Heavy metal contamination in urban agriculture and human health risk in Yaoundé, Cameroon

Abstract

Heavy metals are ubiquitous in the environment. The sources of heavy metals are both natural and anthropogenic activities. Urban growth, coupled with increasing demand for vegetables, has led to the utilization of lowlands for agricultural production in Cameroon and beyond that increased the level of heavy metals in environmental media. This study assessed the seasonal characteristics of heavy metals in foods and their potential health risks in the main areas of urban agriculture in Yaoundé, Cameroon. A cross-sectional survey of 130 vegetable producers in six lowland areas was conducted to gather insightful information about their farming practices. Heavy metals (i.e., Cr, Cu, Zn, Ni, Cd, and Pb) contamination in irrigation water, soil, and vegetables was investigated in four cultivated lowland areas in and around Yaoundé during the dry and wet seasons. The degree of contamination of the vegetable, using the leafy vegetable <em>Solanum nigrum</em> as a model species, was evaluated using the crop pollution index (Pi), and the bioaccumulation potential of metals was calculated using the bioaccumulation factor (BAF). The potential human health risk was assessed using the hazard quotient (HQ), hazard index (HI), and target cancer risk (TCR). The study found that the farming practices, specifically the use of pesticides and both organic and mineral fertilizers, were similar in all study areas. Except for the Mokolo area, all farmers utilized surface and groundwater for crop irrigation. Although the heavy metals concentration in the irrigation water was higher in the dry than wet season, all six heavy metals were found at levels below the WHO/FAO recommended limits, suggesting that the water was safe for crop irrigation. The soil analyses revealed that Cr concentration exceeded the permissible limit, while the Ni concentration was within the WHO/FAO limit in both seasons in all study areas. Cu, Zn, and Pb in agricultural soils were below the thresholds except for the Mokolo area. Contamination by heavy metals in plant and soil samples was higher than in irrigation water and was higher in plants than in soil samples. Most of the studied heavy metals exceeded the FAO/WHO thresholds in all study areas. Cd had the highest Pi, and Zn the highest BAF in both seasons and all studied areas. The HQ of Cd, Cr, and Cu for all areas, as well as Zn for Mokolo was >1, suggesting the probability of adverse effects. The HI >10 for most areas indicates a high probability of health risks that can be chronic or acute. The TCRs for Cd, Cr, and Ni for all areas as well as Pb for the Mokolo area through the consumption of <em>S. nigrum</em> also exceeded the recommended WHO thresholds. The magnitude of human health risks per area was Mokolo > Ekoumdoum > Ekounou > Nkolbisson. These results indicate that the edible parts of <em>S. nigrum</em> produced in these lowlands were unsafe for human consumption and might lead to acute or chronic health risks. This study highlights the importance of seasonal and site-specific health risks regarding heavy metals exposure for urban consumers in Yaoundé. It serves as a case study for short-term and indicates the possibility for long-term adverse effects for other contaminant incidents. It calls for more attention on human health hazards via the food chains and more efforts to solve the outstanding environmental issues affecting population health and well-being of urban communities in Africa.

Schwermetalle sind allgegenwärtig in der Umwelt. Die Quelle für Schwermetalle sind sowohl natürlich als auch von Menschen verursachte Aktivitäten. Das Wachstum der Städte und die damit einhergehende steigende Nachfrage nach Gemüse haben dazu geführt, dass u.a. Tieflandgebiete in Kamerun immer stärker für die landwirtschaftliche Produktion genutzt werden, was zu einem Anstieg der Schwermetallkonzentration in der Umwelt geführt hat. In dieser Studie wurden die saisonalen Merkmale von Schwermetallen in Lebensmitteln und ihre potenziellen Gesundheitsrisiken in den wichtigsten landwirtschaftlichen Anbaugebieten in Yaoundé, Kamerun untersucht. Es wurde eine Querschnittsbefragung von 130 Gemüseproduzenten in sechs Tieflandgebieten durchgeführt, um Informationen über ihre Anbaupraktiken zu erhalten. Die Verunreinigung mit Schwermetallen (d.h. Cr, Cu, Zn, Ni, Cd und Pb) im Bewässerungswasser, im Boden und im Gemüse wurde in vier Tieflandgebieten in und um Yaoundé während der Trocken- und Regenzeit untersucht. Der Kontaminationsgrad des Gemüses wurde bei der Blattgemüseart <em>Solanum nigrum</em> als Modellpflanze mit Hilfe des Verschmutzungsindex (Pi) bewertet, und das Bioakkumulationspotenzial der Schwermetalle wurde mit dem Bioakkumulationsfaktor (BAF) berechnet. Das potenzielle menschliche Gesundheitsrisiko wurde anhand des Gefahrenquotienten (HQ), des Gefahrenindexes (HI) und des Zielkrebsrisikos (TCR) bewertet. Die Studie ergab, dass die landwirtschaftlichen Praktiken, insbesondere der Einsatz von Pestiziden sowie von organischen und mineralischen Düngemitteln, in allen Untersuchungsgebieten ähnlich waren. Mit Ausnahme von Mokolo nutzten alle Bauern Oberflächen- und Grundwasser für die Bewässerung ihrer Felder. Obwohl die Schwermetallkonzentration im Bewässerungswasser in der Trockenzeit höher war als in der Regenzeit, lagen die Werte aller sechs untersuchten Schwermetalle unter den von der WHO/FAO empfohlenen Grenzwerten, was darauf hindeutet, dass das Wasser für die Bewässerung von Nutzpflanzen sicher war. Die Bodenanalysen ergaben, dass die Cr-Konzentration den zulässigen Grenzwert überschritt, während die Ni-Konzentration in beiden Regenzeiten in allen Untersuchungsgebieten innerhalb der Grenzwerte lag. Die Cu-, Zn- und Pb-Konzentrationen in landwirtschaftlich genutzten Böden lagen unter den Grenzwerten, außer in Mokolo. Die Schwermetallbelastung in Pflanzen- und Bodenproben war höher als im Bewässerungswasser und in den Pflanzen- höher als in den Bodenproben. Die meisten der untersuchten Schwermetalle überschritten die WHO/FAO-Grenzwerte in allen Untersuchungsgebieten. Cd wies in beiden Regenzeiten und in allen untersuchten Gebieten den höchsten Pi-Wert und Zn den höchsten BAF-Wert auf. Der HQ von Cd, Cr und Cu für alle Gebiete, sowie der HQ von Zn für Mokolo war >1, was auf mögliche schädliche Auswirkungen hinweist. Der HI-Wert >10 für die meisten Gebiete deutet auf eine hohe Wahrscheinlichkeit von Gesundheitsrisiken hin, die chronisch oder akut sein können. Die TCRs für Cd, Cr und Ni für alle Gebiete sowie Pb für Mokolo durch den Verzehr von <em>S. nigrum</em> überstiegen ebenfalls die empfohlenen WHO-Grenzwerte. Die Reihenfolge des Ausmaßes von menschlichen Gesundheitsrisiken in den Untersuchungsgebieten war Mokolo > Ekoumdoum > Ekounou > Nkolbisson. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass in diesen Tiefebenen produzierte <em>S. nigrum</em>, für den menschlichen Verzehr nicht geeignet ist und zu akuten oder chronischen Gesundheitsrisiken führen kann. Diese Studie unterstreicht die Bedeutung der saisonalen und ortsspezifischen Gesundheitsrisiken durch Schwermetalle für die städtische Bevölkerung von Yaoundé. Sie dient als Fallstudie für kurzfristige und zeigt die Möglichkeit langfristiger schädlicher Auswirkungen bei anderen Kontaminationsereignissen auf. Sie unterstreicht die Gefahren für die menschliche Gesundheit über Kontaminationen in den Nahrungsketten. Gleichzeitig fordert sie zu mehr Anstrengungen auf, um die pressierenden Umweltprobleme zu lösen, die die Gesundheit und das Wohlergehen der städtischen Kommunitäten in Afrika bedrohen.