A contribution to the risk assessment of uranium contamination in the food chain through phosphate containing fertilizers, feed and food additives

Phosphate gehören zu den essentiellen Ausgangsstoffen für die Produktion von Lebensmitteln. Gleichzeitig sind sie aber auch in Qualität und Menge signifikantester Vektor für Belastungen der Nahrungskette mit unerwünschten Elementen, insbesondere U. Die vorliegende Arbeit berichtet im ersten Teil über die Ergebnisse der Untersuchung von 45 Elementen in 712 phosphathaltigen Düngemitteln, Nahrungs- und Futtermittelzusatzproben, stellt im zweiten Teil eine neue Methodik zum Studium des Transfers von U im System Boden/Pflanze mittels reiner U-Isotope vor und fasst drittens das derzeitige Wissen um kombinatorische Effekte von P und U auf die menschliche Gesundheit zusammen. Die Untersuchungen erbrachten folgende Ergebnisse: - sedimentäre Rohphosphate wiesen bei fast allen Elementen 2- bis > 5-fach höhere Gehalte auf als solche aus magmatischen Lagerstätten. - Elementkonzentrationen waren in Mineraldüngerphosphaten stets höher als in Wirtschaftsdüngern, bei den Elementen U, Cd, As und B im Mittel um den Faktor 10. Nur S, Se, Cu und Zn kamen in Wirtschaftsdüngern in höheren Konzentrationen vor. - Die mittleren Konzentrationen an U in Mineraldüngern lagen um den Faktor 6-9 höher als die von Cd. Die Regression der Gehalte von Cd auf die U-Gehalte in phosphathaltigen Mineraldüngern zeigt, dass selbst in einem (theoretisch) Cd-freien P-Dünger noch 13-76 mg/kg U zu erwarten waren. - Seltene Erden, als Beitrag zur Valorisierung von Rohphosphaten, waren in solchen magmatischen Ursprungs in höheren Konzentrationen zu finden als in denen sedimentären Ursprungs. - Phosphate für die Herstellung von Futter- und Nahrungsmittelzusätzen haben deutlich geringere Gehalte an unerwünschten Elementen als Düngemittelphosphate; Grenzwertüberschreitungen waren in allen drei Verwendungsgruppen nur bei As und U festzustellen. - Auch noch in Mengen unterhalb der Freigrenze ist reines 235U ein geeigneter Tracer zur Verfolgung des Transports von, mit der Düngung zugeführtem, U im System Boden/Pflanze. - Die Bioakkumulationskoeffizienten für 238U und 235U waren statistisch nicht verschieden, sanken mit dem Ausgangsgehalt des Substrates an U und lagen in Größenordnungen zwischen 0,01 und 1,59; hierbei waren die Werte für Speicherwurzeln höher als für Blätter. - Binnen 49 Tagen wurden zwischen 0,3 und 0,6% des mit Düngung zugeführten U von Radieschen, Karotten, Senf aufgenommen. Bei Sonnenblumen lag der Wert bei unter 0,1%. - Die Auswaschung an U überstieg im Gefäßversuch die Aufnahme durch Pflanzen. - Die chemische Humantoxizität von U ist deutlich höher als die Gefährdung durch Strahlung. - Negative Gesundheitseffekte einer erhöhten U-Aufnahme scheinen durch eine gleichzeitig erhöhte P- Zufuhr systematisch verstärkt zu werden. Aus Sicht einer vorausschauenden Vorsorge beim Schutz der Funktionalität von Böden als Filter und Standort für Nahrungsmittelpflanzen ist eine Begrenzung der Schwermetalleinträge, hier insbesondere des Eintrags von U, mit mineralischen P-Düngern zwingend erforderlich. Zur Eigenvorsorge empfiehlt sich eine ausgewogene Mineralstoffzufuhr, insbesondere von P, Ca und Fe sowie eine reduzierte U-Zufuhr über die gezielte Auswahl des verzehrten Trinkwassers.Phosphates are essential for the production of food and feed. At the same time they are the most significant source for the contamination of the food chain with undesired elements, especially U. This work reports in its first part the results of the analysis of 45 elements in 712 phosphate containing fertilizers, feed and food additives; in its second part a new methodology for the investigation of U transport in the soil/plant system based on individual U isotopes is presented and finally the most recent knowledge on combinatory effects of P and U on human health is summarized. The research work yielded the following main results: - Almost all elements in rock phosphates of sedimentary origin show 2- to > 5-fold higher concentrations than those from igneous deposits. - Element concentrations in mineral fertilizer phosphates are always higher than in farmyard manures: on an average 10 times for the elements U, Cd, As und B. The average concentration of S, Se, Cu and Zn is higher in farmyard manures than in mineral phosphate fertilizers. - The mean concentration for U in mineral phosphate fertilizers is 6-9 times higher than that for Cd. The regression between both elements reveals that even in a (hypothetical) Cd-free fertilizer still U concentrations between 13-76 mg/kg U may occur. - Rare earth elements as contributor to the valorization of rock phosphates were found in higher concentrations in those of igneous origin than in sedimentary ones. - Phosphates for intended use as additives for feed and food have significantly lower concentrations of undesired elements than fertilizer phosphates. Concentrations exceeding actual limit values in all three functional groups were found only for As and U. - Even at rates below the free limit, pure 235U revealed to be a suitable tracer for transport studies of fertilizer-derived U in the soil/plant system. - The bioaccumulation coefficients found for 238U and 235U were statistically not different, decreased with the initial U concentration in the substrate and were found to be in the range between 0.01 and 1.59 with values for storage roots being higher than for leaves. - Within 49 days 0.3 to 0.6% of the applied U were taken up by radish, carrots and mustard. The corresponding value for sunflower was under 0,1%. - Leaching of U from soil exceeded the plant uptake in a pot trial. - The chemical toxicity of U is distinctly higher than its radiological toxicity. - Negative health effects of an increased U intake seem to be systematically amplified by an increased P intake. From view of a provident prevention of soil filter functions and fertility, it is absolutely necessary to limit, better balance heavy metal inputs through mineral P fertilizers and here especially with U. In this context personal measures for individual health care should target on a balanced intake of minerals, especially with P, Ca and Fe and an efficient limitation of the U intake through a conscious selection of drinking water