Seasonal Heavy Metal Contamination and Ecological Risk in the Mwambashi–Kafue River System, Zambia

Stellen Sie sich einen Fluss nicht nur als ein fließendes Band aus Wasser vor, sondern als einen riesigen, sich bewegenden Schwamm. In der Welt der Umweltwissenschaften sind Flüsse berühmt dafür, die „Autobahnen“ der Natur zu sein, die alles von Nährstoffen bis hin zu Müll transportieren. Aber manche Dinge, wie Schwermetalle, sind schwierige Passagiere. Im Gegensatz zu einem Blatt, das davonschwimmt, oder einem Stück Holz, das verrottet, sind Schwermetalle wie hartnäckige, unsichtbare Geister. Sie verschwinden nicht; sie wechseln nur den Platz. Manchmal schwimmen sie frei im Wasser, aber oft werden sie der Strömung überdrüssig und beschließen, sich niederzulassen, indem sie sich im schlammigen Boden des Flussbetts verstecken. Wissenschaftler nennen dies das „Sediment“. Betrachten Sie das Sediment als den Dachboden des Flusses; es ist der Ort, an dem die schweren Dinge im Laufe der Zeit gelagert werden und so eine historische Aufzeichnung dessen erstellen, was der Fluss durchgemacht hat.

Warum sollten wir uns um diese im Dachboden lebenden Metalle sorgen? Weil sie giftig sind. Wenn der Fluss gestört wird – durch einen Sturm, eine Temperaturänderung oder einen plötzlichen Wasseransturm – können diese „Geister“ erwachen und zurück ins Wasser springen, was Fische, Pflanzen und die Menschen, die auf den Fluss für Trinkwasser oder die Landwirtschaft angewiesen sind, vergiftet. Dies gilt insbesondere für Orte, an denen Menschen in die Erde graben, um wertvolle Mineralien wie Kupfer zu finden. Wenn Bergbau betrieben wird, hinterlässt dies oft eine Spur dieser Schwermetalle. Die große Frage für Wissenschaftler lautet: Wie viel dieses toxischen Schatzes verbirgt sich gerade jetzt im Fluss, und ist er sicher?

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Die Geschichte des Mwambashi–Kafue-Flusses

In dieser Studie beschloss ein Team von Forschern aus Sambia, Detektiv in dem Mwambashi–Kafue-Flusssystem zu spielen. Dieser Fluss ist eine Lebensader für viele Gemeinschaften, aber er fließt direkt an einigen der geschäftigsten Bergbaugebiete des Landes vorbei. Die Wissenschaftler wollten wissen: Ist der „Dachboden“ (das Sediment) des Flusses voll mit gefährlichen Metallen, und ist das Wasser selbst sicher zum Trinken? Sie haben nicht nur an einem Tag nachgesehen; sie überprüften den Fluss zu zwei sehr unterschiedlichen Zeiten des Jahres: während der Regenzeit (wenn der Fluss voll und reißend ist) und der Trockenzeit (wenn der Wasserstand niedriger und die Strömung langsamer ist).

Das Wasser gegen den Schlamm
Die erste große Entdeckung war eine Überraschung. Als die Wissenschaftler das Wasser selbst testeten, sah es eigentlich recht gut aus. Meistens waren die Mengen an Metallen wie Kupfer, Eisen und Zink niedrig genug, um als sicher oder zumindest nicht unmittelbar gefährlich zu gelten. Es war, als würde man die Luft in einem Raum prüfen und feststellen, dass sie frisch ist.

Als sie jedoch den Schlamm am Boden des Flusses untersuchten, änderte sich die Geschichte komplett. Das Sediment wirkte wie ein riesiger Schwamm, der die Metalle aufgesogen hatte. Die Forscher fanden heraus, dass der Schlamm schwer mit Schwermetallen belastet war, insbesondere mit Kupfer. Tatsächlich war der Schlamm so voll mit Kupfer, dass er an einigen Stellen als „stark bis extrem belastet“ eingestuft wurde. Es stellte sich heraus, dass das Wasser zwar sauber aussehen mag, das Flussbett aber eine massive Menge an toxischem Gepäck zurückhält.

Die „Hot Spots“ und die Jahreszeiten
Das Team fand heraus, dass die Verschmutzung nicht gleichmäßig verteilt war. Es war wie ein Versteckspiel, bei dem die Metalle an spezifischen „Hot Spots“ (Schwerpunkten) lauerten. Ein Ort namens Pa Kapula war der am stärksten kontaminierte von allen. Während der Regenzeit waren die Kupferwerte dort so hoch, dass der Verschmutzungsindex einen Wert von 4,079 erreichte, was ein sehr ernstes Ausmaß der Kontamination darstellt. Ein anderer Ort, die Mwambashi–Kafue-Zusammenfluss (wo zwei Flüsse aufeinandertreffen), war ebenfalls sehr schmutzig.

Die Jahreszeiten spielten eine große Rolle in diesem Spiel.

• In der Regenzeit: Die heftigen Regenfälle und das reißende Wasser wusch viel metallreichen Staub und Schmutz in den Fluss. Dies ließ das Wasser in gewisser Weise etwas „metallischer“ erscheinen, aber die schnelle Strömung half auch dabei, die Verschmutzung zu verteilen.
• In der Trockenzeit: Als das Wasser langsamer wurde, war es, als würde der Fluss die Bremsen ziehen. Die Metalle, die herumschwammen, beschlossen, sich abzusetzen und sich im Schlamm anzuhäufen. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass während der Trockenzeit die Konzentrationen von Metallen wie Eisen und Kupfer im Sediment noch höher wurden. Beispielsweise erreichte das Kupfer im Schlamm bei Pa Kapula während der Trockenzeit 1.603 mg kg⁻¹, verglichen mit 1.774 mg kg⁻¹ in der Regenzeit (was zeigt, dass es in beiden Fällen hoch war, die Trockenzeit es aber in bestimmten Gebieten noch stärker konzentrierte).

Wer ist der Bösewicht?
Die Forscher verwendeten eine spezielle „Bewertungskarte“, um herauszufinden, welches Metall der größte Unruhestifter war. Sie untersuchten sechs Metalle: Kobalt, Kupfer, Chrom, Eisen, Zink und Mangan.

• Kupfer war der klare Bösewicht. Es hatte den höchsten „Anreicherungsfaktor“ (ein Wert, der angibt, wie viel mehr Metall vorhanden ist als in normaler, sauberer Erde). Bei Pa Kapula lag der Anreicherungsfaktor für Kupfer bei sagenhaften 107,764. Das bedeutet, dass in diesem Schlamm über 100-mal mehr Kupfer vorhanden war, als man in einem natürlichen, unverschmutzten Fluss erwarten würde.
• Kobalt und Chrom waren ebenfalls vorhanden und bereiteten Sorgen, hatten aber nicht den gleichen massiven Einfluss wie Kupfer.
• Eisen, Zink und Mangan wurden im Schlamm gefunden, waren aber hauptsächlich aufgrund natürlicher Gesteine und Verwitterung dort, nicht nur wegen der Verschmutzung.

Die geheime Quelle
Um herauszufinden, woher die Metalle kamen, nutzten die Wissenschaftler ein mathematisches Werkzeug namens „Hauptkomponentenanalyse“. Man kann sich das wie eine Methode vorstellen, um Hinweise zusammenzugruppen. Sie fanden heraus, dass die meisten Metalle (wie Kobalt, Chrom und Eisen) gemeinsam bewegten, was darauf hindeutete, dass sie aus derselben allgemeinen Quelle stammten, wahrscheinlich aus den natürlichen Gesteinen und dem allgemeinen Bergbauabfluss.

Aber Kupfer war anders. Es tat sein eigenes Ding, getrennt von den anderen. Dies deutte darauf hin, dass Kupfer nicht einfach ein natürlicher Teil des Flusses war, sondern durch spezifische menschliche Aktivitäten dort hineingelangte, höchstwahrscheinlich durch die nahegelegenen Bergbaugebiete. Die Daten zeigten, dass das Kupfer aus den Bergbaugebieten kam und im „Dachboden“ des Flusses stecken blieb.

Das Risiko
Ist der Fluss also gefährlich? Die Studie berechnete einen „ökologischen Risikofaktor“, um diese Frage zu beantworten.

• Bei Pa Kapula lag der Risiko-Score zwischen 137,415 und 145,466. Dies fällt in die Kategorie „beträchtliches ökologisches Risiko“. Das bedeutet, dass die Verschmutzung hoch genug ist, um potenziell Fische, Pflanzen und die allgemeine Gesundheit des Flussökosystems zu schädigen.
• Andere Stellen flussabwärts wiesen ein „moderates“ Risiko auf, was bedeutet, dass sie vorerst in Ordnung sind, aber beobachtet werden müssen.

Das Fazit
Diese Arbeit sagt uns, dass das Wasser im Mwambashi–Kafue-Fluss zwar größtenteils sauber genug zum Trinken sein mag, das Flussbett jedoch eine toxische Zeitkapsel ist. Das Sediment fungiert als ein massives Lagerhaus für Kupfer, wobei die schlimmste Verschmutzung bei Pa Kapula und der Zusammenfluss der Flüsse zu finden ist. Die Verschmutzung wird während der Trockenzeit schlimmer, wenn das Wasser langsamer fließt und die Metalle sich absetzen lassen.

Die Forscher kommen zu dem Schluss, dass die Bergbauaktivitäten der Hauptgrund für diesen Kupferanstau sind. Sie legen nahe, dass wir nicht nur das Wasser betrachten können, um die Gesundheit des Flusses zu beurteilen; wir müssen auch den Schlamm betrachten. Wenn wir den Kafue-Fluss für die Zukunft sicher halten wollen, müssen wir diese „Dachböden“ genau im Auge behalten und sicherstellen, dass der Bergbauabfall sie nicht weiter füllt. Der Fluss hält den Atem an und wartet darauf, zu sehen, ob wir die Besenke beseitigen können, bevor der nächste große Sturm die Geister weckt.