Pflanzen als Biofilter

Grüne Kläranlagen

Ein Ergebnis, das jüngst auch mit einer Pflanzenkläranlage ganz anderer Kategorie erreicht wurde. Wenig überraschend ergab die Zusammenführung einiger Erhebungen, dass vor allem Böden rund um (oft schon vor langer Zeit stillgelegte) Produktionsstätten von Munition und Sprengstoffen sowie Orte kriegerischer und kämpferischer Auseinandersetzungen stark mit entsprechenden Altlasten angereichert sind. Besonderes Bedrohungspotenzial, vor allem auch mit Blick auf eine langfristige Wirkung, entfalten die Stoffe dadurch, dass sie im Boden biochemisch in ihre Bestandteile zerfallen. Dadurch reichern sich Verbindungen an, die teils noch giftiger sind als die Ausgangsstoffe selbst. Die Reinigung und Wiederaufbereitung kontaminierter Böden sind also zwingend notwendig.

Vor gut drei Jahren startete in Niedersachsen ein groß angelegter Versuch, mithilfe bestimmter Pflanzen solche Böden zugleich kostengünstig und umweltfreundlich zu reinigen und dauerhaft zu renaturieren. Das Interesse gilt dabei explizit solchen Pflanzen, die von Natur aus bestimmte Gift- und Schadstoffe aktiv aufnehmen. Dabei tolerieren sie die Giftstoffe und toxischen Hinterlassenschaften häufig nicht nur, sondern vermögen sie sogar abzubauen. Möglich wird das durch Punktmutationen, also jeweils eine minimale Veränderung im Erbgut. Je nach Mutation wirkt sich das unterschiedlich aus: Die Proteine dieser Pflanzen sind in der Lage, zerstörerisch wirkende Moleküle zu neutralisieren. Oder die Pflanzen können die gefährlichen Substanzen im Organismus selektiv dort einlagern, wo sie ihnen nicht schaden. Die Ergebnisse diverser Forscherteams deuten darauf hin, dass die verschiedenen Mutationen zudem mehrfach unabhängig voneinander entstanden sein müssen.

Gebaut wurde die europaweit größte Pflanzenkläranlage zur Entsorgung gefährlicher Giftstoffe aus Böden nahezu unbemerkt von der Öffentlichkeit auf dem Areal der im Harz gelegenen ehemaligen Sprengstofffabrik „Werk Tanne“. Nichts vor Ort deutet darauf hin, welch brisante Güter tief im Wald verborgen produziert wurden. Erst vor einigen Jahren stellte man bei Messungen fest: Bedingt durch die Sprengstoffherstellung im Zweiten Weltkrieg waren nun, Jahrzehnte später, äußerst toxische Substanzen dabei, das Areal nahezu unbemerkt zu verlassen. Hochgiftiges Trinitrotoluol (TNT) in wässriger Lösung war bereits in die umliegenden Teiche gelangt; von dort drohte es auszuschwemmen und neben anderen Schadstoffen in die Flüsse der Region zu gelangen. Eine schlagartige Verbreitung der Verseuchung wäre unausweichlich gewesen.

Und so startete Ende November 2020 in der einstigen Produktionsstätte ein spezielles Pilotprojekt seinen Betrieb: Eine Kläranlage mit Schilfpflanzen als Hauptakteuren. Für diese hatte man sich auf Basis wissenschaftlicher Studien entschieden. 17 Monate später folgte bereits die Inbetriebnahme einer zweiten Anlage. Sie arbeitet seit Ende 2023 im Vollbetrieb. Zusammengeschlossen zu einem überdimensionalen Biofilter sind die Gewächse seit gut drei Jahren dabei, im „Werk Tanne“ Rückstände der einstigen Rüstungsindustrie der Nationalsozialisten zu beseitigen.

Es bedarf nur einer überschaubaren Zahl an Bauteilen, um die Umgebung zu reinigen: zwei große Wasserbecken mit 15 und vier Millionen Liter Fassungsvermögen, dazu Sonne, reichlich Schilf und jede Menge hungrige Mikroorganismen. Zunächst durchfließt Sicker- und Oberflächenwasser ein 8.600 Quadratmeter großes, eigens angelegtes Pufferbecken und wird dabei gestaut. Dort setzt die Photolyse ein: die Spaltung von Molekülen mittels Licht, in diesem Fall durch Sonneneinstrahlung. Dies bewirkt bereits den Abbau eines großen Teils der Schadstoffe. Danach fließt das Wasser durch ein mit Eisen-Kies-Granulat ausgekleidetes Becken und reichert sich allmählich mit gelöstem Eisen an. Außerdem wird Melasse zugegeben, ein Nebenprodukt der Zuckerherstellung.

Die Melasse dient dem Anfüttern der Mikroorganismen, die im Wurzelwerk der 28.000 Schilfpflanzen leben. Während die Pflanzen in dem zentralen, 3.600 Quadratmeter großen Becken der Anlage die Giftstoffe und Munitionsreste aus dem Boden ziehen, warten Abertausende der Kleinstlebewesen darauf, die sprengstofftypischen Verbindungen unschädlich zu machen. Ihr eigentliches Ernährungshighlight vermögen sie sich jedoch erst im Verbund mit den Schilfpflanzen zu erschließen: Indem sie die sprengstofftypischen Verbindungen sozusagen knacken, erfolgt die biologische Reinigung. Das gereinigte Nass fließt dann weiter in ein Sedimentationsbecken, wo das gelöste Eisen aufgefangen wird. Sein weiterer Weg leitet das Wasser schließlich in die umgebenden Teiche. Dort angekommen, sollen bis zu 98 Prozent der im Sickerwasser anfallenden Schadstoffe abgebaut sein.

Das Projekt verlaufe erfolgreicher als in den optimistischsten Szenarien erhofft, meldete die untere Bodenschutzbehörde des Landkreises Goslar als zuständige Einrichtung im dritten Jahr der Inbetriebnahme. Als Beleg dafür könne gewertet werden, dass die Schilfpflanzen die für einen optimalen Betrieb notwendige Wuchshöhe ihrer Stängel von eineinhalb Metern Höhe bereits im dritten Jahr erreicht hatten – früher als prognostiziert.

Als weiteres Plus lässt sich die relative Kostensituation anführen. Bereits das pflanzenbasierte Pilotmodell sei größer ausgelegt gewesen als die mit Aktivkohlefiltern arbeitende Vorgängeranlage und konnte vergleichsweise günstiger betrieben werden. Zudem seien die Messwerte des aufgereinigten Wassers schon nach kurzer Zeit so stabil gut gewesen, dass die alte Anlage früher als geplant habe abgekoppelt werden können. Und so überrascht die vorgezogene Entscheidung des Landkreises Goslar aus dem Jahr 2022 nicht, mit Abschluss der Probephase Ende 2023 bei gleichbleibendem Erfolg eine weitere Pflanzenkläranlage zu bauen. Mit deren Durchlaufvolumen sollen dann die auf dem Gelände lagernden, stark kontaminierten Böden entgiftet werden – darunter allein 6.000 Kubikmeter schadstoffbelastete Abfallschlämme aus umgebenden Wasserstellen.

Wie auf einzelne zarte Pflänzchen stößt man rund um den Globus hier und da auf weitere erste Projekte, bei denen man sich die Fähigkeit bestimmter Gewächse zur sogenannten Phytosanierung, also zur Reinigung und Wiederherstellung beschädigter Flächen, zunutze macht. Ein viel beachtetes Projekt startete jüngst in Albanien. Ziel ist es dort, möglichst umfassend durch Erzabbau hochgradig verseuchte, längst aufgegebene Äcker mithilfe des Mauersteinkrauts (Alyssum murale) zu regenerieren. Die vom Balkan stammende und inzwischen auch bei uns verbreitete Pflanze kann enorme Mengen an Nickel aus dem Boden ziehen. Auch der südafrikanische Korbblütler Berkheya (Berkheya coddii) kommt seit einer erfolgreichen Pilotphase regelmäßig bei der Sanierung von Böden zum Einsatz, die mit Kobalt und vor allem Nickel belastet sind.

Pflanzlicher Bergbau

Die Fähigkeit von Pflanzen, Substanzen aufzunehmen, bietet mithin gleich einen doppelten Nutzen: Sie säubern den Boden, und zugleich lassen sich die aufgenommenen Stoffe – beispielsweise Metalle – durch Weiterverarbeitung der Pflanzen „ernten“. Dieser „pflanzliche Bergbau“ funktioniert ganz ohne Bagger, Spitzhacke oder Chemikalien. Vor allem mit Blick auf Metalle der Seltenen Erden, umgangssprachlich oft als Seltene Erden abgekürzt, gewinnt diese Betrachtung an Bedeutung. Insgesamt spricht man inzwischen mehr als 700 Pflanzenarten die Fähigkeit zu, Metalle und Fremdsubstanzen aus Böden oder Gewässern aufzunehmen. Diese sogenannten Hyperakkumulatoren vermögen in ihren Blättern und Stängeln ein weites Spektrum an Metallen zu speichern – meist in Form von Metallionen oder entsprechenden Verbindungen: neben Nickel etwa Arsen, Selen, Thallium und Kupfer, aber auch Seltene Erden wie Lanthan, Neodym oder Cer.

Warum sich diese Fähigkeit evolutionär durchgesetzt hat, ist immer noch umstritten. Allgemein akzeptiert wird jedoch die Hypothese, die Anreicherung diene der Abwehr von Schadinsekten. Denn die Menge aufgenommener Metallionen erreicht oft eine Konzentration, die für blattfressende Schädlinge hochtoxisch ist. In der Tat verschmähen sogar Weidetiere diese Pflanzen. Letztlich verschaffen sich Hyperakkumulatoren mit ihrer Leidenschaft für Metalle gleich zwei Vorteile: Die meisten Schädlinge hält es offenbar davon ab, an ihnen zu knabbern, und sie können dort leben, wo es für andere Gewächse zu unwirtlich ist. So nutzt das Blaue Galmei-Veilchen (Viola guestphalica) diesen Standortvorteil und wächst im Verbund mit anderen hoch spezialisierten Pflanzenarten als sogenannte Galmei-Vegetation auf schwermetallhaltigen Böden: etwa auf dem Areal ehemaliger Minen. Somit dient es gleichzeitig als Indikator für belastete Flächen.

Auch Vertreter aus der Familie der Kreuzblütler (Brassicaceae) wie etwa der Raps oder das Mauersteinkraut sowie Arten der tropischen Familie der Phyllanthaceae eignen sich für den pflanzlichen Bergbau. Eine Art, die Hallersche Schaumkresse, zeigt dabei ein rekordverdächtiges Aufnahmevermögen. Sie zieht vor allem Zink und Cadmium aus den Böden und vermag bis zum Hundertfachen dessen zu speichern, was bislang an Metallen in anderen Pflanzen gefunden wurde. Insofern deutet sich hier wirtschaftliches Potenzial an, denn womöglich ließe sich die Hallersche Schaumkresse entsprechend aufbereitet gut als Rohstoff nutzen. Das könnte auch für Deutschland interessant sein, denn viele Böden hierzulande sind vor allem stark mit Cadmium belastet. So sind etwa in den ehemaligen Industriegebieten an Rhein, Ruhr und im Harz Flächen mit dem Metall kontaminiert. Doch auch der Einsatz cadmiumhaltiger Phosphatdünger in der Landwirtschaft ist dafür verantwortlich, dass Schätzungen von Umweltorganisationen zufolge bis zu 20 Prozent der Böden Deutschlands womöglich nicht mehr für den Anbau von Nahrungsmitteln geeignet sind.

Als weiterer Kandidat gilt Pycnandra acuminata, in der Umgangssprache als Nickelbaum bekannt. Er wächst auf Frankreichs pazifischer Inselgruppe Neukaledonien und gilt als Nickel-Anhäufer par excellence. Tests ergaben einen Anteil von 25 Prozent Nickel im Pflanzensaft. Solche Mengen eines hochgiftigen Stoffes hatte man bis dato in einem Organismus nicht für möglich gehalten. Darin könnte eine Menge wirtschaftliches Potenzial liegen, denn schließlich wird das Metall bei der Produktion von Batterien benötigt.

Für ähnlich vielversprechend halten Experten Hyperakkumulatoren für Kobalt, das nicht nur in wiederaufladbaren Batterien Verwendung findet, sondern ebenso in Magneten und Superlegierungen. Große Vorkommen besitzt die Demokratische Republik Kongo; dort hat die Förderung des Rohstoffs riesige Flächen verseuchter Böden hinterlassen. Ähnlich sieht es auf Neukaledonien aus. „Diese gravierenden Umweltbelastungen ließen sich zumindest teilweise vermeiden, würden Pflanzen das Metall aus der Erde holen“, sagt Biologe Antony van der Ent von der Universität Queensland in Australien.

Doch obwohl man auf diese Weise Seltene Erden und andere wichtige Elemente ohne die sonst häufig auftretenden katastrophalen Folgen für Mensch und Umwelt gewinnen könnte, wird dieses als Phytomining bezeichnete Prinzip kaum in größerem Maßstab erforscht, geschweige denn industriell angewandt (siehe Kasten). Dabei könnten mithilfe der Pflanzen Metalle sogar aus dem Abraum bestehender Bergwerke gewonnen und damit die Ausbeute weiter verbessert werden.

Hier geht seit Kurzem China voran, das bei einem durchschnittlichen Weltmarktanteil von 70 Prozent für alle Seltenen Erden nahezu eine Monopolstellung für zumindest einige dieser Stoffe hat. Wissenschaftler arbeiten dort daran, dass beispielsweise der Farn Dicranopteris linearis immer größere Volumina der Seltenen Erden Lanthan, Cer und Neodym in kommerziell nutzbaren Mengen aufnimmt. Denn bisher führt der Abbau der Stoffe auch dort zu großflächiger Verwüstung und Vertreibung der Bevölkerung aufgrund der Zerstörung der Landschaft.

Wie weit sich die pflanzliche Metallgewinnung optimieren lässt, ist aktuell schwer einschätzbar. Es bleibt abzuwarten, ob in Zukunft „Superpflanzen“ Mülldeponien und ehemalige Industriestandorte im großen Stil reinigen werden. Falls ja, könnten sie eine umweltfreundliche Alternative zum Bergbau, wie er bislang durchgeführt wird, darstellen.