Im Jahr 2020 entdeckte die Stadt Lausanne, dass ein großer Teil ihres Bodens mit Dioxinen - chlorierten organischen Molekülen - verseucht war, eine Verschmutzung, die hauptsächlich durch industrielle Prozesse, die eine Verbrennung erfordern, verursacht wurde. In der Schweiz sind die meisten Böden mit diesen organischen Schadstoffen oder mit Schwermetallen verseucht. Es gibt zwar Methoden, um den Boden zu reinigen, aber sie sind oft teuer und schwerfällig. Außerdem muss man sich entscheiden, ob man den Boden entgiften oder ihn auch nur leicht kontaminiert lassen möchte.
Seit Jahren arbeiten Wissenschaftler und Unternehmen an einem nachhaltigen Ansatz zur Bekämpfung organischer Schadstoffe: der Bioremediation. Dabei wird ein Prozess genutzt, der auch in der Natur vorkommt. Mikroorganismen, die in Böden und Gewässern leben, wie Pilze und vor allem Bakterien, "fressen" die Schadstoffe in ihrer Umgebung, d. h. sie nutzen sie, um ihren zentralen Stoffwechsel zu betreiben, sich zu ernähren und sich zu vermehren, und bauen sie dabei ab. "Wie wenn wir Nudeln oder eine andere Stärke essen, wandelt unser Körper sie in Glukose um, die unsere Zellen nutzen, um unseren Körper am Laufen zu halten", veranschaulicht Christof Holliger, Leiter des Labors für Umweltbiotechnologie an der EPFL.
Chlor auf dem Speiseplan
An diesem Thema arbeiten die Forscher seit Jahren, genauer gesagt an Bakterien, die in der Lage sind, die Verschmutzung durch chlorhaltige Lösungsmittel abzubauen, die beispielsweise durch chemische Reinigungen entstehen. "Das ist die Hauptursache für die Verschmutzung der Böden und des Grundwassers in der Schweiz", erklärt Christof Holliger. Aber es gibt hochspezialisierte Bakterien, die wir isoliert und dann untersucht haben, um den Prozess zu verstehen, der dazu führt, dass sie chlorhaltige Bestandteile für ihre Funktion nutzen und sie in organische Bestandteile umwandeln, die nicht mehr toxisch sind." Und wenn diese Bakterien das schaffen, dann durch die Produktion von .... Proteinen.Diese Bakterien haben durch den häufigen Umgang mit Chlorverbindungen diese in ihr "Tagesmenü" aufgenommen und nutzen sie für ihre Atmung, so wie wir Sauerstoff. In einem mehrstufigen chemischen Prozess, der Dehalo-Atmung, nutzen diese Dehalo-Atmungsbakterien Bestandteile, die von anderen Bakterien produziert werden. Ihre Energiequelle ist Wasserstoff, der von noch mehr Bakterien produziert wird und aus der Fermentation organischer Bestandteile resultiert. Letztendlich erfolgt die Dechlorierung mithilfe eines bestimmten Proteins, einer reduktiven Dehalogenase, einem Enzym, das die chemische Kohlenstoff-Chlor-Bindung der verschmutzenden Bestandteile aufbricht, was zur Entgiftung führt.
Eine noch begrenzte Anwendung...
Aber auch wenn dieses Phänomen auf natürliche Weise auftritt, bedeutet das nicht, dass Bakterien jede beliebige kontaminierte Oberfläche sanieren können. Zunächst einmal muss die Konzentration des Schadstoffs im Boden relativ hoch sein. "Denn wenn sie zu niedrig ist, konkurriert sie mit vielen anderen organischen Molekülen, die allesamt mögliche Energiequellen für die Bakterien darstellen", betont Christof Holliger. Die Bakterien würden sich also nicht unbedingt für die Schadstoffe entscheiden, sondern für andere vorhandene Bestandteile.Außerdem arbeiten Bakterien nicht allein, sondern in Gruppen. Man müsste also nicht einfach nur ein Bakterium auswählen, es sich vermehren und arbeiten lassen oder es im Labor verbessern, bevor man es wieder in den Boden gibt, sondern eine ganze Gemeinschaft und Arbeitskette, wobei jedes Bakterium die Arbeit des vorherigen nutzt. Christof Holliger fügt hinzu, dass Böden oft auch mit vielen verschiedenen Stoffen belastet sind, was die Sache noch komplizierter macht.
... aber manchmal effektiv
Wenn die Bedingungen stimmen, kann die Bioremediation jedoch eingesetzt werden und den Verschmutzungsgrad weitgehend senken. Dazu greifen die Wissenschaftler selten in die Bakterien im Boden oder im Grundwasser ein, sondern sorgen dafür, dass sie optimale Bedingungen vorfinden, d. h. dass sie über alle Komponenten verfügen, die sie brauchen, um sich zu vermehren. "In einem mit Kohlenwasserstoffen verschmutzten Standort wird der Boden beispielsweise sehr viel Kohlenstoff enthalten. Man wird den Standort also mit anderen Elementen wie Stickstoff, Phosphor u. a. anreichern müssen, um ihnen günstige Bedingungen zu schaffen."Die Bioremediation hat also ihre Grenzen, wurde aber bereits in großem Umfang eingesetzt, vorerst außerhalb der Schweiz, bei Ölverschmutzungen oder verseuchtem Grundwasser. Einige Beispiele waren in den Medien weithin bekannt, wie die Ölverschmutzung durch Exxon Valdez in Alaska, andere weniger, die von in diesem Bereich tätigen Unternehmen verwaltet werden.
