Phytosanierung – Wie Pflanzen kontaminierte Umwelt retten können

Das Schürfen nach für uns nutzbaren Ressourcen und die darauffolgende industrielle Verarbeitung der gewonnenen Produkte können eine große Belastung für die Umwelt bedeuten. Viele Böden sind aufgrund von Altlasten kaum bis nicht nutzbar, Flüsse kontaminiert und die Luft verunreinigt. Die Wiederaufbereitung dieser zerstörten Umwelt nimmt nicht nur viel Zeit, sondern auch viel Geld in Anspruch. Doch die Natur ist auch in der Lage sich selbst zu helfen – zum Beispiel durch Phytosanierung! Was das im Detail ist, und wofür es gut ist, möchte ich in diesem Artikel näher beleuchten.

Die aktuelle Problematik

Umweltverschmutzungen, vor allem die Kontamination von Böden mit Schwermetallen, stellen inzwischen ein großes Problem in vielen Teilen der Welt dar. Ein Großteil dieser Kontaminationen ist durch die exzessive Gewinnung von Erzen und deren anschließende Weiterverarbeitung zustande gekommen. Beim Abbau von Erzen werden nicht nur die gewünschten Metalle, sondern auch eine ganze Reihe von Nebenprodukten mit abgebaut, die von geringem oder keinem Nutzen sind. Die gewünschten Metalle werden aus den Erzen gewonnen und der Rest später auf Halden oder einfach irgendwo entsorgt. Das führt dazu, dass viele Böden mit hohen Konzentrationen giftiger Stoffe belastet sind, die eine weitere Nutzung der Flächen erschwert oder sogar im schlimmsten Fall unmöglich macht. Schwermetalle beispielsweise sind in höheren Konzentrationen nicht nur extrem umweltschädlich, sondern stellen auch eine Gefahr für den menschlichen Körper dar, wenn sie über den Boden ins Grundwasser und schließlich in unser Trinkwasser gelangen. Es gibt verschiedene Arten von Bodenverschmutzungen, aber im Gegensatz zu vielen organischen Verbindungen können Schwermetalle nicht von Mikroorganismen abgebaut werden und reichern sich dadurch im Boden an.1

Abbildung 1: Kupfermine in Zypern. Diese Mine in Skouriotissa gehört zu den ältesten Minen der Welt. Die Entsorgung der bei der Förderung anfallenden Abfälle hat die Region um die Mine herum unbewohnbar gemacht. (Bildquelle: Wikipedia) 

Die oben gezeigten Bilder sind kein ungewöhnlicher Anblick für Minenregionen. Die Wiederaufarbeitung der zerstörten Flächen ist sehr teuer und rentiert sich häufig nicht. Trotz der hohen Konzentration an giftigen Substanzen kann mit der Zeit, je nach Art und Stärke der Kontamination, neues Wachstum von einigen wenigen Pflanzenarten beobachtet werden. Diese Pflanzen scheinen eine natürliche Anpassung an das Leben unter widrigen Bedingungen entwickelt zu haben, die wir uns zunutze machen können.

Schwermetalle – Herkunft und ihre Wirkung

Erst einmal vorweg: Schwermetalle sind nicht alle unbedingt schlecht. Ein großer Teil ist sogar essenziell für das Überleben der meisten Organismen. Zu diesen notwendigen Schwermetallen gehören zum Beispiel Eisen (Fe), Mangan (Mn), Kupfer (Cu), Zink (Zn) und Nickel (Ni). Diese werden von vielen Organismen in geringen Mengen benötigt, um für den Stoffwechsel wichtige Protein-Komplexe zu bilden. Das Hämoglobin in unserem Blut enthält beispielsweise Eisen. In höheren Dosen können diese zuvor Metalle aber schnell giftig werden. Zu hohe Mengen an Kupfer können zum Beispiel zu Hirn-, Leber- und Nierenschäden führen. Während wir darauf achten müssen, dass unsere Lebensmittel und unser Trinkwasser nicht kontaminiert sind, haben Pflanzen und andere Organismen ein zum Teil sehr komplexes Netzwerk entwickelt, um die Aufnahme der essenziellen Schwermetalle zu regulieren und so Vergiftungen zu vermeiden. Zusätzlich zu den biologisch relevanten Schwermetallen gibt es auch noch eine ganze Reihe nicht nutzbarer Metalle zu denen Kadmium (Cd), Blei (Pb), Arsen (As), Quecksilber (Hg) und Chrom (Cr) zählen. Diese können schon in kleinen Dosen gesundheitsschädlich wirken.2 Die Schwermetalle können sowohl aus natürlichen Quellen aber auch durch von Menschen verursachten Abfall in die Umwelt gelangen (siehe Abb.2).


Abbildung 2: Schematische Darstellung der von Menschen verursachten Schwermetall-Verschmutzung. Schwermetalle können auf viele verschiedene Arten in den Boden und in Gewässer gelangen. Durch Weiterverarbeitung von Erzen können sie sowohl in die Atmosphäre als auch mit dem Abwasser direkt in Gewässer gelangen. Durch Benzin (vor allem Oldtimer und Flugzeuge) gelangt Blei in die Atmosphäre und in der Atmosphäre befindliche Metalle lagern sich mit der Zeit wieder im Boden ab. Durch in der Landwirtschaft (vor allem im Ökolandbau) verwendete Pflanzenschutzmittel können zum Beispiel übermäßige Mengen an Kupfer in den Boden gelangen.

Auf natürliche Weise können manche Schwermetalle durch Verwitterung von an der Oberfläche verfügbaren Erzen freigesetzt werden. Aber auch Vulkanausbrüche können tief im Gestein eingelagerte Metalle freisetzen und an den Boden oder die Atmosphäre abgeben. Sie bilden eine der größten natürlichen Quellen für Bodenkontamination mit Schwermetallen. Anthropogene, also von Menschen verursachte, Quellen für Schwermetallbelastungen im Boden und in Gewässern sind Bergbau, industrielle Weiterverarbeitung der im Bergbau gewonnenen Ressourcen, schlechtes Recycling in Entwicklungsländern, Emissionen von Transportmitteln und Landwirtschaft. Die Art der Schwermetalle variiert je nach Quelle. Autos und Flugzeuge, aber auch Farben und Batterien sind eine Quelle für Bleikontaminationen. Kupfer, Arsen und Quecksilber sind früher häufig als Pflanzenschutzmittel genutzt worden, bevor chemische Präparate entwickelt worden sind.3 Aufgrund der heute bekannten gesundheits- und umweltschädlichen Wirkung wird größtenteils auf Schwermetallbestandteile verzichtet, aber es gibt immer noch Präparate, vor allem im Ökolandbau, die zum Beispiel Kupfer und/oder Quecksilber enthalten.4 Die meisten anderen Schwermetalle stammen aus dem Bergbau und damit verbundener Industrie.5

Was genau ist Phytosanierung?

Phytosanierung oder auch aus dem Englischen Phytoremediation (phyto = Pflanze, remediation = Wiederherstellung, Sanierung), ist die Bekämpfung der zuvor genannten Umweltverschmutzungen durch den Einsatz von Pflanzen. Demgegenüber stehen andere technische Methoden wie Abtragung und Aufbereitung kontaminierter Böden und Sedimente oder die Versiegelung der Fläche durch Zement oder Beton.6 Aber zurück zur Frage, was Phytosanierung eigentlich ist: Es gibt Pflanzen, die in der Lage sind, toxische Stoffe zu neutralisieren und so kontaminierte Umwelt wieder zu reinigen. Dabei werden mehrere verschiedene Arten von Phytosanierung unterschieden, je nachdem, wie die Verunreinigung angegangen wird: Phytoextraktion, Phytodegradation, Rhizofiltration, Phytostabilisierung, Phytostimulation und Phytovolatilisation (siehe Abb. 3).7 8 Wir werden uns hier hauptsächlich mit der Phytoextraktion und dem damit verbundenen Begriff des Phytomining beschäftigen. Dabei werden jeweils Beispiele für Pflanzen vorgestellt, die für die jeweilige Anwendung genutzt werden können.


Abbildung 3: Schematische Übersicht über verschiedene Strategien der Phytosanierung. Phytoextraktion: Aufnahme von Verunreinigungen (meistens Metalle) durch die Wurzeln und häufig anschließende Speicherung in oberirdischen Pflanzenteilen. Phytostabilisierung: Absonderung spezieller Stoffe durch die Wurzeln, welche im Boden gelöste Metalle unlöslich machen und so deren Verbreitung limitieren. Phytodegradation: Abbau (und somit Unschädlichmachen) organischer Verunreinigungen in den Zellen der Pflanze. Phytostimulation: Absonderung verschiedener Stoffe, die das Wachstum von im Boden vorkommenden Mikroorganismen anregen, welche dann organische Verunreinigungen verstoffwechseln können. Phytovolatilisation: Aufnahme von Verunreinigungen (Metalle und Metalloide, aber auch organische Verbindungen) durch die Wurzeln, Umwandlung in eine nicht-toxische Form und anschließende Abgabe an die Atmosphäre über die Blätter.9 (Bildquelle: Favas et al., 2013)

Phytoextraktion – oder die Kunst, toxische Stoffe aus dem Boden zu ziehen

Die Phytoextraktion, auch Phytoabsorption oder Phytoakkumulation genannt, ist eine Methode der Phytosanierung, bei der die Pflanzen toxische Stoffe aufnehmen und in oberirdischen Organen wie dem Spross oder den Blättern speichern können, ohne selbst Schaden zu nehmen. 10 Diese Pflanzen sind sogenannte Hyperakkumulatoren, die genetisch und physiologisch daran angepasst sind, auch größere Mengen an toxischen Substanzen zu absorbieren. Sie besitzen eine gewisse Toleranz gegenüber dem giftigen Stoff, die es ihnen ermöglicht, auf den kontaminierten Böden zu wachsen. Für die erfolgreiche Extraktion ist es wichtig, dass die Pflanzen in der Lage sind, die Giftstoffe über die Wurzeln hinaus in Pflanzenteile zu transportieren, die später geerntet werden können. Dazu muss die Pflanze über Membranproteine verfügen, die in der Lage sind, zum Beispiel das entsprechende Schwermetall zu transportieren, damit es nicht in den Wurzeln akkumuliert. Kadmium zählt beispielsweise zu den sehr mobilen Schwermetallen, die einfach durch die Pflanze transportiert werden können, wohingegen Blei eher weniger mobil ist und in den Wurzeln verbleibt.11 Neben der Fähigkeit, die Metalle zu transportieren, sollten die Transporter auch in hoher Zahl verfügbar sein, damit die Pflanze größere Mengen aufnehmen kann. Dies kann zum Beispiel durch genetische Adaption erreicht werden, indem zum Beispiel das Gen in höherer Kopienzahl im Genom vorhanden ist oder die Expression der Gene hochreguliert ist. Am besten wäre eine Kombination aus beidem.

Bevor wir zu Beispielpflanzen übergehen, fassen wir einmal die wichtigsten benötigten Eigenschaften zusammen, die Pflanzen benötigen, um Phytoextraktion von Schwermetallen durchzuführen:

  • Schnelles Wachstum: möglichst schnelle Verfügbarkeit von oberirdischen Organen
  • Große Mengen an überirdischer Biomasse: je mehr Biomasse zur Verfügung steht, desto mehr Metalle können dort gespeichert werden
  • Ausgeprägtes Wurzelsystem: rasche Aufnahme der Schwermetalle aus dem Boden
  • Hyperakkumulation des spezifischen Schwermetalls
  • Transport der Metalle von den Wurzeln in oberirdische Organe
  • Toleranz gegenüber den toxischen Eigenschaften der Schwermetalle
  • Anpassungsfähigkeit an die Umgebung und das Klima
  • Resistenz gegen Pathogene und Herbivoren: wird die Pflanze vorher gefressen oder stirbt durch Pathogenbefall, kann sie nicht genutzt werden
  • Einfache Kultivierung und Ernte

Theoretisch ist es auch möglich Pflanzen zu verwenden, die keine Hyperakkumulatoren sind, aber viel Biomasse produzieren, für Rückgewinnung und Entsorgung eigenen sich jedoch Hyperakkumulatoren mit einer geringeren Biomasse besser. Auch Nutzpflanzen können zum Teil zur Phytoextraktion eingesetzt werden, dort sollte aber bedacht werden, dass Erträge dieser Pflanzen nicht als Lebensmittel oder Tierfutter geeignet sind, da sich die Schwermetalle auch in den Samen anreichern.12

Die meisten Hyperakkumulatoren finden sich, mit rund 25 % der für Phytoextraktion geeigneten Pflanzen, in der Familie der Brassicaceae, der Kreuzblütler. Dort kann vor allem Nickel-, Zink- und Kadmium-Hyperakkumulation und -Hypertoleranz beobachtet werden. Die wichtigsten Spezies, die hier zu nennen sind, sind Noccaea caerulescens (Gebirgs-Hellerkraut oder Gebirgs-Täschelkraut), Arabidopsis halleri (Hallersche Schaumkresse) und Alyssum spec. (Steinkraut). N. caerulescens ist ein Zink-, Blei- und Kadmium-Hyperakkumulator, A. halleri ein Zink- und Kadmium-Hyperakkumulator und Alyssum spec. akkumuliert vor allem Nickel.13 14 Diese Pflanzen haben einen eher kleinen Habitus mit geringer Biomasse, gehören aber aufgrund ihrer stark ausgeprägten Hyperakkumulation zu den vielversprechendsten Kandidaten für die Anwendung in der Phytoextraktion.

Tabelle 1: Übersicht über Rekord-Hyperakkumulatoren für verschiedene Schwermetalle.15 16

SchwermetallToxische Konzentration (µg/g Trockenmasse)Konzentration in Hyperakkumulatoren (µg/g Trockenmasse)Rekordpflanzen
Arsen (As)<2-80>1000Pteris vittata
Blei (Pb)0,6-28>1000Noccaea rotondifolia
Kadmium (Cd)6-10>100Arabidopsis halleri
Kupfer (Cu)20-30>300Aeolanthus biformifolius
Mangan (Mn)200-3500>10000Virotia neurophylla
Nickel (Ni)10-50>1000Berkheya coddi
Zink (Zn)100-300>3000Noccaea caerulescens

Ein Beispiel für die erfolgreiche Anwendung von Phytoextraktion und Rhizofiltration in Kombination mit im Boden lebenden Mikroorganismen in Feuchtgebieten und Bachsystemen findet sich zum Nachlesen unter: www.fao.org/3/cb4894en/online/src/html/chapter-13-4.html (Abschnitt 13.4.1.3. Phytoremediation, Case Study 4). Dort wurde in Italien ein Feuchtgebiet nahe einer Mine im Verlauf von 11 Jahren sehr aufwendig saniert und wiederaufbereitet.

Rückgewinnung von Stoffen durch Phytomining

Während es bei der Phytoextraktion möglich ist, verschiedene toxische Stoffe aus dem Boden zu extrahieren, fokussiert sich das Phytomining rein auf die Extraktion von Metallen aus dem Boden. Dabei werden die Pflanzen auf kontaminierten Böden angebaut, nach einiger Zeit geerntet und dann verbrannt. Aus der Asche können dann entsprechende Metalle zurückgewonnen werden. Diese Methode ist noch nicht sehr verbreitet, bietet aber eine gute Möglichkeit, um noch Schwermetalle aus Böden zu gewinnen, wo sich aufgrund der geringen vorhandenen Menge herkömmliche Fördermethoden finanziell nicht mehr lohnen. Als praktischer Nebeneffekt werden die Schwermetallkontaminationen aus den entsprechenden Böden entfernt.


Abbildung 4: Das Mauer-Steinkraut im Osten Albaniens. Die Pflanze ist ein Nickel-Hyperakkumulator und wird zur Gewinnung des Schwermetalls durch Phytomining eingesetzt. (Bildquelle: Quarks, 2018)

Ein Beispiel für die Verwendung von Phytomining kann im Osten Albaniens beobachtet werden. Die Böden dort sind von Natur aus besonders mit Schwermetallen belastet, was herkömmliche Landwirtschaft wenig ertragreich macht. Es gibt dort auch wenig Industrie, wodurch die vor Ort lebende Bevölkerung zu einer der ärmsten in Europa gehört. Die Böden sind zwar landwirtschaftlich nicht nutzbar, aber überall wächst Alyssum murale, das Mauer-Steinkraut. Diese Pflanze ist ein starker Nickel-Hyperakkumulator und an das Leben auf Nickel-kontaminierten Böden angepasst. Was zunächst als Unkraut auf den ungenutzten Äckern wuchs, hat sich inzwischen als rentabler Verdienst für die lokalen Bauern herausgestellt. Das Nickel kann aus den Pflanzen durch Verbrennung zurückgewonnen werden. Vor allem in den Blättern wird das Schwermetall gespeichert, dort beträgt der Gehalt bis zu 1-2 %. Die getrockneten Pflanzen können zu einem guten Preis verkauft werden und in einigen Jahren könnte es auch wieder möglich sein, Nahrungsmittel in der Region anzubauen.17

Fazit

Die Phytosanierung hat als Methode zur Dekontamination von mit Altlasten verunreinigten Böden viele Vorteile, aber auch durchaus Limitierungen.

Der Ansatz, mit reiner Phytosanierung Böden und Gewässer zu reinigen, ist wahrscheinlich kostengünstiger als die technologischen Alternativen und in Kombination mit Phytomining können sogar noch Einnahmen aus den Pflanzen generiert werden. Die meisten zur Phytosanierung geeigneten Pflanzen sind ziemlich anspruchslos und gut an das Leben unter widrigen Bedingungen angepasst, was ihre Nutzung erleichtert. Durch Züchtung und gezielten Einsatz von Gentechnik oder Genome Editing können die natürlichen Fähigkeiten der Pflanzen weiter verbessert oder vielleicht sogar kombiniert werden, um eine noch effektivere Reinigung zu ermöglichen. Auch der zusätzliche Einsatz von im Boden lebenden Mikroorganismen, die ebenfalls dazu in der Lage sind, die toxischen Substanzen zu bekämpfen, könnte die Methode effektiver machen.

Limitierende Faktoren sind zum Beispiel das Überleben der Pflanzen auf den Böden. Es kann sein, dass die Konzentration an toxischen Stoffen selbst für tolerante Arten zu hoch ist oder es an anderen wichtigen Nährstoffen mangelt. Ersteres könnte mit weiterer Erhöhung der Toleranz durch Züchtung verbessert werden. Die Pflanzen werden wahrscheinlich nicht in der Lage sein, das Einsickern der toxischen Stoffe ins Grundwasser komplett zu unterbinden, da sie auch nur den Bereich des Bodens reinigen können, den ihre Wurzeln erreichen. Hier könnten Pflanzen mit stärker ausgeprägten Wurzelsystemen gezüchtet werden, aber es werden immer Limitierungen bleiben. Zu guter Letzt sollte beachtet werden, dass die Verwendung von Nutzpflanzen zur Phytosanierung eher nicht geeignet ist, da kein toxisches Pflanzenmaterial in den Lebensmittelkreislauf eingebracht werden sollte.

Da im Bereich der Phytosanierung auch aktuell noch viel Forschung betrieben wird und erste Ansätze bereits vielversprechende Ergebnisse geliefert haben, wird sich die Phytosanierung in der Zukunft wohl noch weiterentwickeln.

Zum Weiterlesen oder -schauen:

Yvonne Danisch
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Einzelnachweise

  1. Ali, H; Khan, E; Sajad, M A. Phytoremediation of heavy metals – concepts and applications. – https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2013.01.075
  2. Ali, H; Khan, E; Sajad, M A. Phytoremediation of heavy metals – concepts and applications. – https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2013.01.075
  3. FAO and UNEP. Global assessment of soil pollution: Report. – https://doi.org/10.4060/cb4894en
  4. British Crop Production Council. Compendium on Pesticide Common Names. – https://pesticidecompendium.bcpc.org
  5. FAO and UNEP. Global assessment of soil pollution: Report. – https://doi.org/10.4060/cb4894en
  6. Cunningham, S D; Berti, W R. Remediation of contaminated soils with green plants: An overview. – https://doi.org/10.1007/BF02632036
  7. Salt, D E; Smith, R D; Raskin, I. PHYTOREMEDIATION. – https://doi.org/10.1146/annurev.arplant.49.1.643
  8. Favas, P JC; Pratas, J; Varun, M; D’Souza, R; Paul, M S. Phytoremediation of Soils Contaminated with Metals and Metalloids at Mining Areas: Potential of Native Flora. – https://doi.org/10.5772/57469
  9. Favas, P JC; Pratas, J; Varun, M; D’Souza, R; Paul, M S. Phytoremediation of Soils Contaminated with Metals and Metalloids at Mining Areas: Potential of Native Flora. – https://doi.org/10.5772/57469
  10. Ali, H; Khan, E; Sajad, M A. Phytoremediation of heavy metals – concepts and applications. – https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2013.01.075
  11. Sękara, A; Poniedziałek, M; Ciura, J; Jędrszczyk. Cadmium and Lead Accumulation and Distribution in the Organs of Nine Crops: Implications for Phytoremediation. – http://www.pjoes.com/Cadmium-and-Lead-Accumulation-and-Distribution-in-the-Organs-of-Nine-Crops-Implications,87786,0,2.html
  12. Ali, H; Khan, E; Sajad, M A. Phytoremediation of heavy metals – concepts and applications. – https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2013.01.075
  13. FAO and UNEP. Global assessment of soil pollution: Report. – https://doi.org/10.4060/cb4894en
  14. Memon, A R. Metal Hyperaccumulators: Mechanisms of Hyperaccumulation and Metal Tolerance. – https://doi.org/10.1007/978-3-319-40148-5_8
  15. Reeves, R D; Baker, A J M; Jaffré, T; Erskine, P D; Echevarria, G; van der Ent, A. A global database for plants that hyperaccumulate metal and metalloid trace elements. – https://doi.org/10.1111/nph.14907
  16. Krämer, U. Metal Hyperaccumulation in Plants. – https://doi.org/10.1146/annurev-arplant-042809-112156
  17. Quarks. Diese Pflanze “erntet” Nickel. – https://www.youtube.com/watch?v=D8q-pjgB30Y

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