Bakterien entschärfen giftiges Kadmium im Boden

Kadmium ist eines der weitverbreitetsten Schwermetalle auf Agrarflächen in der ganzen Welt und findet sich häufig in zu hohen Konzentrationen in Gemüse und Tabak. Die dauerhafte Einnahme von Kadmium kann bei Menschen zu Knochendeformationen und Krebs führen. Im Boden liegt Kadmium an Minerale gebunden vor.

In dieser Form ist es nicht mobil und kaum schädlich. Seine Mobilität – und Gefährlichkeit – steigt jedoch durch den Einfluss von Bakterien, die Minerale auflösen und umsetzen können. Wie die Bakterien umgekehrt aber auch zur Reinigung kadmiumverseuchter Böden genutzt werden können, hat die Geomikrobiologin Eva Marie Mühe unter der Leitung von Professor Andreas Kappler und Dr. Martin Obst vom Zentrum für Angewandte Geowissenschaften der Universität Tübingen untersucht. Die Ergebnisse wurden in zwei Studien in der Fachzeitschrift „Environmental Science and Technology“ publiziert.

Kadmium kommt in natürlichen Phosphatlagerstätten vor und gelangt so in phosphathaltige Düngemittel. Während die Gesetze in Deutschland vorschreiben, dass Phosphatdünger nicht mehr als 50 Milligramm Kadmium pro Kilogramm Phosphorpentoxid enthalten darf, fehlen solche Richtlinien auf EU-Ebene und in vielen anderen Ländern. Da die Ressource Phosphat sich weltweit dem Ende zuneigt, wird der Abbau auf qualitativ schlechtere Abbaustätten verlegt. Die Entfernung des Kadmiums aus dem abgebauten Phosphat ist kostspielig und unterbleibt in vielen Fällen. Das hat zur Folge, dass immer häufiger qualitativ schlechte Phosphatdünger auf Agrarflächen ausgebracht werden. Durch den steigenden Einsatz von Düngemitteln steigt auch insgesamt der Gehalt an Schwermetallen in Böden stetig an.

Die Verfügbarkeit des mineralgebundenen Kadmiums wird im Boden verringert, indem es in neu gebildete Eisenminerale eingebaut wird, zum Beispiel in das Mineral Magnetit. Dieses wird aufgrund seiner Stabilität, Reaktivität und Fähigkeit, Metalle zu binden, immer öfter zur Sanierung kontaminierter Böden und Gewässer eingesetzt. Das Tübinger Forscherteam konnte in Laborexperimenten mit kontaminierten Böden zeigen, dass es Bakterien sind, die kadmiumhaltige, rostige Eisenoxid-Minerale biologisch umsetzen und dadurch auflösen. Für genauere Untersuchungen haben sie ein geeignetes Bakterium aus einem kadmiumhaltigen Boden isoliert und als Laborkultur herangezüchtet. Dieser Stamm kommt selbst mit sehr hohen Kadmiumkonzentrationen zurecht.

„Die Studien zeigten, dass dieses Bakterium während der Auflösung des Eisenminerals das gebundene Kadmium zunächst in Lösung bringt, bevor dieses sich fast vollständig an neu gebildete Minerale, insbesondere den stabilen Magnetit, bindet“, erklärt Andreas Kappler. Die Forscher halten es daher für möglich, dass dieses kurzzeitig mobile Kadmium aus kontaminierten Böden durch Pflanzen, die Metalle in ihren Organen ansammeln, aufgenommen werden könnte. „Wenn sich das als umsetzbar erweist, ließe sich das Metall verhältnismäßig einfach durch das Abernten der kadmiumspeichernden Pflanzen entsorgen“, sagt der Geomikrobiologe.

Diese Arbeiten wurden finanziell von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) in Form eines Promotionsstipendiums für Eva Marie Mühe unterstützt.

Publikationen:
Muehe E M, Obst M, Hitchcock A P, Tylsizczak T, Behrens S, Schröder C, Byrne J M, Michel M, Krämer U, Kappler A. Fate of Cd during microbial Fe(III) mineral reduction by a novel and Cd-tolerant Geobacter species. Environmental Sci-ence and Technology, in press. DOI : 10.1021/es403365w

Muehe E M, Adaktylou I J, Obst M, Zeitvogel F, Behrens S, Planer-Friedrich B, Kramer U, Kappler A. Organic carbon and reducing conditions lead to cadmium immobilization by secondary Fe mineral formation in a pH neutral soil. Environmental Science and Technology (2013), 47,13430-13439. DOI: 10.1021/es403438n

Kontakt:
Prof. Dr. Andreas Kappler
Universität Tübingen
Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Zentrum für Angewandte Geowissenschaften/ Arbeitsgruppe Geomikrobiologie
Tel. +49 7071 29-74992
andreas.kappler[at]uni-tuebingen.de
Weitere Informationen:
http://www.geo.uni-tuebingen.de/arbeitsgruppen/angewandte-geowissenschaften/forschungsbereich/geomikrobiologie/workgroup.html

– die Arbeitsgruppe Geomikrobiologie