Pestizide, Flammschutzmittel & Co. Chemische Altlasten: Bakterium aus Mülldeponie als Entgifter?

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Bei der Produktion von Chemikalien entstehen oft auch unerwünschte, mitunter hochgiftige Nebenprodukte. Das Pestizid Lindan ist ein Beispiel von vielen. Mit den resultierenden chemischen Altlasten in Gewässern und Böden haben Generationen zu kämpfen. Doch ausgerechnet Bakterien aus einer indischen Mülldeponie könnten nun helfen, die persistenten Giftstoffe wieder loszuwerden.

Dübendorf/Schweiz – Die Produktion von Chemikalien ist eine umständliche Sache. Oft entsteht in der Fabrik nur zu einem kleinen Teil das, was man eigentlich möchte. Der große Rest ist unbrauchbar – oder gar schlimmer. Beispiele? Das Entlaubungsmittel „Agent Orange“, das die USA im Vietnamkrieg einsetzten, war in großer Eile produziert. Es enthielt als Verunreinigung Dioxin. So verloren nicht nur Bäume in der Kampfzone ihr Laub, auch US-Soldaten und vietnamesische Zivilisten erkrankten Jahre später an Krebs.

Auch aus der Landwirtschaft gibt es Beispiele: Bei der Herstellung des Insektizids Lindan, einem Hexachlorocyclohexan (HCH), entsteht nur zu maximal 15 Prozent der gewünschte Stoff. 85 Prozent der Reaktionsbrühe ist dagegen Sondermüll. In den 1950er-Jahren wurde diese giftige Mixtur noch komplett auf Felder und Obstplantagen verspritzt, danach trennte man das wirksame Lindan ab und verkaufte es rein, den Rest verbrachte man auf Mülldeponien. Dort liegen die Chemikalien oft heute noch. Seit 2007 ist Lindan in der EU verboten, in der Schweiz wird es schon länger nicht mehr eingesetzt.

Auch das Flammschutzmittel Hexabromocyclodekan (HBCD) ist eine Mixtur aus mehreren Stoffen. Es wurde in den 1970er-Jahren erfunden, im Maßstab von mehreren 10.000 Tonnen pro Jahr produziert und in Polystyrol-Dämmplatten für Hausfassaden, in Textilien und in Plastik von Elektrogeräten verwendet. Seit 2014 ist es weltweit verboten. In der Schweiz wird HBCD-haltiger Kunststoff nicht rezykliert, sondern muss in der Müllverbrennung vernichtet werden.

International geächtete persistente organische Schadstoffe

Seit 2004 regelt das „Stockholmer Abkommen über persistente organische Schadstoffe“ den Umgang mit solch langlebigen Umweltgiften. Die Schweiz ratifizierte die Vereinbarung 2003. Doch all diese Stoffe sind bereits in der Umwelt – und zwar fein verteilt. HBCD kommt in Klärschlamm, in Fischen, in Luft, Wasser und Boden vor. Die Umweltschutzorganisation WWF nahm 2004 Blutproben von elf europäischen Umweltministern und drei Gesundheitsministern und konnte HBCD und Lindan im Blut jedes Amtsträgers nachweisen.

Bakterien, die Retter aus dem Boden

Es fragt sich: Können wir den Chemie-Müll der vergangenen Generationen wieder einsammeln oder unschädlich machen? Zum Glück schrecken Wissenschaftler auf ihrer Suche nach Lösungen auch vor ekligen Orten nicht zurück: 1991 entdeckten sie fast zeitgleich in Chemiemülldeponien in Frankreich, Japan und Indien drei Bakterienstämme, die Lindan und seine nutzlosen chemischen Geschwister verzehren konnten: Sphingobium francense, Sphingobium japonicum und Sphingobium indicum. Könnten diese Bio-Saubermacher vielleicht auch das Flammschutzmittel HBCD und andere Gifte verdauen?

Der Empa-Chemiker Norbert Heeb und der Eawag-Mikrobiologe Hans-Peter Kohler machten gemeinsam mit Forschenden der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW) und zweier indischer Institute die Probe aufs Exempel. Gemeinsam modifizierten sie die Gene der indischen Bakterien und produzierten HCH-abbauende Enzyme in Reinform. Ein Enzym ist ein Eiweiß-Molekül, sozusagen ein Bio-Katalysator, mit dem Bakterien, aber auch andere lebende Zellen, chemische Stoffe aufbauen bzw. zerlegen können. Das Schadstoffmolekül HCH fügt sich in das Enzym ein, wie ein Schlüssel in ein Schloss. Dann wird ein Teil des Moleküls abgespalten. Die Bruchstücke werden wieder freigegeben, und das Enzym ist dann wieder bereit zur Aufnahme des nächsten Schadstoffmoleküls.

Mutationen eröffnen Chancen

Zusammen mit der Bachelor-Studentin Jasmin Hubeli untersuchte Norbert Heeb nicht nur die in den Deponien vorkommenden Enzym-Varianten, sondern auch ein Enzym, das aus einem genetisch veränderten Bakterienstamm gewonnen worden war. Hier hatten die Forscher das „Schlüsselloch“ absichtlich vergrößert, damit die größeren HBCD-Moleküle besser zerlegt werden können. Das Ergebnis: Die genetische Modifikation an den Bakterien beeinflusste tatsächlich die Geschwindigkeit, mit der der Schadstoff abgebaut wurde.

Effizient EDCs gemäß EU-Wasserrahmenrichtlinie bestimmen

Schadstofffalle Oberflächengewässer

Empa-Forscher Heeb stimmen diese Ergebnisse hoffnungsvoll: „Damit haben wir nun tatsächlich eine Chance, diese von der Menschheit produzierten und großflächig verteilten, langlebigen Gifte mit biologischen Methoden unschädlich zu machen.“ Doch bis dahin ist es noch ein weiter Weg. Das Schlüssel-Schloss-Prinzip der hilfreichen Enzyme muss noch genauer durchschaut werden, bevor es in Zukunft maßgeschneiderte Enzyme für Chemiegifte geben kann.

Originalpublikation: NV Heeb, J Hubeli, T Fleischmann, P Lienemann, N Nayyar, R Lal, HP Kohler; Transformation of ε-HBCD with the Sphingobium Indicum enzymes LinA1, LinA2 and LinATM, a triple mutant of LinA2; Chemosphere (2021); doi: 10.1016/j.chemosphere.2020.129217

* R. Klose: Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt, 8600 Dübendorf/Schweiz

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