Ökotoxikologische Erkenntnisse zur Fluoridbelastung und ihren Auswirkungen auf Boden, Pflanzen und die menschliche Gesundheit.

Nach der Einbringung werden Fluoridtransport und -umwandlung im Boden durch interagierende physikochemische Faktoren gesteuert, darunter Bodenart, pH-Wert, Gehalt an organischer Substanz und Elementzusammensetzung ( Kupiec et al., 2019a ). Diese Faktoren regulieren die Sorption an Tonminerale und Metall(hydr)oxide, das Komplexierungs-/Fällungsverhalten und letztendlich den Fluoridanteil in der Bodenlösung, der das Auswaschungspotenzial und die Pflanzenexposition bestimmt. Fluorid kann aus natürlichen und anthropogenen Quellen in biotische und abiotische Umweltkompartimente gelangen ( Abb. 1B ) und birgt dadurch Risiken für die Bodenfunktionen, die Pflanzenproduktivität und die Aufnahme über die Nahrung. Pflanzen, insbesondere Nahrungspflanzen, können Fluorid durch Wurzelaufnahme aus der Bodenlösung und durch Aufnahme über die Blätter nach atmosphärischer Deposition und anschließender Wurzelaufnahme akkumulieren ( Kazi et al., 2019 ). Gelangen diese Fluoridkonzentrationen in essbare Pflanzenteile, können sie beim Verzehr gesundheitliche Folgen für den Menschen haben ( Rehman et al., 2026 ). Bei Pflanzen wird Fluorid mit dem Abbau von Chloroplasten und einer verringerten Photosyntheserate in Verbindung gebracht. So berichteten Bano et al. (2020) , dass die Exposition von Hanfpflanzen ( Cannabis sativa L.) gegenüber 30–50 ppm Fluorid zu einer Reduktion des Chlorophyllgehalts um 74.6 % führte. Gleichzeitig wurde der Mineralstoffhaushalt der Pflanzen gestört, indem die Aufnahme essentieller zweiwertiger Kationen durch die Bildung unlöslicher Komplexe, z. B. von Calcium (Ca) und Magnesium (Mg), gehemmt wurde. Diese Beeinträchtigungen wirken sich negativ auf das Pflanzenwachstum und die Biomasseproduktion aus. Neben den direkten Auswirkungen auf die Nutzpflanzen hemmt erhöhte Fluoridkonzentration die mikrobielle Aktivität und den Stoffwechsel im Boden und stört wichtige Prozesse des Nährstoffkreislaufs und des Abbaus organischer Bodensubstanz (SOM), was potenziell Folgen für die Fruchtbarkeit und Widerstandsfähigkeit des Bodens hat ( Ropelewska et al., 2016 ). Fluorid kann die Bodenbeschaffenheit verändern und die Nährstoffverfügbarkeit beeinflussen ( Muthu Prabhu et al., 2023 ) und wird mit einer Verschlechterung der Bodengesundheit durch Störungen der Bodenökologie und damit verbundener Prozesse in Verbindung gebracht ( Shahab et al., 2017 ). Diese bodenbedingten Effekte sind besonders relevant für eine nachhaltige Intensivierung der Landwirtschaft, da sie die Kontamination nicht nur mit toxischen Folgen, sondern auch mit zentralen Ökosystemleistungen der Agrarwirtschaft wie Nährstoffkreisläufen, Wasserregulierung und Strukturstabilität verknüpfen.

Die Fluoridaufnahme beim Menschen ist eng mit diesen landwirtschaftlichen Aufnahmewegen verknüpft. So wird Fluorid beispielsweise häufig in der Mundgesundheitspflege eingesetzt und kann unter geeigneten Bedingungen Karies vorbeugen und die Knochenmineralisierung fördern ( Kanduti et al., 2016b ). Eine übermäßige Fluoridbelastung gibt jedoch weiterhin Anlass zur Sorge in Regionen mit erhöhtem Fluoridgehalt im Trinkwasser und/oder einer signifikanten Aufnahme durch kontaminierte Nutzpflanzen und Getränke. Kinder sind aufgrund ihrer im Verhältnis zum Körpergewicht höheren Fluoridaufnahme und ihrer entwicklungsbedingten Empfindlichkeit besonders anfällig für Fluoridvergiftungen ( Wang et al., 2023 ). Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) hat einen Richtwert von 1.5 mg ^{/ l} für Fluorid im Trinkwasser ( Naaz et al., 2015 ) und Toxizitätsschwellenwerte von 30 bzw. 30.2 mg ^/ kg für Tierfutter und Rohstoffe festgelegt ( ^Wang et al., 2023 ). Dementsprechend wird Fluorid zunehmend als ein neuartiger Schadstoff betrachtet, der die Pflanzenproduktion einschränken und eine Bedrohung für die Ernährungssicherheit in stark belasteten Agrarökosystemen darstellen kann ( Rizzu et al., 2021 ).

Trotz umfangreicher Überwachung und wachsender Besorgnis bestehen weiterhin mehrere Lücken, die eine risikorelevante Interpretation und ein effektives Feldmanagement einschränken. Erstens berichten viele Studien über den Gesamtfluoridgehalt, ohne zwischen den löslichen/austauschbaren und den pflanzenverfügbaren Fraktionen zu unterscheiden. Diese Fraktionen geben jedoch einen direkteren Aufschluss über die Aufnahme durch die Pflanzen und die ökologischen Auswirkungen, was den Vergleich verschiedener Studien und die Ableitung mechanistischer Schlussfolgerungen erschwert. Zweitens wird die relative Bedeutung der Expositionswege (Bewässerungswasser, Bodenfraktionen und atmosphärische Deposition) über verschiedene Kulturarten und Bewirtschaftungssysteme hinweg uneinheitlich quantifiziert. Drittens wurden zwar verschiedene Sanierungsansätze vorgeschlagen – Bodenwäsche, chemische Immobilisierung und elektrokinetische Verfahren –, ihre Anwendung im Feld ist jedoch häufig durch Kosten, die Entstehung von Sekundärabfällen, die Beständigkeit unter variablen pH- und Salzgehaltsbedingungen sowie mögliche Wechselwirkungen mit der Nährstoffverfügbarkeit und der Bodenorganismen eingeschränkt ( Muthu Prabhu et al., 2023 ). Diese Lücken verhindern insgesamt eine eindeutige Übertragung der gemessenen Konzentrationen in konkrete Managemententscheidungen. Anders als frühere Zusammenfassungen, die sich hauptsächlich auf Konzentrationsbereiche und allgemeine Auswirkungen konzentrieren, strukturieren wir die Evidenz anhand der pflanzenbedingten Exposition. Dabei unterscheiden wir explizit zwischen Gesamtfluorid und risikorelevanten Fraktionen und verknüpfen diese Messgrößen mit der Aufnahme durch Nutzpflanzen, den daraus resultierenden Auswirkungen auf die Pflanzen- und menschliche Gesundheit, Veränderungen der Bodenfunktion und verschiedenen Minderungstechnologien. So heben wir prioritäre Forschungsbedürfnisse hervor, die allesamt notwendig sind, um das mechanistische Verständnis zu vertiefen und die praktische Risikominderung der Fluoridbelastung in Agrarökosystemen zu unterstützen.

Diese Übersichtsarbeit fasst den aktuellen Wissensstand zur Fluoridbelastung landwirtschaftlicher Böden zusammen, indem sie (i) die wichtigsten Quellen und Übertragungswege zwischen Grundwasser, Böden, Nutzpflanzen und Nahrungsnetzen darstellt; (ii) die wichtigsten bodenkundlichen und geochemischen Faktoren zusammenfasst, die die Fluoridmobilität, -spezies und -aufnahme in essbaren Pflanzenteilen beeinflussen; (iii) Erkenntnisse zu ökotoxikologischen Auswirkungen auf die Bodenfunktionen und pflanzenrelevante Endpunkte sowie deren Bedeutung für die Aufnahme über die Nahrung und die damit verbundene Anfälligkeit integriert; und (iv) Sanierungs- und Managementstrategien hinsichtlich ihrer Wirkungsweise, Durchführbarkeit und Langzeitwirkung kritisch bewertet. Diese wissenschaftliche Übersicht dient als Grundlage für weitere Forschung und ein nachhaltiges Umweltmanagement und unterstreicht die Dringlichkeit, die Fluoridbelastung für die Gesundheit von Ökosystemen und das menschliche Wohlbefinden anzugehen.

2. Methodik der Überprüfung

Diese Übersicht wurde durch eine systematische Literatursuche und thematische Analyse erstellt, d. h. es wurde eine umfassende Suche nach peer-reviewter Literatur in mehreren wissenschaftlichen Datenbanken durchgeführt, darunter Web of Science, Scopus, PubMed, Google Scholar, ScienceDirect sowie die auf Landwirtschaft spezialisierten Datenbanken wie AGRICOLA und Agris. Die Suchstrategie verwendete Boolesche Kombinationen von Schlüsselwörtern, darunter Kernbegriffe wie „Fluoridbelastung“ ODER „Fluoridkontamination“ UND „Umwelt“ sowie quellenspezifische Begriffe wie „Fluoridquellen“, „Bodenverschmutzung“, „Wasserverschmutzung“ und „Grundwasser“, um medienspezifische Vorkommen zu erfassen. Zur Untersuchung von Expositionswegen und Auswirkungen umfasste die Suche „Fluorid“ UND „Pflanzenproduktivität“, „Ernteproduktion“, „Fluoridaufnahme“ UND „Pflanzen“, „menschliche Gesundheit“, „Toxizität“ und „Bodenmikrobiom“. Es wurden Sanierungs- und Managementstrategien unter Verwendung von Kombinationen wie „Fluorid“ UND „Sanierung“, „mikrobiell“, „Biokohle“, „Phytosanierung“, „Bodenverbesserungsmittel“, „Defluoridierung“ und „Pflanzenschutz“ untersucht. Schließlich wurden die mechanistischen Erkenntnisse mit Schlüsselwörtern wie „organische Bodenverbesserungsmittel/Biochar-Mechanismen“, „Fluorid-Bioverfügbarkeit“ und „Fluorid-Mobilität“ UND „Boden“ gezielt angesprochen. Zur Ergänzung der Datenbankrecherchen wurden auch manuelle Recherchen nach relevanten Artikeln auf institutionellen Webseiten durchgeführt, darunter landwirtschaftliche Forschungszentren, Umweltschutzbehörden und Organisationen, die sich mit Schadstoffen befassen. Dieser Schritt gewährleistete die Einbeziehung relevanter grauer Literatur, technischer Berichte und politischer Dokumente, die von gängigen akademischen Datenbanken nicht erfasst werden. Die Suche beschränkte sich auf Veröffentlichungen ab 2015 (es sei denn, es wurde ein historischer/mechanistischer Befund benötigt, der in der neueren Literatur nicht zu finden war) und später. Bei der Auswahl der Veröffentlichungen wurden peer-reviewte Originalforschungsartikel, maßgebliche Übersichtsarbeiten und empirische Studien mit robusten experimentellen Designs priorisiert. Wir schlossen Konferenzberichte, meinungsbasierte Kommentare und nicht-englischsprachige Publikationen aus. Studien wurden einbezogen, wenn sie die folgenden Kriterien erfüllten: (i) Es handelte sich um Originalforschung oder umfassende Übersichtsarbeiten, die von Fachkollegen begutachtet wurden; (ii) sie lieferten experimentelle Belege für die Fluoridbelastung und deren Auswirkungen auf die Umwelt; und (iii) sie beschrieben detailliert die Mechanismen und Herausforderungen, die Fluoride für Boden, Pflanzen und Menschen darstellen. Umgekehrt wurden Studien ausgeschlossen, wenn sie: (i) rein theoretischer Natur waren oder empirische Daten fehlten; (ii) sich ausschließlich auf die Wasserverschmutzung durch Fluoride konzentrierten, es sei denn, sie boten mechanistische Erkenntnisse, die direkt auf den Eintrag in den Boden und die nachfolgenden Auswirkungen auf Boden, Pflanzen und Menschen anwendbar sind; (iii) und Doppelveröffentlichungen darstellten oder eine unzureichende methodische Strenge aufwiesen. Um eine Selektionsverzerrung zu vermeiden, wurde die Sichtung der Titel, Abstracts und Volltexte unabhängig voneinander von mindestens zwei Gutachtern durchgeführt. Meinungsverschiedenheiten bezüglich der Einbeziehung wurden durch konsensbasierte Diskussionen und gemeinsame Neubewertung beigelegt. Jede ausgewählte Studie wurde kritisch bewertet, um ihre Einschränkungen, methodische Stimmigkeit und ihr Potenzial für eine Replikation zu beurteilen. Die extrahierten Daten wurden anschließend thematisch zusammengeführt und um die Kernbereiche Fluoridbelastung und deren Auswirkungen auf Boden, Pflanzen und Menschen strukturiert. Wichtige Erkenntnisse, Forschungslücken, methodische Einschränkungen und zukünftige Empfehlungen wurden im Abschnitt „Forschungslücken und zukünftige Strategien“ identifiziert und vorgestellt.

3. Fluoridquellen im Wasser-Boden-Pflanzen-System

Fluorid ist ein hochreaktives Element und liegt üblicherweise in gebundener Form mit anderen anorganischen Stoffen vor. Es macht 0.06–0.09 Gewichtsprozent der Erdkruste aus.Kanduti et al., 2016aDie häufigsten Fluoridquellen in der Umwelt sind magmatische, sedimentäre, metamorphe, vulkanische Gesteine, alkalische magmatische Gesteine ​​und Kohle (Zusatztabelle S1Vulkanausbrüche, die Fluorwasserstoff (HF) enthalten, sind die zweithäufigste natürliche Fluoridquelle (Kabir et al., 2020Bei vulkanischer Aktivität gelangen Fluoridemissionen durch partikulären Fluor-Niederschlag während der atmosphärischen Ablagerung und des Regens auf die Bodenoberfläche (Brindha und Elango, 2011Zu den bedeutendsten anthropogenen Fluoridquellen zählen die Kohleverbrennung, die Stahlherstellung, die chemische Industrie, die Ton-, Aluminium-, Glas-, Emaille-, Ziegel- und Keramikproduktion sowie die Verwendung von fluoridhaltigen Pestiziden und Düngemitteln, Abwässer und Klärschlamm sowie Wärmekraftwerke.Jangid et al., 2024Düngemittel und Bodenverbesserungsmittel wie Phosphatdünger und Phosphogips enthalten typischerweise 1–4 % Fluoride als Verunreinigungen, was bei wiederholter Anwendung und anschließender Aufnahme durch die Pflanzenwurzeln zu höheren Bodenkonzentrationen führt (Cui et al., 2021Calciumfluorid (CaF₂)₂), Natriumfluorid (NaF), HF und Schwefelhexafluorid (SF₆).₆) sind auch Quellen der Fluoridkontamination (Wang et al., 2023Darüber hinaus wird die Anwendung von Begasungsmitteln und Insektiziden, die Bariumfluorosilicat (BaSiF) enthalten, untersucht.₆), Natriumsilicofluorid (Na₂SiF₆), Sulfurylfluorid (SO₂F₂), und Fluralin (C₁₃H₁₆F₃N₃O₄) fügt dem Boden auch erhebliche Mengen an Fluorid hinzu (Alexandrino et al., 2022Fluoride werden auch über das Wasser vom Boden-Pflanzen-System aufgenommen (Mukherjee und Singh, 2018aGeochemische Prozesse, einschließlich des Kationenaustauschs unter natriumreichen und alkalischen pH-Bedingungen, beeinflussen die Fluoridbewegung ins Grundwasser (Bowes et al., 2020Vertikale Auswaschung durch Rückfluss aus der Bewässerung und Vermischung mit Porenwasser sind die dominierenden Prozesse, die die Fluoridbewegung in Grundwasserströmungssystemen antreiben (Bowes et al., 2020Die Mobilität von Fluorid in Böden wird durch seine Bindung an verschiedene Bodenfraktionen beeinflusst. In einigen Fällen findet sich Fluorid hauptsächlich in den residualen und wasserlöslichen Fraktionen, wodurch es leicht ins Grundwasser ausgewaschen werden kann (Dehbandi et al., 2017a).

4. Eintrag von Fluoriden in das Wasser-Boden-Pflanzen-System

4.1. Wasserressourcen

Wasser gehört zu den wichtigsten Wegen, über die Fluorid durch die Aufnahme durch Pflanzen in den Boden und die Nahrungskette gelangt (Tabelle 1Wasser mit Fluoridkonzentrationen bis zu 1.5 mg/L^-1 wird als sicher eingestuft (Bharti et al., 2018), während höhere Werte als stark kontaminiert gelten (Shaji et al., 2024Höherer Bicarbonatspiegel (HCO₃⁻)₃^-) und Natriumkonzentrationen, verbunden mit einem erhöhten pH-Wert infolge von Wasser-Gestein-Wechselwirkungen, spielen eine entscheidende Rolle bei der Freisetzung von Fluorid aus der Grundwasserleitermatrix in das Grundwasser (Al Sabti et al., 2023Der relativ höhere OH-Gehalt^- Der Gehalt kann austauschbare Fluorid- oder fluoridhaltige Mineralien leicht ersetzen und dadurch seine Konzentration im Grundwasser erhöhen (Mondal und Gupta, 2015In natürlichen Gewässern bildet Fluorid starke Komplexe mit Aluminium (Al), weshalb die Fluorchemie weitgehend durch die Al-Konzentration und den pH-Wert reguliert wird (Gong et al., 2012Es besteht außerdem eine positive Korrelation zwischen Fluorid und Arsen (As) (González-Horta et al., 2015Höhere Bicarbonatkonzentrationen im Grundwasser können als starker Konkurrent wirken und zu einer Anreicherung von Fluorid und Arsen im Grundwasser führen (Khair et al., 2014Das Klima beeinflusst auch die Fluoridlöslichkeit, da die Temperatur die Löslichkeit fluorhaltiger Mineralien direkt beeinflusst. Beispielsweise steigt die Gleichgewichtskonstante für Fluorit von 10 bis 10.8 bei 10 °C auf 10–10.5 bei 25 °C (Jha et al., 2011Dies führt zu einer um etwa 30 % höheren Fluoridauflösung in verdünnten Lösungen. Der Fluoridgehalt im Grundwasser ist viel höher als im Oberflächenwasser, da Fluorid durch Auswaschung aus dem Boden ins Grundwasser sickert. Dieser Prozess umfasst die Auflösung, Desorption und den Transport von Fluoridionen aus Boden- und Gesteinsmineralien ins Grundwasser.Mukherjee und Singh, 2020Die Mineralauflösung erfolgt, wenn fluoridhaltige Mineralien, z. B. Fluorit (CaF₂), gelöst werden.₂), Apatit (Ca₅(PO₄)3 F), Biotit und Amphibole lösen sich in Wasser auf und setzen Fluoride frei;

Tabelle 1. Fluoridkonzentrationen im Wasser-Boden-Pflanzen-System verschiedener Länder.

Land auswählen	Fluoridkonzentration (mg L-1 Zum Beispiel das Gleichgewicht 1 oder mg kg-1)	Gemeldete Quellen	Referenzen
Fluoride in Wasserressourcen
Indien	20.6	-	(Narsimha et al., 2020)
Afghanistan	15.0	-	(Kumari und Khan, 2018)
Pakistan	22.8	-	(Sahu, 2019)
Türkei	1.20	Geologische Ursprünge	(Yesilnacar et al., 2016)
China, Kambodscha	14.1	Austritt von oberflächennahem Grundwasser, Auflösung von Gips und Mirabilit	(Li et al., 2015)
China, Kambodscha	7.35	Übernutzung des Grundwassers	(Li et al., 2020)
Indien	2.80	Natürliche	(Ali et al., 2019)
Schweden	7.4	Fluorreiche Granitoide	(Berger et al., 2016)
Italien	6.1	Vulkanisch-sedimentärer Grundwasserleiter	(Parrone et al., 2020)
Kenia	74.98	Natürliche Quellen	(Olaka et al., 2016)
Serbien	1.0	Lithiumhaltige Erze	(Veskovic et al., 2024)
Rumänien	0.13	Natürliche	(Dobrinas et al., 2022)
Fluoride im Bodensystem
Südkorea	222.0	HF-Verschüttung	(Et al., 2015)
Indien	189.0	Zinkhütte	(Bhat et al., 2015)
Tansania	133.10	Fluoridbelastetes Flusswasser wird zur Bewässerung verwendet.	(Rizzu et al., 2020)
Indien	280.0	fluoridbelastetes Bewässerungswasser	(Devi et al., 2022)
China, Kambodscha	330.36	Bewässerungswasser	(Zhang et al. 2019)
China, Kambodscha	883.0	Industrielles und kommunales Abwasser zur Bewässerung	(Li et al., 2019)
China, Kambodscha	265.0	Anthropogene Quellen	(Chen et al., 2017)
Tunesien	1431	Phosphatdünger	(Boukhris et al., 2015)
Iran	355.0	Boden und Schiefergestein	(Dehbandi et al., 2018)
Kenia	3.47	Bewässerungswasser	(Gevera et al., 2022)
Fluoride im Pflanzensystem
Indien	Rettich 63.0	Bewässerungswasser	(Bhattacharya et al., 2017)
Indien	Reis Schuss: 127.2 Root: 203.0	Bewässerungswasser	(Mondal, 2017)
China, Kambodscha	Weizen Wurzeln: 539.4 Blätter: 129.2 Hülse: 40.2 Körner: 2.9	Atmosphärische Ablagerung	(Li et al., 2017)
Iran	Minze 4.7	Anthropogene Quellen	(Ghassemi-Golezani und Farhangi-Abriz, 2023)
China, Kambodscha	Tee 81.7	Teeherstellungsprozess	(Cai et al., 2016)
Indien	Reis Schuss: 38.4 Root: 47.6	Bewässerungswasser	(Banerjee et al., 2019)
Tunesien	Olive Blätter: 220.77 Wurzeln: 1000.43	Anthropogene Quellen	(Zouari et al., 2017)
Indien	Taubenerbse 6.5	Anthropogene Quellen	(Yadu et al., 2018)

HF: Fluorwasserstoffsäure.

In ähnlicher Weise führen Ionenaustausch- und Adsorptions-Desorptionsreaktionen ebenfalls zu ihrem Eintritt ins Wasser, d. h. Fluorid konkurriert mit Hydroxidionen (OH ^– ) um Adsorptionsstellen auf Tonmineralien und Oxiden (z. B. Aluminiumoxid, Eisenoxide), und OH ^– ersetzt F ^– auf Mineraloberflächen, was zur Freisetzung von F ^– in das Grundwasser führt;

Unter alkalischen Bodenbedingungen führen Carbonat- und Bicarbonat-Ionen durch die Spaltung von Fluorapatit zur Freisetzung von Fluorid. Darüber hinaus begünstigen höhere Natriumgehalte im Boden die Fluoridauswaschung durch Störung des Calciumgleichgewichts. Tabelle 2 zeigt die Fluoridkonzentrationsbereiche im Grundwasser verschiedener Länder. Mehrere Faktoren, darunter Gesteinsart, Bodenkonsistenz, Temperatur, pH-Wert des Bodens, die Chelatbildung anderer Elemente, oberflächennahe Grundwasserversickerung, Brunnentiefe sowie die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Wassers, tragen zum Fluoridvorkommen im natürlichen Grundwasser bei ( Shaji et al., 2024 ). Gelangt Fluorid ins Wasser, insbesondere in Trink- oder Bewässerungswasser, dient es als Träger für Fluoride in der menschlichen Nahrungskette, indem es in den Boden und anschließend in die mit diesem Wasser bewässerten Lebensmittel gelangt ( Abb. 2 ).

Tabelle 2. Rahmen für den Eintrag von Fluoriden ins Wasser, die Aufnahme durch Pflanzen und biologische Endpunkte.

Fluoridkonzentration im Wasser (mg/L)	Konzentration im Boden (mg/kg)	Aufnahmekonzentration in Lebensmitteln/essbaren Teilen (mg/kg)	Referenzen
0.3-4.0	110.5	Tomate: 2.38 Zwiebel: 1.89 Gurke: 0.39	(Asgari et al., 2025a)
1.63	2.63	Jowar-Körner: 1.43	(Naik et al., 2017)
-	126	Zwiebel: 43	(De et al., 2021a)
-	883	Maiskörner: 0.3	(Li et al., 2019)
15.1	1572	Salat: 5.76 Kohl: 2.70	(Dagnaw et al., 2017)
36.3	2540.3	Weizenkörner: 2.9	(Li et al., 2017)
32.4	478	Wilde Gurken: 186 Indischer Squish: 113.2 Guarbohne: 68.6	(Kazi et al., 2019)
-	Reisfeldboden: 1.23 Rote-Bohne-Boden: 1.23 Jowar-Boden: 1.21	Reis: 0.79 Rote Gram: 4.26 Jowar: 8.8	(Havale et al., 2022)
4.0	280	Kartoffel: 127	(Devi et al., 2022)
Grenzwert = 1.5	Grenzwert = 200–4000	Grenzwert = 4.0

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Abb. 2. Eintrag von Fluoriden in Wasser und Böden sowie deren Aufnahme und interner Transport in Pflanzen. Fluorid gelangt durch Gesteinsverwitterung (fluoridhaltige Mineralien, siehe Abbildung), Vulkanausbrüche und industrielle/landwirtschaftliche/häusliche Quellen ins Wasser und wird anschließend durch Wasserbewegung und Abtragung von Bodenpartikeln in den Boden transportiert. Im Boden wird das Schicksal von Fluorid durch Adsorption an Tonminerale, Eisen-/Aluminiumoxide und organische Substanz sowie durch Calcium-assoziierte Immobilisierung (CaF₂ _- Fällung) reguliert. Die Aufnahme in die Pflanzen erfolgt über die Wurzeln (passive Diffusion und kanalvermittelter/aktiver Transport) und die Blätter (Penetration durch Stomata und Kutikula), gefolgt von Xylem-Beladung/Translokation und Gewebeablagerung. Der Transport durch die Wurzel wird über apoplastische und symplastische Wege dargestellt, die durch den Caspary-Streifen begrenzt werden. Erstellt mit www.BioRender.com.

4.2. Bodensystem

Der Fluorgehalt im Boden wird mit bis zu 1000 mg/kg angegeben.^-1 (Muthu Prabhu et al., 2023), aber in Gebieten in der Nähe von Phosphatdüngerproduktionsanlagen sind die Werte relativ höher. Fluor in Böden liegt überwiegend in Mineralien vor oder ist an Tone und Oxyhydroxide adsorbiert, nur ein geringer Prozentsatz ist in der Bodenlösung gelöst (Du et al., 2024Die Freisetzung von Fluorid aus dem Boden wird durch seine starke Bindung an Bodenbestandteile eingeschränkt. Verschiedene Faktoren beeinflussen die Fluoridfreisetzung, darunter die chemische Speziation, die Bodenbeschaffenheit und das Klima. Zu den Faktoren, die die Mobilität von Fluorid im Boden bestimmen, gehören der pH-Wert, der Anteil an austauschbarem Natrium, die Tonart und das Vorhandensein von CaCO₃.₃ (Abb. 1B) Übermäßige Fluoridkonzentrationen im Boden können dessen physikalisch-chemische Eigenschaften verändern und dadurch den Nährstoffkreislauf und die mikrobiellen Populationen beeinträchtigen. Obwohl die spezifischen Auswirkungen von Fluorid auf Bodenmikroorganismen im vorliegenden Kontext nicht ausführlich erörtert werden, deuten Forschungsergebnisse zu anderen chemischen Stressfaktoren darauf hin, dass Bodenwirbellosengemeinschaften und die mikrobielle Diversität durch Schadstoffe wie z. B. Fluoride erheblich beeinträchtigt werden können.Pramanik et al., 2025Veränderungen der Bodenmikrobengemeinschaften durch Fluoridbelastung können essenzielle Ökosystemleistungen und die natürliche Minderung von Umweltverschmutzungen beeinträchtigen. Die Folgen der Bodenfluoridbelastung reichen über die unmittelbare Umwelt hinaus und stellen über die Nahrungskette ein Risiko für die menschliche Gesundheit dar. Fluorid kann von Pflanzen aufgenommen werden, die auf kontaminierten Böden wachsen, und so potenziell in die Nahrungskette gelangen und beim Menschen gesundheitliche Probleme verursachen. Während niedrigere Fluoridkonzentrationen (<1.0 mg/l)^-1) sind vorteilhaft für die Zahngesundheit, höhere Konzentrationen (>1.5 mg L^-1) kann zu Zahn- und Skelettfluorose und in extremen Fällen sogar zum Tod führen (Biswas et al., 2017In Böden ist die Fluoridlöslichkeit pH-abhängig, und die Sorption nimmt bei niedrigeren pH-Werten aufgrund der Bildung löslicher Al-Fluorid-Spezies wie (AlF) ab.₂⁺ und (AlF₂)⁺ Bei hohem pH-Wert erzeugen pH-abhängige negative Ladungen auf unterschiedlich geladenen Tonoberflächen (Oxide und Hydroxide von Fe und Al) ein ungünstiges elektrostatisches Potenzial, wodurch die Fluoridretention verringert und die Fluoridkonzentration in der Bodenlösung erhöht wird.Abb. 1B).

Der Anstieg der Fluoridkonzentration in der Bodenlösung lässt sich auf die Verdrängung von adsorbiertem Fluorid zurückführen. Diese wird durch eine erhöhte Konzentration von Hydroxidionen (OH⁻ ⁾ in der Bodenlösung, insbesondere bei höheren pH-Werten, sowie durch den isomorphen Einbau von Hydroxidionen (OH⁻ ⁾ in Tonminerale begünstigt ( Gitari und Mudzielwana, 2018 ). Die Adsorptionskapazität verschiedener Materialien variiert. In Bentonit weist das Al(OH) _₃- Präzipitat eine bemerkenswerte Fluoridadsorptionskapazität auf. Anders als beim Austausch mit den OH⁻ ^- Gruppen im Kristallgitter von Tonmineralen erfolgt die Fluoridadsorption primär durch den Austausch mit OH⁻ ^- Gruppen, die von Al(OH) _₃ und basischen Al-Polymeren stammen, welche an den Mineraloberflächen adsorbiert sind. In kalkhaltigen Böden wird die eingeschränkte Fluoridmobilität auf die Bildung von schwerlöslichem Fluorid (CaF₂ ₎ und Fluoridkomplexen mit Aluminium, Eisen (Fe) und Silicium zurückgeführt. Umgekehrt erhöht ein höherer Gehalt an austauschbarem Natrium in natriumhaltigen Böden die Fluoridlöslichkeit ( Yadav et al., 2018 ). Studien berichten zudem von einer linearen Korrelation zwischen dem Anstieg des wasserlöslichen Fluorids und dem Anstieg des austauschbaren Natriumanteils (ESP) ( Barnwal et al., 2017 ).

Darüber hinaus wird die Bodengesundheit durch Fluorid im Boden beeinträchtigt, indem es den pH-Wert senkt. Dies erhöht die Mobilität von Aluminium und Mangan und damit deren Toxizität im Boden ( Muthu Prabhu et al., 2023 ). Fluoride schädigen auch symbiotische Gemeinschaften, z. B. arbuskuläre Mykorrhizapilze, indem sie die Phosphor- und Zinkaufnahme beeinträchtigen, Komplexe mit Aluminium, Eisen und Calcium bilden und die Bioakkumulation von Cadmium und Blei in der Bodenorganismen verstärken ( Wang et al., 2022a ; Zhao et al., 2025 ). Sie hemmen außerdem Enzymaktivitäten wie Urease und Phosphatase und beeinträchtigen dadurch den Abbau organischer Bodensubstanz ( Waugh, 2019 ). Des Weiteren beeinflussen sie stickstofffixierende und phosphatlösende Bakterien (PSB) und verändern so die mikrobielle Diversität ( Singh et al., 2023b ). Darüber hinaus verdrängen Fluoride essentielle Bodennährstoffe wie Ca ²⁺ , Mg ²⁺ und K ⁺ , schädigen die Bodenstruktur, verringern die Wasserinfiltration und die Wasserspeicherkapazität (WHC), verändern das Redoxpotential und beeinflussen den Fe- und Mn-Kreislauf sowie die Nährstoffverfügbarkeit ( Asgari et al., 2025b , Bhat et al., 2015 ) ( Abb. 3 ).

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Abb. 3. Konzeptuelle Zusammenfassung der Auswirkungen von Fluorid auf Bodengesundheit, Nährstoffkreislauf und Biodiversität. Die Abbildung veranschaulicht die mit erhöhten Fluoridkonzentrationen verbundenen chemischen und biologischen Störungen im Boden. Dazu gehören die Bodenversauerung mit reduzierter N-, P- und K-Verfügbarkeit, erhöhte Verfügbarkeit toxischer Metalle, Komplexbildung mit Al/Fe/Ca sowie eine gestörte Kationenaustauschkapazität (KAK) durch Konkurrenz mit wichtigen Anionen und Verdrängung von Basenkationen (Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺). Zu den dargestellten biologischen Effekten zählen eine reduzierte Symbiose (z. B. mit arbuskulären Mykorrhizapilzen), eine beeinträchtigte P- und Zn-Aufnahme, Bodentoxizität für die Bodenorganismen, eine reduzierte Zersetzung/Humifizierung organischer Substanz mit Hemmung wichtiger Enzyme ⁽ z ^. B. ^Urease , Phosphatase, Cellulase) und veränderte mikrobielle Gemeinschaften (einschließlich Auswirkungen auf stickstofffixierende Bakterien und pflanzenwachstumsfördernde Bakterien). Zu den dargestellten physikalischen Folgen gehören Aggregatverlust/Verdichtung, reduzierte Infiltration und reduzierte Wasserspeicherkapazität sowie ein verändertes Redoxpotenzial, das den Fe/Mn-Kreislauf beeinflusst. AMF: arbuskuläre Mykorrhizapilze, WHC: Wasserspeicherkapazität, PSB: Phosphat-lösende Bakterien, SOM: organische Bodensubstanz, CEC: Kationenaustauschkapazität. Erstellt mit www.BioRender.com.

5. Faktoren, die den Fluorideintritt in das Boden-Pflanzen-System beeinflussen

Die Konzentration von Fluoriden im Wasser, Boden und Pflanzensystem wird durch das Zusammenspiel von Bodeneigenschaften und verschiedenen Umweltfaktoren bestimmt. Zu diesen Faktoren zählen geochemische Eigenschaften des Bodens und der Tonminerale, pH-Wert und Salzgehalt der Bodenlösung, Klima, Beweidung und landwirtschaftliche Nutzung. Trockene Gebiete, Böden mit hohem Tongehalt und salz-alkalische Böden begünstigen die Fluoridakkumulation. In sauren Böden ist die Fluoridlöslichkeit aufgrund der Bildung von Komplexen (z. B. AlF ^²⁺ , AlF ^²⁺ und AlF _₃) und der Anwesenheit von Salzen wie Natrium-, Kalium- und Zinkfluorid (NaF, KF und ZnF_₂) erhöht. Daher steht Fluorid in diesen Böden nicht über längere Zeiträume zur Verfügung ( Harrison, 2005 ). Andererseits spielen fluorhaltige Mineralien (z. B. CaF₂, MgF₂ und KMg₃AlSi₃O₁₀F₂) in neutralen oder alkalischen Böden _{eine entscheidende} Rolle _, insbesondere _{unter alkalischen} Bedingungen , da sie die Fluoridanreicherung im Boden fördern ( Gago et al., 2012 ₎ . In natriumhaltigen Böden begünstigt ein höherer Gehalt an austauschbarem Natrium die Fluoridlösung ( Dehbandi et al., 2017b ) . Wang et al. (2022b) berichteten, dass der Reisanbau in salz-alkalischen Böden den Gehalt an wasserlöslichem und austauschbarem Fluorid verringerte, während der Gehalt an organisch gebundenem Fluorid anstieg. Dadurch wurde die Bioverfügbarkeit von Fluorid im Boden und das Risiko der Fluoridmigration ins Grundwasser reduziert.

Die Verteilung von Fluorid im Bodenprofil wird durch pH-Wert-Änderungen und den Tongehalt beeinflusst ( El-Said et al., 2016 ). Studien zufolge ist die Fluoridsorption im Boden bei pH 6.0 maximal und sinkt bei pH-Werten, die eine Einheit höher oder niedriger liegen, rapide (um den Faktor 2.0) ( Wehr et al., 2022 ). Dieses Phänomen erklärt das Löslichkeitsmuster von natürlichem Fluorapatit bei verschiedenen pH-Werten. Laut Barrow und Ellis (2006) sollte bei niedrigem pH-Wert aufgrund der Bildung von Al-Fluorid-Komplexen nur wenig freies Fluoridion in der Bodenlösung vorliegen. Ein zunehmend ungünstiges elektrostatisches Potenzial bei hohem pH-Wert verringert die Fluoridionenretention im Boden und erhöht deren Konzentration in der Bodenlösung. Laut Larsen und Widdowson (2006) ^{wird dies auch durch die erhöhte OH⁻ -} Konzentration in der Bodenlösung bei höherem pH-Wert verursacht, welche adsorbierte Fluoridionen verdrängt. Feinkörnige Böden, insbesondere solche mit einem hohen Tonanteil, speichern Fluorid besser als sandige Böden ( Pickering, 1985 ). Die Unterschiede im Fluoridgehalt zwischen verschiedenen Korngrößen in Bodenaggregaten beruhen auf dem Austausch von OH⁻ ^- Gruppen durch Fluoridionen innerhalb der Tonpartikel, wodurch ein günstiges Milieu für die Fluoridanreicherung geschaffen wird ( Nabbou et al., 2018 ).

Die Fluoridaufnahme durch Pflanzen hängt vom pH-Wert des Bodens, dem Gehalt an organischer Substanz, Calcium und Phosphor ab ( Cronin et al., 2000 ). Studien zur Fluorid-Bioverfügbarkeit in landwirtschaftlichen Ökosystemen wurden hauptsächlich in Teeanbaugebieten durchgeführt ( Shu et al., 2003 ). Teepflanzen nehmen Fluorid aus dem Boden auf, das sich vorwiegend in den Blättern anreichert ( Wang et al., 2021 ). Teepflanzen sind als Aluminium-Hyperakkumulatoren bekannt, und die Anwesenheit von Aluminium erhöht die Fluoridaufnahme durch Teepflanzen deutlich ( Peng et al., 2021 ). Diese Aufnahme kann durch Depolarisation des Membranpotenzials reguliert werden. Die exogene Zugabe von Calcium und anderen Bodenverbesserungsmitteln (Holzkohle oder Bambuskohle) senkt die Fluoridkonzentration in Teeblättern signifikant. Dies geschieht durch die Reduzierung des verfügbaren Fluorids im Boden, durch die Bindung von Fluorid in den Wurzeln als F-Ca-Komplexe oder durch die Beeinflussung der Eigenschaften der Blattzellwand und der Membranpermeabilität ( Ruan et al., 2004 ). Mackowiak et al. (2003) _{berichteten, dass die Gabe von Fluorid in Form von AlF₃} an Pflanzen in Nährlösung zu einem stärkeren Anstieg der Fluoridkonzentrationen in Wurzeln und neuen Trieben führte als die Behandlung mit NaF. He et al. (2021) ^{stellten fest ,} dass der Fluoridgehalt von Testgemüse in Gebieten mit hoher Fluoridbelastung den nationalen Grenzwert (1.0 mg kg⁻¹) überschritt ^. Der Fluoridgehalt im Gemüse korrelierte positiv mit dem Gehalt an wasserlöslichem Fluorid im Boden ( Dagnaw et al., 2017 ). Fluorid aus dem Boden wird durch die Drainage von Reisfeldern in Oberflächengewässer transportiert ( Gago et al., 2012 ).

6. Auswirkungen der Fluoridbelastung

Die Fluoridbelastung hat weitreichende Auswirkungen. Emissionen aus der Industrie tragen zur Luftverschmutzung bei, während Ablagerungen fluorhaltiger Mineralien im Grundwasser unter anderem Böden, Pflanzen, Nutzpflanzen, Gemüse und Süßwasserkörper schädigen.

6.1. Pflanzen

Pflanzen werden hauptsächlich durch die Fluoridkonzentration beeinträchtigt, wenn sie mit kontaminiertem Bewässerungsgrundwasser versorgt werden. Die Fluoridverteilung im Pflanzengewebe ist so, dass das Blatt niedrigere Fluoridkonzentrationen aufweist als der Stängel und die Wurzeln (Abb. 4Es gibt keine Beweise dafür, dass Fluorid für das Pflanzenwachstum notwendig ist; vielmehr ist es giftig für Pflanzen, und übermäßige Fluoridkonzentrationen führen zu körperlichen Störungen (Scholz et al., 2015Eine Erhöhung der Fluoridkonzentration im Bewässerungswasser reduziert die Pflanzenbiomasse, was darauf hindeutet, dass Fluoridbelastung das Pflanzenwachstum und den Ertrag durch Beeinträchtigung der Samenkeimung sowie physiologischer und metabolischer Prozesse hemmt. Die Fluoridakkumulation in Chloroplasten hemmt die Hill-Reaktion und erhöht die Chlorophyllasekonzentration, welche Chlorophyllpigmente abbaut. Dieser Effekt wird durch den Verschluss der Stomata verstärkt und die Glukosesynthese eingeschränkt.Kaminski et al., 2024Im Pflanzenstoffwechsel wirkt Fluorid als kompetitiver Inhibitor von Mg-abhängigen Enzymen, Enolase und Pyruvatkinase, und stört dadurch die Glykolyse und den Tricarbonsäurezyklus (Singh et al., 2023cDieses Energiedefizit führt zusammen mit gehemmten ATPasen zum Stopp des Nährstofftransports und der Proteinsynthese (Wuet al., 2025Folglich führen reduzierte Kohlenstoffgerüste und eine geringere ATP-Verfügbarkeit zu einem Rückgang der Biomasse, was wiederum zu Wachstumsstörungen und deutlich niedrigeren Ernteerträgen führt (Mondal, 2017Eine geringere Fluoridbelastung hatte keinen Einfluss auf das Pflanzenwachstum, während höhere Konzentrationen es hemmten (Álvarez-Ayuso et al., 2011Die ersten Anzeichen einer Fluoridschädigung bei Pflanzen sind Rand- und Spitzennekrosen. Mondal (2017) Es wurde über eine Verringerung der Samenkeimung um bis zu 19 % nach Anwendung von 20 mg/l berichtet.^-1 Fluorid im Bewässerungswasser. Fina et al. (2016) Sie berichteten von einer Abnahme der Wurzellänge und des Vitalitätsindex um 57 % bzw. 73 % nach der Anwendung von 8.0 ppm Fluorid. Ähnliche Ergebnisse wurden von … berichtet. Bustingorri und Lavado (2014), der einen Rückgang der Sojabohnenbiomasse um bis zu 68 % und einen Ertragsrückgang um 30 % feststellte. Banerjee und Roychoudhury (2021) Es wurde über einen Ertragsrückgang von 14.4 % bei Reis aufgrund von Fluoridbelastung berichtet, was auf deren negative Auswirkungen auf die Produktivität der Kulturpflanze hinweist. Darüber hinaus verringert Fluoridbelastung die Nährstoffverfügbarkeit und verursacht Ungleichgewichte durch die Bildung von unlöslichem Calciumfluorid (CaF₂).₂ und Verdrängung von PO₄^3-, wodurch die Aufnahme von Ca, Mg und P eingeschränkt wird (Chen et al., 2024Biochemisch gesehen erhöht es die Anzahl reaktiver Sauerstoffspezies (z. B. H₂O).₂O₂ und O_2^-) und hemmt antioxidative Enzyme, darunter Superoxiddismutase, Katalase und Peroxidase (Ghosh et al., 2013Es stört den Kohlenstoff- und Stickstoffstoffwechsel. Ghiloufi et al. (2024) Es wurde über einen um 6 % gesunkenen pH-Wert des Bodens, eine Reduzierung des Gesamtstickstoffs (N) um 54 % und eine Reduzierung des Kalziumgehalts um 35 % berichtet.²⁺. Chahine et al. (2022) berichteten Abnahmen der Dehydrogenase, B-Glucosidase-, Urease- und Phosphomonoesterase-Aktivitäten sowie eine Reduktion des Ca-Gehalts um 33.7 % bzw. 41.6 %.²⁺ und Mg²⁺ Konzentrationen. Darüber hinaus verursacht Fluoridbelastung eine Verschiebung der Bodenmikroben durch die Unterdrückung wichtiger Enzymfunktionen wie Urease, Phosphatase und nützlicher Bakterien, z. B. stickstofffixierender Bakterien (Szostek, 2015Dies stört den Nährstoffkreislauf, verringert die Verfügbarkeit essentieller Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphor für Nutzpflanzen und führt zu einem Rückgang des Pflanzenwachstums, der Photosynthese und der Erträge (Choubisa et al., 2023Dieses Risiko breitet sich in der Nahrungskette aus, wenn in solchen kontaminierten Böden angebaute Nutzpflanzen Fluorid in ihrem essbaren Gewebe anreichern (Rizzu et al., 2020Wenn Menschen und Tiere diese Nutzpflanzen oder verwandte Produkte (z. B. Getreide, Gewebe) verzehren, sind sie erhöhten Fluoridkonzentrationen ausgesetzt, was zu chronischen Gesundheitsproblemen wie Zahn- und Skelettfluorose führt (Kabir et al., 2020).

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Abb. 4. Integrierte Pflanzenreaktionen auf Fluoridstress: physiologische Schädigung, oxidativer Stress, Nährstoffungleichgewicht und eingeschränktes Wurzelwachstum. Fluoridbelastung führt zu reduzierter Chlorophyllsynthese und Photosynthese, was Chlorose und oxidativen Stress (ROS-Akkumulation), veränderte antioxidative Abwehrmechanismen (SOD, CAT, POD) und Auswirkungen auf den Kohlenstoffstoffwechsel zur Folge hat. Zu den dargestellten Nährstoffeffekten im Boden-Pflanzen-System gehören die Bildung relativ unlöslicher Ca/Mg-F-Komplexe und eine reduzierte Verfügbarkeit von PO₄³⁻ _{^, die} beide zu einem Nährstoffungleichgewicht beitragen. Auswirkungen auf Wurzelebene umfassen eine reduzierte Nährstoffaufnahme, gehemmte mitotische Aktivität, reduziertes Primärwurzelwachstum und eingeschränkte Seitenwurzelentwicklung. ROS: reaktive Sauerstoffspezies; SOD: Superoxiddismutase; CAT: Katalase; POD: Peroxidase. Erstellt mit www.BioRender.com.

6.2. Menschliche Gesundheit

Die Fluoridbelastung von Böden, Pflanzen und Gewässern birgt erhebliche Gesundheitsrisiken für Mensch, Tier und Pflanze. Beim Menschen führt übermäßige Fluoridaufnahme zu Zahnfluorose, die Zahnschmelzverfärbungen und -brüchigkeit verursacht, während Skelettfluorose Gelenkschmerzen, -steifheit und Knochenverformungen zur Folge hat ( Wu et al., 2022 ). Neurologische Störungen, darunter kognitive Beeinträchtigungen und ein niedrigerer IQ, werden aufgrund der neurotoxischen Wirkung von Fluorid ebenfalls mit dieser Belastung in Verbindung gebracht ( Miranda et al., 2021 ). Darüber hinaus stört Fluorid das endokrine System, indem es die Schilddrüsenfunktion beeinträchtigt und so zu Hypothyreose und Stoffwechselstörungen führt. Gleichzeitig wird der Glukosestoffwechsel beeinträchtigt und das Risiko für Diabetes mellitus erhöht. Längere Exposition kann Nieren- und Leberschäden verursachen, die Organfunktion mindern und oxidativen Stress auslösen ( Tiwari et al., 2023 ). Herz-Kreislauf-Erkrankungen wie Bluthochdruck, Arterienversteifung und Arteriosklerose entstehen durch fluoridbedingte Gefäßverkalkung. Auch die reproduktive Gesundheit ist betroffen: Fluorid verringert die Spermienqualität bei Männern, beeinträchtigt die Eierstockfunktion bei Frauen und erhöht das Risiko von Fehlgeburten und niedrigem Geburtsgewicht ( Su et al., 2021 ).

Obwohl die Vorteile fluoridhaltiger Zahnpflegeprodukte bekannt sind, reichen die Belege für positive Effekte durch systemische Aufnahme derzeit nicht aus ( Duffin et al., 2022 ). Übermäßige Fluoridkonzentrationen können erhebliche negative Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit haben ( Abb. 5 ). Hinsichtlich der akuten Toxizität ist Fluorid etwas weniger toxisch als Arsen, aber toxischer als Blei. Höhere Fluoridkonzentrationen können zu schweren Vergiftungen mit Todesfolge führen. Fluorid verursacht zahlreiche Erkrankungen, darunter Zahnerkrankungen und Krebs. Konzentrationen über 1.5 mg/l ^führen zu Zahnfleckenbildung und damit verbundenen Zahnschäden durch Schmelzaufweichung, während Konzentrationen über 4.0 mg/ ^{l schwere} Zahnschäden (insbesondere an den Milchzähnen und bleibenden Zähnen von Säuglingen) sowie Schmelzaufweichung verursachen, insbesondere bei kontinuierlicher Verwendung von kontaminiertem Wasser ( Odiyo und Makungo, 2011 ). Skelettfluorose, gekennzeichnet durch Fluoridablagerungen in den Knochen, führt zu Deformitäten, Gelenkschmerzen und -steifigkeit, wobei der Schweregrad individuell variiert ( Duvva et al., 2022 ). Die vielfältigen toxischen Wirkungen betreffen verschiedene Organsysteme – Leber, Nieren, Herz und Lunge – und ziehen ein komplexes Spektrum physiologischer Folgen nach sich ( Dharmaratne, 2015 ; Shanmugam et al., 2016 ). Auch neurotoxische Effekte, Muskelschwund sowie Probleme des Magen-Darm-Trakts und des Fortpflanzungssystems werden mit erhöhten Fluoridwerten in Verbindung gebracht, was auf systemische gesundheitliche Konsequenzen hindeutet ( Guth et al., 2020 ; Zwierello et al., 2023 ).

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Abb. 5. Wichtigste systemische Folgen übermäßiger Fluoridbelastung beim Menschen (schematische Übersicht). Die Abbildung fasst die wichtigsten Endpunkte zusammen, die häufig bei chronischer hoher Fluoridbelastung beobachtet werden, darunter Zahnfluorose, Skelettfluorose/Fluorose mit Behinderung, gastrointestinale Toxizität, Nierenfunktionsstörungen (Nierensteine), Reproduktionstoxizität und Neurotoxizität/neurokognitive Beeinträchtigungen (dargestellt durch neuronale Degeneration und niedrigeren IQ bei Kindern). Erstellt mit www.BioRender.com.

7. Präventions- und Abhilfemaßnahmen zur Bekämpfung der Fluoridbelastung im Wasser-Boden-Pflanzen-System

7.1. Physikalisch-chemische Methoden

7.2. Bioremediationstechniken

Bioremediationstechniken umfassen den strategischen Einsatz von Mikroben und Pflanzen zur Schadstoffentfernung durch Phytosanierung, Phytoextraktion, Phytostabilisierung, Rhizofiltration und Mykorrhiza-gestützte Sanierung (Abb. 6, Tabelle 3Bioremediationstechnologien zielen darauf ab, die Bioverfügbarkeit von Fluoriden für Pflanzen und Menschen zu reduzieren. In Pflanzen reichern sich Fluoride in nicht essbaren Teilen, hauptsächlich Wurzeln und Blättern, an. Dadurch wird ihre Aufnahme und Verlagerung in essbare Teile wie Getreide und deren anschließender Transport in den menschlichen Körper verhindert.

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Abb. 6. Bioremediationswege zur Reduzierung der Fluoridmobilität und -bioverfügbarkeit in kontaminierten Systemen. Schematische Darstellung der biologisch vermittelten Sanierung: (i) Mikroremediation durch pflanzenwachstumsfördernde Bakterien und phosphorlösliche Aktivität, die die biologische Fällung und Immobilisierung (z. B. CaF₂- und Ca-Phosphat-F-Mineralbildung) ermöglicht _; (ii) Phytosanierungsprozesse in der Rhizosphäre/Wurzelzone zur Abfangung und Stabilisierung von Fluorid; (iii) zelluläre Bioakkumulation/Sequestrierung über Membrankanäle und enzymvermittelte Stabilisierung/Biotransformation zu weniger toxischen Produkten. PGPR: pflanzenwachstumsfördernde Rhizobakterien; PSB: phosphatlösliche Bakterien; MOFs: metallorganische Gerüstverbindungen.

7.2.1. Phytoremediation

Phytosanierung nutzt Phytostabilisierung, Phytoextraktion und Rhizofiltration zur Sanierung fluoridbelasteter Böden. Bei der Phytoextraktion werden Fluoride von Pflanzenwurzeln aufgenommen und zur Ernte in andere Organe transportiert. Dies führt zu hochangereicherten Pflanzen mit hoher Biomasse und schnellem Wachstum, die für die ökologische Sanierung von entscheidender Bedeutung sind.Biswas et al., 2018Bestimmte Pflanzen, wie zum Beispiel Mesquite (Prosopis juliflora L.), Tee (Camellia japonica L.), Tobira (Pittosporum tobira L.) Thunb. und Zuckerrohr (Saccharum officinarum L.), weisen unterschiedliche Kapazitäten zur Anreicherung und Entfernung von Fluorid durch verschiedene Genexpressionsmechanismen auf (Santos-Díaz und Zamora-Pedraza, 2010Superangereicherte Pflanzen mit Biokonzentrations-, Translokations- und Anreicherungsfaktoren größer als 1.0 spielen in diesem Prozess eine zentrale Rolle (Gamalero und Glick, 2024). Vaz et al. (2023) berichteten, dass tropische Wasserlinsen (Eichhornia crassipes L.) wurde zur Fluoridentfernung eingesetzt und erreichte eine Wirksamkeit von 60 % im Boden. Zusätzlich wurde Sorghum (Sorghum zweifarbig L.) Pflanzen zeigen Resistenz gegenüber Fluoridbelastung, Gossypium und Saccharum officinarum Sie zeigen eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Fluoridtoxizität, insbesondere in tonreichen Schwarzerdeböden. Zuckerrohr nutzt einen Entgiftungsprozess unter Beteiligung von Calcium, um Fluoridbelastungen abzubauen (Weerasooriyagedara et al., 2020). Khandare et al. (2021) Es wurde berichtet, dass durch afrikanische Pfeilwurz bis zu 95 % der Fluoride aus dem Wasser entfernt werden können (Canna Indica L.) aufgrund der Hyperakkumulation von Fluorid in den Pflanzenwurzeln. Giriet al. (2024) ebenfalls wurde eine höhere Fluoridakkumulation (1.23 mg gm) berichtet.^-1) in seinen Wurzeln (Abb. 6).

7.2.2. Mikrobielle Sanierung

Die mikrobielle Sanierung ist eine weitere effektive Methode zur Minderung der Fluoridtoxizität im Boden mithilfe ökologisch effizienter Mikroorganismen, darunter Bakterien, Pilze und Algenbiomasse. Sie baut Fluoride in einfachere Bestandteile für Stoffwechselvorgänge wie Energieproduktion und Fortpflanzung ab.Isingoma et al., 2025Zu den Prozessen der mikrobiellen Sanierung gehören natürliche Abbauprozesse, Biostimulation und Bioaugmentation (Periasamy und Gopi, 2023bEine Vielzahl von Mikroorganismen kann zur Fluoridentfernung aus Böden eingesetzt werden, z. B. Staphylococcus lentus kann die Fluoridkonzentrationen um bis zu 3.2 mg/g reduzieren.^-1 (Mukherjee und Singh, 2018a). Acinetobacter sp. H12 kann die Fluoridkonzentration im Boden um bis zu 75 % reduzieren (Wuet al., 2021Wichtig ist, dass diese Mikroben sich als wirksam erweisen, ohne toxische Effekte hervorzurufen, insbesondere bei Fluoridexposition (Kumaret al., 2021). Banerjee und Roychoudhury (2023) benutzt Acinetobacter indicus bis zu 68% Fluorid entfernen. Bacillus megaterium, bekannt für seine robuste Toleranz gegenüber erhöhten Fluoridkonzentrationen, kann bis zu 70 % der Fluoride aus dem Boden entfernen (Pal et al., 2022In ähnlicher Weise gibt es verschiedene Pilzarten, darunter Trichoderma longibrachiatum, P. Ostreatus und Rhizopus arrhizusSie weisen aufgrund ihrer auf Alginat basierenden Zellwände, die saure funktionelle Gruppen enthalten, unterschiedliche Kapazitäten für Fluorid auf (Kavisri et al., 2023Insbesondere Algenarten wie Hochebene sp. weisen beträchtliche Fluoridadsorptionsraten (bis zu 85.9 %) auf, was ihre Wirksamkeit bei der Minderung der Fluoridbelastung unterstreicht (Mohamed et al., 2020), was die Wirksamkeit des Einsatzes verschiedener mikrobieller Arten bei der Fluoridbeseitigung unterstreicht.

7.2.3. Biomaterialien

Organische Bodenverbesserungsmittel wie Biokohle, Kompost, Wurmkompost und organische Säuren weisen eine große Oberfläche auf und verbessern die Adsorption von Fluoridionen ( Sadhu et al., 2021 ). Kompost erhöht den Gehalt an organischer Substanz im Boden (SOM) und die mikrobielle Aktivität, was die Fluoridadsorption durch Pflanzenaufnahme fördert und Fluorid entgiftet, wodurch die Phytosanierung unterstützt wird ( Saghi et al., 2022 ). Organische Säuren wie Huminsäure chelatieren Fluorid und beeinflussen dessen Mobilität und Stabilisierung im Boden. Auch Wurmkompost steigert die mikrobielle Aktivität und verbessert die Bodenstruktur, wodurch die Fluoridadsorption erhöht und Fluorid durch mikrobielle Umwandlung in weniger schädliche Formen umgewandelt wird. So konnte beispielsweise der Fluoridgehalt im Boden durch Wurmkompost um bis zu 16.4 mg kg⁻¹ gesenkt werden ⁽ Maitra et ^al ., 2016 ).

7.2.4. Integrierte Ansätze

Die Integration physikalisch-chemischer und biologischer Verfahren zur Fluoridbeseitigung kann zu günstigeren und nachhaltigeren Ergebnissen bei der Bodensanierung führen. Makete et al. (2022) Die Wirksamkeit integrierter Phytosanierungs- und chemischer Behandlungsstrategien zur Reduzierung der Fluoridbelastung im Boden wurde untersucht, wobei eine deutliche Verbesserung gegenüber einer alleinigen Behandlungsmethode festgestellt wurde. Die Aufnahmeeffizienz (67.7 %) und der Biomassegehalt (57.03 %) betrugen in Prosopis juliflora wurden nach der Behandlung mit verbessert P. fluoreszenz Bakterium (Chaudhary et al., 2019). Brachiaria distachya Die Pflanze wies Hyperakkumulatoreigenschaften auf und akkumulierte 779.9 g/kg.^-1 von Fluorid, weiter verbessert durch das Vorhandensein von Bacillus cerus und P. vermicola Mikroben (Periasamy und Gopi, 2023bDie Behandlung mit Wurmkompost und Kompost erwies sich als wirksam bei der Entfernung organischer und anorganischer Schadstoffe, der Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit und der Hemmung des Fluoridtransports zu den Pflanzen (Periasamy und Gopi, 2023a). Maitra et al. (2016) Die Entfernung von Fluoridtoxizität wurde durch kombinierte Behandlungen mit Wurmkompost, Kompost und Bakterienkonsortien untersucht. Die Wiederverwertung von landwirtschaftlichen Abfällen erfolgte durch organisches Mulchen (Romar-Gasalla et al., 2017), und die Anwendung von Biokohle erwies sich auch bei der Minderung der Fluoridbelastung als wirksam (Yi et al., 2026bEs bestehen jedoch Bedenken hinsichtlich der negativen Auswirkungen einer übermäßigen Zugabe von Biokohle auf Regenwürmer durch physikalische Schäden, Austrocknung, oxidativen Stress, Beeinträchtigung der Fortpflanzung und erhöhte Sterblichkeitsraten (Cui et al., 2023, Elliston und Oliver, 2020Die Verwendung von Zwischenfruchtmist erwies sich als kostengünstige Lösung zur Bekämpfung der Fluoridbelastung, da er das Nährstoffmanagement und die mikrobielle Aktivität im Boden förderte, wobei Leguminosen-Gründüngung eine höhere Wirksamkeit aufwies (Periasamy und Gopi, 2023b).

8. Neuere Ansätze zur Fluoridsanierung

Neuere Ansätze zur Sanierung von Fluoriden aus Böden umfassen Nanotechnologie, Biokohle, Gentechnik von Pflanzen und Mikroorganismen, Schichtdoppelhydroxide, metallorganische Gerüstverbindungen, elektrochemische Verfahren, künstliche Feuchtgebiete und Algenbiosorption. Nanotechnologiebasierte Sanierungsverfahren nutzen Nanomaterialien mit einem höheren Oberflächen-Volumen-Verhältnis und erhöhter Reaktivität, wodurch sie sich besonders für die Umweltsanierung eignen ( Guerra et al., 2018 ). Beispielsweise zeigte aminofunktionalisierter Kohlenstoff (NH₂C ₎ , hergestellt durch elektrische Entladung von Nichtgleichgewichtsplasma, eine bemerkenswerte Fluoridadsorptionskapazität von ca. 121.1 mg g⁻¹ ^{, die um ein Vielfaches höher ist als bisher berichtete Werte. Durch die simultane Karbonisierung und Aminierung wurden zahlreiche Aminogruppen in das Kohlenstoffgerüst eingeführt, was} die Adsorptionseffizienz deutlich erhöhte ( Tipplook et al., 2024 ). Auch Biokohle hat vielversprechende Ergebnisse bei der Fluoridentfernung aus Böden gezeigt. Ihre Wirksamkeit hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter die Methoden zur Herstellung der Biokohle, die Pyrolysetemperatur und etwaige Modifikationen.

Metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) werden ebenfalls für ähnliche Zwecke eingesetzt, ihre Anwendung in der Bodensanierung ist jedoch weniger erforscht. Bei der Elektrokoagulation werden Aluminium- oder Eisenelektroden verwendet, um Koagulationsmittel in situ zu erzeugen , die Fluorid anschließend durch Mechanismen wie Adsorption und Fällung entfernen ( Mousazadeh et al., 2021 ). Auch die kapazitive Deionisierung (CDI) wird zur Fluoridentfernung aus Böden eingesetzt. Darüber hinaus bieten mikrobielle und pflanzengenetische Verfahren vielversprechende Lösungen für die Fluoridbelastung von Böden. Diese Techniken verbessern die natürlichen Fähigkeiten von Organismen, Fluorid anzureichern, umzuwandeln, abzubauen oder zu verflüchtigen, wodurch die Bioremediation effizienter und effektiver wird. Im Bereich der mikrobiellen Gentechnik konzentrieren sich Forscher auf die Verbesserung bakterieller Mechanismen der Fluoridresistenz. So wurden beispielsweise Studien durchgeführt, die die Modifizierung von Genen untersuchten, die für Effluxpumpen, intrazelluläre Sequestrierung und Fluorid-Riboschalter verantwortlich sind, um die bakterielle Toleranz und Entfernungskapazität zu verbessern ( Singh et al., 2023a ). Obwohl in diesem Zusammenhang keine spezifischen Daten zur Fluoridentfernungseffizienz gentechnisch veränderter Mikroorganismen vorliegen, besteht Potenzial für signifikante Verbesserungen. Auch die Pflanzengenetik hat sich in der Fluorid-Bioremediation als vielversprechend erwiesen. Genomeditierungs- und Manipulationstechniken können die Interaktionen zwischen Pflanzen und Mikroorganismen zur Fluoridentfernung verbessern ( Katiyar et al., 2020 ; Singh et al., 2023a ). Diese Modifikationen könnten den Bioakkumulations-, Anreicherungs- und Translokationsfaktor in Pflanzen erhöhen und somit deren Fluoridaufnahme- und -transportkapazität verbessern. Die Kombination gentechnisch veränderter Pflanzen und Mikroorganismen könnte zu effektiveren Strategien zur Fluoridentfernung führen. Beispielsweise könnte die Stärkung der Symbiose zwischen Pflanzen und fluoridresistenten PGPR-Stämmen die Gesamteffizienz der Sanierung verbessern ( Gupta et al., 2024 ; Singh et al., 2023a ).

9. Fazit

Das Fluoridrisiko in Agrarökosystemen wird nicht durch die Gesamtmenge an Fluorid im Boden bestimmt, sondern durch den von Pflanzen aufgenommenen Anteil, der von pH-Wert, Alkalinität und Sorptionsdynamik beeinflusst wird. Dennoch weist die Forschung weiterhin gravierende Einschränkungen auf: Die meisten Studien erfassen lediglich den Gesamtfluoridgehalt, was die Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Standorten verhindert und die wichtigsten Expositionswege verschleiert. Zudem sind Sanierungsbewertungen überwiegend kurzfristig und laborbasiert, wobei die Langzeitwirkung unter Feldbedingungen oder unbeabsichtigte Folgen für die Bodenfruchtbarkeit und die Bodenmikrobiota kaum berücksichtigt werden. Die Umsetzung von Erkenntnissen in die Praxis erfordert einen Wandel von der beschreibenden Überwachung hin zu mechanismenbasierten Interventionen. Zu den Prioritäten gehören die Einführung standardisierter Messgrößen für den Fluoridanteil, die Durchführung mehrjähriger Feldversuche, die sowohl die Wirksamkeit als auch die agronomischen Nachteile bewerten, und die Integration der Quellenkontrolle mit gezielten Immobilisierungsstrategien. Ohne solche systematischen, feldvalidierten Ansätze werden selbst robuste Laborergebnisse keine skalierbaren, nachhaltigen Lösungen zum Schutz der Bodengesundheit, der Ernteerträge und der Ernährungssicherheit in fluoridbelasteten Regionen liefern.

CRediT-Autorenbeitragserklärung

Zia Ur Rahman Farooqi: Verfassen des Originalentwurfs, Methodik, Formale Analyse, Datenaufbereitung, Konzeptualisierung. Abdul Karim: Überarbeitung und Redaktion, Visualisierung, Methodik, Untersuchung, Konzeptualisierung. Ayesha Abdul Qadir: Überarbeitung und Redaktion, Visualisierung, Software, Methodik, Formale Analyse. Ayesha Sonia: Überarbeitung und Redaktion, Visualisierung, Validierung, Software, Untersuchung, Datenaufbereitung. Waqas Mohy-Ud-Din: Überarbeitung und Redaktion, Visualisierung, Validierung, Methodik, Formale Analyse. Enos Wamalwa Wambu: Überarbeitung und Redaktion, Visualisierung, Validierung, Software, Untersuchung, Formale Analyse. Qasim Ali: Überarbeitung und Redaktion, Visualisierung, Validierung, Software, Methodik. Fasih Ullah Haider: Überarbeitung und Redaktion, Visualisierung, Methodik, Untersuchung, Datenaufbereitung. Mayank Anand Gururani: Schreiben – Überarbeitung und Redaktion, Visualisierung, Validierung, Untersuchung, Formale Analyse. Usman Zulfiqar: Schreiben – Überarbeitung und Redaktion, Visualisierung, Validierung, Software, Methodik, Untersuchung.

Förderung

Diese Arbeit wurde durch die UAE University Grants UPAR [ 12S114 ] und AUA [ 12R172 ] unterstützt, die an Mayank Anand Gururani vergeben wurden.