Wissenschaftler entwickeln einen neuen geochemischen „Fingerabdruck“, um Schadstoffe in Düngemitteln aufzuspüren

Ein internationales Wissenschaftlerteam hat weltweit giftige Metalle in mineralischen Phosphatdüngern entdeckt, indem es ein neues Tool verwendet hat, um die Ausbreitung und Auswirkungen solcher Schadstoffe auf Boden, Wasserressourcen und Nahrungsmittelversorgung zu ermitteln.

„Während mineralische Phosphatdünger für die Förderung einer nachhaltigen globalen Landwirtschaft und Ernährungssicherheit von entscheidender Bedeutung sind, haben wir in vielen Düngemitteln weltweit einen hohen Gehalt an giftigen Metallen festgestellt“, sagte Avner Vengosh, Vorsitzender der Abteilung für Erd- und Klimawissenschaften an der Nicholas School of the Environment der Duke University.

„Unsere Studie hat eine neue Methode entwickelt, um Quellen und Auswirkungen dieser Metalle auf die Umwelt zu identifizieren.“ Zu diesen Metallen gehörten Cadmium, Uran, Arsen, Vanadium und Chrom.

Der Einsatz von Mineraldüngern – synthetischen oder natürlich vorkommenden Substanzen mit essentiellen Nährstoffen, die für das Pflanzenwachstum benötigt werden – hat dazu beigetragen, weltweit nachhaltige Ernteerträge zu steigern. Doch bis vor Kurzem wurde die Belastung mit giftigen Metallen nicht systematisch untersucht. Diese neue Studie analysiert globale Phosphatdünger aus großen Phosphatabbauländern.

„Wir haben Strontiumisotope sowohl in Phosphatgesteinen als auch in aus diesen Gesteinen hergestellten Düngemitteln gemessen, um zu zeigen, wie der Isotopen-‚Fingerabdruck‘ der Düngemittel mit ihrer ursprünglichen Quelle übereinstimmt“, sagte Robert Hill, Hauptautor der Studie und Doktorand. Student an der Duke University.

Isotope sind Variationen eines Elements, in diesem Fall Strontium. Die chemische Analyse jedes Düngemittels zeigt eine einzigartige Isotopenmischung, die zu den Phosphatgesteinen passt, aus denen es stammt.

„Angesichts der Variationen der Strontiumisotope in globalen Phosphatgesteinen haben wir ein einzigartiges Instrument entwickelt, um die potenziellen Auswirkungen von Düngemitteln weltweit zu ermitteln“, sagte Hill.

Um herauszufinden, ob Strontiumisotope weltweit ein zuverlässiger Indikator für Spurenelemente in Düngemitteln sind, analysierten die Forscher 76 Phosphatgesteine, die Hauptquelle für Phosphatdünger, und 40 Düngemittel aus wichtigen Phosphatgestein produzierenden Regionen, darunter im Westen der USA, China, Indien und dem Norden Afrika und der Nahe Osten. Die Forscher sammelten Proben aus Minen, kommerziellen Quellen und der Tidewater Research Station, einem Versuchsfeld in North Carolina. Das Forschungsteam veröffentlicht seine Ergebnisse am 9. Mai 2024 in Briefe zu Umweltwissenschaften und -technologie.

Im Boden und Grundwasser vorkommende Metalle stammen sowohl aus natürlich vorkommenden als auch aus vom Menschen geschaffenen Quellen.

„Strontiumisotope sind im Wesentlichen ein ‚Fingerabdruck‘, der eine Kontamination im Grundwasser und im Boden weltweit aufdecken kann“, sagte Vengosh. Sein Forschungsteam hat Strontiumisotope auch verwendet, um Umweltverschmutzung durch Deponielaugung, Kohlebergbau, Kohleasche, Fracking-Flüssigkeiten und Grundwasser, das bei der Öl- und Erdgasförderung an die Oberfläche gezogen wird, aufzuspüren.

„Das Isotop ist ein Indikator zur Identifizierung der Kontaminationsquelle“, sagte Vengosh. „Ohne dieses Tool ist es schwierig, mit Düngemitteln verbundene Kontaminationen zu identifizieren, einzudämmen und zu beseitigen.“

Die in der Studie untersuchten Düngemittel wiesen unterschiedliche Konzentrationen an Spurenelementen auf, wobei in Düngemitteln aus den USA und dem Nahen Osten höhere Werte beobachtet wurden als in denen aus China und Indien. Daraus schließen die Forscher, dass Phosphatdünger aus den USA und dem Nahen Osten aufgrund ihrer höheren Konzentrationen an Uran, Cadmium und Chrom einen größeren Einfluss auf die Bodenqualität haben werden als Düngemittel aus China und Indien, die höhere Konzentrationen aufweisen Arsen.