Arsenspuren im Regen deuten

Arsen ist ein Spurenelement, das im Periodensystem gleich unter dem – für alle Lebewesen essenziellen – Phosphor liegt. Diese enge chemische Verwandtschaft führt dazu, dass Zellen nicht immer in der Lage sind, die beiden Elemente auseinanderzuhalten. «Auf dieser Verwechslungsgefahr beruht die Giftigkeit von Arsen», sagt Lenny Winkel, Professorin am Institut für Biogeochemie und Schadstoffdynamik der ETH Zurich und am Wasserforschungsinstitut Eawag.

Proben sammeln auf 2877 Meter über Meer

Winkel und ihr Team interessieren sich schon seit vielen Jahren für dieses Umweltgift, von dem schätzungsweise rund 31 Tonnen in der Atmosphäre um die Erde kreisen. Um mehr über das Verhalten und die Verteilung von Arsen in der Luft zu erfahren, haben die Forschenden eine aufwändige Messkampagne auf der Forschungsstation des Pic du Midi in den Pyrenäen durchgeführt. Die Station liegt auf 2877 Meter über Meer und ermöglicht deshalb Proben zu sammeln, die weitgehend unbeeinflusst von lokalen Verschmutzungsquellen sind.

Auf dem Pic du Midi haben die Forschenden unter anderem herausgefunden, dass Wolken im Schnitt deutlich mehr Arsen enthalten als Regenwasser. Doch wer jetzt Angst davor hat, sich beim nächsten Wolkenbruch zu vergiften, kann sich wieder beruhigen: «Das Arsen ist in der Atmosphäre sehr stark verdünnt», sagt Winkel. Tatsächlich mussten die Forschenden ihr Messverfahren optimieren, um das Arsen überhaupt nachweisen zu können. «Die Messgrenze beträgt nun 1 bis 2 Nanogramm pro Liter, sie ist somit bis zu zwanzig Mal niedriger als die Messgrenze früherer Methoden», halten die Forschenden in ihrem kürzlich veröffentlichten externe Seite Fachbeitrag fest.

Charakteristische Transportmuster

Ein ausgefeiltes Modell der Luftmassenbewegungen und chemische Analysen des Wolken- und des Regenwassers erlaubten den Forschenden, verschiedene charakteristische Transportmuster zu identifizieren. Und also herauszufinden, woher das Arsen in den Proben jeweils stammte. Enthielt eine Probe zum Beispiel viel Natrium, so schlossen die Forschenden daraus, dass das Arsen sich auf dem Weg zu den Pyrenäen mit dem aufgewirbelten Salz im Meer (also mit Natrium-Chlorid) vermischt haben musste.

In anderen Proben fand das Team um Winkel jedoch höhere Mengen von gelöstem organischen Kohlenstoff. «Er kann von natürlichen Quellen wie Pflanzen und Pollen stammen. Er kann aber auch auf menschlich bedingte Umweltverschmutzungen aus Verkehr oder Industrie zurückzuführen sein», sagt Esther Breuninger, die Erstautorin des Fachbeitrags. Dann fügt sie hinzu: «Jedenfalls weist der gelöste organische Kohlenstoff darauf hin, dass das Arsen über Landmassen geflogen sein musste, bevor es in unserer Probe landete.»

Biologische Prozesse bedeutender als gedacht

In den Regenwasserproben haben Winkel und ihr Team mehrere Arten von Arsen nachgewiesen. So fanden sie neben dem erwarteten anorganischen Arsen auch so genannte methylierte Arsenverbindungen vor. Solche Verbindungen entstehen, wenn Bakterien, Algen, Pflanzen oder Pilze anorganisches Arsen aufnehmen und dann das Gift in umgewandelter Form wieder ausscheiden – möglicherweise um sich selbst zu schützen. Aus den Analysen der Forschenden geht hervor, dass das Arsen von Lebewesen sowohl im Meer als auch an Land umgewandelt wird.

«Bisher ging man davon aus, dass hauptsächlich menschliche Aktivitäten wie etwa das Verbrennen von Kohle oder die Verhüttung von Erzen für atmosphärisches Arsen verantwortlich sind», sagt Winkel. Doch in einigen Wolkenproben machten die methylierten Verbindungen den Hauptanteil des nachgewiesenen Arsens aus. «Diese Ergebnisse zeigen, dass biologische Prozesse eine wichtigere Rolle spielen als bisher angenommen», sagt Winkel.

Nun gelte es, den Beitrag biologischer Prozesse in den Modellen zum globalen Kreislauf von Arsen stärker zu berücksichtigen. «Offenbar tragen Lebewesen mit ihrem Stoffwechsel dazu bei, historische Arsen-Verschmutzungen zu mobilisieren und über die Atmosphäre global zu verteilen», resümiert Winkel.