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Mineralbildende Bakterien mit Nutzwert

Jahrmilliarden haben sie unbemerkt ihr Werk verrichtet, jetzt werden sie als potente Helfer menschlichen Tuns gehandelt. Tübinger Forscher konnten jüngst nachweisen, dass eisenoxidierende Bakterien für rostigrote, gebänderte Gesteinsformationen verantwortlich sind, wie es sie zum Beispiel in Südafrika und Australien gibt. Bei der Bildung von Eisenmineralien binden die Bakterien Schwermetalle, was sie zu interessanten Kandidaten für eine Anwendung in der Umwelttechnologie macht.

Gebänderte Eisenformationen wie hier in Südafrika sind durch Bakterien entstanden. © Prof. Dr. Andreas Kappler

Prof. Dr. Andreas Kappler vom Tübinger Zentrum für angewandte Geowissenschaften (ZAG) gehört zu den Forschern, die eine Lanze für Mikroben brechen – zumindest für mineralbildende Bakterien diverser Gattungen, die der Mensch sich nützlich machen kann. „Irgendwie stimmt er schon, dieser Satz, dass Bakterien überall sind und alles können“, sagt der Geomikrobiologe. Kappler erforscht unter anderem die Entstehung von Gesteinsformationen in der frühen Erdgeschichte, um allgemeinen geobiologischen Zusammenhängen auf die Spur zu kommen. Besonders interessieren ihn gebänderte Eisenformationen, die vor allem in Australien, aber auch in Südafrika, den USA und weiteren Regionen der Erde zu finden sind. Die orange-roten Gesteine wurden in einem Zeitraum vor 3,8 Milliarden bis 800 Millionen Jahren gebildet – die ältesten der Gesteinsformationen vermutlich von anoxygenen phototrophen Bakterien, wie Kappler mit seinem Team nach Jahrzehnten der Ungewissheit jetzt bestätigen konnte.

Bakterien machen aus gelöstem Eisen rostiges Eisen, ganz ohne Sauerstoff

Eisenoxidierende Bakterien bilden Rost © Prof. Dr. Andreas Kappler

„Mikroorganismen sind im Grunde die einzige plausible  Erklärung, wie die Bänder – alternierende Schichten aus Silikat- und Eisengestein – in Abwesenheit von Sauerstoff auf der frühen Erde entstehen konnten“, sagt Kappler. Er konnte im Labor nachvollziehen, wozu bestimmte Bakterien seit der Frühzeit in der Lage sind: „In einer Lösung aus Eisen und Silikat können grüne Schwefelbakterien, Schwefelpurpur- und Nichtschwefelpurpurbakterien schon bei 20 Grad Celsius Eisen(II)- zu Eisen(III)-Verbindungen oxidieren“. Rhodobacter ferrooxidans, so der komplette Name eines der Aspiranten, wurde erst 1993 entdeckt. Dann herrschte Kappler zufolge einige Jahre Funkstille um die Bakterienart, bevor es in den letzten vier, fünf Jahren wieder einige Veröffentlichungen gab. In Tübingen ist das Bakterium inzwischen zum „Haustier“ der Forscher um Kappler avanciert. Die damit gewonnenen Erkenntnisse sind ein Durchbruch in der Geobiologie und -mineralogie und so bedeutend, dass sie ihren Platz in grundlegenden Lehrbüchern finden werden. Die ersten Formulierungen für entsprechende Werke sind schon in Vorbereitung. „Die Ergebnisse eröffnen uns ein neues Verständnis der frühen Erdentwicklung und auch der ‚Evolution’ von Atmosphäre und Hydrosphäre“, so Kappler.

Eisenmineral bildende und umsetzende Bakterien sind aber nicht nur für die Grundlagenforschung spannend. Ganz praktische Aspekte hat Kappler im Sinn, wenn er den Einfluss von eisenoxidierenden Bakterien in Trinkwasserfiltern untersucht. In einigen Regionen Chinas, in Bangladesh und Vietnam ist die Verunreinigung des Trinkwassers mit natürlich vorkommendem, gelöstem Arsen aus dem Boden ein Problem.

Mit solchen Filtern, die Eisenminerale enthalten, wird in Vietnam Arsen aus Trinkwasser entfernt. © Dr. Michael Berg, EAWAG, Schweiz

Um das Gift effizient aus dem Wasser zu entfernen, experimentierten die Forscher mit Filtern, die neben Eisenmineralien auch Bakterien enthalten. „Wir wollten herausfinden, welchen Effekt mikrobielle aerobe Eisenoxidierer haben“, so Kappler. Die Hoffnung der Forscher war, mithilfe der Bakterien auf natürliche Weise und sehr schnell kleine Eisen(III)-Mineralpartikel zu erhalten, die möglichst viel Arsen binden und die im Filter hängen bleiben. Dabei kam Überraschendes zutage: Die bakteriell hergestellten, biogenen Eisenminerale sind im Gegensatz zu chemisch erzeugten Pendants negativ geladen, und sie binden deshalb schlecht das ebenfalls negativ geladene Arsenat beziehungsweise das neutrale Arsenit.

Die Zugabe von eisenoxidierenden Bakterien ist unter diesen Bedingungen also eher kontraproduktiv, und es muss nach anderen Lösungen gesucht werden, um einfach und kostengünstig das Arsen herauszufiltern. Die Zugabe chemisch produzierter Eisen(III)-Verbindungen zur Bindung des Arsens ist zumindest in Bangladesh aus Kostengründen nur bedingt möglich. Im Rahmen eines BMBF-Projekts will Kapplers Team nun in Kooperation mit der GEH Wasserchemie GmbH aus Osnabrück untersuchen, wie die sich natürlich ansiedelnden eisenoxidierenden Bakterien aus kommerziell erhältlichen Filtern herausgehalten werden können. In den einfachen Haushaltsfiltern in Vietnam oder Bangladesh dürfte das aber nicht ganz einfach werden, da die bisher verwendeten, mit Sand gefüllten Filter nach oben offen sind, so dass Mikroorganismen leicht Zugang haben.

Bakterien „arbeiten“ nach dem Pinguin-Prinzip

Daneben verfolgt Kappler weitere Projekte, um Umweltgifte mithilfe von mineralbildenden Bakterien aus Wasser und Böden zu entfernen. In einem Projekt, das von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt DBU unterstützt wird, wollen die Forscher mit Bakterien Cadmium aus dem Boden entfernen. „Es gibt mineralauflösende Bakterien, die eine hohe Toleranz gegenüber Cadmium haben. Sie lösen Eisenminerale auf, in denen Cadmium gebunden wird“, erklärt Kappler. Dadurch kann das Cadmium effizient von Pflanzen aufgenommen und dort eingelagert werden. Die Pflanzen können dann abgeerntet und entsprechend entsorgt werden. Im Boden erledigen die Bakterien ihren Job zudem viel effektiver als im Labor und kommen hier mit einer deutlich höheren Cadmium-Konzentration klar. „Im Boden leben die Bakterien in kleinen Partikeln oder biofilmähnlichen Aggregaten, in denen nur die jeweils randständigen Bakterien einer hohen Umgebungskonzentration an Cadmium ausgesetzt sind“, so Kappler. Mit dieser Pinguin-Strategie – Pinguine stehen im antarktischen Winter dicht gedrängt zusammen und die äußeren Tiere bilden eine Art Phalanx gegen die Kälte – gelingt es den Bakterien, selbst in stark kontaminierten Böden zu überleben. Das ist nicht nur im Cadmium-Fall interessant. Kappler kann sich vorstellen, durch Stimulierung oder sogar durch künstliche Zugabe größerer Bakterienpopulationen auch andere unerwünschte Metalle aus Böden zu entfernen.

Ganz der zukunftsgewandte Forscher, hat Kappler noch weitere Visionen zum Thema Bakterien im Boden: Er will sie einsetzen, um Elektronenströme durch den Boden zu leiten. Die Idee fußt auf neueren Erkenntnissen über Huminstoffe. „Lange Zeit wurden nichtgelöste Huminstoffe als inertes Material angesehen. Wir haben jedoch Bakterien gefunden, die nichtgelöste Huminstoffe als Elektronenakzeptor nutzen können“, sagt Kappler. Mithilfe der Bakterien und der redoxaktiven Huminstoffe kann eine Elektronenleitungskette im Boden entstehen. Damit könnten organische Schadstoffe oder sogar manche Metallionen wie Uran in einiger Entfernung reduziert werden, wodurch sie das Ökosystem weniger belasten. „Das hieße, Bakterien müssen nicht unbedingt dort sein, wo der Schadstoff ist, sondern könnten in obere Huminschichten eingebracht werden, um durch das Erhöhen der Elektronenleitung auch Schadstoffe in einiger Entfernung abzubauen beziehungsweise zu immobilisieren“, so Kappler. Dieses Prinzip würde völlig neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnen, deren Potenzial Kappler und sein Team jetzt erkunden wollen.

ERC Starting Grant 2012
Prof. Dr. Andreas Kappler erhielt 2012 den renommierten "Starting Grant" des ERC. Sein interdisziplinäres Projekt "Mikrobielle Bildung von Mineralen durch Gemeinschaften von eisenoxidierenden Bakterien in der Natur und auf der frühen Erde“ wird dadurch über fünf Jahre mit insgesamt 1,4 Millionen Euro gefördert. Die ERC Starting Grants richten sich an junge Nachwuchswissenschaftler, die im Anschluss an ihre Promotion zwei bis sieben Jahre Erfahrung gesammelt haben und eine „vielversprechenden Erfolgsbilanz“ aufweisen können.

Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/mineralbildende-bakterien-mit-nutzwert