Die Enzyme der Striegeligen Tramete könnten bei der Abwasserreinigung in Kläranlagen nützlich sein.
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Die Enzyme der Striegeligen Tramete könnten bei der Abwasserreinigung in Kläranlagen nützlich sein.

Zukunft hat eine Stimme

Bioökonomie: Pilze helfen Kläranlagen mit Resten von Pestiziden und Arzneimitteln

Konventionelle Kläranlagen schaffen es nicht, winzigste Verunreinigungen aus dem Wasser zu filtern. Die Enzyme bestimmter Pilze können dieses Problem aber lösen.

Von Manuel Fröhlich

Ob abgewaschene Schmerzlotionen, über den Urin ausgeschiedene Antibiotika oder per Klospülung entsorgte Tablettenreste: Chemische Stoffe gelangen über verschiedene Wege in das kommunale Abwasser, von dem in Deutschland jährlich zehn Milliarden Kubikmeter anfallen. Diese Substanzen bezeichnet man als Xenobiotika, also „dem Leben fremde Stoffe“ (griechisch: xenos = fremd, bios = Leben). Neben Arzneimitteln, die rund ein Fünftel der Xenobiotika ausmachen, fallen darunter insbesondere bestimmte Industrie- und Agrarchemikalien.

Thomas Ternes, Leiter der Abteilung Qualitative Gewässerkunde der Bundesanstalt für Gewässerkunde, schätzt die Menge der Substanzen auf rund 300 000 Tonnen pro Jahr. Problematisch ist, dass das dreistufige Filtersystem konventioneller Kläranlagen (siehe Infokasten) es nicht schafft, die Xenobiotika vollständig aus dem Wasser zu entfernen. Da 97 Prozent des Abwassers durch solche Kläranlagen gereinigt werden, verbleibt der Großteil der Stoffe im Wasser.

Der Bioökonomie-Schwerpunkt

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Welche Superkräfte Algen haben, wie aus Spinnenseide Implantate werden und warum kein Palmöl auch keine Lösung ist, erfahren Sie in den kommenden Wochen.

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Ein Beispiel ist der Wirkstoff Diclofenac, der Bestandteil vieler Schmerztabletten ist und herkömmliche Anlagen fast ungefiltert passiert. Laut dem Umweltbundesamt (UBA) bewegt sich die Konzentration der Schadstoffe im gereinigten Wasser im Nano- bis Mikrogramm pro Liter Bereich, sodass man von Spurenstoffen spricht.

Bioökonomie: Ständerpilze können Pestizide zersetzen

Doch bereits in dieser geringen Menge schädigen die Chemikalien die Ökosysteme. Durch das Ansammeln und die Wechselwirkungen verschiedener Substanzen sieht der Bund für Umwelt und Naturschutz vor allem für Ökosysteme im Wasser eine Gefahr: Hormonaktive Substanzen wie Bisphenol A führen bereits in niedriger Konzentration dazu, dass männliche Lurche verweiblichen. Auch habe man Kiemenveränderungen an Bachforellen beobachtet, die auf verunreinigtes Wasser zurückgeführt werden.

Anett Werner leitet an der TU Dresden den Bereich Enzymtechnik.

An diesem Punkt setzt Anett Werner von der Technischen Universität Dresden mit ihrer Forschungsgruppe an. Mit der Bundesanstalt für Gewässerkunde und der Firma ASA Spezialenzyme erforscht sie im Projekt XENOKat, wie man mithilfe von Pilzen die Xenobiotika aus dem Wasser herausfiltern kann. Bereits seit einiger Zeit werden Enzyme von Pilzen genutzt, um Pestizide im Erdboden abzubauen. Als einzige Mikroorganismen sind Ständerpilze (Basidiomyceten) in der Lage, die komplexe Struktur der Pestizide zu zersetzen. Die Pilze wachsen in der Natur auf Holz, Stroh und anderem Pflanzenmaterial und bauen den Holzstoff Lignin als Nährstoff ab. Viele Xenobiotika bestehen ähnlich wie das Lignin aus ringförmigen Strukturen. Daher wenden die Forscher diese Fähigkeit auf die Abwasserreinigung an.

Bioökonomie: Enzyme zerschneiden Ringstrukturen der Chemikalien

Werner und ihr Team nutzen die Pilzenzyme Laccase, Peroxidase und Peroxygenase. Die Projektleiterin erklärt: „Dieser Enzymcocktail zerschneidet die Ringstrukturen der Rückstände und baut sie so ab.“ Um an die Enzyme zu gelangen, kultiviert Werner die Pilze in einem Bioreaktor. Geschützt wachsen sie in einer Petrischale auf einem Nährmedium, meist Kartoffel- oder Malzextrakt. Danach isoliert Werner die gebildeten Enzyme, etwa, indem sie diese vom Pilzmycel (= fadenförmige Zellen) abwäscht oder die Flüssigkeiten von den Pilzkulturen trennt. Die gewonnenen Enzyme können jedoch nicht ohne Weiteres ins Abwasser zugeleitet werden, denn sie sind Proteine und somit Nahrung für tausende Mikroorganismen, die im Abwasser leben. Daher bindet die Forscherin die Enzyme an metallische Hohlkugeln und immobilisiert sie somit.

So geht klären

Mit dem dreistufigen Filtersystem konventioneller deutscher Kläranlagen dauert eine Reinigung laut den Stadtwerken Frankfurt 15 bis 20 Stunden.

Mechanische Stufe: Mittels eines Rechens und eines Sandfangs werden größere Verunreinigungen wie Äste oder Glassplitter entfernt.

Biologische Stufe: Unter der Zufuhr von Sauerstoff bauen Bakterien Kohlenstoffverbindungen zu den Endprodukten Wasser, Kohlenstoffdioxid, Nitrat, Phosphat und Sulfat ab.

Chemische Stufe: Durch Zugabe von Fällmitteln wird Phosphor über den Klärschlamm ausgeschieden.

Die vom Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung entwickelten Kugeln sind hochporös, sodass die Enzyme auf der Oberfläche haften. Um das Wasser zu reinigen, sind die etwa vier Millimeter großen Kugeln mehrere Tage im Einsatz. Ihr Vorteil: Man kann sie reinigen, mit neuen Enzymen beschichten und wiederverwenden. Doch auch diese Technik ist kein Patentrezept: Während die Enzyme beispielsweise Diclofenac beinahe vollständig abbauen, ist ihre Wirkung bei anderen Stoffen wie dem Betäubungsmittel Lidocain deutlich geringer oder gar nicht feststellbar.

In einer Publikation unterstreicht das UBA die Problematik der Mikroverunreinigungen und fordert, dass Kläranlagen dazu verpflichtet werden, eine vierte Filterungsstufe einzubauen: „Erst mithilfe einer geeigneten vierten Reinigungsstufe lässt sich ein breites Spektrum an Mikroverunreinigungen entfernen.“ Das UBA sieht die Lösung in einer Kombination alternativer Verfahren: Der Ozonierung, bei der das Gas Ozon die Verunreinigungen im Wasser spaltet und sich dabei selbst in Sauerstoff verwandelt, und eines Verfahrens mit Aktivkohle. Dabei soll poröse Aktivkohle die Schadstoffe in sich aufnehmen und so aus dem Wasser entfernen. Beides wird in der Schweiz bereits eingesetzt.

Noch nicht in Kläranlagen: Der Pilzfilter wurde bisher nur im Labor getestet

Werner sieht die beiden Verfahren vor allem aus Umweltaspekten teilweise kritisch: „Die Herstellung von Aktivkohle hat durch das anfallende CO2 eine sehr schlechte Ökobilanz.“ Bei der Ozonierung dürfe zusätzlich die Gefahr, dass krebserregende Stoffe entstehen können, nicht vernachlässigt werden. Der biologische Pilzfilter sei dagegen nachhaltig und die Enzyme würden ohne Zutun komplett abgebaut. Laut Werner ist eine Kombination aus allen drei Ansätzen am vielversprechendsten.

Die Pilzfilter hat die TU Dresden bisher nur im Labor getestet. Werner gibt zu bedenken, dass die äußeren Einflüsse eines reellen Klärbeckens wie Strömungsgeschwindigkeiten oder Temperaturunterschiede im Labor nicht simuliert werden können. Eine Umsetzung in großem Maßstab sei insgesamt schwierig, vielmehr ein punktueller Einsatz bei besonders belastetem Wasser sinnvoll.

Reste von Chemikalien im Wasser: Mögliche Lösung durch Bioökonomie

Eine gesetzliche Grundlage für die Nachrüstung der Kläranlagen, wie sie das UBA fordert, gibt es bisher nicht. Mit dem Spurenstoffdialog hat das Bundesministerium für Gesundheit aber einen Austausch mit den Beteiligten ins Leben gerufen, um Lösungen zu erarbeiten. Außerdem läuft unter dem Titel „Gib der Natur nicht den Rest!“ seit Anfang des Jahres eine Kampagne, um auf die falsche Entsorgung von Medikamentenresten aufmerksam zu machen.

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Die geringen Konzentrationen der Xenobiotika im Abwasser stellen aktuell noch keine Gefahr für den Menschen dar. Forschende befürchten jedoch, dass dadurch auf Dauer Arzneimittelresistenzen entstehen könnten. Auch indirekt wäre der Mensch betroffen, wenn beispielsweise durch die Verweiblichung der Lurche ganze Tierpopulationen ausstürben. Daher fordert Werner sofortiges Handeln: „Die Rückstände sind ein Problem, das uns die nächsten Jahrzehnte beschäftigen wird.“

Für den Schwerpunkt Bioökonomie kooperiert die FR mit der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt (FHWS). Die Artikel haben Studierende verfasst. Das Projekt von FHWS und der Universität Würzburg wird im Rahmen des Wissenschaftsjahres 2020/21 – Bioökonomie vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.