Cambridge, Massachusetts, 21. Mai 2012 - Umweltwissenschaftler in Harvard haben entdeckt, dass die Anreicherung von Quecksilber in der Arktis, einem giftigen Element, sowohl durch atmosphärische Kräfte als auch durch den Fluss zirkumpolarer Flüsse verursacht wird, die das Element nach Norden in den Arktischen Ozean befördern.
Während die atmosphärische Quelle früher erkannt wurde, scheint es jetzt, dass doppelt so viel Quecksilber tatsächlich aus den Flüssen kommt.
Das Lena-Delta. Die Lena ist einer von mehreren großen Flüssen, die nach Norden in den Arktischen Ozean münden. (Falschfarben-Satellitenbild mit freundlicher Genehmigung der NASA.)
Die Entdeckung impliziert, dass die Toxinkonzentration weiter ansteigen kann, wenn der Klimawandel den Wasserkreislauf der Region weiter verändert und Quecksilber aus der Erwärmung der arktischen Böden freisetzt.
"Die Arktis ist eine einzigartige Umwelt, weil sie so weit entfernt von den anthropogenen (vom Menschen beeinflussten) Quecksilberquellen liegt. Wir wissen jedoch, dass die Quecksilberkonzentrationen in arktischen Meeressäugetieren zu den höchsten der Welt gehören", sagt die Hauptautorin Jenny A. Fisher, Postdoktorand in der Harvard Atmospheric Chemistry Modeling Group und dem Department of Earth and Planetary Sciences (EPS). „Dies ist gefährlich für das Leben im Meer und für den Menschen. Aus wissenschaftlicher Sicht stellt sich die Frage, woher dieses Quecksilber kommt. “
Die Ergebnisse der Studie, die gemeinsam von der Harvard School of Engineering und Applied Sciences (SEAS) und der Harvard School of Public Health (HSPH) durchgeführt wurde, wurden am 20. Mai in der Zeitschrift Nature Geoscience veröffentlicht.
Quecksilber ist ein natürlich vorkommendes Element, das durch menschliche Aktivitäten wie Kohleverbrennung und Bergbau in der Umwelt angereichert wurde. Wenn es durch mikrobielle Prozesse im Ozean in Methylquecksilber umgewandelt wird, kann es sich in Fisch und Wildtieren in Konzentrationen ansammeln, die millionenfach höher sind als die in der Umwelt vorkommenden Konzentrationen.
„Quecksilber ist beim Menschen ein starkes Neurotoxin“, erklären die Co-Principal Investigator Elsie M. Sunderland, Mark und Catherine Winkler, Assistant Professor für Aquatic Science an der HSPH. "Es kann bei exponierten Kindern zu langfristigen Entwicklungsverzögerungen führen und die kardiovaskuläre Gesundheit bei Erwachsenen beeinträchtigen."
Quecksilber gilt als persistentes bioakkumulatives Toxin, da es in der Umwelt verbleibt, ohne abgebaut zu werden. Wenn es die Nahrungskette entlang wandert, vom Plankton über Fische bis hin zu Meeressäugern und Menschen, wird es konzentrierter und gefährlicher.
"Indigene Völker in der Arktis sind besonders anfällig für die Auswirkungen der Exposition gegenüber Methylquecksilber, da sie im Rahmen ihrer traditionellen Ernährung große Mengen an Fischen und Meeressäugetieren zu sich nehmen", sagt Sunderland. "Das Verständnis der Quecksilberquellen im Arktischen Ozean und der voraussichtlichen künftigen Veränderungen dieser Werte ist daher der Schlüssel zum Schutz der Gesundheit der nördlichen Bevölkerung."
Sunderland beaufsichtigte die Studie mit Daniel Jacob, Vasco McCoy-Familienprofessor für Atmosphärenchemie und Umwelttechnik an der SEAS, an der auch Sunderland beteiligt ist.
Quecksilber gelangt durch Emissionen aus Kohleverbrennung, Müllverbrennung und Bergbau in die Erdatmosphäre. In der Luft kann es bis zu einem Jahr in der Atmosphäre treiben, bis chemische Prozesse es löslich machen und es bei Regen oder Schnee wieder auf den Boden fällt. Diese Ablagerung ist weltweit verbreitet, und ein Großteil des in arktischem Schnee und Eis abgelagerten Quecksilbers wird wieder in die Atmosphäre abgegeben, wodurch die Auswirkungen auf den Arktischen Ozean begrenzt werden.
"Deshalb sind diese Flussquellen so wichtig", sagt Fisher. "Das Quecksilber geht direkt in den Ozean."
Die wichtigsten Flüsse, die in den Arktischen Ozean fließen, befinden sich in Sibirien: Lena, Ob und Jenissei. Dies sind drei der 10 größten Flüsse der Welt und zusammen machen sie 10% aller Süßwasserabflüsse in die Weltmeere aus. Der Arktische Ozean ist flach und geschichtet, was seine Empfindlichkeit für die Zufuhr von Flüssen erhöht.
Frühere Messungen hatten gezeigt, dass der Quecksilbergehalt in der unteren Atmosphäre der Arktis im Laufe eines Jahres schwankt und von Frühjahr bis Sommer stark ansteigt. Jacob, Sunderland und ihr Team verwendeten ein ausgeklügeltes Modell (GEOS-Chem) der Bedingungen im Arktischen Ozean und in der Atmosphäre, um zu untersuchen, ob Variablen wie Eisschmelze, Wechselwirkungen mit Mikroben oder die Menge an Sonnenlicht (die chemische Reaktionen beeinflusst) eine Rolle spielen könnten für den Unterschied.
Das Einbeziehen dieser Variablen war jedoch nicht ausreichend.
Das GEOS-Chem-Modell, das auf strengen Umweltbeobachtungen und mehr als einem Jahrzehnt wissenschaftlicher Überprüfung beruht, quantifiziert die komplexen Nuancen der Ozean-Eis-Atmosphäre-Umgebung. Es berücksichtigt beispielsweise die Vermischung der Ozeane in verschiedenen Tiefen, die Chemie des Quecksilbers im Ozean und in der Atmosphäre sowie die Mechanismen der atmosphärischen Ablagerung und Wiederemission.
Als das Harvard-Team es für seine arktischen Quecksilbersimulationen adaptierte, war die einzige Anpassung, die den Anstieg der Sommerkonzentrationen erklären konnte, der Einbau einer großen Quelle aus zirkumpolaren Flüssen in den Arktischen Ozean. Diese Quelle wurde bisher nicht erkannt.
Wie sich herausstellt, stammt im Nordpolarmeer ungefähr doppelt so viel Quecksilber aus den Flüssen wie aus der Atmosphäre.
Das neue Modell der Forscher beschreibt die bekannten Ein- und Ausgänge von Quecksilber in den Arktischen Ozean. (Mit freundlicher Genehmigung von Jenny Fisher.)
Das neue Modell der Forscher beschreibt die bekannten Ein- und Ausgänge von Quecksilber in den Arktischen Ozean. (Mit freundlicher Genehmigung von Jenny Fisher.)
"An dieser Stelle können wir nur spekulieren, wie das Quecksilber in die Flusssysteme gelangt, aber es scheint, dass der Klimawandel eine große Rolle spielen könnte", sagt Jacob. „Mit steigenden globalen Temperaturen stellen wir fest, dass Bereiche des Permafrosts auftauen und Quecksilber freisetzen, das im Boden eingeschlossen war. Wir sehen auch, wie sich der Wasserkreislauf ändert und der Niederschlag in die Flüsse abfließt. “
"Ein weiterer Faktor", fügt er hinzu, "könnte das Abfließen von Gold-, Silber- und Quecksilberminen in Sibirien sein, die möglicherweise das Wasser in der Nähe verschmutzen." Wir wissen so gut wie nichts über diese Verschmutzungsquellen. “
Während das kontaminierte Flusswasser in den Arktischen Ozean fließt, wird die Oberflächenschicht des Ozeans übersättigt, was zu einer von Wissenschaftlern als „Ausweichen“ von Quecksilber aus dem Ozean in die untere Atmosphäre bezeichnet wird.
„Diese verräterische Übersättigung zu beobachten und erklären zu wollen, hat diese Studie ursprünglich motiviert“, sagt Fisher. „Es war Detektivarbeit, es mit arktischen Flüssen in Verbindung zu bringen. Die Auswirkungen dieses Befundes auf die Umwelt sind enorm. Dies bedeutet zum Beispiel, dass der Klimawandel einen sehr großen Einfluss auf das arktische Quecksilber haben könnte, der größer ist als der Einfluss der Kontrolle der Emissionen in die Atmosphäre. Jetzt sind weitere Arbeiten erforderlich, um das von Flüssen abgegebene Quecksilber zu messen und seinen Ursprung zu bestimmen. “
Fisher, Jacob und Sunderland wurden von der Co-Autorin Anne L. Soerensen, einer Forschungsstipendiatin am SEAS und an der HSPH, in diese Arbeit einbezogen. Helen M. Amos, Doktorandin in EPS; und Alexandra Steffen, eine Spezialistin für atmosphärisches Quecksilber bei Environment Canada.
Die Arbeit wurde vom Arctic System Science Program der National Science Foundation unterstützt.
Neuauflage mit Genehmigung der Harvard University.