Arsenverbindungen kommen in der Natur in sämtlichen Gesteinen häufig vor. Durch Bergbauaktivitäten können diese freigesetzt werden und ins Grundwasser gelangen.
Wissenschaftler vom Umweltforschungszentrum (UFZ) haben einen Schnelltest für Arsen im Grundwasser entwickelt mit dem sich die Wasserqualität einfach und schnell überprüfen lässt. ARSOlux heißt das Nachweisverfahren.
Arsen (As) liegt selten gediegen, also rein in der Natur vor, vielmehr geht es verschiedene Verbindungen z. B. mit Schwefel, Sauerstoff oder Metallen ein. Bei der Verwitterung oder auch dem Abbau von Gestein und Boden werden einige dieser Verbindungen gelöst und Arsen freigesetzt. Insbesondere ehemalige Bergbauregionen haben mit erhöhten Arsengehalten im Grundwasser zu kämpfen. Aber auch durch Vulkanausbrüche oder die Verbrennung von fossilen Brennstoffen (Öl, Gas, Kohle) sowie Industrieproduktionen (Legierungen, Halbleitertechnik) wird Arsen genutzt und freigesetzt. In der Landwirtschaft eingesetzte Kalkdünger oder Schädlingsbekämpfungsmittel enthalten Arsen, welches durch die Einbringung in den Boden direkt oder über die Pflanze ins Grundwasser gelangt.
Die Toxizität (Giftigkeit) von Arsenverbindung ist dabei sehr unterschiedlich. Die tödliche Dosis von Arsenoxid liegt bei mehr als 100 mg, bei Arsenit zwischen 70-210 mg. Symptome von akuten Arsenvergiftungen sind beispielsweise Übelkeit, Erbrechen, Durchfall, oder Herzrhythmusstörungen. Chronische Arsenvergiftungen haben hingegen eher unspezifische Symptome, wobei es sich etwa um Benommenheit, Depressionen, Schlafstörungen und Kopfschmerzen handeln kann. Darüber hinaus fördert Arsen die Entstehung verschiedener Krebs- und Hauterkrankungen.
Die durch Arsen ausgelösten Erkrankungen haben ihren Ursprung oftmals durch die Nutzung von kontaminiertem Trinkwasser. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) empfiehlt seit 1992 sowie die Europäische Union seit 1999 einen Grenzwert für Arsen im Trinkwasser von 10 Mikrogramm pro Liter. Der Wert wird in Deutschland im Gegensatz zu einigen anderen europäischen Ländern seit 1996 eingehalten. Insbesondere in Entwicklungsländern wie Bangladesch, Vietnam oder auch Indien wird dieser Grenzwert oftmals um mehr als das 5-fache überschritten.
Für die Wissensplattform "Erde und Umwelt" erklärt Projektleiterin Frau Hahn-Tomer vom UFZ die Arsennachweis-Methode.
Können Sie uns erklären, was ein Biosensor ist und wie der vom UFZ weiterentwickelte Arsen-Nachweistest funktioniert?
Biosensoren* können genutzt werden, um diverse organische und/oder anorganische zu bestimmende Stoffe (Analyten) nachzuweisen. Diese Eigenschaft verdanken sie natürlichen Stoffwechselvorgängen in Bakterien. Beim ARSOlux Verfahren werden die Bioreporterbakterien, basierend auf dem nicht krankmachenden Stamm Escherichia coli DH5a, bei Kontakt mit wassergelöstem Arsen zum Leuchten angeregt. Wie stark dieses Leuchten ist, wird mit einem tragbaren Messgerät erfasst. Die quantifizierbare Lichtintensität (Lumineszenz) ist von der vorhandenen Arsenkonzentration in den Wasserproben abhängig. So kann der Arsengehalt bestimmt werden. Die Messergebnisse und GPS-Daten zur Verortung jeder einzelnen Messung werden mit einer integrierten Software gespeichert.
Wie zeit- und kostenintensiv ist das Arsennachweisverfahren des UFZ?
Der ARSOlux Biosensor wurde spezifisch für flächendeckende Trinkwassertests konzipiert. Besonders in den Ländern um den Himalaya herum gibt es erhöhte und weitverbreitete Arsenvorkommen. In diesen Ländern dient unbehandeltes, mit Arsen kontaminiertes Grundwasser, oftmals als Trinkwasser und wird über Brunnen durch z.B. eine Handpumpe gefördert. Nachdem eine Wasserprobe entnommen wurde, muss diese nach Einfüllen in das Biosensorgläschen, zwei Stunden lang inkubieren (Anm. d. Red./unter Wärmeeinwirkung reagieren). Das bedeutet, dass das versiegelten Rollrandgläschen samt Biosensor und Wasserprobe in eine dafür vorgesehene Box (mobiler Inkubator) mit einer stabilen Temperatur von 30°C gestellt wird. Normalerweise werden viele Proben gleichzeitig inkubiert. Nach zwei Stunden werden die Gläschen in die Messkammer des portablen Messgerätes (AQUA-CHECK III) gestellt. Dieses bestimmt nach 10 Sekunden die genaue Arsenkonzentration der Wasserprobe in Mikrogramm/Liter (µg/L). Auf diese Weise kann die Wasserqualität einer großen Anzahl von Brunnen sehr schnell, umweltfreundlich (keine Nutzung zusätzlicher Chemikalien) und mit wenig Materialaufwand überprüft werden. Da der ARSOlux Biosensor auf ubiquitären Escherichia coli Bakterien basiert, liegen die wirklichen Produktionskosten des Sensors hauptsächlich bei den benötigten Materialien (Gläschen, Septums Stopfen, etc.) und im Produktionsvorgang (Trägersubstanzen, Abfüllung, Gefriertrocknung, Versiegelung, etc.). Prinzipiell könnte ein Test für ca. 1,0 bis 1,50 Euro verkauft werden.
In welchen Ländern wird diese Methode verwendet und warum gerade dort?
Der ARSOlux Trinkwassertest kann direkt im Feld verwendet werden. Das zu dem Sensor gehörende Messgerät (AQUA-CHECK III) verfügt über GPS und kann die erhobenen Messwerte speichern. So können nach den Messungen die Datensätze am Computer ausgewertet und sehr schnell die räumliche Ausbreitung einer Kontamination dargestellt werden. Aufgrund der beschriebenen Eigenschaften ist der ARSOlux Biosensor besonders für flächendeckende Wasseruntersuchungen geeignet, leicht zu transportieren, sowie zeit- und materialsparend in seiner Anwendung. Dies prädestiniert den Sensor für einen Einsatz in Regionen mit einer schwachen Infrastruktur und weniger gut ausgestatteten Laboren zur Wasseranalyse. In Ländern, wie Indien, Nepal, Argentinien, Bangladesch und der Mongolei ist der Einsatz des ARSOlux Biosensors daher besonders von Vorteil. Wasserproben müssten in vielen Fällen etliche Stunden oder auch Tage bis zum nächsten Labor transportiert werden, was zur Veränderung der chemischen Zusammensetzung und daraus folgenden falschen Messergebnissen führen kann. Zudem verfügen die vorhandenen Labore häufig nicht über das notwendige Analyseequipment und/oder das Personal, welches dieses bedienen kann.
Was sind die weiteren Schritte, sofern erhöhte Arsengehalte im Grundwasser nachgewiesen sind?
Wird ein erhöhter Arsengehalt im Trinkwasser nachgewiesen, das heißt es wird der WHO Grenzwert von 10 µg/l überschritten, so sollte entweder die Trinkwasserquelle gewechselt oder eine Filteranlage implementiert werden. Auch bei nah beieinander liegenden Trinkwasserquellen kann es zu sehr starken Schwankungen im Arsengehalt der Wasserquellen kommen. Somit kann oftmals eine nahegelegene Trinkwasserquelle genutzt werden, wenn der eigene Grundwasserbrunnen zu hohe Arsenwerte aufweist. Für ländliche Regionen gibt es eigens konzipierte, einfach anzuwendende Filter, die einen Haushalt autark mit sauberem Trinkwasser versorgen können. Hierbei ist jedoch zu bedenken, dass die Filter sich mit der Zeit zusetzen können und regelmäßig gewartet werden müssen. Dafür sind Aufklärungsarbeit und Schulungen der Landbevölkerung im Umgang mit den Filteranlagen unabdinglich.
Wie häufig im Jahr müssen diese Tests gemacht werden, um den Arsengehalt im Grundwasser zu bestimmen?
So wie der Arsengehalt des Grundwassers stark zwischen einzelnen Wasserquellen schwankt, so schwankt er in bestimmten Regionen ebenfalls im Laufe des Jahres. Dies hängt vorwiegend mit dem Monsunregen, der in vielen der betroffenen Regionen den Grundwasserspiegel beeinflusst, zusammen. Intensives Abpumpen des Grundwassers zu Bewässerungszwecken kann ebenfalls die Wasserqualität beeinflussen. Daher wird empfohlen, das Trinkwasser wenigstens zwei Mal im Jahr auf Arsen zu testen. Wird neben einem Brunnen auch ein Filtersystem verwendet, so ist dieses ebenfalls zu kontrollieren.
Welche Möglichkeiten gibt es, um eine Grundwasserverunreinigung durch Arsen schon im Vorfeld zu vermeiden?
Der Arsenkontamination des Grundwassers, also auch des Trinkwassers, kann in bestimmten Gebieten in Südasien vorgebeugt werden, in dem Brunnen mit einer großen Tiefe gebohrt werden. Durch die Nutzung von Grundwasser aus tieferen Schichten kann in vielen Fällen sichergestellt werden, dass kein Arsen das Wasser belastet. Jedoch müssen die tieferen Brunnen, insbesondere in den mit Arsen belasteten Gesteinsschichten, versiegelt werden, so dass das nach oben geförderte saubere, tiefe Grundwasser nicht mit Arsen aus flacheren Aquiferen (grundwasserführende Gesteinsschicht) belastet werden kann. Darüber hinaus gibt es die Möglichkeit, Sedimente und geförderte Wässer während der Brunnenbohrung zu analysieren, um das Risiko Wasser aus einem mit Arsen belasteten Grundwasseraquifer zu fördern, zu reduzieren. Leider kommt es oft nach einigen Wochen vor, dass anfangs nicht kontaminierte (verunreinigte) Brunnen dann eine Arsenkontamination aufweisen. Dies ist durch Veränderungen in der physikalisch-chemischen Zusammensetzung des Grundwassers bedingt, die durch die Bohrung selbst verursacht werden können.
Einführung ins Thema und Fragen: Dr. Ute Münch, Wissensplattform "Erde und Umwelt".
