Bild: Stephanie Lochmüller und Freepik

Kleine Schadstofffresser

Stoffe, die dem Menschen gefährlich werden, sind für manche Mikroben ein gefundenes Fressen. Dank Jahrmillionen dauernder Anpassung halten sie sich strahlendes Uran vom Leib, verspeisen umstrittene Pestizide und leben von Desinfektionsmitteln. Jetzt wollen Wissenschaftler wissen, wie sie das bewerkstelligen.

Unter tonnenschwerem Gestein soll atomarer Müll für die Ewigkeit versiegelt werden. Viele Hundert Meter unter der Erdoberfläche. In Deutschland sind die Salzstöcke in Bad Zwischenahn, Gorleben oder Gülze-Sumte schon lange als Endlager für hoch radioaktive Abfälle im Gespräch. Aber auch Granitformationen und mächtige Tonschichten kommen dafür in Betracht. Doch was passiert, wenn undichte Behälter und ein Wassereinbruch zusammenkommen und die strahlende Fracht dadurch unkontrolliert freigesetzt wird?

Einen möglichen Ausweg aus diesem Sze-nario verspricht sich die Geoökologin Andrea Cherkouks von ungewöhnlichen Helfern: Mikroorganismen. Könnten sie mithelfen, den GAU in der Tiefe zu verhindern? „Wir haben uns gefragt, welche Mikroorganismen in Salzschichten natürlich vorkommen und wie diese mit Radionukliden wechselwirken“, erzählt Andrea Cherkouk, die am Institut für Ressourcenökologie des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) die Nachwuchsgruppe MicroSalt leitete. So wie sie nehmen viele Wissenschaftler derzeit Mikroorganismen in den Blick: Sie könnten dabei helfen, unterschiedlichste Schadstoffe in der Natur unschädlich zu machen.

Natürlicher Prozess Haloarchaeen (rosa) können radioaktive Schwermetalle in unlösliche Uranylphos-phatminerale (grün) binden und so die Ausbreitung der Stoffe verhindern. Bild: HZDR/Juniks

Andrea Cherkouk fand bei österreichischen Kollegen das erste Mosaiksteinchen für ihren Ansatz: Sie hatten Archaeen beschrieben – einzellige Lebewesen, die früher auch Urbakterien genannt wurden –, die in Salzschichten vorkommen, die jenen in Salzbergwerken sehr ähnlich sind. Andrea Cherkouk und ihre Kollegen beschafften sich Reinkulturen bei der Deutschen Sammlung für Mikroorganismen und Zellkulturen in Braunschweig. Die brachten sie im Labor dann mit den beiden radioaktiven und giftigen Schwermetallen Uran und Curium in Kontakt – mit verblüffendem Ergebnis: „Sobald die Zelle merkt, dass da ein potenziell gefährlicher Stoff ankommt, bindet sie diesen an Phosphat oder auch an Carbonat“, erklärt Andrea Cherkouk. „Es entstehen wasser-unlösliche Minerale. Die werden dann nicht so einfach transportiert. Die Ausbreitung der strahlenden Fracht wird also aufgehalten.“ Die Erkenntnisse der Dresdner Forschergruppe sollen nun bei der Sicherheitsbewertung zukünftiger Endlagerstätten berücksichtigt werden. 

Mikroorganismen wie Archaeen oder Bakterien sind die heimlichen Herrscher des Planeten. Schon lange bevor höheres Leben erblühte, besiedelten sie die Erde. Über Äonen hinweg hat die Evolution an ihnen gefeilt und sie dabei mit den erstaunlichsten Fähigkeiten ausgestattet. Für Mikrobiologen ist dies eine Schatztruhe, in der sie unablässig nach Lösungen für dringende Probleme der Menschheit suchen. Zum Beispiel, wie sich Umweltschadstoffe auf natürliche Weise eindämmen oder sogar unschädlich machen lassen.

Denn es sind nicht nur radioaktive Schwermetalle, sondern beispielsweise auch Pestizide aus der Landwirtschaft, mit denen Mikroben umzugehen wissen. Wie genau sie das tun, untersucht Matthias Kästner. Der Professor für Mikrobiologie leitet das Department Umweltbiotechnologie am Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ. Seine Arbeitsgruppe beschäftigt sich unter anderem mit Glyphosat, einem Herbizid, das vor allem wegen seiner möglichen krebserregenden Wirkung einen Stammplatz in den Medien innehat.

Bild: Shutterstock/Bjoern Wylezich

„Bevor neue Pestizide ihre Zulassung erhalten, muss ihr Umweltverhalten eingehend untersucht werden“, erklärt der Mikrobiologe und Biotechnologe. Um zu sehen, wie sich mögliche Rückstände in Boden, Wasser oder Luft verteilen, wird das Pestizid für Testzwecke mit dem radioaktiven Kohlenstoff-Isotop 14C markiert. Wenn Forscher anschließend das Signal des zerfallenden Kohlenstoffes verfolgen, stellen sie dadurch fest, wo sich die Rückstände befinden. Doch wie ein Pestizid in der Natur verändert und zu welchen Substanzen es genau abgebaut wird, darüber können aktuelle Testverfahren nur wenig Auskunft geben. Genau dort setzt Matthias Kästners Forschung an. „In der Natur bauen Mikroorganismen Glyphosat im Prinzip komplett zu Biomasse und Kohlendioxid ab. Damit sind die Rückstände toxikologisch unbedenklich“, sagt der Forscher. „Doch in manchen Fällen bleibt Aminomethylphosphonsäure, kurz AMPA, übrig. Das Stoffwechselprodukt kann ebenfalls Zellschäden verursachen, wird aber viel langsamer abgebaut als Glyphosat und reichert sich deshalb in der Umwelt an.“

Matthias Kästner wollte wissen, warum sich manchmal AMPA bildet und manchmal nicht. Deshalb hat auch er das Glyphosat für seine Studie markiert. Allerdings nicht mit 14C. Denn wird das radioaktive Isotop als Marker verwendet, lässt sich später anhand der Strahlung nur feststellen, ob es mitsamt den Stoffwechselprodukten in Luft, Boden oder Wasser übergeht. Zu welchen Stoffen Glyphosat zersetzt wird, lässt sich damit nur schwer herausfinden. „Wir haben stattdessen zwei stabile, aber in der Natur sehr selten vorkommende Isotope von Kohlenstoff und von Stickstoff eingebaut: 13C und 15N.“ Der Trick: Bei dieser Herangehensweise untersuchen die Forscher die Moleküle in Boden-, Luft- und Wasserproben genau auf ihr Isotopenverhältnis. Stoßen sie dabei auf die seltenen Formen von Kohlenstoff oder Stickstoff, dann ist das untersuchte Molekül mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit ein Stoffwechselprodukt des Glyphosats.  

Das Ergebnis war überraschend: „Zu Anfang haben unsere Mikroorganismen das Glyphosat vollständig abgebaut, sich also davon ernährt“, fasst der Mikrobiologe zusammen. „Aber nach einer bestimmten Zeit des Wachstums fingen sie an, AMPA zu produzieren.“ Die Erklärung liefert der Forscher gleich mit. „In der normalen mikrobiellen Biomasse ist das Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff ungefähr neun zu eins. Im Glyphosat hingegen ist gut dreimal so viel Stickstoff. Haben die Bakterien genug davon aufgenommen, wandeln sie den Rest des Glyphosats in AMPA um“, sagt Matthias Kästner.

Zoom Das Tal des Dorfes Geamana wurde mit Klärschlamm aus einer nahe gelegenen Mine geflutet und ist mit Zyanid und anderen Chemikalien belastet.
Bild: Shutterstock/Calin Stan

Mittlerweile hat seine Methode, die Stoffwechselwege von Mikroorganismen zu erkunden, auch das Interesse der Europäischen Chemikalienagentur auf sich gezogen. In Zukunft werden solche Untersuchungen wohl in die Gesetzgebung über Biozide und Pestizide einfließen.

„Die Enzyme, die Mikroorganismen für den Schadstoffabbau nutzen, sind durch die Evolution in Millionen von Jahren immer perfekter auf den jeweiligen Stoff ausgerichtet worden“, bringt Dieter Bryniok die Vorteile biologischer Systeme auf den Punkt. „Bei chemischen Reaktionen hingegen entstehen immer auch Zwischenprodukte, die mitunter giftiger sind, als es der Ausgangsstoff je war.“ Der Professor für Umweltbiotechnologie lehrt heute an der Hochschule Hamm-Lippstadt. Neben Bioenergie interessiert ihn ganz besonders der biologische Schadstoffabbau, an dem er jahrelang am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) in Stuttgart forschte.

Bei seiner Arbeit dort standen neben Grundwasser, das mit chlorierten Kohlenwasserstoffen kontaminiert war, vor allem Industrieabwässer in seinem Fokus. Dieter Bryniok entwickelte biologische Reinigungsverfahren, zum Beispiel um Zyanide unschädlich zu machen. Und er hat sich mit dem Abbau von Formaldehyd befasst. Das farblose und stechend riechende Gas setzt jeder menschliche Körper in kleinsten Mengen als Stoffwechselprodukt frei. In konzentrierter Form jedoch schützt es Präparate, Gewebeproben, ja sogar Leichen wirksam vor Verwesung und Verfall oder hält die Flächen in Krankenhäusern steril. Auf der anderen Seite ist der Stoff aber nicht nur ein Kontaktallergen, sondern wird mittlerweile auch als krebserzeugend eingestuft.

27.08.2020 , Kai Dürfeld

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