Biostaubsauger für Bodengifte

Phytomining mit Arabidopsis halleri

03.11.2016 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Die Hallersche Schaumkresse hat je nach Standort ganz unterschiedliche Eigenschaften. (Bildquelle: © Gemeinfrei)
Die Hallersche Schaumkresse hat je nach Standort ganz unterschiedliche Eigenschaften. (Bildquelle: © Gemeinfrei)

Um zu wachsen, ziehen Pflanzen Nährstoffe aus dem Boden. Doch manche Pflanzen haben dieses Prozedere im Laufe der Evolution abgewandelt und sind in der Lage, dem Boden giftige Schwermetalle zu entziehen. Die Hallersche Schaumkresse (Arabidopsis halleri) ist ein wahrer Meister darin. Forscher haben jetzt rund 2.000 Exemplare dieser Art an 165 Standorten in Europa untersucht und eine überraschende Vielfalt an Eigenschaften vorgefunden, die die Pflanzen im Laufe der Evolution entwickelt haben – ein enormes Potenzial zur Entgiftung von Böden oder zur Gewinnung wirtschaftlich interessanter Metalle.

Um stillgelegte Minen herum ist der Boden oft so stark mit Schwermetallen angereichert, dass er als verseucht gilt und das Gebiet mit Zäunen abgesperrt und mit Warnschildern versehen wird. In den ehemaligen Industriegebieten an der Ruhr und im Harzgebirge sind ganze Landstriche kontaminiert; deutschlandweit sind rund drei Prozent der Nutzflächen unbrauchbar. Doch auf den Abbau von Schwermetallen kann nicht ohne weiteres verzichtet werden, da Nickel, Cobalt, Thallium und andere teure Erzmetalle bei Hightech-Firmen dringend benötige Rohstoffe sind.

Hyperakkumulator-Pflanzen überleben auf schwermetallverseuchten Böden

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Auf einige Pflanzen wirken Schwermetalle nicht toxisch, wenn sie sie in ihren Blättern oder Wurzeln anreichern. Diese werden als Hyperakkumulatoren bezeichnet.

Auf einige Pflanzen wirken Schwermetalle nicht toxisch, wenn sie sie in ihren Blättern oder Wurzeln anreichern. Diese werden als Hyperakkumulatoren bezeichnet.

Bildquelle: © iStockphoto / Thomas Vogel

Auf den ansonsten unfruchtbaren Böden am Rande stillgelegter Bergwerke, alter Stahlhütten und verlassener Industriegelände können nur Hyperakkumulator-Pflanzen überleben. Das sind Pflanzen, auf die Schwermetalle nicht toxisch wirken, wenn sie sie in ihren Blättern oder Wurzeln anreichern. Die Hallersche Schaumkresse (Arabidopsis halleri) nutzt die ansonsten giftigen Stoffe zur Abwehr von Fressfeinden.

Forscher haben nun rund 2.000 Exemplare dieser Art an 165 Standorten in Europa untersucht. Dabei entdeckten sie eine überwältigende Vielfalt von Eigenschaften, welche die Pflanzen derselben Art im Laufe der Evolution entwickelt haben. Für jedes einzelne Individuum nahmen sie im Radius von 5 cm Boden- sowie Blattproben und verglichen unter anderem die Konzentration verschiedener Schwermetalle.

Schwermetallsaug-Kapazitäten unterschiedlich

Die Schwermetallkonzentrationen der untersuchten Böden schwankten. Die Mengen von Blei, Cadmium, Zink und Kupfer unterschieden sich an den verschiedenen Standorten um fast fünf Größenordnungen. Die Rekordwerte von Arabidopsis halleri lagen in dieser Studie bei 5,4 Prozent Zink und 0,3 Prozent Cadmium relativ zum Trockengewicht. Die von den Pflanzen aufgenommene Menge an Schwermetallen stieg jedoch nicht proportional zur Menge der Schwermetalle im Boden an. „Einige Pflanzen waren in der Lage, aus geringsten Spuren im Boden die Schwermetalle Cadmium und Zink geradezu herauszusaugen“, beschreibt Studienleiterin Ute Krämer von der Ruhr Universität Bochum.

Je nach Standort unterschiedliche Eigenschaften innerhalb derselben Art

In Europa haben sich vier Unterarten der Hallerschen Schaumkresse herausgebildet, die unterschiedliche Eigenschaften entwickelt haben. So konnten zum Beispiel Pflanzen an der deutsch-tschechischen Grenze viel effektiver Cadmium anreichern als Pflanzen in Norditalien. „Denn die Individuen mit den vorteilhaftesten Eigenschaften in einer lokalen Umwelt sind besser angepasst und haben mehr Nachkommen. Günstige Mutationen breiten sich regional aus“, schreiben die Forscher.

Unter kontrollierten Bedingungen im Gewächshaus konnten die Wissenschaftler bestätigen, dass die Unterschiede in der Schwermetallanreicherung tatsächlich das Ergebnis der verschiedenen Eigenschaften einzelner Individuen der Art sind. Die nun geplanten genetischen Untersuchungen sollen Aufschluss geben, worin diese Unterschiede auf molekularer Ebene bestehen und wie den Pflanzen Höchstleistungen bei der Aufnahme, von üblicherweise giftigen Konzentrationen an Schwermetallen gelingen.

Phytoremediation und Metallgewinnung durch Verbrennung

Hyperakkumulator-Pflanzen haben einen großen Nutzen. Sie können verunreinigte Böden reinigen, indem sie zum Beispiel Nickel, Kadmium oder auch Zink aus dem Erdreich heraussaugen und speichern – ein Prozess, der als Phytoremediation bezeichnet wird. Im nächsten Schritt, müssen die Metalle aus den Pflanzen gewonnen werden. Dafür werden die oberirdischen Pflanzenteile geerntet und verbrannt. „Man kommt so auf bis zu 20 Prozent Metallgehalt in der Asche“, sagt Ute Krämer.

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Hyperakkumulatoren könnten mit Schwermetallen verseuchte Böden effektiv entgiften.

Hyperakkumulatoren könnten mit Schwermetallen verseuchte Böden effektiv entgiften.

Bildquelle: © Bundesarchiv, Bild 183-1990-1026-019 / Grimm, Peer / CC-BY-SA 3.0

Lange keine finanzielle Förderung

Die Idee, Pflanzen als Schwermetall-Staubsauger zu nutzen, hatten Forscher bereits vor 40 Jahren. Doch damals war Umweltschutz noch kein Thema und viele Versuche, Forschungsgelder zu beantragen, scheiterten. Eine Ausnahme war die US-amerikanische Investmentfirma Viridian in Texas. Sie erkannte die Geschäftsidee, gab den Forschern Geld und ließ sich die pflanzlichen Schwermetallsauger im Jahr 1995 patentieren.

Brach liegendes Patent blockiert wirtschaftlichen Nutzen

Genutzt hat die Firma dieses Wissen trotz des Patentes in den vergangen Jahren nicht. Die Gründe dafür sind unbekannt, wie eine Recherche der Süddeutschen Zeitung im Jahr 2014 zeigte. Im Juni 2015 liefen die Patentrechte Viridian Environmental jedoch aus, was die Technologie nun auch wirtschaftlich wieder interessant machen sollte.

Phytomining gegen Armut

Neben den genannten Vorteilen könnte Phytomining nämlich auch ein effektives Mittel gegen Armut sein. Die Süddeutsche Zeitung berichtete im Jahr 2014 dazu: „Denn Phytomining klappt dort besonders gut, wo sonst kaum etwas wächst – und wo sich auch normale Minen nicht lohnen: In abgelegenen Gebieten, im Regenwald (der für Minen erst abgeholzt werden müsste) oder auf Böden, deren Metallgehalt für Schürfverfahren zu gering ist.“ Bei den aktuellen Rohstoffpreisen sei Phytomining schon ab 0,1 Prozent Nickelkonzentration im Boden rentabel. Bei traditionellen Verfahren brauche es zehnmal so viel.

Als kostenneutraler Nebeneffekt werden die Böden gleich von toxischen Schwermetallen befreit und sind irgendwann auch wieder für den Gemüseanbau nutzbar. Phytomining könnte Nachhaltigkeit in Perfektion sein: Verseuchte Böden werden für andere Pflanzen und Tiere wieder bewohnbar, die entstehenden Abfallstoffe bringen den Menschen Geld und sichern ihren Lebensunterhalt. Selbst das Feuer, das die Pflanzen in erzreiche Asche verwandelt, ließe sich zum Antrieb von Maschinen nutzen, die das Material weiterverarbeiten. Hyperakkumulatoren könnten Rohstoffgeschäfte in Zukunft grundlegend verändern.

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