Sind Quecksilberthermometer wirklich gefährlich? In Sachen „Quecksilberaufnahme“ hat er zu viel ertragen …

Ich glaube, jeder kennt Quecksilberthermometer, aber wie wir alle wissen, ist Quecksilber ein Schwermetall mit biologischer Toxizität. Auch das Minamata-Übereinkommen über Quecksilber legt klar fest: „Ab dem 1. Januar 2026 ist die Herstellung quecksilberhaltiger Thermometer und quecksilberhaltiger Blutdruckmessgeräte verboten.“

Die Frage ist also: Welchen Schaden verursacht Quecksilber für Organismen? Wird in der Natur freies Quecksilber von Pflanzen aufgenommen?

Tuchong Creative

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Merkur: ein gerissener Killer

Quecksilber hat besondere physikalische und chemische Eigenschaften. Bei normaler Temperatur und normalem Druck ist Quecksilber das einzige Schwermetall, das in flüssiger Form vorliegt und in Form eines gasförmigen Elements über lange Zeit stabil in der Atmosphäre existieren kann. In der Natur ist Quecksilber ein Schwermetall mit sehr geringen Spurengehalten, seine biologische Toxizität ist jedoch extrem stark. Insbesondere bei Methylquecksilber können selbst sehr geringe Belastungen erhebliche Ökotoxizität verursachen …

Die „Minamata-Krankheit“, die sich in den 1960er Jahren in Japan ereignete, war der schwerwiegendste Fall einer Quecksilbervergiftung in der Geschichte. Die Fabrik leitete große Mengen unbehandelten, quecksilberhaltigen Abwassers aus der industriellen Produktion in die Minamata-Bucht ein. Das Quecksilber in der aquatischen Umwelt wurde in hochgiftiges Methylquecksilber umgewandelt, das entlang der Nahrungskette millionenfach biomagnifiziert werden kann. Opfer dieser Methylquecksilberverschmutzung wurden Anwohner, die über einen langen Zeitraum solche quecksilberhaltigen Meeresfrüchte aßen.

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Quecksilber kann als globaler Schadstoff durch die Luftzirkulation über weite Strecken transportiert werden. Um Mensch und Umwelt vor den Auswirkungen der Quecksilberverschmutzung zu schützen, trat am 16. August 2017 das Minamata-Übereinkommen über Quecksilber offiziell in Kraft. Die Unterzeichnerstaaten müssen die internationale Quecksilberkonvention einhalten und die Verwendung quecksilberhaltiger Produkte sowie anthropogene Quecksilberemissionen reduzieren.

Das gesamte globale atmosphärische Quecksilberreservoir beträgt etwa 5.000 bis 5.500 Tonnen, wobei die Forschung zum Quecksilberemissionsfluss aus anthropogenen Quellen mit etwa 2.000 Tonnen pro Jahr relativ eindeutig ist. Allerdings bestehen große Unsicherheiten hinsichtlich des Emissionsprozesses von Quecksilber aus natürlichen Quellen und es fällt der wissenschaftlichen Gemeinschaft derzeit schwer, den Quecksilberfluss genau abzuschätzen. Insbesondere wird der Quecksilberaustausch zwischen den globalen Waldökosystemen und der Atmosphäre auf „-727 bis 703 Tonnen/Jahr“ geschätzt, was es den Wissenschaftlern unmöglich macht, zu bestimmen, ob die Waldökosysteme die Quelle oder die Senke des atmosphärischen Quecksilbers sind.

Daher trägt eine genaue Abschätzung der Quelle-Senke-Beziehung von Quecksilber zwischen Wäldern und Atmosphäre zu einer rationalen Aufteilung der Verantwortlichkeiten bei der Umsetzung des Minamata-Übereinkommens bei und bietet eine sinnvolle Unterstützung für wissenschaftliche Umsetzungsverhandlungen.

Schädigt Quecksilber nicht nur Menschen, sondern auch Pflanzen?

Mit solchen Fragen im Hinterkopf nahm sich das regionale Forschungsteam zum biogeochemischen Kreislauf von Quecksilber unter der Leitung des Forschers Feng Xinbin vom Staatlichen Schlüssellabor für Umweltgeochemie, Institut für Geochemie, Chinesische Akademie der Wissenschaften, den subtropischen immergrünen Laubwald im Ailao-Gebirge in Yunnan als Forschungsobjekt vor und führte Untersuchungen zur Aufnahme von Quecksilber durch Vegetationsblätter und zum biogeochemischen Kreislauf von Quecksilber in den Wurzeln durch. Sie verwendeten natürliche stabile Quecksilberisotope, um die Quelle und den Migrationsmechanismus von Quecksilber in Pflanzenblättern und -wurzeln zu analysieren, und erzielten wichtige Forschungsfortschritte.

Die meisten Schwermetalle können von den Pflanzenwurzeln aus dem Boden aufgenommen werden, dann durch biologische Prozesse wie Transpiration nach oben in das oberirdische Gewebe der Pflanzen gelangen und schließlich die Blätter erreichen. Der Prozess der Quecksilberaufnahme durch Pflanzen unterscheidet sich jedoch erheblich.

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Die Oberfläche von Pflanzenblättern kann gasförmiges elementares Quecksilber aus der Atmosphäre absorbieren und ein Teil des Quecksilbers kann durch die Photosynthese/Atmung der Stomata auch in das Innere der Blätter gelangen. Darüber hinaus können Pflanzenwurzeln Quecksilberionen in Form einer wässrigen Lösung aus dem Boden aufnehmen, allerdings ist die Übertragungsdistanz des absorbierten Quecksilbers in den Wurzelgefäßen sehr begrenzt, sodass es nicht in die oberirdischen Teile gelangen kann.

Daher liegt die Quecksilberkonzentration in Pflanzen normalerweise zwischen einigen und Dutzenden ppb (10-9 g/g), was eine sehr geringe Konzentration ist und keine toxischen Wirkungen auf Pflanzen verursacht. Unter besonderen Umständen, beispielsweise in manchen verschmutzten Gebieten, kann es jedoch zu erheblichen Auswirkungen auf die physiologischen Prozesse der Pflanzen kommen, wenn die Quecksilberkonzentration in Pflanzen mehrere zehn bis hundert ppm (10-6 g/g) erreicht.

Woher kommt das Quecksilber in Pflanzen und wohin gelangt es?

Die Signatur der stabilen Isotopenzusammensetzung von Quecksilber wird oft als biogeochemischer Fingerabdruck von Quecksilber bezeichnet, da sie wie ein Fingerabdruck wirkt und die Quelle des Quecksilbers und die spezifischen Reaktionen, an denen es beteiligt ist, aufspürt.

Wir wissen, dass ein Atom aus einem Kern und extranuklearen Elektronen besteht, wobei der Kern aus einer bestimmten Anzahl von Protonen und Neutronen besteht. Isotope sind Atome, die die gleiche Anzahl an Protonen, aber eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen haben. Quecksilber hat in der Natur 7 stabile Isotope, nämlich 196Hg, 198Hg, 199Hg, 200Hg, 201Hg, 202Hg und 204Hg. Quecksilber weist in der Natur in verschiedenen Endgliedern deutlich unterschiedliche Quecksilberisotopeneigenschaften auf, sodass wir mithilfe von Quecksilberisotopen die Quecksilberquelle wirksam bestimmen können.

Beispielsweise erben die Fingerabdruckmerkmale der nicht-massenbasierten Quecksilberisotopenfraktionierung in Pflanzenwurzeln die Fingerabdruckmerkmale der Quecksilberisotopenfraktionierung im Bodenprofil, unterscheiden sich jedoch offensichtlich von denen in den oberirdischen Teilen (Stämmen, Blättern usw.), was beweist, dass das Quecksilber in Pflanzenwurzeln hauptsächlich aus dem Boden und nicht aus der Übertragung von oberirdischen Geweben stammt.

Die Biomasse der Vegetationswurzeln ist enorm und macht 22 % der gesamten Vegetation aus. Es stützt nicht nur die Pflanzen, sondern spielt auch eine wichtige Rolle beim Stofftransport des Pflanzenkörpers. Bisher ging man davon aus, dass das von den Blättern aufgenommene Quecksilber aus der Atmosphäre nach unten zu den Wurzeln der Pflanze transportiert werden könnte. Daher können Pflanzenwurzeln eine wichtige Senke für atmosphärisches Quecksilber sein.

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Die neuesten Forschungsergebnisse des Instituts für Geochemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften bestätigen, dass Pflanzenwurzeln Quecksilberionen aus der Bodenlösung hauptsächlich über die Wurzelrinde feiner Wurzeln aufnehmen. Ein Teil des Quecksilbers kann von der Wurzelrinde in das Wurzelmark übergehen, wodurch die Quecksilberkonzentration in der Wurzelrinde etwa 6 bis 10 Mal höher ist als im Wurzelmark. Auch ist die Quecksilberkonzentration in den feinen Wurzeln deutlich höher als in den groben Wurzeln. Der Aufwärtswanderungsprozess des in den Wurzeln absorbierten Quecksilbers entlang der Gefäße ist äußerst schwach, wodurch die Quecksilberkonzentration in der Oberflächenschicht der Wurzeln wesentlich höher ist als in der Bodenschicht.

Darüber hinaus kann das Absterben des Wurzelsystems dazu führen, dass das von den Wurzeln aufgenommene Quecksilber wieder in den Boden freigesetzt wird. Dies stellt einen Entgiftungsmechanismus für Pflanzen dar und kann zu einer Anreicherung der Quecksilberkonzentration in der Rhizosphäre des Bodens führen.

Eine wenig bekannte Tatsache ist, dass Wälder auf der ganzen Welt große Mengen Quecksilber aufnehmen können. Die jährlich aufgenommene Gesamtmenge entspricht in etwa der durch menschliche Aktivitäten freigesetzten Quecksilbermenge. Da jedoch die Quecksilberquellen in unterirdischen Wurzeln und die Menge des gespeicherten Quecksilbers noch nicht vollständig bekannt sind, besteht bei der Schätzung der Quecksilbersenken in Wäldern große Unsicherheit.

Untersuchungen des Instituts für Geochemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben bestätigt, dass Quecksilber in Pflanzenwurzeln hauptsächlich aus dem Boden stammt und nicht durch den Transport oberirdischer Pflanzenteile. Dies widerlegt die von früheren Forschern vertretene Ansicht, dass Wurzeln eine Senke für nullwertiges atmosphärisches Quecksilber seien. Daher sollten Pflanzenwurzeln bei der Schätzung der globalen Quecksilbersenke in der Atmosphäre nicht berücksichtigt werden.

Derzeit stehen wir unter dem doppelten Druck, die Quecksilberemissionen zu reduzieren und gleichzeitig die Konventionen einzuhalten, und setzen aktiv das Minamata-Übereinkommen über Quecksilber um. Die Formulierung von Richtlinien zur Einhaltung der Vorschriften und die Prüfung der Wirksamkeit von Maßnahmen zur Emissionsreduzierung müssen auf wissenschaftlichen Erkenntnissen über den globalen biogeochemischen Kreislauf von Quecksilber basieren. Chinesische Wissenschaftler machen auf diesem Weg der Wahrheitssuche kontinuierliche Fortschritte.

Der Artikel wird von Science Popularization China erstellt. Bei Nachdruck bitten wir um Quellenangabe.

Die Bilder in diesem Artikel stammen aus der Copyright-Galerie und dürfen nicht reproduziert werden.

Herausgeber | Sonne Chenyu

Autor | Yuan Wei, Jia Longyu, Feng Xinbin (Institut für Geochemie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Produzent | Chinesische Wissenschaftsausstellung