 20 Grad verschiedenen Umweltbedingungen aus: Dabei stellten sie fest, dass unter aeroben Bedingungen nur eine geringe Menge Arsen freigesetzt wurde. Unter anaeroben Bedingungen war hingegen eine deutliche Mobilisierung von As(III) zu beobachten. Wurde Acetat als Elektronenspender dazugegeben, als Ersatz sozusagen für sonst im Boden vorhandenes organisches Material, stieg die Freisetzung von Arsen an: nach 24 Tagen erreichte die Konzentration 150 µg/L. In sterilsierten Sedimentproben hingegen tat sich nichts.

Bunte Mikrobenwelt

Da die Forscher nun die Bedingungen gefunden hatten, unter denen sich die Arsenmobilität verstärkte, analysierten sich als nächstes die Mikrobengruppen, die im jeweiligen Milieu vorhanden waren. Dabei stellten sie fest, dass die Unterschiede sowohl unter aeroben als auch unter anaeroben Konditionen gering waren. Sie fanden Pseudomonas-, Clostridium- und einige Geobacter-Arten. Wurde jedoch Acetat zugegeben, änderte sich die Population: Jetzt herrschten eindeutig die Geobacter vor. Die Folgerung: Die Mikroorganismen passen sich dem jeweiligen Milieu an. Fehlt der eine Elektronendonor, wechseln sie zu einem anderen.

"Unsere Untersuchungen bringen direkte Beweise dafür, dass anaerobe metallreduziernde Bakterien eine Rolle bei der Freisetzung von toxischem, mobilem As(III) in den Sedimenten des Gangesdeltas spielen", schreiben die Wissenschaftler. "Unsere Resultate sprechen außerdem dafür, dass die Kapazitäten für die Freisetzung von Arsen deutlich davon abhängen, ob ein Elektronendonor in den Sedimenten unseres Versuchsortes zur Verfügung steht."

Die Ergebnisse des britisch-indischen Forscherteams belegen, wie schon andere Studien zuvor, dass Kohlenstoff die Mobilisierung von Arsen kräftig anheizt. Ein Faktum, das womöglich im Gangesdelta die Schlüsselrolle spielt: Dort wird während der Trockenzeit intensiv Wasser zur Bewässerung aus den Brunnen gepumpt, wodurch Oberflächenwasser nachfließt. Der Monsun bringt Regenwasser. Beide Wasserarten spülen Kohlenstoff aus nicht geklärten Abwässern oder Düngemitteln von den Äckern an optimales Futter für hungrige Bakterien, die sich sofort daran machen, Arsen zu produzieren.

http://www.heise.de/tp/artikel/17/17780/1.html