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Bakterielle Spezialisten - Dioxine und Furane als Nahrungsquelle

Über eine bislang unbekannte enzymatische Reaktion können gewisse Bakterien die Grundkörper dieser Stoffgruppe mineralisieren|: Außer eigener Zellsubstanz produzieren sie daraus Kohlendioxid und Wasser. Ob sie auch niedrig chlorierte Dioxine und Furane angreifen und völlig abbauen, hängt von Anzahl und Position der Chloratome ab.

Bakterien assoziiert der Durchschnittsbürger gewöhnlich mit Krankheitserregern; dabei sind sie weitaus häufiger nützlich als schädlich und aus den Stoffkreisläufen der Natur nicht wegzudenken. Zum Aufbau ihrer Zellsubstanz benötigen sie – wie alle Lebewesen – im wesentlichen Wasserstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff. Vielen Mikroben reichen bereits eine Kohlenstoffquelle, Sauerstoff und Mineralsalze, um alle notwendigen Lebensbausteine wie Proteine, Nucleinsäuren, Zucker und Fette zu synthetisieren.

Uns interessierte, angeregt durch die Dioxin-Problematik, ob Bakterien so komplizierte chemische Verbindungen wie Dibenzo-para-dioxin und Dibenzofuran als alleinige Kohlenstoffquelle zu verwenden vermögen und mit welchen Tricks sie dabei arbeiten.

Die Vertreter beider Stoffgruppen haben ein ähnliches Grundgerüst: zwei Benzolringe, die bei den Dioxinen über zwei Sauerstoffatome, bei den Furanen über nur eines und dafür an der anderen Stelle direkt miteinander verbunden sind (Bild 1). Das Grundgerüst kann an bis zu acht Positionen mit Chloratomen besetzt sein. Von den 76 Dioxinen und den 136 Furanen sind die 17 mit Chloratomen in den Positionen 2, 3, 7 und 8 extrem giftig und damit von besonderer Bedeutung für den Menschen. Am häufigsten in den Massenmedien erwähnt wird das "Seveso-Dioxin" – 2,3,7,8-Tetrachlordibenzo-para-dioxin (TCDD) – oft als Synonym für die gesamte Substanzklasse.

Nicht halogeniertes Dibenzo-para-dioxin (also ohne Chloratome am Grundgerüst) kommt in bituminöser Kohle vor; es ist umwelttoxikologisch ohne Be-deutung. Nicht halogeniertes Dibenzofuran als Bestandteil des Steinkohleteers kann bei Teerölverunreinigungen ein gewisses Schadpotential entfalten.

Nicht natürlichen Ursprungs sind dagegen alle halogenierten Abkömmlinge beider Gruppen, was aber nicht heißt, daß sie für industrielle Anwendungen hergestellt würden. In niedrigen Konzentrationen entstehen sie beispielsweise ungewollt bei Verbrennungsprozessen. Sie traten früher auch als Kontaminationen bei der Herstellung von Chlorbenzolen und -phenolen auf und hatten daraus abgeleitete Pflanzen- und Holzschutzmittel belastet. Des weiteren sind sie unerwünschte Beiprodukte der Papierbleiche. Und in Kupferschmelzen treten sie insbesondere dann auf, wenn man Elektronikplatinen als Schrott zusetzt, um die darauf vorhandenen Edelmetalle zurückzugewinnen.

Um übertriebenen Erwartungen gleich vorzubeugen: Wir beschreiben hier nicht, wie man diese ganze Stoffklasse durch Bakterien abbauen lassen kann, denn das ist heute noch nicht möglich; und es geht auch nicht darum, eine biotechnologische Methode zur Beseitigung von Dioxinen an belasteten Standorten vorzustellen. Zwar wurde die Möglichkeit, solche Stoffe mit Hilfe von Bakterien abzubauen, in der Tagespresse als Sensation aufgemacht – tatsächlich wäre dies eine kostengünstige und einfache Sanierung. Ob sie aber tatsächlich vor Ort funktioniert, ist fraglich; ein naturwissenschaftlich fundierter Beweis für einen echten Abbau im Freiland fehlt zumindest bisher (siehe auch den vorhergehenden Beitrag). Wir erforschen vielmehr die Grundlagen: Ob Bakterien einzelne Vertreter aus den Stoffgruppen der Dioxine und Furane angreifen, wie sie das tun, und welche Abbauleistungen sie erreichen.

Eine neuartige Reaktion

Auffällig an beiden Grundkörpern sind die ein beziehungsweise zwei Sauerstoffbrücken, die sogenannten Etherbrücken, zwischen den aromatischen Ringen (Bild 1 unten). Sie kommen in Naturstoffen nicht gerade häufig vor, beispielsweise aber im Lignin des Holzes. Selbst die Weißfäule-Pilze, die auf den Abbau dieser recht beständigen Substanz spezialisiert sind, haben Mühe, sie zu knacken, denn Etherbrücken sind stabile Strukturen.

Es war also durchaus nicht von vornherein klar, ob Bakterien mit dem jeweiligen Grundkörper von Dibenzodioxin und Dibenzofuran so viel anfangen können, daß sie keine anderen Stoffe mehr als Kohlenstoffquelle brauchen. Salopp gefragt: Konnten sie überhaupt allein davon leben?

Die übliche Suchstrategie für solche Fälle gehorcht dem Motto friß oder stirb. Aus Probenmaterial – hier waren es Waldboden und Elbewasser – lassen sich interessierende Bakterien einfach dadurch anreichern, daß man langsam von anderen Nährstoffen auf Dioxin oder Furan als einzige Kohlenstoffquelle übergeht. So entsteht ein Selektionsdruck, der den Organismen eine Chance gibt, sich an die neue, fremde Nahrung anzupassen. Falls welche vorhanden sind, die etwa Dioxin zu fressen vermögen, werden sie sich vermehren, alle anderen verhungern. Wir hatten Glück: Schon nach kurzer Zeit waren zwei Bakterienformen – Sphingomonas sp. HH69 und Sphingomonas sp. RW1 – gefunden, von denen die erste Dibenzofuran als alleinige Nahrung akzeptiert und damit wächst (Bild 2), die zweite hingegen Dibenzo-para-dioxin (die Bezeichnungen HH69 und RW1 sind die Kulturkürzel unserer Mitarbeiter Hauke Harms und Rolf-Michael Wittich, das Kürzel sp. steht für Spezies, Art).

Interessant ist, wie die Bakterien diese Substanzen abbauen; denn die ersten Schritte beim Abbau von Dibenzofuran, Dibenzodioxin und auch von Diphenylether verlaufen nach demselben, bis dahin noch nicht beobachteten Reaktionsmechanismus. Er soll hier beispielhaft für das Dibenzofuran erläutert werden (Bild 3).

Zunächst kümmern sich die Bakterien nicht um die schwer spaltbare Etherstruktur. Vielmehr zielen sie auf eines der Kohlenstoffatome, das die Etherbrücke trägt, sowie dessen Nachbarn. Dort bauen sie mit Hilfe eines ihrer Enzyme, einer Dioxygenase, Luftsauerstoff ein, gleichzeitig wird reduziert, also Wasserstoff angelagert. Durch Isotopenmarkierung und mit dem gereinigten Enzymsystem konnten wir den Reaktionsmechanismus restlos aufklären.

Was sich hier in einigen Sätzen darstellt, war die Arbeit mehrerer Jahre mit Rückschlägen und Frustrationen, aber auch mit dem befriedigenden Erfolg, eine völlig neue Reaktion aufgeklärt zu haben, die eindrucksvoll die Ökonomie natürlicher Systeme belegt. Wieso Ökonomie? Nun, nach ihrer ersten Leistung können sich unsere Bakterien ausruhen, denn durch die Umsetzung von Dibenzofuran, Dibenzodioxin oder auch Diphenylether mit der Dioxygenase entstehen thermodynamisch instabile Strukturen: Es bildet sich jeweils ein Halbacetal, dessen Etherbrücke spontan, also von selbst zerfällt.

Anschließend wird der aromatische Ring, der im ersten Schritt verändert wurde, durch ein anderes Dioxygenase-System gespalten. Diese und die folgenden Reaktionen sind nicht neu, sondern aus dem bakteriellen Abbau anderer Aromaten schon weitgehend bekannt.

Wie beeinflußt Chlor den Abbau?

Was das Halogen angeht, ist unser Bild noch unvollständig. Zunächst war zu vermuten, daß Chlor, wenn es jeweils Kohlenstoffatome besetzt hält, an denen die Dioxygenase angreifen will, den Abbau stört oder sogar verhindert. Tatsächlich wird der Abbau in diesem Falle auf der ersten Stufe blockiert.

Wieder ist in einem Satz die Arbeit vieler Monate zusammengefaßt. Viele neue Synthesen waren nötig, um gezielt Chlor an die gewünschten Positionen in die Grundkörper einzubauen. Zum Teil mußten völlig neue Wege beschritten werden, denn bei keinem einzigen Schritt durften Spuren der hochgiftigen Produkte mit Chloratomen in 2,3,7,8-Positionen entstehen. Auch das Weitere gestaltete sich zum Puzzle: Führen wir nur ein Chloratom ein, dann gibt es beim Dibenzo-para-dioxin zwei Abkömmlinge mit Chlor in der ersten oder der zweiten Position (Einführung an den anderen Stellen liefert, weil das Grundmolekül symmetrisch ist, identische Produkte), beim Furan sind es hingegen vier verschiedene Derivate (Chlor in den Positionen 1, 2, 3 oder 4; Bild 1 unten). Bei zwei Chloratomen kann man beide an einen Ring oder je eins an jeden Ring anfügen.

Jedesmal sind folgende Fragen zu prüfen: Wird die Modellverbindung noch als Kohlenstoffquelle genutzt? Wird sie cometabolisch, das heißt parallel zu einem strukturähnlichen Substrat, umgesetzt? Erfolgen wenigstens die ersten Schritte, also der Angriff der Dioxygenase mit dem anschließenden spontanen Zerfall des Hemiacetals? Laufen dann alle weiteren Reaktionen auch noch normal ab?

Interessanterweise kann Chlor den Angriff der Dioxygenase je nach Position hemmen oder sogar fördern. Ist der Angriff auf einen Ring durch Chlor blockiert, weichen unsere Bakterien auf den zweiten Ring aus – sofern dort nicht ebenfalls ein störendes Chloratom sitzt.

Das wohl wichtigste Resultat unserer Arbeit ist, daß Chlor in der zweiten und dritten oder siebenten und achten Position die Dioxygenase nicht behindert, denn der Start des Abbaus läuft dann normal. Allerdings gibt es Probleme mit dem Endabbau, was bedeutet, daß die Chlorcatechole, die als Abbauprodukte entstehen, von den Dioxinspezialisten selbst nicht weiter verwertet werden. Wir haben aber inzwischen andere Bakterienstämme isoliert, welche die angereicherten Abbauprodukte der ersten als Nahrung nutzen. Durch Kombination beider Organismen können wir eine völlige Mineralisierung erreichen.

Übertragbarkeit auf natürliche Verhältnisse

Welche Abbauleistungen werden aber die im Labor gehätschelten Bakterienstämme im Boden erreichen, also am Ort möglicherweise anfallenden Dioxins? Immer ist es das Bestreben der Mikrobiologen, mit Reinkulturen in flüssigen oder auf festen Nährmedien so sauber wie nur irgend möglich zu arbeiten. Damit bewegen wir uns freilich weitab von der Realität, insbesondere wenn man bedenkt, daß unsere Bakterienstämme vielleicht einmal zur Sanierung kontaminierter Standorte dienen sollen. Im Boden müssen sie mit einer Vielzahl anderer Mikroorganismen konkurrieren; zudem treffen sie dort vielfältige andere Stoffe an, die ihnen ebenfalls als Nahrung dienen können – vielleicht handelt es sich dabei sogar um eine ihnen viel besser zusagende Kost.

Für die nichtchlorierten Grundkörper lautet die Antwort: Es geht, es geht sogar sehr gut. In Modellbodensystemen setzen die Bakterien vergleichbare Mengen um wie in Laborkulturen, wenn sie nur in gleicher Zahl eingebracht werden und die Dioxinkonzentrationen ausreichend hoch sind. Auch die wenigen bisher ge-testeten chlorhaltigen Modellverbindungen werden in unseren Bodensystemen abgebaut.

Während für den Weißfäule-Pilz Phanerochaete chrysosporium der Abbau höher chlorierter Dioxine, insbesondere von TCDD, durch Isotopenmarkierung zweifelsfrei bewiesen ist, wenn auch mit kläglichen Ausbeuten, gibt es für Bakterien bisher keine fundierten Resultate. Wir selbst konnten die Frage noch nicht angehen – aus Sicherheitsgründen. Dioxine und Furane mit mehr als drei Chloratomen dürfen wir in unseren normal ausgestatteten mikrobiologischen und chemischen Laboratorien wegen ihrer Giftigkeit nicht handhaben. Also warten wir, bis eine entsprechende Arbeitsmöglichkeit geschaffen ist, dann kann es weitergehen.

Andere Arbeitsgruppen haben sich bereits mit der Frage des Abbaus höher chlorierter Dioxine und Furane beschäftigt. Bei Bakterien ist die Situation jedoch verworren. Die sensationell aufgemachten Berichte in den Massenmedien, Bakterien fräßen "Seveso-Dioxin", fußen immer darauf, daß sich nach Zusatz sogenannter Abbauspezialisten zu dioxinhaltigen Proben in der anschließenden Analytik keine Dioxine mehr nachweisen ließen. In allen Fällen fehlt jedoch der Beweis des echten Abbaus durch eine umfassende Bilanzierung von verschwindendem Dioxin und entstehenden Produkten.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 10 / 1993, Seite 101
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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