Grüner Daumen für Metalle - Metalle "ernten" mit Agromining

von Priv.-doz. Andrea Pitzschke / ecodesign wissen

Was haben viele Industrieprozesse, Verkehr, Bergbau und eine achtlos weggeworfene Batterie gemein? Sie belasten unsere Böden, und zwar schwer. Metalle wie Cadmium, Kupfer, Eisen, Nickel reichern sich an. Fatal für Umwelt und Ökosystem, denn eine einfache Detox-Kur gibt es nicht. Die gängigen Methoden bergen selbst wieder ökologische Risiken, sind nicht wirklich effektiv aber wirklich teuer.

Statt nun mit immer neuen und risikoreichen Eingriffen durch den Menschen den entstandenen Schaden zu verschlimmbessern, setzt Agromining auf die Tricks der Natur. Inzwischen geht es nicht mehr ausschließlich um die Bereinigung der Schäden, sondern in Teilen sogar um Erträge. Aber lesen Sie selbst::

Metallressourcen futsch, Boden und Grundwassser auch

Metall ist wertvoll. Die Vorkommen auf der Erde sind begrenzt, und somit auch die Generationen an Smartphones, Tablets & Co, die uner­müdlich in immer neuen Ausführungen unsere (meine nicht!) Konsum­gier füttern wollen. Viele natürliche Metall­quellen sind schon jetzt so ziemlich erschöpft.

Klar, manche Regionen haben noch einiges auf Lager, doch das Abräumen und Aus­baggern wird zunehmend aufwändiger. Da kommt auch Gift zum Einsatz. Keine schöne Arbeit. Andererseits sind ehemalige Bergbau­stellen, deren Umgebung, Grundwasser und nahe Gewässer mit Metall „verseucht“. Allein in Tschechien gibt es über hundert solcher Zonen. Für landwirtschaftliche Nutzung gänzlich ungeeignet. Da wächst fast nichts; und wenn etwas wächst, taugt es ganz sicher nicht zum Verzehr. Außer man will Krebs­erkrankungen provozieren.

Wegsehen ist keine Lösung. Und so schauen Pflanzenforscher eben genauer hin. Manchmal machen sie sogar aus der Not eine Tugend. Wie das?

Was auf ehemaligen Bergbaustellen wächst,
taugt nicht zum Verzehr.

Pflanzen "pumpen" Metall aus dem Boden

Manche Pflanzen kommen tatsächlich mit hohen Schwermetall­konzentrationen im Boden klar. Die meisten Pflanzen­arten würden einfach krepieren oder gar nicht erst auskeimen. Tolerante, sogenannte Metallophyten, sondern in den Boden Verbin­dungen ab, welche Metalle in lösliche Form bringen. Die nehmen sie dann über die Wurzeln auf. Dort bleiben sie nicht, denn irgendwann würde ja so eine giftige Dosis im Wurzelgewebe erreicht werden.

Nein, stattdessen transportieren Metallophyten Eisen-, Nickel- u.a. Metallionen nach oben ab. Meist landet das wertvolle Gift in den Blättern, sozusagen die End-Deponie. Ein voll­gepumptes Blatt werfen Pflanzen dann einfach ab. Was ist das Netto-Ergebnis? Die Boden­belastung nimmt ab. Metall, was in Erde und Wasser war, liegt jetzt in Blättern vor. Ergo muss man die Blätter nur ernten oder auflesen.

Je nach Wahl der Pflanzen, klimatischen Bedingungen und ursprünglicher Belas­tung kann ein Boden in ein paar Jahren ohne viel Aufwand saniert werden. Sprich, er ist dann „clean“ genug, um wieder für landwirtschaft­lichen Anbau zu dienen.

Und was geschieht mit dem Metallhaltigen Blattmaterial? Ist das nun ein Problemstoff oder wertvoll? Beides! Man kann es in Biomasse-Werken zur Energie­gewinnung einsetzen, wie jedes andere Grünzeug auch. Klar müssen dann Filter etc. verhindern, dass Metall wieder in die Umwelt zurück­gelangt. Noch schlauer aber ist, die Metall­rück­gewinnung ganz gezielt anzugehen. Forscher der Uni Nancy sind da schon weit.

Alles-Sammler oder Spezialisten?

Was alles sind Metallophyten, sammeln sie einfach „alles“, oder sind sie wählerisch? „Alles-Sammler“ mögen für die Bodensanierung gut sein, doch selektive Sammler liefern die wertvolle Ware nicht als Misch­masch sondern fein sortiert. Tatsächlich gibt es Spezialisten, die fast ausschließlich z.B. Nickel-Ionen aus den Tiefen des Bodens ans Tages­licht fördern. Das ist mitunter so rentabel, dass sich Landwirte ihr täglich Brot als Nickel-­Lieferanten verdienen. Ihr Geschäftsmodell heißt „Agromining“.

Selektive Sammler liefern wertvolle Metalle fein sortiert.
Das lohnt sich sogar finanziell.
Das Geschäftsmodell dazu heißt "Agromining".

In Albanien bauen sie großflächig Ackerstein­kraut an, ein einjährige, gelb­blühende Pflanze; ein Nickel-„Hyperakkumulator“. Sie liefern die Ernte an lokale Unter­nehmen. Die extrahieren aus der Asche das Metall und führen es als Rohstoff an die metall­verarbeitende Industrie zurück. Beeindruckend ist, wie gut die Kooperation funktioniert und wie flexibel Landwirte tatsächlich sind. Am beeindruckendsten bleibt wohl aber die Leistung der Pflanze. Der Nickel­anteil in der Asche beträgt ganze 20 Prozent. Dazu gibt es ein super Video bei Arte.

Deutsche Forscher der Uni Bochum haben als Antwort auf blei-belastete Böden die Modellpflanze Arabidopsis hallerii unter der Lupe. Auch sie nimmt viel Metall auf, ist aber ziemlich winzig. Netto kommt also nicht viel Ausbeute aus der Rück­gewinnung zusammen. Dennoch ist es enorm wichtig, richtig gute Hyperakkumulatoren und deren Strategien bis ins Detail zu kennen. Das Wissen lässt sich dann u.U. auf andere Pflanzenarten anwenden, denn sie Natur hat ihre besten Strategien meist nicht x-mal neu erfunden, sondern setzt auf bewährte Muster .

Invasion bedenken

Ob Ackersteinkraut aus Albanien oder andere (Hyper)akkumulatoren; in jedem Fall sollte ein Ausbringen vorab gut überlegt und auf einem isolierten Gebiet getestet sein. Wir sehen das Problem zur Genüge bei Pflanzen, die zur Biosprit-­Produktion angebaut wurden: Manche werden zur Invasion. Sprich, sie breiten sich außerhalb der gewünschten Fläche unkontrolliert aus. Auf einmal ist die Landschaft voll mit Elefanten­gras.

Heimische Pflanzen werden verdrängt, die Biodiversität von Flora – und von besiedelnder, nektar­haschender, nistender etc. Fauna ebenso. Nicht-invasive Metallophyten wären hier also die Lösung. Für Mitteleuropa z.B. Weiden. Sie sind wuchtig, ihre Wurzeln tief, und entsprechend aufnahme­fähig. Nur brauchen Bäume verdammt viel Zeit zum Wachsen, und ein spontaner Entscheid „was bau ich heuer an?“ ist bei mehrjährigen Pflanzenarten nicht gegeben.

Optimale Wahl sind also: Einjährige Pflanzen, die rasch wachsen, reichlich vom gewünschten Metall aufnehmen und nicht-invasiv sind. Das schränkt die Kandidaten­anzahl ziemlich ein, aber mit einem Trick gibt es auch für ein moderates Mauer­blümchen ein up-grade zum Top-Kandidaten:

Effizienz steigern mit Mikroorganismen

Relativ neu ist der Ansatz, Metall­extraktion mit Hilfe von Mikro­organismen effizienter zu machen. Noch immer leistet dabei die Pflanze die eigentliche Arbeit, d.h. sie schafft das Metall aus dem Boden nach oben.

Boden­mikro­organismen können beim Um­wandeln von Metall in lösliche Form helfen. Beherbergt eine Pflanze aber IN ihrem Gewebe günstige Mikroorganismen, so profitiert sie (und letztlich wir) von deren Zuarbeit. Die Hilfe kommt einerseits dadurch, dass die kleinen Bewohner häufig die Toleranz­schwelle ihres Wirts gegenüber Stress erhöhen.

Bewohnte Pflanzen können also mit problematischen (z.B. metallbelasteten) Böden besser klarkommen. Mitunter werden sie auch robuster gegenüber Hitze oder Dürre. Grund dafür ist, dass pflanzliche Stress­antworten bis zu einem gewissen Punkt parallel laufen. Ein vereinfachter, bildhafter Vergleich: Wenn es stürmt, laut oder kalt ist, schließen wir die Fenster. Drei verschiedene Stör­faktoren, eine passende Antwort.

Die bakteriellen oder pilzlichen Bewohner wirken wie ein probiotisches Getränk. Sie kurbeln das pflanzliche Immun­system an und machen es so schlagkräftiger gegen schädliche mikrobielle Eindringlinge. Günstige Mikro­organismen unterstützen die Pflanze beim Wachsen. Das spart Dünger.

Ihre Leistung wurde mit einem eigenen Namen anerkannt: „plant growth-promoting rhizobacteria, PGPR“. Pflanzen, die schneller wachsen, schaffen auch mehr Metall nach oben, die Boden­sanierung und Metall­gewinnung läuft entsprechend schneller. Wie schaffen die „Viecher“ das, ihre Wirts­pflanze derart zu manipulieren? Sie greifen in den Haushalt von Sauerstoff­radikalen und Antioxidantien ein, ohne das pflanzliche Gleich­gewicht auszuhebeln. Sauerstoff­radikale sind wichtig für die Zellstreckung und als Signal-Molekül.

In hohen Dosen sind Sauerstoff­radikale allerdings tödlich; die Zelle stirbt ab. Antioxidantien und antioxidative Enzyme (die beseitigen die Radikale) sorgen für´s Gleichgewicht. Eine Zelle kann sich aber nur strecken, wenn ihre Wände nicht zu starr, nicht zu fest sind. Deshalb produzieren PGPRs Enzyme, z.B. Pektinasen und Zellulasen, die die Zellwand lockern. Wohlbemerkt nur „lockern“. Damit ist Streckenwachstum möglich. Strecken sich viele Zellen, wächst die Pflanze entsprechend schneller.

„Böse“ Mikroorganismen haben übrigens auch Pektinasen und Zellulasen. Die sind aber so aggressiv, dass Zellwände nicht nur gelockert, sondern durchbrochen werden. Ergebnis: Kollaps.

Teamwork-Strategie und Kandidatensuche

Zur Metallgewinnung und gleichzeitigen Boden­sanierung setzt man also am besten auf Teamwork zwischen Metall-­toleranten Pflanzen und geeigneten Mikro­organismen.

Wo kriegt man letztere her, und besiedelt denn jeder Mikro­organismus jede x-beliebige Pflanze? Pilz- und Bakterien­kulturen sind auf der ganzen Welt isoliert und charakterisiert worden, und die Natur hält Unmengen unbekannter Spezies auf Lager. Kandidaten kann man aus metall-­kontaminierten Böden oder Wasser gewinnen. Schließlich können im Gift nur Orga­nismen überleben, die die passende Entgiftungs­strategie haben.

Ob so ein Kandidat dann aber die Wunsch­pflanze tatsächlich besiedelt, muss getestet werden. Statt auf Einzel­kandidaten zu setzen, empfiehlt sich gleich das Verab­reichen eines „Bakterien-­Cocktails“. Hier kann die Pflanze dann selbst entschieden, wen sie aufnimmt und v.a. wen sie langfristig behält. Wächst sie lange genug auf metall­belasteten Böden wird sich aus dem Bakterien-Cocktail jener „Sub-Cocktail“ durchsetzen, der für die Pflanze optimal ist. Aus eigener Forschung habe ich solche Cocktails parat…

Über die Autorin

Prof. Dr. Andrea Pitzschke

Andrea Pitzschke geht konsequent einen grünen Weg. Studium Pflanzenbiochemie in Halle, Promotion Pflanze-Wirt-Partnerschaften in Norwich (UK). Nach der Postdoc-Zeit in Wien war sie Forschungsgruppenleiterin, hat in Molekularbiologie habilitiert, weiter an der Uni Salzburg an extrem-toleranten Pflanzen und Mikroorganismen geforscht und dabei allerhand Spannendes entdeckt. Damit Daten und Ideen nicht in Fachzeitschriften bzw. Schubladen verschwinden, sattelt sie zunehmend auf das Steckenpferd "Wissenschaftskommunikation/-journalismus" um. Egal für welches Alter, egal für welches Level, sie schreibt in "verständlich".

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