Benzin schlägt Bergbau bei Bleiemissionen in Südamerika

Verbleites Benzin dominierte bis zu seinem Verbot die Emissionen

Verbleites Benzin war in Südamerika bis zu seinem Verbot eine stärkere Quelle von Emissionen des giftigen Schwermetalls Blei als der Bergbau. Dies, obwohl die Gewinnung von Metallen aus den Minen der Region historisch große Mengen Blei in die Umwelt setzte.

Blick auf den Gletscher des Nevado Illimani in Bolivien. (Foto: Patrick Ginot)

Den Nachweis für die Dominanz von verbleitem Benzin haben Forschende des PSI und der Universität Bern anhand von Messungen im Eis eines bolivianischen Gletschers erbracht. Blei aus dem Straßenverkehr in den Nachbarländern belastete demnach die Luft ab den 1960er Jahren doppelt so stark wie der regionale Bergbau. Die Studie erschien am 6. März 2015 in der Fachzeitschrift Science Advances.

Verlauf der vom Menschen verursachten Bleiemissionen über die letzten 2000 Jahre im bolivianischen Altiplano. Gezeigt sind die Blei-Anreicherungen gegenüber dem natürlichen Untergrund (EF Pb), rekonstruiert anhand eines Eisbohrkernes vom Illimani Gletscher. In der Zeit vor der Verwendung von verbleitem Benzin (Jahre 0-1960) dominierten die Bleiemissionen aus dem Bergbau, vor allem während der Blütezeit der präkolumbianischen Kulturen Tiwanaku/Wari und Inka sowie im Verlauf der Kolonialzeit und mit zunehmender Industrialisierung im 20. Jahrhundert (braun, blau). Für den starken Anstieg ab 1960 sind primär die Emissionen von verbleitem Benzin verantwortlich (grün). Grafik: Paul Scherrer Institut.

Die PSI-Forschenden Anja Eichler (links) und Leonhard Tobler, zwei der Autoren der Studie, im Labor, in dem die Messungen am Massenspektrometer durchgeführt wurden. (Foto: Paul Scherrer Institut / Mahir Dzambegovic)

Der Einsatz von verbleitem Benzin war in Südamerika ab den 1960er Jahren die stärkste Quelle anthropogener, also vom Menschen verursachter Bleiemissionen. Damit übertraf der Kraftstoff sogar die in diesem Erdteil rege Bergbautätigkeit, bei der auch viel Blei ausgestoßen wird. Messungen in der Nördlichen Hemisphäre hatten in der Vergangenheit bereits ergeben, dass verbleites Benzin die Emissionen aus dem Bergbau übersteigt. Ein solcher, abschließender Nachweis fehlte bisher für die Region des Altiplano in Südamerika. In dieser Hochebene zwischen West- und Ost-Anden setzt die Metallgewinnung aus Erzen schon seit vorkolonialer Zeit große Bleimengen in die Umwelt frei.

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Diesen Nachweis haben die Forschenden des PSI und der Universität Bern nun erbracht. Dafür verwendeten sie Messungen an einem rund 138 m langen Eiskern, den sie aus dem Gletscher des Nevado Illimani im Osten Boliviens bohrten. Im Eis eines Gletschers werden die seinerzeit in der Luft vorhandenen Stoffe über Jahrhunderte gespeichert. Indem man das Eis aus der Tiefe bohrt und im Labor analysiert, kann man rekonstruieren, wie hoch die Konzentrationen dieser Stoffe in der Vergangenheit waren.

Verlauf der vom Menschen verursachten Bleiemissionen über die letzten 2000 Jahre im bolivianischen Altiplano. Gezeigt sind die Blei-Anreicherungen gegenüber dem natürlichen Untergrund (EF Pb), rekonstruiert anhand eines Eisbohrkernes vom Illimani Gletscher. In der Zeit vor der Verwendung von verbleitem Benzin (Jahre 0 bis 1960) dominierten die Bleiemissionen aus dem Bergbau, vor allem während der Blütezeit der präkolumbianischen Kulturen Tiwanaku/Wari und Inka sowie im Verlauf der Kolonialzeit und mit zunehmender Industrialisierung im 20. Jahrhundert (braun, blau). Für den starken Anstieg ab 1960 sind primär die Emissionen von verbleitem Benzin verantwortlich (grün). (Grafik: Paul Scherrer Institut)

Den Studienautoren ist es nun gelungen, lokale Emissionen aus dem Altiplano, die dem Bergbau zuzuordnen sind, von jenen zu unterscheiden, die aus verbleitem Benzin stammen und aus ferneren Regionen herangeweht wurden. Anhand von Messungen mit einem empfindlichen Massenspektrometer konnten sie sowohl die Bleikonzentrationen als auch die unterschiedliche Zusammensetzung der Isotope im Blei aus diesen beiden Quellen bestimmen.

Isotope sind Varianten eines chemischen Elements, die sich voneinander durch ihr jeweiliges Atomgewicht unterscheiden. Chemisch verhalten sich die verschiedenen Isotope eines Elements gleich. Durch ihr unterschiedliches Gewicht kann man sie aber in einem Massenspektrometer auseinanderhalten. Blei kommt in der Natur in Form von acht verschiedenen Isotopen vor. Die vier leichteren davon sind stabil, während die vier schwereren über die Zeit radioaktiv zerfallen. Anhand der verschiedenen Anteile dieser Isotope in einer Umweltprobe kann man bestimmen, woher das Blei kommt.

Verlauf des Verhältnisses der Bleiisotope 208Pb/207Pb im Illimani-Eisbohrkern in der Zeitperiode 1850 bis 2000. Während die Bleiisotopenverhältnisse vor 1960 mit denen im Gestein lokaler Minen (braun) übereinstimmen, entsprechen sie nach 1960 denjenigen von städtischen Luftstaubproben in Chile, Argentinien und Brasilien (grün). In diesen stammte das Blei hauptsächlich aus dem Verbrauch von verbleitem Benzin. (Grafik: Paul Scherrer Institut)

Den Fingerabdruck für verbleites Benzin fanden die Forschenden nun in dem Mengenverhältnis, mit dem die zwei schwersten unter den stabilen Bleiisotopen vorkamen. „Wir konnten nach 1960 ein reduziertes Verhältnis von Blei-208 zu Blei-207 feststellen“, erklärt die PSI-Forscherin Anja Eichler, Erstautorin der Studie. „Dieses Isotopenverhältnis weicht von dem ab, das das Blei aus den Minen des Altiplano kennzeichnet. Es stimmt vielmehr mit dem Isotopenverhältnis überein, das man in den 1990er Jahren in der Luft von Städten Chiles, Argentiniens und Brasiliens gemessen hat. Der Hauptteil des Bleis in diesen Luftstaubproben kann eindeutig auf verbleites Benzin zurückgeführt werden“, fügt Eichler hinzu.

Die Analyse der Forschenden verrät zudem, dass die anthropogenen Bleiemissionen vor 1960 hauptsächlich durch den Bergbau in die Atmosphäre gelangten. Besonders stark war die Belastung während der Blütezeit der präkolumbianischen Kulturen Tiwanaku/Wari und der Inkas sowie im Verlauf der Kolonialzeit und dann mit zunehmender Industrialisierung im 20. Jahrhundert. Dabei wurde Blei bis zum Ende des 19. Jahrhunderts vor allem bei der Gewinnung von Silber freigesetzt, danach dominierten Emissionen bei der Herstellung von Zinn, Kupfer und Nickel.

Eis vom Illimani Bohrkern auf dem Schmelzkopf, der Schnittstelle zwischen Eis und Massenspektrometer. (Foto: Paul Scherrer Institut / Mahir Dzambegovic)

Der stärkste Anstieg der letzten 2000 Jahre ist jedoch auf den Einsatz von verbleitem Benzin nach den 1960er Jahren zurückzuführen. Damals stieg die Belastung auf das Dreifache der historischen Werte an. Dabei trug das verbleite Benzin doppelt so viel zu den anthropogenen Bleiemissionen bei wie der Bergbau in der Region. Einen deutlichen Hinweis auf den überwiegenden Beitrag des Straßenverkehrs ab den 1960er Jahren fanden die Forschenden im gleichzeitigen Anstieg der Nitratkonzentration im Eis. Nitrat entsteht in der Luft aus Stickoxiden, die zum großen Teil von Verbrennungsmotoren ausgestoßen werden. Wie das Blei wird Nitrat bei Niederschlag aus der Luft „gewaschen“ und im Schnee bzw. im Eis des Gletschers deponiert.

Die neue Studie unterstreicht wieder einmal die Bedeutung des Verbots von verbleitem Benzin für Umwelt und menschliche Gesundheit. Blei kann, wenn es eingeatmet wird, ins Blut gelangen und schließlich ins Gehirn, wo es sich auf die Nervenzellen giftig auswirkt. Verbleites Benzin hat sich bereits in früheren Studien als wichtige Quelle von Bleiemissionen erwiesen. „Wir zeigen jetzt, dass dies auch in einer Region gilt, die seit Jahrtausenden vom Bergbau mit seinen starken Bleiemissionen lebt“, sagt Margit Schwikowski, Koautorin und Leiterin der Studie sowie der Gruppe für Analytische Chemie im Labor für Radio- und Umweltchemie am PSI.

Text: Paul Scherrer Institut/Leonid Leiva

Originalveröffentlichung:
Pb pollution from leaded gasoline in South America in the context of a 2000 year metallurgical history: A. Eichler, G. Gramlich, T. Kellerhals, L. Tobler, and Margit Schwikowski, Science Advances, 6. März 2015. Eichler et al., Sci. Adv. 1, e1400196, 2015. DOI: 10.1126/sciadv.1400196.

Kontakt:
Prof. Dr. Margit Schwikowski
Leiterin der Gruppe Analytische Chemie, Labor für Radio- und Umweltchemie
Paul Scherrer Institut
5232 Villigen PSI
E-Mail: margit.schwikowski@psi.ch

Dr. Anja Eichler
Gruppe Analytische Chemie, Labor für Radio- und Umweltchemie
Paul Scherrer Institut
5232 Villigen PSI
E-Mail: anja.eichler@psi.ch

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