Eindämmung giftiger Metalle in Spinat und Reiskulturen für Babynahrung

Reis und Spinat gehören zu den Grundnahrungsmitteln von Babys und Kleinkindern, doch die in diesen Nahrungsmitteln enthaltenen giftigen Metalle und Halbmetalle können schwerwiegende gesundheitliche Folgen haben.

Insbesondere Schwermetalle wie Cadmium, Blei, Quecksilber und Halbmetall Arsen könnten die Gehirnentwicklung bei Babys und Kleinkindern verzögern.

In neue Forschung veröffentlicht in der Fachzeitschrift Umweltgeochemie und GesundheitWissenschaftler der University of Delaware haben herausgefunden, dass überflutete Reisfelder tendenziell höhere Arsen- und geringere Cadmiumwerte aufweisen. Je trockener diese Reisfelder sind, desto geringer sind die Arsenwerte und desto höher sind die Cadmiumwerte. Der höhere Cadmiumwert liegt jedoch unter dem bestehenden Grenzwert für gesundheitsschädliche Auswirkungen.

Die Ergebnisse könnten dazu beitragen, Maßnahmen zu ergreifen, um die Konzentration dieser Schadstoffe in Lebensmitteln zu senken, die normalerweise von Säuglingen und Kleinkindern verzehrt werden. Anfang des Jahres veröffentlichte die US-amerikanische Food and Drug Administration einen Richtlinienentwurf für die zulässige Bleimenge in Babynahrung. Im Rahmen ihres Aktionsplans „Closer to Zero“ steht sie kurz davor, neue Vorschriften für die zulässigen Grenzwerte für Arsen, Cadmium und Quecksilber in Babynahrung festzulegen.

Überflutete Reisfelder

Feldfrüchte wie Mais, Sojabohnen und Weizen werden auf Böden angebaut, die nicht sehr feucht sind. Die Bauern gießen sie daher, um sicherzustellen, dass die Pflanzen die Nährstoffe bekommen, die sie zum Wachsen brauchen, aber nie genug, um sie völlig zu überfluten.

Im Gegensatz dazu wird Reis oft auf sehr nassen, überschwemmten Böden angebaut. Sauerstoff, der normalerweise in winzigen Poren im Boden vorhanden wäre, geht sehr schnell verloren und wird durch Wasser ersetzt. Der begrenzte Sauerstoff verlagert die Mikroorganismen im Boden, und diese Mikroorganismen beginnen mit Eisenoxidmineralien zu atmen, die dem Boden eine rostig-orange Farbe verleihen.

„Arsen haftet gern sehr fest an diesen Eisenoxiden“, sagte Angelia Seyfferth, Bodenbiogeochemikerin und Professorin in der Abteilung für Pflanzen- und Bodenwissenschaften der University of California und Mitautorin der Studie. „Wenn die Eisenoxide von diesen Organismen zum Atmen verwendet werden, gehen sie von einem festen Mineral in eine Lösungsphase über. Man löst sie im Wesentlichen auf, und wenn man sie auflöst, gelangt das daran haftende Arsen ins Wasser.“

Seyfferth sagte, sobald das Arsen im Wasser sei, könne es leicht von den Reiswurzeln aufgenommen und in das Korn transportiert werden.

Seyfferth und sein Forschungsmitarbeiter Matt Limmer bauten auf 18 kleinen Feldern der UD Newark Farm Reis an und setzten die Reisfelder unterschiedlichen Überschwemmungs- und Nässebedingungen aus.

„Wir hatten gehofft, eine optimale Bewässerungsmethode zu finden, die sowohl Arsen als auch Cadmium gleichzeitig minimiert“, sagte Limmer, „aber in diesem Boden haben wir keine gefunden.“

Nachdem sie das Getreide geerntet und den Arsen- und Cadmiumgehalt analysiert hatten, stellten die Forscher fest, dass sich im Reis umso mehr Arsen und umso weniger Cadmium ansammelte, je stärker das Feld überflutet war. Je trockener das Feld war, desto mehr Cadmium und umso weniger Arsen sammelte sich dagegen an.

„Aber selbst unter diesen trockeneren Bedingungen, als es mehr Cadmium gab, waren die Cadmiumkonzentrationen im Getreide kein Grund zur Sorge für die menschliche Gesundheit“, sagte Seyfferth.

Als die Reisfelder überflutet wurden und Arsen aufgenommen wurde, stellten die Forscher fest, dass Methanogenese stattfand. Dabei produzieren Organismen im Boden das starke Treibhausgas Methan und geben es in die Atmosphäre ab. Gleichzeitig reduzierte das überschüssige Wasser Sulfat im Boden zu Sulfid, wodurch Cadmium zusammen mit dem Sulfid ausfiel.

Als die Forscher den Boden trockneten, verringerten sie den Arsen- und Methangehalt. Sulfid im Boden oxidierte und wurde zu Sulfat, das nicht länger in fester Phase vorliegt, sodass Cadmium leicht durchsickern und in die Pflanze gelangen kann.

„Indem wir den Boden austrocknen, bremsen wir gewissermaßen die Mikroorganismen, die mit Eisenoxiden und Arsen atmen“, sagte Seyfferth. „Dann erhöhen wir tatsächlich die Cadmiummenge, weil wir das Sulfid zu Sulfat oxidieren. Wenn es zu Sulfat wird, ist es nicht länger eine feste Phase mit dem Cadmium, und das Cadmium kann dann freigesetzt werden.“

Durch das Austrocknen des Bodens gelangt Sauerstoff in die Bodenporen, sagte Seyfferth. Dies verlangsamt die Mikroorganismen, die Eisenoxide auflösen und Methan erzeugen, und verändert die Chemie.

„Sobald Sauerstoff zugeführt wird, werden die gelösten Eisenoxide wieder fest“, sagte Seyfferth. „Sie sind so etwas wie ein Brita-Filter. Das Arsen haftet an den Eisenoxiden und ist nicht im Wasser, sodass die Pflanzenwurzeln es nicht wirklich erreichen können.“

Ihre Ergebnisse – je nach Feuchtigkeitsgehalt des Bodens nimmt die Konzentration eines Metalls oder Halbmetalls zu, die eines anderen dagegen ab – geben uns ein kleines Rätsel auf.

„Das ist eine Herausforderung“, sagte Seyfferth. „Im Grunde besteht sie darin, diese magische Zahl oder den magischen Wasserstand im Boden zu finden und zu versuchen, beides zu minimieren. Es gibt wirklich keinen Wert, der für alle Böden universell ist.“

Im Rahmen eines Forschungsstipendiums des National Institute of Food and Agriculture des US-Landwirtschaftsministeriums untersuchen die Forscher bei Feldarbeiten in Arkansas den Arsengehalt von Reis. Sie werden direkt mit den Landwirten zusammenarbeiten, um Werkzeuge zu entwickeln, die ihnen helfen, die Überschwemmung ihrer Reisfelder zu bewältigen.

In der Zwischenzeit könnte die FDA im Rahmen ihres bereits erwähnten Aktionsplans „Closer to Zero“ bis Ende dieses Jahres neue Vorschriften für Arsen und Cadmium in Säuglingsnahrung erlassen. Die Behörde hat einige Zeit damit verbracht, die Auswirkungen von Arsen und Cadmium sowie zwei weiteren Giftstoffen, Quecksilber und Blei, auf die kindliche Entwicklung zu erforschen. Die FDA prüft außerdem neue Technologien oder Eingriffe, die die Belastung mit diesen Giftstoffen verhindern könnten.

„Unsere Arbeit kann hoffentlich dazu beitragen, die Politik zu gestalten“, sagte Seyfferth.

Einbeziehung der Landwirte

UD-Forscher berichteten außerdem in einem Übersichtsartikel Sie veröffentlichten in der Zeitschrift GeoHealthdass die Erzeuger bereit sind, alle notwendigen Maßnahmen zu ergreifen, um den Metallgehalt ihrer Ernten zu senken, dass sie dazu jedoch Anreize, Tests und Aufklärung benötigen.

Dies traf speziell auf die Spinatindustrie in fünf Bundesstaaten zu – Produzenten, Verpacker, Verarbeiter und Händler –, die die Forscher befragten. Spinat kann Mengen an Cadmium und Blei enthalten, die er über den Boden aufnimmt.

„Es ist wirklich wichtig, Feedback von den Interessenvertretern zu bekommen, um zu sehen, was für die Landwirte machbar ist“, sagte Seyfferth, „und um sicherzustellen, dass es keine große Belastung für etwas darstellt, was sie bereits tun, oder dass sie eine Praxis ändern müssen, die sie durchführen, um einen anderen Standard zu erfüllen, beispielsweise einen anderen Lebensmittelsicherheitsstandard.“

Die Forscher untersuchten die Wechselwirkungen zwischen Pflanzen mit Metallen und Halbmetallen und verglichen und kontrastierten, wie sich Cadmium und Blei durch den Boden bewegen und Blattgemüse beeinflussen. Sie bieten Landwirten auch Lösungen an, um die Menge an Metallen und Halbmetallen in den von ihnen angebauten Lebensmitteln zu verringern.

„Die Gewinnspanne der Landwirte bei Produkten wie Spinat ist oft sehr gering“, sagte Seyfferth. „Wenn die Regulierungsbehörden es ihnen wirklich schwer machen würden, einen bestimmten Cadmium- oder Bleigehalt einzuhalten, würden sie vielleicht einfach umsteigen und etwas anderes anbauen.“

Erschwerend kommt hinzu, dass das Wasser zur Desinfektion des Spinats gechlort wird. Durch die Zugabe von Chlorid kann das Cadmium jedoch leichter in die Wurzeln der Pflanze eindringen und sich so in das grüne Blattgewebe verlagern.

„Wir könnten das Cadmiumproblem verschlimmern, wenn wir für Blattgemüse gechlortes Bewässerungswasser verwenden“, sagte Seyfferth. „Vielleicht sollten wir über alternative Methoden zur Desinfektion von Bewässerungswasser nachdenken, die kein Chlorid enthalten.“

Eine Lösung, um den Gehalt an giftigen Metallen und Halbmetallen in Lebensmitteln zu senken, sei, so Seyfferth, die Landwirten Subventionen anzubieten, damit sie bestimmte Strategien anwenden, um diese Werte selbst zu senken. Cadmium, das sich in Spinatblättern ansammeln kann, könnte reduziert werden, indem man den Boden weniger sauer macht und die Spinatblätter nach der Ernte wäscht. Blei ist schwieriger zu entfernen, aber das Waschen von Spinatblättern mit Zitronensaftextrakt könnte bis zu 26 % des Bleis aus den Blättern entfernen, sagen die Forscher.

„Die Lösungen sind keine Pauschallösungen“, sagte Seyfferth. „Sie sind nicht für alle Böden geeignet. Sie müssten wirklich standortspezifisch sein.“

Limmer und Seyfferth meinen, es sei mehr Forschung nötig, um eine optimale Bewässerungsstrategie zu finden, die den Arsen- und Cadmiumgehalt im Reis senkt.

„Ähnliche Experimente müssen in verschiedenen Böden durchgeführt werden“, sagte Limmer, „idealerweise unter unterschiedlichen Feldbedingungen.“

Während die USA auf den Verordnungsentwurf der FDA zu den zulässigen Grenzwerten für Arsen, Cadmium und Quecksilber in Babynahrung warten, sagte Seyfferth, sie würde es begrüßen, wenn die Bundesregierung eine Studie wiederholen würde, die zuletzt in den 1980er Jahren durchgeführt wurde. Die FDA, das US-Landwirtschaftsministerium und die US-Umweltschutzbehörde analysierten Böden und Pflanzen auf landwirtschaftlichen Feldern in den gesamten USA, um eine Vorstellung von der Konzentration von Metallen und Halbmetallen in diesen Pflanzen und Böden zu bekommen.

„Seitdem wird viel mehr Spinat angebaut, und zwar in Gegenden, in denen er vorher nicht angebaut wurde“, sagte Seyfferth. „Einige dieser Böden enthalten viel mehr Cadmium. Ich würde mich dafür einsetzen, diese Untersuchung zu wiederholen.“