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Böden biologisch sanieren: Phytoremediation mit Unterstützung von Bakterien

Mineralauflösende Bakterien können gemeinsam mit Pflanzen als natürliche Bodenverbesserer eingesetzt werden und zum Beispiel belasteten Böden Cadmium entziehen. Das Prinzip: Die Bakterien schließen cadmiumhaltige Bodenpartikel auf, das frei werdende Cadmium wird von den Pflanzen aufgenommen und kann mit diesen einfach abgeerntet werden.

Geologie trifft Biologie trifft Ökologie: Wissenschaftler der Universität Tübingen erforschen unter Leitung von Prof. Dr. Andreas Kappler, wie Cadmium- und andere für Menschen und Tiere schädliche metallische Verbindungen aus belasteten Böden entfernt werden könnten. Dabei sollen keine aufwändigen chemischen oder mechanischen Methoden eingesetzt werden, sondern natürliche Helfer, nämlich Bakterien und Pflanzen. Das hat unter anderem den Vorteil, dass die Bodenstruktur erhalten bleibt und die natürliche Bodenfauna nicht zerstört wird. Die Deutsche Bundesstiftung Umwelt, kurz DBU, finanziert ein Tübinger Forschungsprojekt, bei dem es speziell um das Entfernen von Cadmium aus dem Erdboden geht.

Solche eisenoxidierenden Bakterien können dazu beitragen, Cadmium im Erdboden zu immobilisieren. © Kappler, Universität Tübingen

Die Biologin Eva Marie Mühe befasst sich damit im Rahmen ihrer Doktorarbeit im Team Kappler, der das Problem umreißt: „Cadmium ist unter anderem in Mitteleuropa ein Problem. Einmal in den Boden eingebracht – zum Beispiel über Kunstdünger – wird es dort auf natürlichem Wege nicht mehr abgebaut und kann über die Nahrungskette in den menschlichen Organismus gelangen. Hier wird es statt Calcium in die Knochen eingebaut und führt dazu, dass diese brüchig werden. Außerdem ist Cadmium krebserregend.“ Die Frage ist, warum überhaupt immer mehr Cadmium im Dünger enthalten ist. Kappler erklärt die bedenkliche Entwicklung im Zusammenhang mit Phosphaten, also einem der wichtigsten Dünger-Bestandteile: „Phosphate werden als Dünger weltweit immer knapper, die Qualität wird heute schon zunehmend schlechter, das heißt, wir finden immer mehr Metallkontaminationen. Metalle haben eine hohe Tendenz, sich mit Phosphat zu verbinden, Das gilt zum Beispiel für Eisen, aber eben auch für Cadmium.“

Pflanzen können dem Boden Metallionen entziehen

Deshalb wird nach effektiven, umweltfreundlichen und kostengünstigen Methoden gesucht, um das giftige Metall wieder aus den Böden herauszubekommen. Dabei liegt Cadmium hier nicht als gediegenes Metall vor, sondern als geladenes Ion in Mineralien, zum Beispiel gebunden an Eisen(III)-haltige oxidische Minerale, uns allen als Rost bekannt. Und genau das liefert den Tübinger Forschern einen Ansatzpunkt: Es gibt Bakterien mit besonders hoher Cadmium-Toleranz, die diese Cadmium-Ionen in Lösung bringen können. Als Beispiel nennt Kappler die Bakterienart Geobacter metallireducens – ihr Name deutet bereits an, um was es hier geht. „Diese Organismen lösen die rostigen Eisen(III)-Minerale auf, wobei ebenfalls gebundenes Cadmium mobilisiert wird“, erklärt Kappler.

Im Rahmen der Phytoremediation, auch Phytosanierung genannt, kommen dann die Pflanzen ins Spiel. „Studien haben gezeigt, dass es pflanzliche ‚Hyperakkumulatoren’ gibt, die besonders effizient Cadmium aufnehmen und in sehr großen Mengen in grünen Bestandteilen der Pflanze einlagern. Dazu zählt zum Beispiel die Pflanze Arabidopsis halleri, eine Schwesterpflanze der Ackerschmalwand“, sagt Kappler. Inzwischen haben die Forscher herausgefunden, dass das kleine Pflänzchen seine Umgebung sogar aktiv beeinflussen kann, um Cadmium zu mobilisieren. „Die Pflanze sondert organische Moleküle ab, die potenziell Mikroorganismen wie Geobacter anlocken können“, so Kappler.

Schadstoff könnte als Wertstoff neuen Nutzen finden

Ein kleines Kraut mit großer Wirkung: Arabidopsis-Pflanzen können Cadmium aufnehmen und so dabei helfen, belastete Böden zu sanieren. © Eva Marie Mühe, Universität Tübingen

Die cadmiumhaltigen Pflanzen können nun einfach abgeerntet und anschließend verbrannt werden. Da Cadmium jedoch für die heutige Hightech-Industrie einigen Wert hat, gibt es auch Überlegungen, das Metall wiederzuverwerten. Cadmium wird in der Halbleiterindustrie ebenso gebraucht wie zum Beispiel zur Herstellung von Dünnschicht-Solarzellen, und es kommt in Batterien und Akkus zum Einsatz. Im Grunde ist es eine Frage der Wirtschaftlichkeit: Wenn der Bedarf an derartigen Anwendungen weiter steigt, könnte es sich lohnen, das Cadmium aus den Pflanzen selbst oder aus ihren Verbrennungsrückständen zu recyceln. Ähnliche Überlegungen gibt es bereits mit anderen Metallen. So könnte zum Beispiel auch Zink mithilfe von Pflanzen aus Böden extrahiert und wieder nutzbar gemacht werden.

Da die Phytoremediation von Cadmium im Moment noch langwierig und teilweise nicht sehr effizient ist, wird über weitere Alternativen nachgedacht. „Der zweite Weg besteht darin, Cadmium im Boden zu immobilisieren, das heißt es in stabile Verbindungen zu überführen, die keinen Schaden mehr anrichten“, sagt Kappler. Cadmiumionen reagieren zum Beispiel mit Carbonationen und werden als Cadmiumcarbonat wieder ausgefällt. „Dabei entsteht ein gemischtes Carbonat, dem auch Eisen- und Calciumcarbonat beigemischt ist. Dieser Cadmium-haltige Feststoff kann von Pflanzen nicht aufgenommen werden“, so der Forscher weiter. Die Sache hat allerdings einen Haken: In saurer Umgebung würden sich die Carbonate wieder auflösen. Auch dazu weiß Kappler einen Ausweg: Man könnte Nukleationszentren untermischen, damit sich Magnetite, also stark magnetische Eisenoxide bilden, die dann das Cadmium binden. „Sie sind um den Faktor zehn bis 15 weniger löslich. Bei Carbonaten reicht bereits Zitronensaft, um die Stoffe wieder in Lösung zu bringen, bei Magnetiten würde man sechs-molare Salzsäure bei 70 Grad Celsius benötigen.“

Besonders elegant wäre es, auch zur Magnetitherstellung Mikroorganismen zu nutzen. Dafür kämen eisenreduzierende oder eisenoxidierende Arten infrage, die Magnetite produzieren. Diese „Bioproduktion“ hat zudem den großen Vorteil, dass die entstehenden Magnetitkristalle nicht verklumpen. „Biomagnetit hat von vornherein negative Ladungen auf seiner Oberfläche, was ein Verklumpen verhindert. Verantwortlich dafür sind negativ geladene Oberflächenproteine, zum Beispiel Phopholipide und Lipopolysaccharide – Biomoleküle, die von den Mikroorganismen stammen“, erklärt Kappler. Interdisziplinär lassen sich also einige sinnvolle Konzepte entwickeln – welches sich davon in der praktischen Anwendung am besten bewährt, hängt auch immer von den jeweiligen Bodenzusammensetzungen sowie dem Makro- und Mikroklima ab.

Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/boeden-biologisch-sanieren-phytoremediation-mit-unterstuetzung-von-bakterien