Source apportionment and health risk assessment of heavy metals in farmland soils based on the APCS-MLR receptor model and Monte Carlo simulation

Stellen Sie sich den Boden unter unseren Füßen nicht nur als Dreck vor, sondern als einen riesigen, stillen Schwamm, der alles aus der Welt darüber aufsaugt. Manchmal absorbiert dieser Schwamm hilfreiche Nährstoffe, aber manchmal fängt er unsichtbare, giftige „Geister“ namens Schwermetalle ein. Das sind keine gruseligen Geister, die in der Nacht auftauchen; es handelt sich um chemische Elemente wie Blei, Arsen und Quecksilber, die über Jahrhunderte hinweg bestehen bleiben können. Wenn diese Geister in die Nahrung gelangen, die wir essen, oder in den Staub, den wir atmen, können sie uns krank machen. Wissenschaftler versuchen, ein kniffliges Rätsel zu lösen: Woher kommen diese Geister? Fielen sie mit dem Regen vom Himmel, wusch von den Bergen herab oder haben Menschen sie dort hinterlassen? Und noch wichtiger: Welche Gefahr stellen sie für uns dar, insbesondere für Kinder, die kleiner und empfindlicher sind? Um dies zu beantworten, nutzen Forscher spezielle Werkzeuge. Ein Werkzeug ist wie die Lupe eines Detektivs, die vermischte Hinweise trennt, um zu sehen, wer was getan hat (das nennt man Quellenabgrenzung oder Source Apportionment). Ein anderes ist eine Kristallkugel, die nicht die Zukunft vorhersagt, sondern Millionen von „Was-wäre-wenn“-Szenarien simuliert, um zu erraten, wie wahrscheinlich ein Gesundheitsproblem ist (das nennt man Monte-Carlo-Simulation). Das Verständnis hierbei hilft uns zu entscheiden, ob wir in Panik geraten müssen oder ob wir einfach nur vorsichtig sein müssen.

In dieser Studie beschlossen ein Team von Wissenschaftlern, in einem bestimmten Stück Ackerland in der Inneren Mongolei, China, bekannt als Hetao-Ebene, Detektiv zu spielen. Sie sammelten 741 Bodenproben – das heißt, sie nahmen im Grunde eine riesige Schaufel Erde von 741 verschiedenen Stellen – um zu sehen, welche Art von Schwermetall-Geistern dort verborgen waren. Sie suchten nach acht spezifischen Verdächtigen: Arsen (As), Cadmium (Cd), Chrom (Cr), Kupfer (Cu), Quecksilber (Hg), Nickel (Ni), Blei (Pb) und Zink (Zn).

Zuerst untersuchten sie den „Tatort“, um zu sehen, wo die Metalle sich versteckten. Sie fanden heraus, dass die durchschnittliche Menge dieser Metalle zwar nicht hoch genug war, um die nationalen Sicherheitsregeln zu verletzen, der Boden aber nicht überall gleich war. Es war wie ein Versteckspiel, bei dem manche Stellen viel mehr „Geister“ hatten als andere. Sie bemerkten, dass die Gebiete in der Nähe eines großen Sees namens Wuliangsu-See besonders mit Metallen wie Arsen, Blei und Cadmium belastet waren. Es scheint, als fungiere der See wie ein riesiger Abfluss am Boden einer Badewanne, der alle Metalle auffängt, die aus den Bergen und Farmen herabgespült werden, und sie in der Nähe des Sees absinken lässt. Sie fanden auch einige „Hotspots“ direkt in der Nähe von Städten und belebten Straßen, was darauf hindeutet, dass menschliche Aktivitäten wie Autofahren und Industrie ihre eigenen unordentlichen Fußabdrücke hinterlassen haben.

Als Nächstes nutzten die Wissenschaftler ihr Detektivwerkzeug, das APCS-MLR-Modell, um herauszufinden, wer für das Chaos verantwortlich war. Stellen Sie sich vor, Sie haben einen Smoothie aus drei verschiedenen Früchten und möchten wissen, wie viel von jeder Frucht im Becher ist. Dieses Modell erledigt die Mathematik, um die Zutaten zu trennen. Sie fanden drei Hauptverursacher:

1. Natur und Landwirtschaft: Dies war die größte Quelle und machte etwa 39 % der Mischung aus. Es war eine Kombination aus den natürlichen Gesteinen, aus denen der Boden bestand, und den Düngemitteln oder Fungiziden, die Landwirte schon seit langem verwenden. Diese Gruppe war hauptsächlich für Chrom, Nickel, Zink und Kupfer verantwortlich.
2. Industrie und Verkehr: Diese Gruppe war für etwa 34 % der Mischung verantwortlich, insbesondere für den Anstieg der Werte von Arsen, Cadmium und Blei. Dies deutet auf Fabriken, Kohleverbrennung und die Geschichte von Autos, die mit bleihaltigem Benzin fuhren, hin.
3. Lokale Orte: Eine kleinere Gruppe, etwa 17 %, war hauptsächlich Quecksilber. Dies schien von sehr spezifischen, lokalen Orten zu kommen, wie einer einzelnen Fabrik oder einem Müllhaufen, statt aus der gesamten Region.

Aber zu wissen, wer es getan hat, reicht nicht aus; das Team musste wissen, ob es gefährlich war. Sie führten eine massive Simulation durch, wie ein Videospiel, in dem sie 10.000 verschiedene Szenarien durchspielten, um zu sehen, was passieren könnte. Sie betrachten drei Gruppen: erwachsene Männer, erwachsene Frauen und Kinder.

Die Ergebnisse waren eine Mischung aus guten Nachrichten und einer ernsten Warnung. Die „guten“ Nachrichten sind, dass das Risiko, durch nicht-krebserregende Ursachen (wie Übelkeit oder einen Ausschlag) krank zu werden, für die meisten Menschen gering und innerhalb der Sicherheitsgrenzen war. Die „Warnung“ betraf jedoch die Krebsrisiken, speziell durch Arsen. Die Simulation zeigte, dass Kinder die verletzlichste Gruppe waren. Tatsächlich hatte etwa 64,86 % der Kinder im Untersuchungsgebiet ein Risiko, eine Krebserkrankung zu entwickeln, das über dem „sicheren“ Schwellenwert lag. Die Erwachsenen waren sicherer, aber selbst sie waren nicht völlig aus dem Schneider; etwa 47 % der Männer und 38 % der Frauen hatten ein zu hohes Risiko.

Die Wissenschaftler fanden auch heraus, wie diese Metalle in die Menschen gelangten. Sie fanden heraus, dass das Einatmen von Staub oder das Berühren des Bodens mit der Haut kein großes Problem war. Stattdessen ging es fast ausschließlich um das Essen oder das versehentliche Verschlucken von Erde. Für Kinder, die die Angewohnheit haben, die Hände in den Mund zu stecken, war dieser Weg der „oralen Aufnahme“ für mehr als 94 % des Gesamtrisikos verantwortlich. Es ist, als würde man versuchen, einem Gift auszuweichen, aber man sorgt sich nur um die Luft, die man atmet, während die eigentliche Gefahr im Essen liegt, das man zu sich nimmt.

Schließlich nutzten sie ein supersensibles Werkzeug namens Sobol-Analyse, um zu sehen, welcher Faktor am wichtigsten war. Sie fanden heraus, dass die Menge an Arsen im Boden der wichtigste Treiber des Risikos war. Wenn das Arsen steigt, steigt das Risiko dramatisch an. Sie bemerkten auch, dass bei Kindern das Körpergewicht eine große Rolle spielte, da ein kleiner Körper von der gleichen Menge Gift stärker getroffen wird als ein großer Körper.

Was ist also die Kernbotschaft? Der Boden in dieser landwirtschaftlichen Region ist keine Katastrophenzone, aber er ist auch nicht perfekt sauber. Die Hauptgefahr geht von Arsen aus, das hauptsächlich durch industrielle und verkehrsbedingte Verschmutzung verursacht wird, und es stellt eine reale Bedrohung für Kinder dar, die beim Spielen ein wenig Erde verschlucken könnten. Die Wissenschaftler schlagen vor, dass wir zur Lösung des Problems das Arsen an seiner Quelle bekämpfen müssen und unmittelbar danach lehren sollten, dass Kinder und Eltern darauf achten müssen, sich gründlich die Hände zu waschen und keine Erde zu essen, denn genau dort liegt die wahre Gefahr.