Contamination of Soil and Groundwater with Toxic Heavy Metals near Lapite Dumpsite in Ibadan, Nigeria

Technische Zusammenfassung: Kontamination von Boden und Grundwasser mit toxischen Schwermetallen nahe der Lapite-Deponie in Ibadan, Nigeria

Problemstellung
Das Management von Siedlungsabfällen (Municipal Solid Waste, MSW) in Entwicklungsländern, insbesondere in Ibadan, Nigeria, stellt erhebliche ökologische Herausforderungen aufgrund unkontrollierter Entsorgungspraktiken dar. Die Lapite-Deponie, eine offene, nicht ausgekleidete Anlage, die eine schnell wachsende städtische Bevölkerung versorgt, verfügt über keine angemessenen Rückhaltemaßnahmen. Infolgedessen besteht ein hohes Risiko, dass Sickerflüssigkeiten, die toxische Schwermetalle enthalten, durch das Bodenprofil in die darunter liegenden Aquifere und das nahegelegene Brunnenwasser der Anwohner einsickern. Während frühere Studien bereits Schwermetallkontaminationen in solchen Umgebungen identifiziert haben, bestand die Notwendigkeit, die spezifischen Auswirkungen von Verbrennungsprozessen und langfristiger Akkumulation sowohl auf die Bodenprofile (in unterschiedlichen Tiefen) als auch auf die Grundwasserqualität über einen Zeitraum von einem Jahrzehnt zu bewerten.

Methodik
Die Studie wandte eine vergleichende Analyse von Boden- und Wasserproben an, die an der Lapite-Deponie und an einem Kontrollstandort (einem botanischen Garten mit unberührtem Land) entnommen wurden.

• Probenahme-Zeitplan: Die Daten wurden im Mai 2010 erhoben und im Juli 2020 erneut gesammelt, um zeitliche Veränderungen der Metallkonzentrationen zu evaluieren.
• Bodenprobenahme: Zehn zufällige Standorte an der Deponie wurden in drei Tiefen (0–15 cm, 15–30 cm und 30–45 cm) mittels eines Bodenbohrers beprobt. Kontrollproben wurden an zwei Standorten im botanischen Garten entnommen.
• Wasserprobenahme: Brunnenwasser wurde aus acht Haushalten in der Nähe der Deponie entnommen.
• Analytische Verfahren:
  • Physikochemisch: Der Boden-pH-Wert wurde elektrometrisch gemessen und die Korngrößenverteilung mittels der Bouyoucos-Hydrometer-Methode bestimmt.
  • Aufschluss: Die Bodenproben wurden unter Verwendung von HNO3-HCl (1:3, v/v) gemäß US-EPA-Methode 3050B aufgeschlossen. Wasserproben wurden mit konzentrierter Salpetersäure aufgeschlossen.
  • Quantifizierung: Konzentrationen von Chrom (Cr), Cadmium (Cd), Blei (Pb), Nickel (Ni), Zink (Zn), Kupfer (Cu) und Mangan (Mn) wurden mittels eines Shimadzu AA-6200 Flammen-Atomabsorptionsspektrophotometers analysiert.
  • Statistische Analyse: Deskriptive Statistiken (Mittelwert ± SD) und Pearson-Korrelationskoeffizienten wurden verwendet, um Beziehungen zwischen den Metallwerten im Boden und im Wasser herzustellen. Der Geoakkumulationsindex ($I_{geo}$) wurde berechnet, um das Verschmutzungsniveau zu quantifizieren.

Wichtigste Ergebnisse

• Bodencharakteristika: Der Boden an der Lapite-Deponie ist überwiegend sandig (73,2–87,2 %), was seine Fähigkeit zur Rückhaltung gelöster Schadstoffe im Vergleich zu tonreichen Böden verringert. Der Boden-pH-Wert lag zwischen 6,0 und 6,5, was auf saure Bedingungen ähnlich dem Kontrollstandort hindeutet.
• Schwermetallkonzentrationen im Boden (2020):
  • Die Studie ergab erhöhte Schwermetallwerte im Deponieboden im Vergleich zum Kontrollstandort. Der Konzentrationstrend war Mn > Zn > Cu > Pb > Cr > Ni > Cd.
  • Spezifische Mittelkonzentrationen für 2020 umfassten: Mn (1580 ± 21 µg/g), Zn (1520 ± 10 µg/g), Cu (710 ± 12 µg/g), Pb (120 ± 5 µg/g), Cr (30,1 ± 4,3 µg/g), Ni (28,4 ± 3,6 µg/g) und Cd (2,14 ± 1,1 µg/g).
  • Zeitliche Trends: Über den Zehnjahreszeitraum stiegen die Metallwerte in unterschiedlichem Maße an: Cr (19,4 %), Cd (50,7 %), Pb (7,5 %), Ni (18,8 %), Zn (1,33 %) und Mn (3,0 %).
  • Tiefenverteilung: Generell waren die Metallkonzentrationen im Oberboden (0–15 cm) am höchsten und zeigten komplexe Variationen mit der Tiefe, wobei einige Metalle (Cr, Pb, Ni) im Jahr 2010 höhere Konzentrationen in 15–30 cm aufwiesen, was potenziell auf biologische Durchmischung (Katerpillar-Aktivität) oder Auswaschungsmuster zurückzuführen ist.
• Grundwasserkontamination:
  • Die Brunnenwasserproben in der Nähe der Deponie enthielten erhöhte Konzentrationen von Cr, Pb, Ni, Zn, Cu und Mn, welche die Richtlinien der Weltgesundheitsorganisation (WHO) überschreiten.
  • Cadmium war das einzige Metall unter der Nachweisgrenze (0,001 µg/mL) in den Wasserproben.
  • Es wurde eine signifikante positive Korrelation zwischen den Schwermetallwerten im Boden und den entsprechenden Werten im Brunnenwasser für die meisten Metalle beobachtet, mit Ausnahme von Blei (Pb).
• Verschmutzungsindexierung: Der Geoakkumulationsindex ($I_{geo}$) zeigte an, dass der Boden „hochgradig kontaminiert“ mit Zink und Kupfer, „mäßig kontaminiert“ mit Cadmium und Blei sowie „unkontaminiert bis mäßig kontaminiert“ mit Mangan ist.

Bedeutung und Behauptungen
Die Arbeit postuliert, dass die Lapite-Deponie eine bestätigte Quelle der Schwermetallverschmutzung ist, die sowohl das lokale Bodenprofil als auch das Grundwasser beeinflusst, welches von Anwohnern genutzt wird. Die Studie hebt hervor, dass die unkontrollierte Verbrennung von Abfällen und das Fehlen von Rückhaltemaßnahmen an der Deponie dazu geführt haben, dass toxische Metalle in die Aquifere ausgewaschen wurden.

Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass die fortgesetzte Nutzung der Deponie ohne angemessenes Management schädliche Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und die Umwelt hat. Insbesondere macht die Kontamination des Grundwassers dieses für Trinkzwecke unhygienisch. Die Forschung unterstreicht die dringende Notwendigkeit der Überwachung rund um Deponien in Entwicklungsländern, um den Transfer von Schwermetallen vom Boden ins Wasser und anschließend in das menschliche System durch Ingestion zu verhindern. Die Ergebnisse dienen als kritische Baseline für das Verständnis der langfristigen Umweltdegradation durch unkontrollierte feste Abfälle in Ibadan.