Die Metalle, die auf Bäumen wachsen

Im Jahr 1976 beschrieben Forscher aus Neuseeland und der pazifischen Insel Neukaledonien in einem Artikel der Zeitschrift „Science“ eine neue Erkenntnis: In den Geweben von Bäumen der Gattung Sebertia acuminata (heute Pycnandra acuminata genannt), die im Norden Neukaledoniens wachsen, fand man große Mengen an Nickel. Obwohl schon vorher mehrere nickelreiche Bäume entdeckt wurden - fast alle in Neukaledonien - war dieser Baum etwas ganz Besonderes: Sein Harz war blau - ein Umstand, der auf einen hohen Nickelgehalt hinweist. Tatsächlich war fast ein Prozent des Gesamttrockengewichts des Holzes (d. h. seines Gewichts nach dem Trocknen) Nickel - zehnmal mehr als bei jeder Pflanze, die bis dahin bekannt war. Das Harz des Holzes enthielt dabei eine unglaubliche Menge an Nickel: ein Viertel seines Trockengewichts.

Solche Pflanzen werden Hyperakkumulatoren genannt, da sie große Mengen an Metallen aufnehmen können, von denen einige giftig sind. Inzwischen sind Hunderte von Pflanzenarten mit Hyperakkumulation bekannt, von denen etwa 530 Arten Nickel ansammeln, 50-40 Arten, die sich auf eines der Metalle Kupfer, Kobalt, Mangan und Selen spezialisiert haben, und mehrere andere Arten, die Arsen anreichern, Cadmium, Blei oder Zink. Es gibt sogar Arten, die seltene Metalle wie Lanthan und Cer anreichern.

Ein Forscher untersucht Pflanzenwurzeln der Gattung Thlaspi, einem Hyperakkumulator von Schwermetallen wie Zink und Cadmium | Foto: KEITH WELLER / US DEPARTMENT OF AGRICULTURE / SCIENCE PHOTO LIBRARY

Landwirtschaftlicher Abbau

Die Hyperakkumulation entwickelte sich im Laufe der Evolution bei Pflanzen, die auf schwermetallreichen Böden wuchsen. Diese Metalle haben viele industrielle Anwendungen, aber ihr Abbau ist ein teures, umweltschädliches Geschäft und erfordert viel Energie. Hyperakkumulatoren können in manchen Fällen eine effektive Alternative zum direkten Abbau aus dem Boden darstellen.

In einer Studie aus dem Jahr 2019 untersuchte beispielsweise eine Forschungsgruppe um Antony van der Ent die Möglichkeit, die Pflanze Phyllanthus rufuschaneyi zum Abbau von Nickel in Böden, die reich an Eisen, Magnesium und Schwermetallen sind in Malaysia zu nutzen. Es handelt sich um eine seltene Pflanze, die aufgrund von Bränden und großflächiger Abholzung vom Aussterben bedroht ist. Die Pflanze wurde aufgrund ihrer Anpassung an das lokale Klima und der Tatsache ausgewählt, dass sie mehrere dünne Stängel besitzt, die nach dem Abschneiden schnell nachwachsen. Darüber hinaus schützt ihr hoher Nickelgehalt sie vor Schädlingen.

Die Forscher bauten die Pflanze in Töpfen an, die mit Erde aus einem zum Abbau vorgesehen Gebiet gefüllt waren und stellten fest, dass der Nickelgehalt bei den alten Blättern fast drei Prozent und bei den jungen Blättern und Stängeln etwa ein Prozent erreichte. Ähnliche Ergebnisse wurden auch bei Pflanzen gefunden, die in der Natur wuchsen. Die Forscher untersuchten auch die Eigenschaften des Bodens – wie den Nickelgehalt, den Säuregehalt und mehr, sowie ihre Auswirkungen auf die Aufnahmefähigkeit der Pflanzen von Nickel. Ihrer Meinung nach weisen die Ergebnisse auf eine wirtschaftlich reale Durchführbarkeit des landwirtschaftlichen Nickelabbaus (Agromining) im untersuchten Gebiet hin.

Einfache Diagnose. Mit Dimethylglyoxim getränktes Gewebe verfärbt sich in Gegenwart von Nickel blau und ermöglicht eine leichte Identifizierung des Metalls in Pflanzengeweben | Foto aus der Forschungsarbeit von Gei et al

Biologische Reinigung

Neben der möglichen Verwendung für den Abbau können Hyperakkumulatoren auch zur Reinigung einer verschmutzten Umgebung verwendet werden. Viele Böden in der Nähe von Industriegebieten oder in der Nähe von stark befahrenen Straßen sowie landwirtschaftliche Flächen und Grundwasser sind mit Schwermetallen belastet. Cadmium-Verunreinigungen auf Reisfeldern können beispielsweise die Reisproduktion auf dem Feld beeinträchtigen und sogar die Gesundheit der Verbraucher gefährden.

Im Laufe der Jahre wurden auf der Grundlage physikalischer und chemischer Prinzipien viele Methoden entwickelt, um Grundwasser und Böden von giftigen Metallen zu reinigen. Diese Methoden sind jedoch teuer, verbrauchen viel Energie und belasten die Umwelt auf andere Weise. Viele von ihnen sind auch nicht für landwirtschaftliche Flächen geeignet, da die Behandlung die Bodeneigenschaften verändert und die Konzentration der von Pflanzen benötigten Elemente wie Phosphor, Kalium, Magnesium und dergleichen beeinflusst.

Hyperakkumulatoren können diese umweltbelastenden und teuren Methoden scheinbar ersetzen. Eine Anfang 2020 veröffentlichte Studie ergab beispielsweise, dass die Pflanze Mauer-Steinkraut (Odontarrhena chalcidica) in der Lage ist, auf nickelhaltigen Industrieabfällen zu wachsen und das darin enthaltene Nickel aufzunehmen. Forscher sehen darin eine kostengünstige und saubere Methode, Industrieabfälle aus dem Boden zu entsorgen und Nickel zu recyceln.

Ideen gibt es zuhauf. Beispielsweise wurden Studien durchgeführt, um die Fähigkeit verschiedener Bambusarten zu untersuchen, die Schwermetalle wie Blei, Cadmium, Kupfer und Zink anreichern. Ein 2020 veröffentlichter Übersichtsartikel über Versuche, Blei aus Böden zu entfernen, ergab, dass bisher noch keine Pflanzen bekannt sind, die effizient Blei aus dem Boden saugen können. Es gibt jedoch Pflanzen, die in Böden mit hohem Bleigehalt überleben können und mit Hilfe ihrer Wurzeln verhindern, dass das staubförmige Blei in andere Bereiche gelangt oder in das Grundwasser eindringt.

Das Gesamtbild ist jedoch komplexer: Es gibt eine Vielzahl von umweltschädlichen Metallen und unterschiedliche Verschmutzungsgrade. Die Herausforderung besteht darin, die richtige Pflanze für die jeweilige Verschmutzung und den bestimmten Boden zu finden. Pflanzen müssen in der verschmutzten Umwelt wachsen und die giftigen Metalle erfolgreich aus dem Boden oder dem Grundwasser extrahieren können. Die Erforschung zur Bodenreinigung durch Pflanzen gewinnt an Bedeutung, aber es ist noch viel mehr Forschung erforderlich, bevor sie erfolgreich in der Praxis umgesetzt werden kann.

Auch die Methoden zur Erforschung dieses Bereichs müssen erst entwickelt werden. Einer der Gründe, warum die meisten der bisher gefundenen Hyperakkumulatoren gerade Nickel absorbieren, liegt daran, dass es in Pflanzen relativ leicht zu identifizieren ist. Es gibt einen einfachen und nützlichen wissenschaftlichen Test, der sogar auf dem freien Feld durchgeführt werden kann, um solche Pflanzen zu finden - alles, was man braucht, ist ein Tuch, das mit einer Substanz namens Dimethylglyoxim getränkt ist, die bei Kontakt mit Nickel seine Farbe ändert. Im Gegensatz dazu erfordert die Entdeckung von Hyperakkumulatoren anderer Metalle die Entnahme von Pflanzenproben und komplexe Labortests.

In den letzten Jahren wurde jedoch ein manuelles Gerät entwickelt, das Röntgenstrahlung und Lichtabsorption misst, die bei Fluoreszenzprozessen emittieren, und ermöglicht eine relativ schnelle Diagnose von Proben eines Gebiets. Diese Methode kann es erleichtern, geeignete Kandidaten unter den in Wäldern und Feldern auf der ganzen Welt untersuchten Pflanzen zu finden.

Darüber hinaus gibt tatsächlich eine Methode, Hyperakkumulatoren gentechnisch zu produzieren, die relativ einfach anzubauen und zur Anreicherung von Schwermetallen aus dem Boden zu verwenden sind. Dazu müssen wir jedoch die molekularen Mechanismen verstehen, die eine Hyperakkumulation von Metallen ermöglichen, und herausfinden, welche Gene daran beteiligt sind. Viele der Hyperakkumulatoren sind durch die Zerstörung der Natur durch den Menschen vom Aussterben bedroht. Wenn wir richtig handeln, können sie dem Menschen vielleicht helfen, die Natur zu retten.