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MOSSclone: Torfmoos zur Messung der Luftverschmutzung

Die kontinuierliche Überwachung der Luftverschmutzung ist seit 1996 von der EU vorgeschrieben. Die heutigen technischen Messsysteme sind aber teuer und nicht mobil. Ein EU-weites Konsortium um den Freiburger Biologen Prof. Dr. Ralf Reski entwickelte daher ein neues System, das für die Luftüberwachung Torfmoos in sogenannten „MOSSpheres“ verwendet.

Professor Reski präsentiert stolz eine fertige MOSSphere, die das EU-weite Konsortium „MOSSclone“ gemeinsam entwickelt hat. © BIOPRO/Schüssele

Die kontinuierliche Überwachung der Luftverschmutzung ist seit 1996 von der EU vorgeschrieben mit dem Ziel, bei Überschreitung der Grenzwerte entsprechende Maßnahmen einleiten zu können. 2008 wurden auch Schwermetalle zusätzlich zu Stick- und Schwefeloxiden in den Messkatalog aufgenommen. Bislang sind zur Messung der Luftverschmutzung innerhalb der EU nur technische Messsysteme zugelassen. Diese haben allerdings den Nachteil, dass sie stromabhängig und nicht mobil sind. Aufgrund ihrer hohen Kosten werden sie derzeit nur an wenigen Standorten aufgestellt.

Biomonitoring nennt sich eine alternative Methode, bei der biologische Materialien wie Pflanzen verwendet werden, um Schadstoffe zu binden oder deren Reaktion auf Schadstoffe zu untersuchen. Die Mitglieder des Forschungskonsortiums MOSSclone nahmen sich vor, in drei Jahren ein alternatives System zur Überwachung der Luftqualität unter Verwendung eines Torfmooses zu entwickeln. Wie der Name des Konsortiums schon vermuten lässt, fiel die Wahl auf Moos als Bioindikator. Moos ist hierfür besonders geeignet, da es keine richtigen Wurzeln hat und daher sowohl Nähr- als auch Schadstoffe nicht aus dem Boden, sondern aus der Luft über den Regen aufnimmt. Zudem kommt insbesondere bei Torfmoosen eine besondere Oberflächenstruktur zum Tragen, durch die Wasser und damit auch Schadstoffe besonders gut aufgenommen und gespeichert werden können.

Diese Erkenntnisse machte man sich schon seit den 60er Jahren zunutze. Nur hatte die bisherige Messtechnik einen Haken: Das verwendete Moos wurde in der Natur gesammelt und hatte daher bereits eine unbekannte Schadstoffvorgeschichte. Außerdem wächst das lebende Moos auch während der Messung weiter, was dazu führt, dass sich die Moosmenge ständig verändert. Kurz gesagt konnte man damals kein verlässliches Messergebnis ermitteln. Um diese fehleranfällige Methode zu perfektionieren und zu einem marktfähigen Produkt zu entwickeln, arbeiteten mehr als 30 Experten an fünf Universitäten und fünf mittelständischen Unternehmen in fünf EU-Ländern (Spanien, Italien, Frankreich, Irland und Deutschland) im von der EU geförderten Sonderprogramm „Eco-innovation!" an diesem Projekt zusammen.

Glossar

  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Ein Klon ist eine genetisch identische Kopie eines Lebewesens, die auf natürlichem Weg durch Teilung aus einer einzigen Zelle entsteht. Beispiele für natürliche Klone sind Bakterienkolonien auf der Ebene der Einzeller und Zwillinge auf der Ebene der mehrzelligen Organismen. Bei der gentechnischen Variante der Klonerzeugung, der sogenannten Klonierung, wird entweder DNA in vitro neu kombiniert und anschließend in Zellkulturen vermehrt oder es werden genetisch identische Zellen oder auch Lebewesen durch Transplatation eines Zellkerns einer Körperzelle in eine undifferenzierte Zelle (Eizelle, Stammzelle) erzeugt.
  • Eine Sonde im molecularbiologischen Sinn ist ein Stück markierte RNA oder DNA, die mit einer gesuchten Sequenz binden (hybridisieren) kann.
  • Ein Bioreaktor ist ein geschlossenes System, in dem mikrobielle Umsetzungen organischer Substanzen unter kontrollierten Bedingungen stattfinden und gemessen werden können.

Torfmoos aus dem Bioreaktor

In Bioreaktoren wurde das Torfmoos Sphagnum palustre in den Freiburger Laboren unter kontrollierten Bedingungen angezogen und für den Einsatz in den MOSSpheres vorbereitet. © MOSSclone.eu

Eine besonders wichtige Aufgabe übernahm die Arbeitsgruppe um Ralf Reski an der Universität Freiburg in diesem Projekt. Sie war maßgeblich verantwortlich für die Auswahl einer geeigneten Moosart und die Anzucht dieses Mooses unter Laborbedingungen. Reski verfügt über jahrelange Erfahrung mit dem Laubmoos Physcomitrella patens und dessen massenhafter Vermehrung in Bioreaktoren und wurde aufgrund dieser Expertise als Spezialist für die praktischen Fragen und Aufgaben rund um das Moos ins Konsortium eingeladen.

Die Wahl der Wissenschaftler fiel nach eingehenden Recherchen und Tests auf das Torfmoos Sphagnum palustre. Zum einen ist diese Moosart in ganz Europa heimisch, zum anderen erwiesen erste Praxistests, dass es zur Schadstoffaufnahme gut geeignet ist. Für Reskis Team war nun der nächste Schritt, S. palustre unter kontrollierten Laborbedingungen im Bioreaktor anzuziehen und zu vermehren. Der Vorteil: Für jede Messung kann man die gleiche Moosart verwenden, angezogen und vermehrt aus einer einzigen Moosspore. Das gab dem Projekt auch den Namen Moos-Klon. Das Moos aus dem Bioreaktor hat auch noch weitere Vorteile. Da es in kontrolliertem Umfeld gewachsen ist, hatte es keine Berührung mit Bakterien, Pilzen oder den Schadstoffen, die später gemessen werden sollten. Die Ausgangsbelastung ist also gleich null. Zudem sind zahlreiche Moosarten in ihrem Bestand gefährdet (Rote Liste) und dürfen nicht gesammelt werden.

Auch das Problem mit dem dauerhaft wachsenden Moos konnten die Forscher lösen. Sie konnten zeigen, dass ein Großteil der Schadstoffe in der fein verästelten Oberflächenstruktur haftet. Daher ist es gar nicht wichtig, dass das Moos zum Zeitpunkt der Messung noch lebt. Es kann auch inaktiviert verwendet werden. Ganz praktisch heißt das, dass das Moos, bevor es in die Moosbeutel kommt, zum Abtöten bei ca. 120 Grad Celsius gebacken wird.

Vorteile von Moos gegenüber technischen Systemen

Mikroskopische Aufnahme der Oberflächenstruktur von Sphagnum palustre. Gut zu sehen sind die feinen Strukturen, in denen sich Schadstoffmoleküle ablagern können. © MOSSclone.eu

Erste Funktionstests des Systems überraschten und begeisterten das Konsortium zugleich. Nachdem das ausgehängte Moos wieder eingesammelt und im Labor auf Belastungen hin analysiert wurde, stellte sich heraus, dass man mit dem Moos nicht nur Stick- und Schwefeloxide oder Schwermetalle nachweisen kann. Darüber hinaus kann man polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK, oder englisch PAH), von denen eine Vielzahl nachweislich krebserregend sind, messen. Dies ist ein Vorteil gegenüber den technischen Geräten, die mit einem eingebauten Gas-Chromatographen zwar gasförmige Stoffe direkt messen können, aber für PAKs und Schwermetalle riesige Auffangschüsseln bräuchten, um diese größeren Moleküle überhaupt zu sammeln. Zudem zeigte sich, dass die MOSSpheres sehr gut geeignet sind, das Schwermetall Quecksilber zu messen. Quecksilber verdampft bei höheren Temperaturen und ist in der Luft vorhanden, während es bei niedrigeren Temperaturen wieder in den Erdboden zurücksinkt. Daher messen technische Systeme immer nur die fluktuierenden Tagesspitzen, während die Quecksilberteilchen, welche am Moos hängen bleiben, Auskunft über die Höhe der Belastung über den gesamten Messzeitraum geben.

Weiterentwicklung zum fertigen Produkt

Nicht nur die Anzucht des Mooses, auch die „Verpackung“ wurde entwickelt und optimiert. Hier ist das Endprodukt der Entwicklung – eine MOSSphere – im Einsatz. © MOSSclone.eu

Nachdem die Kultivierung und die Tests des Mooses erfolgreich waren, musste die Produktionsmenge in einem sogenannten Up-Scaling erhöht werden. Dies übernahm die spanische Firma Biovia, welche über größere Bioreaktoren verfügt. Die Mitarbeiter wurden von den Freiburger Biologen geschult. Sie blieben auch im weiteren Projektverlauf in engem Kontakt, um sich über Probleme und Optimierungsmöglichkeiten auszutauschen. Auch die Verpackung des Mooses wurde innerhalb des Projekts optimiert, sodass einfache „Teebeutel" nun zu einer einheitlichen, größen- und geometrieoptimierten „MOSSphere" weiterentwickelt wurden. Für dieses kommerziell nutzbare Produkt wurde innerhalb des Projekts über die Technologietransferstelle der Universität Freiburg eine Patentanmeldung beim Europäischen Patentamt getätigt. Besonders erfreut betont Reski: „Es kommt nicht oft vor, dass man am Ende eines dreijährigen Projekts zeigen kann, dass wir alle Meilensteine erfüllt haben, ein fertiges Produkt auf dem Schreibtisch haben und innerhalb der Projektlaufzeit zudem noch eine Patentanmeldung einreichen konnten."

Nach dem erfolgreichen Abschluss des Projekts sind die Forscher nun damit beschäftigt, eine Serie an wissenschaftlichen Publikationen fertigzustellen. Zudem versuchen sie nun bei der EU Überzeugungsarbeit zu leisten, damit die Richtlinien dahingehend geändert werden, dass neben den technischen Systemen auch das neu entwickelte biologische System zur Messung der Luftverschmutzung verwendet werden darf. Neben den Vorteilen bei der Messung zeichnen sich die MOSSpheres auch durch einen vergleichbar sehr günstigen Preis aus, sowie dadurch, dass sie praktisch überall einsetzbar sind und daher eine deutlich feinmaschigere Überwachung der Luftqualität erzielt werden kann.

Die Projektmitglieder sind auf jeden Fall begeistert von den Projektergebnissen und der ausgezeichneten Zusammenarbeit. Sie können sich gut vorstellen, ein ähnliches System für die Überprüfung der Wasserqualität zu entwickeln. Das Konsortium für diese neue Herausforderung stehe bereit, man sei aber noch auf der Suche nach entsprechenden Fördermitteln, schließt Reski.

Biomonitoring als zukünftige Alternative der Luftqualitätsüberwachung? MOSSpheres im Probeeinsatz an einer Messstation. © MOSSclone.eu
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