Die Sondermülldeponie in den Pflanzen

22. Februar 2014, 22:01
posten

Manche Kräuter und Weiden absorbieren Gifte aus den Böden und speichern sie dort, wo sie ihren Stoffwechsel nicht stören - Bakterien in den Wurzeln können den Vorgang beeinflussen

Arnoldstein in Südkärnten: Die Marktgemeinde hat eine lange Geschichte als ehemaliger Bergbaustandort. Hier wurde Bleierz zutage gefördert. Die Minen sind längst geschlossen, aber sie hinterließen ein Problem. Giftige Schwermetalle haben das Erdreich kontaminiert, berichtet Angela Sessitsch dem Standard. An einigen Stellen im Ort mussten sogar schon die Böden ausgetauscht werden.

Sessitsch, die als Forscherin am Austrian Institute of Technology (AIT) tätig ist, arbeitet zusammen mit Kollegen von der Universität für Bodenkultur in Wien an einer eleganteren Sanierungsmethode - der Phytoextraktion. Pflanzen sollen die giftige Altlast aus dem Boden ziehen und in ihren überirdischen Teilen speichern. Nach dem Abernten kann das verseuchte Mähgut aufgearbeitet und entsorgt werden. Umwelttechnik, Hand in Hand mit der Natur.

Die Phytoextraktion mag aus technischer Sicht eine Innovation sein, sie basiert aber auf einem altbewährten Evolutionsprozess. Toxische Schwermetalle treten nicht nur dort reichlich auf, wo der Mensch seine Finger im Spiel hat. Auch die Natur kann mancherorts solche Gifte in den Boden bringen. Magmatisches Gestein enthält Schwermetallerze. Wenn es verwittert, entsteht dementsprechend belastetes Erdreich. Normale Pflanzen können darauf nur schwerlich gedeihen, aber es gibt Spezialisten, die sich an solche Bedingungen angepasst haben.

Manche Arten blockieren die Giftaufnahme über ihre Wurzeln, während andere eine gewisse Toleranz entwickelt haben. Bei Letzteren findet man die Toxine in Blättern und Stängeln, ungefähr in derselben Konzentration wie im Boden.

Die sogenannten Hyperakkumulierer dagegen treiben die Sache auf die Spitze. "Diese Pflanzen sind noch resistenter" und lagern die Schwermetalle in speziell abgegrenzten Räumen, erklärt Angela Sessitsch. Die Gewächse verfügen sozusagen über eigene Sondermülldeponien. Sie nehmen die Gifte auf und speichern sie anschließend dort, wo sie nicht den Stoffwechsel beeinträchtigen können - zum Beispiel in den Zwischenräumen von Zellwänden.

Das Voralpen-Hellerkraut, Thlaspi caerulescens, gehört zu den typischen Hyperakkumulierern. Die Art ist in der Lage, in ihrem Gewebe hohe Konzentrationen an Zink, Kadmium und auch Nickel aufzubauen. Forscher haben das Voralpen-Hellerkraut und seine Fähigkeiten bereits vielfach unter die Lupe genommen, ohne allerdings alle physiologischen Details klären zu können (vgl. u. a.: Annals of Botany, Bd. 102, S. 3). Die Pflanzen nehmen nicht immer gleich viele Schwermetalle aus dem Boden auf, wie Angela Sessitsch betont. "Der limitierende Faktor ist die biologische Verfügbarkeit." Das heißt: Die Pflanzen können häufig nur auf einen Teil der im Erdreich vorhandenen Giftstoffe zugreifen, der Rest ist stabil chemisch gebunden und kann nicht über Wasser und Wurzeln eingezogen werden. Die Gewächse dürfte das kaum stören, aber für den Erfolg einer Phytoextraktionsmaßnahme ist dieser Aspekt von entscheidender Bedeutung. Und genau an diesem Punkt treten weitere Beteiligte in Erscheinung.

Leben mit Mikroben

Ähnlich wie wir Menschen leben auch Pflanzen mit einer Vielzahl von Bakterien und Pilzen zusammen. Mit einigen davon gehen sie feste Symbiosen ein, während andere mehr oder weniger zufällige Gäste sind oder gar abgewehrt werden müssen. Viele dieser Mikroorganismen siedeln sich im Wurzelbereich an und unterstützen die Pflanze mitunter bei der Nährstoffgewinnung. Im Falle von Thlaspi caerulescens scheinen die winzigen Kreaturen auch die Aufnahme von Schwermetallen zu begünstigen. Bei Untersuchungen wies die Art eine reichere Wurzelmikroflora auf als die nah verwandte, aber nicht auf belasteten Böden wachsende Spezies Th. arvense. Ähnliche Effekte wurden auch bei anderen Hyperakkumulierern beobachtet.

Mikroorganismen produzieren zahlreiche Substanzen, welche die Bioverfügbarkeit von Metallen beeinflussen können. Die Freisetzung von organischen Säuren etwa fördert die Auflösung von metallhaltigen Mineralverbindungen. Siderophoren wiederum binden Eisenionen und begünstigen deren Aufnahme durch Zellwände. Der Wissenschaft sind mehr als 500 verschiedene Siderophorenvarianten bekannt. Die Moleküle können auch Bindungen mit Ionen anderer Metalle wie Zink und Nickel eingehen, doch die biochemischen Mechanismen werfen für die Forscher noch viele Fragen auf - ebenso wie die Wechselwirkungen zwischen unterschiedlichen Mikrobenspezies in der Wurzelflora von schwermetallakkumulierenden Pflanzen.

Aufnahme von Zink

Dieser Thematik gehen Angela Sessitsch und ihre Kollegen nun genauer auf den Grund. In früheren Studien haben die Experten etwa die Aufnahme von Zink und Cadmium durch Sal-Weiden (Salix caprea) in Zusammenhang mit verschiedenen Bakterienstämmen und dem Pilz Cadophora finlandica untersucht. Schwermetallresistente Weiden sind gut für Phytoextraktionsversuche geeignet, meint Sessitsch. "Sie wachsen relativ schnell, produzieren viel Biomasse und wurzeln tief." Die buschigen Bäume können somit auch Giftstoffe aus Erdschichten heranziehen, in die andere Pflanzen nicht vordringen.

Die Ergebnisse der Experimente zeigen meist deutlich höhere Schwermetallkonzentrationen im Gewebe von Versuchspflanzen, deren Wurzeln die getesteten Mikroorganismen beherbergen (vgl.: Chemosphere, Bd. 84, S. 1256). Sessitsch vermutet, dass bisher unbekannte mikrobielle Wirkstoffe eine entscheidende Rolle spielen. Sie bezeichnet sie als "Metallophore", da ihre Funktion anscheinend ähnlich ist wie die der Siderophore für den Eisenhaushalt.

Die Forscher suchen nach solchen Substanzen und den für ihre Produktion kodierenden Genen. Wenn bekannt ist, welche Bakterienarten welche Metallophore produzieren und wie diese die Schwermetallaufnahme begünstigen, dann könnte man sie gezielt zur Verbesserung von Phytoextraktionsverfahren einsetzen. Das Projekt wird vom Wissenschaftsfonds FWF unterstützt. "Die Genomanalysen sind schon weit fortgeschritten", sagt Sessitsch. Bald sollen hierzu die chemischen Analysen folgen. (Kurt de Swaaf, DER STANDARD, 19.2.2014)

  • Schwermetallresistente Weiden werden von den Forschern für Tests herangezogen.
    foto: apa/neumann

    Schwermetallresistente Weiden werden von den Forschern für Tests herangezogen.

Share if you care.