Bangladesh: Arsen im Trinkwasser, Arsen im Reis

Die größte Massenvergiftung in der Geschichte der Menschheit erfasst die Nahrungskette

In Bangladesh wurde die Gewinnung von Trinkwasser aus dem mit Krankheitserregern kontaminierten Oberflächenwasser auf Brunnenwasser umgestellt; seit der Unabhängigkeit 1971 wurden mit Hilfe UNICEF-geführter internationaler Organisationen rund zehn Millionen Röhrenbrunnen installiert - eine Erfolgsgeschichte für das Entwicklungsland. Die einfachen Brunnen fördern das Wasser aus flachen Grundwasserleitern, die sich über die letzten 10000 Jahre gebildet haben. Dieser Übergang hat zu einem deutlichen Rückgang pathogenbedingter Todesfälle geführt; 97% der Bangladeshis haben mittlerweile Zugang zu Röhrenbrunnenwasser. Dieser Fortschritt stellte sich als folgenschwerer Chemie-GAU heraus und hat über den Reisanbau auch Folgen für die Nahrungskette.

Denn unglücklicherweise vergaßen alle Beteiligten, das Wasser auf Arsen zu prüfen. 1983 erkannten indische Dermatologen, dass viele krankhafte Hautveränderungen ihrer Patienten durch Vergiftungen mit Arsenverbindungen hervorgerufen wurden. Sie vermuteten das von Röhrenbrunnen geförderte Wasser als Ursache. Die Patienten kamen meist aus dem ostindischen Staat Westbengalen, der einige seiner Grundwasserleiter (Aquifere) mit Bangladesh teilt. Über die nächsten Jahre stellte der Umweltwissenschaftler Dipankar Chakraborti von der Jadavpur University in Calcutta fest, dass viele Aquifere Westbengalens stark mit Arsen kontaminiert sind.

Noch im Jahr 1993 erklärte der British Geological Survey das Wasser für sicher, allerdings wurde wieder nicht auf Arsen getestet - bis heute ein Fall für die Gerichte. Im selben Jahr entdeckte Abdul W. Khan vom Department of Public Health Engineering in Bangladesh Arsen im Brunnenwasser des westlichen Distrikts von Nawabganj. Heute ist bekannt, dass weit mehr als 30% der Brunnen mehr als 50 Mikrogramm Arsen pro Liter Wasser führen, davon allein 5-10% der Brunnen mit mehr als dem sechsfachen Gehalt. Die Regierung von Bangladesh betrachtet 50 Mikrogramm pro Liter als bedenklich; die Weltgesundheitsorganisation WHO setzt die tolerierbare Obergrenze bei 10 Mikrogramm pro Liter an. Das bedeutet, dass 35 Millionen Bewohner von Bangladesh potentiell gefährliches Wasser trinken.

Arsen im Boden

Die Ursache - und vielleicht auch die Lösung des Arsen-Problems - ist im Boden zu finden. Weltweit beschäftigen sich verschiedene Projekte mit der Aufklärung der Arsen-Mobilität, z. B das U.S. Geological Survey South Asia Arsenic Project. Bangladesh befindet sich an einem der größten Flussdeltas der Welt: Ganges, Brahmaputra und Meghna fließen hier in den Golf von Bengalen. Sie haben über 250 Millionen Jahre mit ihren Ablagerungen dieses Delta gebildet. Die meisten der vergifteten Aquifere sind flach und reichen nur 10-70 Meter tief. Als vor ca. 18.000 Jahren die Meeresspiegel um 100 Meter fielen, schnitten sich die Flüsse tief in die Sedimentbetten ein. In den darauf folgenden Jahren füllten sich die Täler mit einem grauen Ton, der als Träger des Arsens vermutet wird. Ältere Ablagerungen wie im Nordwesten des Landes sind weniger kontaminiert.

Arsen durchläuft je nach angetroffenen Bedingungen unterschiedliche Oxidationszustände und wandert in Form der entsprechenden Verbindungen zyklisch durch Wasser und Sedimente und zwischen einzelnen Sediment-Phasen, vom Himalaja bis zum Golf von Bengalen. Mindestens 50% der Sedimente, die aus dem Gebirge stammen, setzen sich in den Schwemmlandebenen der Mündungsdeltas ab; dort sind sie starken Verwitterungsprozessen ausgesetzt. Neben Änderungen in den Redox-Bedingungen verteilen Auflösung und Ausfällung das Arsen aufs Neue zwischen den Festphasen.

Die übermäßige Nutzung des Grundwassers, hauptsächlich zu Bewässerungsmaßnahmen, senkt den Grundwasserspiegel ab und gestattet dem Luftsauerstoff, das im Ton befindliche Arsen freizusetzen. Ein starkes Redox-Gefälle zwischen belüftetem (Oxidationszone) und wassergesättigtem Sediment führt zur Bildung von Eisen(III)-oxidhydrat, das bis zu 800 ppm Arsenat enthalten kann. Geraten diese Sedimente unterhalb des Grundwasserspiegels (Reduktionszone), wird das Eisen(III)-oxidhydrat reduziert; aus dem eingelagerten oder anhaftenden Arsenat wird Arsenit. Bei erneutem Sauerstoffzutritt an anderen Orten entsteht wieder Arsenat. Dieser Redox-Vorgang kann sich beliebig oft wiederholen.

Flussabwärts in der Nähe des Golfs von Bengalen wird Sulfat aus dem Meerwasser reduziert und bildet Pyrit (Eisensulfid), der Hauptträger von ein- und angelagertem Arsen in Küstensedimenten. Dem Einfluss von Bodenmikroben wird zunehmend mehr Bedeutung beigemessen (Die Giftzwerge).

Arsen im Reis

Unerbittlich folgt eine zweite Möglichkeit der Arsenaufnahme- über die Nahrungskette, mit dem täglich gegessenen Reis. In trockenen Monaten werden die Felder mit Wasser aus eben jenen Aquiferen bewässert. Das führte zu einer Arsen-Anreicherung im genutzten Boden; die Arsenkonzentration in den Reiskörnern ist bis um das Zehnfache angestiegen.

Die Forscher um Andrew A. Meharg von der University Aberdeen, Schottland, fanden im Reis einen zwischen 50-180 ppb schwankenden Arsengehalt, abhängig von Reisvarietät und Anbauort. Liegt die Arsenkonzentration im Trinkwasser beim WHO-Richtwert von 10 Mikrogramm pro Liter, tragen 0,05 Milligramm Arsen pro Kilogramm Reis zu 60% der ernährungsbedingten Arsenaufnahme bei. Das Ausmaß dieses Folgedesasters wird erst allmählich verstanden. Der Boden wird kontaminiert bleiben; Lösungen müssen gefunden werden, die mit dieser Situation umgehen können.

In der September-Ausgabe von Trends in Plant Science berichtet Meharg von der Möglichkeit speziell für arsenbelastete Böden gezüchteter Reisvarietäten. Doch dazu ist ein tieferes Verständnis der sehr komplexen Chemie des Arsens in der Rhizosphäre notwendig. Es ist bekannt, dass Reis, wie andere Pflanzen, die an ein Leben in anaeroben, überschwemmten Böden angepasst sind, ihre Rhizosphäre oxygenieren und so eine Plaque aus Eisen(III)-oxidhydrat (Fe2O3 · H2O) bilden. Es wurde eine beträchtliche Anreicherung von Arsen in der wurzelbedeckenden Eisen(III)-oxidhydrat-Schicht gefunden. Das Ausmaß dieser Abscheidungen ist abhängig vom Phosphorangebot und von der jeweiligen Reisvarietät - Varietäten, die mehr Arsen in der Plaque binden, transportieren weniger Arsen in höher gelegene Pflanzengewebe.

Bodenmikroben können anorganisches Arsen zu MMA und DMA methylieren. Unter den Umweltbedingungen des Reisfelds dominiert Arsenit; Arsenat, MMA und DMA sind ebenfalls in beträchtlichen Konzentrationen vorhanden. Es ist das Arsenat, das eine hohe Affinität gegenüber der Eisen-Plaque-Schicht hat: Es reagiert mit Eisen(III) zu schwerlöslichem Eisenarsenat und wird so immobilisiert. Arsenate verhalten sich ähnlich wie ihre Phosphat-Analoga - diese sind im Boden relativ unbeweglich und dringen in das Wurzelgewebe mit Hilfe von Phosphat-Co-Transportern ein. Das mobilere Arsenit findet über Aquaporine seinen Weg in die Wurzel.

Arsenat-Toleranz wurde großflächig an Wildgräsern untersucht - hier wird sie mit Hilfe eines einzelnen Gens reguliert. In Populationen des Wolligen Honiggrases (Holcus lanatus) auf nichtkontaminierten Böden ist dieses Gen polymorph; Reis zeigt den gleichen Polymorphismus hinsichtlich einer Arsenat-Toleranz. Meharg sieht neben der Züchtung von Reisvarietäten mit erhöhter Eisen-Plaque-Bildung bzw. Arsenbindung im Wurzelbereich die Genmanipulation hinsichtlich der Arsenat-Toleranz als Erfolg versprechend an.

Einige Gemüsesorten können Arsen noch stärker akkumulieren, in einigen Wurzelknollen wurden Werte von 100 ppm gefunden. Es existieren kaum Richtlinien über akzeptable Arsengehalte in der Nahrung.

Vergiftung und Krankheit

Bangladesh ist nicht das einzige Land mit einem Arsenproblem im Trinkwasser. Arsen wird auch in Teilen Indiens, Nepals, Vietnams, Chinas, Argentiniens, Mexikos, Chiles, Taiwans, der Mongolei und den USA in beträchtlichen Konzentrationen gefunden. Weltweit sind davon schätzungsweise 50 Millionen Menschen in hohem Maße betroffen. Diese Kontamination stellt die größte Massenvergiftung in der bisherigen Geschichte der Menschheit dar.

Die Toxizität von Arsen ist stark abhängig von der vorliegenden Species. Anorganisches Arsenit (As(III)) sowie Arsenat (As(V)) sind stark toxisch und für Mensch und Tier carcinogen; S-Adenosylmethionin methyliert diese im Körper zu Monomethylarsonsäure (MMA) und Dimethylarsinsäure (DMA; im Vietnamkrieg unter dem Namen Agent Blue zur Vernichtung von Reiskulturen eingesetzt); anschließend werden sie mit Anteilen von Arsenit und Arsenat renal ausgeschieden, mit DMA als Hauptmetaboliten im Urin. Der Arsen-Metabolismus im menschlichen Organismus ist noch nicht vollständig aufgeklärt.

Chronische Arsenikose äußert sich klinisch als Hyper- und Hypopigmentation, Keratose, erhöhtem Blutdruck, Herzkranzgefäß-Erkrankungen und Diabetes. Die arsentypischen Wunden sind schmerzhaft und können sich entzünden. Zusätzlich treten Nervenprobleme in Händen und Beinen auf, Nieren und Leber beginnen fehlerhaft zu arbeiten. Die Wunden werden brandig, Nieren und Leber versagen, und nach Jahren tritt Krebs in Blase, Nieren, Leber und Lunge auf.

Das Gesundheitssystem Bangladeshs - auf 5.200 Menschen kommt ein Arzt - ist auf eine Krise dieser Größenordnung nicht vorbereitet. Gegen chronische Arsenvergiftungen gibt es keine wirklichen Heilmittel. Chelatbildung ist eine vorgeschlagene Entgiftungsprozedur bei akuten Vergiftungen. Dazu muss der Patient Komplexbildner (z.B. Dimercaprol als Thiolgruppen-Lieferant, zur Entgiftung des arsenhaltigen Kampfstoffs Lewisit verwendet) zu sich nehmen, die die Ausscheidung des Arsens unterstützen.

Sauberes Wasser - woher?

Als Antwort auf die Krise schuf die Regierung 1998 das Bangladesh Arsenic Mitigation and Water Supply Project, für das die Weltbank ein Darlehen von 32,5 Millionen US-Dollar zur Verfügung stellte. Der größte Teil dieser Summe ist aufgrund fundamentaler Unsicherheiten betreffs des weiteren Vorgehens nach wie vor unangetastet.

Mushtaque R. Chowdhury, stellvertretender Geschäftsführer des Bangladesh Rural Advancement Committee (BRAC), einer Nicht-Regierungsorganisation, berichtete im August im Scientific American über Lösungsvorschläge. Zuerst musste die Landbevölkerung über die Gefahr unterrichtet werden; die Menschen konnten teilweise einfach nicht glauben, dass die Gefahr von ihren wertvollen Brunnen ausgehen soll. BRAC unterwies 160 Frauen aus Dörfern - darunter auch Analphabeten -, wie man mit einfachen analytischen Tests Brunnen überprüft. Die Freiwilligen lernten außerdem, wie man Anzeichen von Arsenikose erkennt. Mit diesen Maßnahmen konnten die Dorfbewohner für das Problem sensibilisiert werden.

Mittlerweile wird auch die Rückkehr zur Nutzung des Oberflächenwassers erwogen. Früher bezogen die Bewohner Bangladeshs ihr Trinkwasser aus dafür bestimmten Teichen. Mit dem Übergang zur Brunnenförderung wurden sie vernachlässigt, Bauvorhaben geopfert oder mit Fischfarmen besetzt. Mit Teichsandfiltern soll nun die Wassernutzung dieser Teiche wieder möglich gemacht werden. Allerdings ist die Bakterienfracht so hoch, dass selbst das Filtersystem nicht alle Pathogene entfernen kann. Das Hauptproblem sind die Fischfarmen - hier werden toxische Chemikalien eingesetzt, um den Raubfischbestand vor dem Einbringen von Jungfischen zu dezimieren. So müssen auch die Filter oft gereinigt werden.

Normale Brunnen nutzen tiefer gelegenes Oberflächenwasser, das mit Fäkalien verunreinigt sein kann. Im Kontrast dazu ist Regenwasser sauber, aber nicht ganzjährlich erhältlich. Mit dem Drei-Tonkrug-Filtersystem wurde eine einfache Lösung für die Haushalte vorgestellt, um auch arsenkontaminiertes Wasser zu reinigen. Das Wasser durchläuft Schichten aus Sand, Holzkohle und - am wichtigsten - Eisenspänen, die das Arsen binden und die regelmäßig ersetzt werden müssen.

Technologien zur Entfernung von Arsen wie Adsorption und Niederschlagsbildung mit Eisen- oder Aluminiumsalzen sowie Adsorption an aktiviertem Kohlenstoff und Bauxit, Umkehrosmose und Ionenaustausch sind vorhanden. Arsenfilter für größere Maßstäbe sind teuer und müssen ständig von kontaminierten Schlämmen gereinigt werden.

Chowdhury erwähnt, dass die Leute zwar arsenfreies Wasser, aber auf keinen Fall das Gefühl haben wollen, in der Entwicklung zurückzugehen. Lösungen sind das Herbeiholen von Wasser in Pipelines, das in zentralen Einrichtungen behandelt wird, sowie tiefer gegrabene Brunnen. Ersteres ist für Bangladesh nahezu unerschwinglich, wie eine kürzliche Studie des BRAC in Zusammenarbeit mit der Weltbank zeigte. Eine langfristige Lösung könnten tiefe Röhrenbrunnen sein, die Wasser aus 200 Metern oder noch tieferen Aquiferen fördern.

Der größte Teil Bangladeshs besteht aus zwei übereinander liegenden Aquiferen, die durch Tonschichten getrennt sind. Geologen stimmen darin überein, dass das Arsenrisiko in tiefen Aquiferen gering, aber nicht vollständig auszuschließen ist. Es sind Probebohrungen erforderlich. Dafür sind auch die Bohrtechniken selber zu verfeinern, damit die tiefer liegenden Aquifere nicht von darüber liegendem, Arsen-führendem Wasser flacher Grundwasserleiter durch das Bohrloch hindurch vergiftet werden.

Um in den 86.000 Dörfern des Landes je einen tiefen Brunnen bohren zu können, werden schätzungsweise 290 Millionen US-Dollar benötigt. Außerdem soll damit im ganzen Land ein fünfjähriges Test- und Monitoringprogramm für Arsen finanziert werden können. Doch selbst wenn es gelänge, das Geld aufzutreiben, würde es noch mehrere Jahre dauern, bis eine dauerhafte Lösung arbeiten kann. Die Situation erfordert aber sofortige Aktion. Momentan werden alle Brunnen des Landes getestet. Bei der gegenwärtigen Testgeschwindigkeit wird auch das mehrere Jahre dauern.