Source Apportionment and Toxicological Risk of Potentially Toxic Elements in River Osun Ecosystem Within Ilesha Gold Belt

Technische Zusammenfassung: Quellenidentifizierung und toxikologische Risiken potenziell toxischer Elemente im Ökosystem des Flusses Osun innerhalb des Ilesha-Goldgürtels

Problemstellung
Die Studie befasst sich mit den Umwelt- und Gesundheitsrisiken durch potenziell toxische Elemente (PTEs) im Ökosystem des Flusses Osun, insbesondere innerhalb des Ilesha-Goldgürtels im Bundesstaat Osun, Nigeria. Goldbergbauaktivitäten, insbesondere der handwerkliche Bergbau, werden als signifikante Quellen für die Schwermetallkontamination identifiziert, die durch industrielle Prozesse, Schmelzvorgänge und unsachgemäße Abfallentsorgung in Wasser und Sediment freigesetzt werden. Die Forschung konzentriert sich auf die Charakterisierung der physikalisch-chemischen Parameter und Metallkonzentrationen in diesen Matrizen, um ökologische Risiken und potenzielle Gefahren für die menschliche Gesundheit zu bewerten, die aus langfristiger Exposition, insbesondere durch Ingestion, resultieren.

Methodik
Die Forschung verwendete einen facettenreichen Ansatz, der Feldprobenahmen, Laboranalysen und statistische Modellierung umfasste:

• Probenahme: Wasser- und Sedimentproben wurden im September 2024 an vier verschiedenen Standorten innerhalb des Goldgürtels entnommen: zwei Standorte nahe Ora (ORS1 und ORS2), einer bei Oke-Ibode (OKS) und einer in Osogbo (OSS). Sediment wurde aus einer Tiefe von 0–25 cm mit einem Ekman-Greifer entnommen.
• Physikochemische Analyse: In-situ-Messungen für pH, gelösten Sauerstoff, gelöste Gesamtfeststoffe, elektrische Leitfähigkeit und Gesamthärte wurden mit einer Multiparameter-Sonde durchgeführt.
• Probenvorbereitung und Aufschluss: Wasserproben wurden mit konzentrierter Salpetersäure (HNO₃) und Salzsäure (HCl) bei 90 °C aufgeschlossen. Sedimentproben wurden an der Luft getrocknet, gesiebt (2 mm) und unter Verwendung einer Mischung aus HCl, HNO₃ und Phosphorsäure (H₃PO₄) extrahiert.
• Instrumentelle Analyse: Die Konzentrationen der Schwermetalle wurden mittels optischer Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES) an einem Agilent 720-ES-System quantifiziert.
• Statistische und Risikoanalyse:
  • Quellenidentifizierung (Source Apportionment): Die Hauptkomponentenanalyse (PCA) mit Varimax-Rotation wurde eingesetzt, um Muster zu identifizieren, Elemente mit ähnlichen geochemischen Trends zu gruppieren und zwischen natürlichen geologischen Prozessen und anthropogenen Einträgen zu unterscheiden.
  • Ökologisches Risiko: Der potenzielle ökologische Risikoindex (ERI) wurde basierend auf Kontaminationsfaktoren und toxischen Reaktionsfaktoren (Hakanson, 1980) berechnet.
  • Risiko für die menschliche Gesundheit: Eine nicht-karzinogene Risikobewertung wurde unter Verwendung von Modellen der US-Umweltschutzbehörde (USEPA, 2011) durchgeführt. Dies beinhaltete die Berechnung der chronischen täglichen Aufnahme (CDI) und des Gefahrenquotienten (HQ) für die Exposition von Erwachsenen über die Ingestion.

Zentrale Ergebnisse

• Metallkonzentrationen:
  • Wasser: Es wurden signifikante Variationen über die Standorte hinweg beobachtet. ORW1 wies im Vergleich zu anderen Standorten deutlich höhere Konzentrationen von Kalium (2,59 mg/L), Calcium (3,59 mg/L), Barium (4,59 mg/L) und Vanadium (5,59 mg/L) auf. Auch die Eisen- (Fe) und Manganwerte (Mn) variierten, wobei ORW1 die höchste Fe-Konzentration (1,30 mg/L) zeigte.
  • Sediment: Der Standort ORS1 zeigte die höchsten mittleren Konzentrationen für mehrere Elemente, darunter Natrium (4,92 mg/kg), Magnesium (7,48 mg/kg) und Aluminium (1077,82 mg/kg). ORS2 zeigte erhöhte Werte für Silber (8,88 mg/kg) und Cadmium (0,38 mg/kg).
• Quellenidentifizierung (PCA): Drei Hauptkomponenten wurden identifiziert.
  • Komponente 1 erklärte den Großteil der Varianz und gruppierte Elemente wie Na, Mg, K, Ba, V, Fe, Ni, Cu, Al, Se, Th und U, was auf einen gemeinsamen geochemischen oder mineralogischen Ursprung hindeutet.
  • Komponente 2 hob Variationen bei Übergangsmetallen und calciumreichen Verbindungen hervor (Ca, Mn, Fe, Co, Pb, Cd).
  • Komponente 3 war durch Cr, Ag, Cd und Th charakterisiert, was auf spezifische Spurenmetallverteilungen hindeutet, die potenziell mit industriellen oder umweltbedingten Faktoren verknüpft sind. Silber (Ag) wurde als Ausreißer identifiziert, der sich anders als die gruppierten Elemente verhält.
• Ökologisches Risiko: Der ökologische Risikoindex (ERI) deutete darauf hin, dass Cadmium (Cd) und Blei (Pb) signifikante ökologische Risiken darstellten, insbesondere in den Sedimentproben.
• Risiko für die menschliche Gesundheit:
  • Die Analyse des Gefahrenquotienten (HQ) ergab, dass Cadmium (Cd), Blei (Pb) und Nickel (Ni) durch langfristige Ingestion signifikante Risiken darstellten.
  • Spezifische HQ-Werte für die Sedimentingestion lagen für mehrere Elemente über eins, einschließlich Kobalt (Co: 1,789), Nickel (Ni: 1,897), Kupfer (Cu: 1,765), Zink (Zn: 1,876) und Uran (U: 1,548), was auf potenzielle nicht-karzinogene Gesundheitsrisiken für Erwachsene hinweist, die diesen Sedimenten ausgesetzt sind.

Bedeutung und Ansprüche
Die Studie stellt fest, dass die Schwermetallkonzentrationen im Wasser und im Sediment des Ilesha-Goldgürtels unterschiedliche Kontaminationsgrade aufweisen, wobei bestimmte Standorte (insbesondere ORS1 und ORS2) Anzeichen einer signifikanten bis extremen Kontamination zeigen. Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass die beobachteten elementaren Variationen durch eine Kombination aus Bergbauaktivitäten und natürlichen geologischen Prozessen getrieben werden.

Die primäre Bedeutung der Arbeit liegt in der Identifizierung spezifischer toxikologischer Risiken. Die Ergebnisse legen nahe, dass in Regionen, in denen Bergbauaktivitäten stattfinden, regulatorische Maßnahmen erforderlich sind, um die öffentliche Gesundheit zu schützen. Die Arbeit fordert explizit die kontinuierliche Überwachung der Schwermetallkonzentrationen, um Umweltgefahren zu mindern und die Wasserqualität zu erhalten. Darüber hinaus plädiert sie für die Einführung nachhaltiger Bergbaumethoden und geeigneter Abfallmanagementstrategien, um die mit den Goldabbauaktivitäten der Region verbundenen Kontaminationswerte zu reduzieren. Die Studie schlägt keine neuen experimentellen Protokolle oder zukünftigen Anwendungen vor, die über diese regulatorischen und Management-Empfehlungen hinausgehen.