Die feinen Pilzfäden sind über und über von Bakterien besiedelt (rot eingefärbt). Das Bild zeigt einen Ausschnitt von etwa 50 mal 34 Mikrometern und stammt von einem Team um Anaële Simon von der Université de Neuchâtel
©Anaële Simon, Université de Neuchâtel

Biologie Eine starke Allianz

Die Sanierung alter Industriestandorte, Müllkippen und Tankstellen ist aufwändig und teuer. Dabei gibt es im Untergrund bereits eine Arbeitsgemeinschaft, die Schadstoffe unschädlich machen kann. Eine Geschichte von Pilzen und Bakterien

von Dr. Anja Worrich

Glyphosat ist momentan ja irgendwie in aller Munde. Der Unkraut­vernichter, der seit den 1970er Jahren welt­weit in Gebrauch ist, lässt sich in vielen Nahrungs­mitteln nach­weisen und steht im Verdacht, Krebs aus­zulösen. Doch Glyphosat ist nur eine von unzähligen chemischen Substanzen, die durch uns Menschen in die Böden gelangen, wo sie von Pflanzen auf­genommen werden oder ins Grund­wasser gelangen können. Neben Substanzen aus der Land­wirtschaft sind dies insbesondere organische Schad­stoffe wie Öle oder Löse­mittel aus Tank­stellen, Industrie­stand­orten oder alten Deponien. Der­zeit gibt es in Deutsch­land mehr als 260.000 als „Altlast“ verdächtigte Flächen.

Als Schadstoffe gelten Substanzen erst dann, wenn sie aufgrund ihrer Eigenschaften ab einer bestimmten Konzentration für Menschen, Tiere oder Pflanzen schädlich sind. Nur: Bei einem Groß­teil der heute verwendeten über 100.000 Chemikalien weiß man über deren Gefährlich­keit nichts. Gesund­heitliche oder öko­toxi­kologische Gefährdungs­beurteilungen wurden nie vor­genommen. Gewiss ist aber: In unseren Körpern lassen sich mittler­weile mehr als 300 chemische Substanzen nach­weisen, die dort eigentlich nicht hin­gehören. Das zeigt, wie wichtig saubere Böden sind, denn hier wächst das Getreide und weidet das Vieh.

Dass die Folgen des anhaltenden Chemikalien­eintrags oft erst Jahre oder Jahr­zehnte später zu spüren sind, liegt an den besonderen Eigen­schaften des Bodens. Er bindet die Stoffe chemisch oder physikalisch – und zwar so lange, bis die Speicher­kapazität für die jeweiligen Substanzen erschöpft ist. Zum anderen ist der Boden aber auch Lebens­raum für Myriaden von Mikro­organismen, die sich von organischen Substanzen ernähren. Diese können natürlichen, aber auch nicht-natürlichen Ursprungs sein. Kurzum: Manche Schad­stoffe werden im Lauf der Zeit im wahrsten Sinne des Wortes gefressen.

Allerdings sind die Schadstoffe im Boden ungleich­mäßig verteilt und die Bakterien müssen sich erstmal den Weg zu ihnen bahnen. Die meisten verfügen über dünne, schrauben­förmig gewundene Geißeln, die die wenige tausendstel Milli­meter großen Organismen antreiben – auf diese Weise schaffen sie durchaus Weg­strecken von einigen Metern pro Tag. Schon der Urvater der Mikro­skopie, Antoni van Leeuwenhoek, konnte das Treiben der Bakterien beobachten und beschrieb 1676 das „Umher­wimmeln kleiner Kreaturen“ in einem Wasser­tropfen.

Mit Hilfe des Sekundärionen-Massen­spektrometers (NanoSIMS) konnte Anja Worrich (rechts) zeigen, wie Nährstoffe und Wasser durch die Pilzfäden transportiert werden – und die Bakterien versorgen.
©Ingo Knopf
Mit Hilfe des Sekundärionen-Massen­spektrometers (NanoSIMS) konnte Anja Worrich (rechts) zeigen, wie Nährstoffe und Wasser durch die Pilzfäden transportiert werden – und die Bakterien versorgen.

Doch wo kein Wasser ist, können sich diese Kreaturen nicht bewegen – und keine neuen Nahrungs­quellen erschließen. Insbesondere mit Luft gefüllte Boden­poren stellen unüber­wind­bare Hinder­nisse dar. Und dennoch: Obwohl die Poren oberhalb des Grund­wasser­spiegels nur teil­weise wasser­gefüllt sind, kommen Bakterien von A nach B. Ihr Trick: Sie nutzen die dünnen Zell­fäden (Hyphen) von Pilzen, die im Unter­grund dichte Geflechte bilden. „Diese Hyphen kann man sich wie eine Pilz­auto­bahn vor­stellen, entlang derer sich Bakterien schnell aus­breiten können“, sagt Lukas Wick, Leiter der Arbeits­gruppe Bio­verfüg­bar­keit am Helmholtz-Zentrum für Umwelt­forschung in Leipzig. „Dabei bewegen sie sich nicht inner­halb der Hyphen, sondern in einem dünnen Wasser­film, der diese umgibt.“

Unter dem Mikroskop kann man bestens beobachten, wie sich die unter fluoreszierendem Licht hell­grün leuchtenden Bakterien entlang der Pilz­hyphen bewegen und in neue Lebens­räume vor­dringen. Über die Zusammen­setzung dieser Filme ist wenig bekannt, gewiss ist aber, dass die Bakterien hier auch Nähr­stoffe finden, die von außen in die dünne Wasser­schicht der Hyphen diffundieren. Die Mikroben können dann dem Konzentrations­gefälle folgend entlang der Hyphen bis zur Quelle der Nähr­stoffe wandern, beispiels­weise die Öl- und Benzin­reste unter einer alten Tank­stelle.

Selbst im Extremfall vollkommener Trocken­heit bewährt sich diese Pilz­auto­bahn. Ohne Wasser fallen die Bakterien nämlich in eine Art Winter­schlaf, bilden Sporen und können in dieser Form Jahr­­zehnte, Jahr­hunderte, sogar Jahr­millionen über­dauern. Stoff­wechsel­prozesse lassen sich nicht mehr nach­weisen, was natürlich auch bedeutet, dass sie keine Schad­stoffe mehr umsetzen.

Doch jene Pilzhyphen können auch in trockene Bereiche sprießen und dort verharrende Sporen zu neuem Leben erwecken. Unter dem Mikro­skop ist deutlich zu sehen, wie das feuchte Pilz­geflecht die kleinen, rund­lichen und nur etwa einen Tausendstel Milli­meter großen Bakterien­sporen erreicht und zu neuem Leben erweckt. Sie strecken sich, wachsen um das Zehn­fache an und vermehren sich.

Das Sekundärionen-Massen­spektr­ometer (Nano­SIMS) offenbart, wie das vonstatten geht. Mit seiner Hilfe lassen sich stabile Isotope nachweisen: Atom­arten eines bestimmten Gewichts, die in der Natur sehr selten vorkommen. Stellt man den Pilzen ein mit diesen Markern versetztes Nähr­medium zur Verfügung, lässt sich der Transport dieses Mediums innerhalb der Pilz­fäden nach­voll­ziehen. Tatsächlich strömt es durch die Hyphen und – das konnten wir mit Hilfe dieser Methode nachweisen – versorgt die Bakterien über diesen Weg mit Wasser und Nährstoffen.

So ergibt sich also eine Allianz zwischen Pilzen und Bakterien, die sich für die schonende Sanierung von kontaminierten Böden eignen könnte. Heute übliche Verfahren sind technisch ungeheuer aufwändig. Häufig müssen die belasteten Areale großflächig ausgehoben werden und der verschmutzte Boden auf Temperaturen von über 500 Grad Celsius erhitzt werden, um die flüchtigen Schad­stoffe aus­zu­treiben. Bei den so genannten Bio­remediations­verfahren geht es indes darum, die Natur die Arbeit machen zu lassen.

Was im gut kontrollierten Labor­versuch bestens funktioniert, kann in der Natur aller­dings durchaus scheitern. So ist die Zusammen­setzung organischer Schad­stoffe an entsprechenden Stand­orten meist sehr heterogen. Manche der Substanzen schmecken den Bakterien schlicht nicht, andere sind sogar giftig und bei wieder anderen entstehen beim mikrobiellen Abbau neue Verbindungen, die ihrer­seits die Umwelt schädigen. Und: Mikroben können nur organische Schad­stoffe verdauen. Schwer­metalle etwa lassen sich mit ihrer Hilfe nicht beseitigen.

Ein weiteres Problem: Mikro­organismen sind nicht die schnellsten und brauchen deshalb unsere Unter­stützung bei der Arbeit. Der Boden wird dafür zu so genannten Mieten auf­geschüttet, in denen sich die Lebens­bedingungen der Mikro­organismen hinsichtlich Temperatur, Sauer­stoff- und Wasser­gehalt optimieren lassen. In ersten Pilot­anlagen geht es nun darum, auch darauf zu verzichten und statt­dessen die Allianz von Pilzen und Bakterien gezielt vor Ort zu stimulieren. An ehemaligen Militär­flugp­lätzen und Tank­lagern stellen sie jetzt ihr Können unter Beweis.

Überforderte Natur

Wie Bakterien die Folgen der Deepwater-­Horizon-Katas­trophe minderten – ein bisschen jeden­falls

An jedem Tag fließen über 160 000 Liter Öl in den Golf von Mexiko. Das entspricht der Ladung von etwa vier Tank­last­wagen. Machen kann man daran nichts, denn die zähe schwarze Flüssig­keit tritt am Meeres­boden aus natürlichen Öl­quellen aus. Und zwar seit Millionen von Jahren. Rohöl ist hier auch Teil der Nahrungs­kette hunderter von Bakterien-, Algen- und Pilz­arten.

Als am Abend des 20. April 2010 rund 80 Kilometer vor der Küste Louisianas die Bohr­platt­form Deepwater Horizon explodierte, strömten täglich neun Millionen Liter Roh­öl ins Meer. Nach 84 Tagen waren es etwa 760 Millionen Liter – das entspricht der Ladung von fast 20.000 Tanklast­wagen. Die Deepwater-Horizon-Explosion führte zur schwersten Katas­trophe dieser Art aller Zeiten.

Um die Bildung eines Ölteppichs zu verhindern, wurden etwa 7 Millionen Liter eines Dispersions­mittels versprüht. Das Öl bildete nun riesige Wolken, in denen eine deutliche höhere Bakterien­dichte gemessen wurde. Einige der leichter flüchtigen Substanzen verschwanden inner­halb von Tagen, Wochen und Monaten. Ein Grund dafür: Im Golf von Mexiko gibt es bereits ein auf Roh­öl spezialisiertes mikro­bielles Öko­system.

Doch allzu hohe Erwartungen wurden enttäuscht. Am Ende lagen die Raten der biologischen Schadens­begrenzung unter den Erwartungen der Experten. Die meisten Schad­stoffe blieben viel länger im Wasser als erwartet. So berichtete Max Grünig, Präsident des Ecologic Institute in Washington, dass mehr als sieben Jahre nach der Katas­trophe in den Eiern von Pelikanen noch immer Spu­ren des Öls zu finden seien. Auch sei bei den Delfinen bis heute die Sterblich­keit erhöht – bei gleich­zeitig niedrigeren Fort­pflanzungs­raten.

Von Joachim Schüring

Nach der Explosion der Deepwater Horizon bildete sich ein fast 10.000 Quadratkilometer großer Ölteppich.
©Getty Images / Kris Krug
Nach der Explosion der Deepwater Horizon bildete sich ein fast 10.000 Quadrat­kilometer großer Ölteppich.
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