Als polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) bezeichnet man chemische Verbindungen, deren Grundgerüst aus zwei oder mehr kondensierten – also miteinander verbundenen – Benzolringen besteht. Die einfachste ist das Naphthalin (es verlieh früher dem Mottenpulver seinen typischen Geruch; Bild 1 unten), die bekannteste das Benzpyren, genauer Benzo(a)pyren.

Eine Reihe von PAK hat sich als carcinogen erwiesen: Eingeatmet können sie beim Menschen Krebs der Lunge sowie des Mund- und Rachenbereichs verursachen, bei Berührung Hautkrebs. Manche haben ein mutagenes Potential – sie schädigen also die Erbsubstanz. Andere sind toxisch. Zudem reichern sich diese Stoffe, weil sie gut fettlöslich sind, über die Nahrungskette im tierischen Gewebe an.

Die amerikanische Umweltbehörde und die meisten europäischen Länder haben darum Grenzwerte festgelegt, sowohl für einzelne Verbindungen als auch für die tolerierbare Gesamtmenge an PAK. Nach der sogenannten Holländischen Liste gilt beispielsweise ein Boden als sanierungsbedürftig, wenn ein Kilogramm seiner Trockensubstanz mehr als 200 Milligramm PAK enthält. Für Einzelverbindungen bewegt sich die Grenze meist zwischen 1 und 10 Milligramm. Damit ist die Vorgabe für eine erfolgreiche Sanierung wesentlich strenger als bei ölkontaminierten Böden (dort muß der Gesamtkohlenwasserstoffgehalt nur auf weniger als 1000 Milligramm pro Kilogramm Trockensubstanz gesenkt werden); bei ehemaligen Kokereien und Gaswerken finden sich diese Schadstoffe aber häufig in Konzentrationen von mehreren Gramm pro Kilogramm Boden.

Typen der stofflichen Umsetzung

Polycyclische aromatische Kohlen-wasserstoffe gehören zu den Verbindungen, die auch unter optimierten Laborbedingungen nur schlecht biologisch abbaubar sind; ihre hohen Molekülmassen und ihre geringe Wasserlöslichkeit erschweren einen Angriff der Mikroorganismen. Gleichwohl sind inzwischen zahlreiche Bakterien- und Pilzarten bekannt, die derartige Stoffe teilweise oder vollständig umsetzen – metabolisieren – können. In den meisten natürlichen Biotopen dürfte ein entsprechendes Abbaupotential vorhanden sein, das sich durch bestimmte Bedingungen und Nährstoffe aktivieren läßt.

Die Stoffwechselwege, mit deren Hilfe die verschiedenen Mikroorganismen solche Kohlenwasserstoffe umsetzen können, unterscheiden sich hinsichtlich der möglichen Zwischen- und Endprodukte allerdings deutlich. Im wesentlichen lassen sich drei Typen ausmachen: erstens die vollständige Mineralisierung, zweitens eine cometabolische Umwandlung und drittens unspezifische Oxidationen.

Anthracen beispielsweise, eine am häufigsten in Steinkohlenteer anfallende Verbindung mit drei aromatischen Ringen, wird – soweit man bisher weiß – vollständig zu Kohlendioxid, Biomasse und Wasser umgesetzt. Den einleitenden Schritt katalysiert eine Dioxygenase; das Enzym führt die beiden Sauerstoffatome eines Sauerstoffmoleküls in die Ringstruktur ein.

Im Gegensatz zu vielen Bakterien können Pilze zwar nicht auf PAK als einziger Kohlenstoffquelle leben, sie aber cometabolisch, also parallel zu einer anderen Substanz, im Stoffwechsel umwandeln. Die charakteristischen Eingangsenzyme sind dabei Monooxygenasen. Nach der anfänglichen Oxidation kommt die weitere Umsetzung bei Pilzen meist bereits auf einer sehr frühen Stufe zum Erliegen: In Reinkulturen reichern sich die gebildeten Zwischenstufen an; typische Ringspaltungsprodukte ließen sich bisher nicht finden. Auch bei Bakterien kommt nach neueren Befunden ein solcher Weg vor.

Unsere heutigen Kenntnisse vom mineralisierenden sowie cometabolischen PAK-Abbau beruhen fast ausschließlich auf Untersuchungen an Stoffen mit zwei oder drei Ringen; für solche mit vier oder mehr sind die Vorgänge erst weniger gesichert. Zwar konnten wir kürzlich zeigen, daß die Fähigkeit zum Wachstum auf PAK als einziger Kohlenstoffquelle auch für Pyren (vier Ringe) und Fluoranthen an kontaminierten Standorten weiter verbreitet ist als lange angenommen; bisher vermochten wir aber aus dem Boden keine Bakterien zu isolieren, die in Reinkultur PAK mit mehr als vier Ringen vollständig mineralisieren. Somit ist insbesondere für die fünfringige Problemverbindung Benzpyren, die als Prototyp der polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe angesehen wird, ein biologischer Abbau noch unsicher.

Der dritte Typ des mikrobiellen PAK-Abbaus wurde erstmals 1985 beschrieben: Der Weißfäule-Pilz Phanerochaete chrysosporium – er greift normalerweise die Holzkomponente Lignin an – kann unter bestimmten Bedingungen schwer abbaubare Stoffe wie zum Beispiel Tetrachlor-dibenzodioxin, Benzpyren oder polychlorierte Biphenyle oxidieren. Dabei bedient er sich offensichtlich der gleichen von ihm abgesonderten Enzyme wie für den Abbau von Lignin. Die Eigenarten dieses Enzymsystems erscheinen aus sanierungstechnischer Sicht geradezu maßgeschneidert, da Ligninasen anders als andere Systeme weitgehend unspezifisch wirken; das umzusetzende Substrat muß in erster Linie ein passendes Redoxpotential haben (dies ist ein Maß dafür, wie leicht ein Stoff Elektronen abgibt oder aufnimmt; eine Oxidation bedeutet Abgabe, eine Reduktion Aufnahme). Ein weiterer Vorteil ist, daß der ligninase-katalysierte Abbau auch dann noch funktionieren kann, wenn eine Vielzahl von Schadstoffen vorliegt – wie in der letzten Fraktion der Teerdestillation, dem sogenannten Anthracen-Öl.

Was bei diesem Abbautyp aus den primären Oxidationsprodukten im weiteren entsteht, ist nur schwer vorherzusagen; die gebildeten Radikale – reaktive Verbindungen – können sowohl untereinander als auch mit anderen organischen Molekülen oder mit Wasser in der Nachbarschaft weiterreagieren, und die Vielfalt beobachteter Stoffwechselprodukte ist relativ groß.

Je nach Spezies und Abbauweg können also unterschiedliche Zwischen- oder Endprodukte angehäuft und aus der Zelle ausgeschieden werden. Damit erhebt sich die Frage nach deren Wirkung und Verbleib im Boden.

Scheinbarer und echter PAK-Abbau im Boden

Die geschilderten Erkenntnisse zum mikrobiellen Abbau von PAK beruhen durchweg auf Laborexperimenten an Reinkulturen und mit Flüssigmedien. Die dabei erzielbaren Abbauleistungen dürften aufgrund der optimalen Belüftung, Nährstoffzufuhr und Bioverfügbarkeit der Schadstoffe eher das maximal Mögliche sein. Doch trotz der bisher mäßigen Erfolge der Laborforschung mit bakteriellen Reinkulturen – wobei insbesondere kein Abbau von Aromaten mit mehr als vier Ringen zu erzielen ist – berichten einige Sanierungsfirmen über eine nahezu vollständige Reinigung PAK-kontaminierter Böden. Wie erklärt sich diese Diskrepanz?

Zum einen dürfte häufig bereits das bloße allmähliche Verschwinden der PAK-Verbindungen als Abbau angesehen werden. Viele Sanierungsfirmen belegen ihn in der Regel dadurch, daß sie die fraglichen Substanzen aus Wasser, Sediment oder Boden mit organischen Lösemitteln extrahieren und chromatographisch analysieren. Oft sind sie schließlich nur noch in sehr geringen Mengen oder gar nicht mehr nachzuweisen. Doch bereits eine andere Extraktionstechnik kann ein völlig abweichendes Ergebnis zur Folge haben. Vielfach werden fettlösliche Schadstoffe wie die polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe durch Einlagerung in die organische Humusmatrix so fest gebunden, daß sie sich selbst mit rigorosen Extraktionsverfahren nicht mehr vollständig erfassen lassen. Eine exakte Bilanzierung des mikrobiellen Abbaus ist nur mit radioaktiv markierten Substanzen möglich.

Bei allen Experimenten ließ sich bisher selten eine vollständige Mineralisierung nachweisen. Ihr Grad konnte allerdings bei einigen PAK-Verbindungen durch Zugabe spezialisierter Bakterien wesentlich gesteigert werden. Nach Zusatz etwa von pyren-verwertenden Mykobakterien zu belasteten Sedimentproben wurden 40 Prozent des Pyrens mineralisiert, ohne diese Helfer aber so gut wie gar nichts.

Huminstoffe als Senke für Schadstoffe

Unseren Untersuchungen nach schien die Abbauleistung im Boden auch durch organische Zuschlagstoffe gefördert zu werden: Ein Zusatz von Kompost zu einer PAK-Altlast-Bodenprobe brachte im Vergleich zu dem von Dünger oder Spezialmikroben das beste Ergebnis (Bild 1 oben). Der Grund ist noch unklar. Die Kompostgabe erhöhte zwar den Anteil von Mikroorganismen generell, doch waren darunter keine Bakterien, die eindeutig zum Abbau solcher Schadstoffe fähig wären. Die andere Möglichkeit, daß organische Nährstoffe im Kompost vielleicht den Abbau organischer Fremdstoffe beschleunigen, steht im Widerspruch zu dem Phänomen, daß Mikroorganismen ansonsten die einfacher verwertbaren Nährstoffe bevorzugt abbauen.

Wir nehmen nun an, daß auch in diesem Falle das nur mit extraktiven Techniken nachgewiesene Schwinden der PAK weniger eine verstärkte Mineralisierung als vielmehr ein vermehrtes Einbinden in die Bodenmatrix widerspiegelt. Die von Mikroorganismen ausgeschiedenen radikal-bildenden und oxidativen Enzyme könnten ein Schadstoffmolekül labiler machen und so seine Reaktionsbereitschaft gegenüber der organischen Boden-Kompostmatrix erhöhen. Nachgewiesen ist jedenfalls, daß es dann sowohl einem weiteren oxidativen Abbau unterliegen kann als auch einer Polymerisation und Einbindung in die organische Humusmatrix. (Vermutlich beruht auch die Zugabe von Weißfäule-Pilzen – wie einige Firmen sie zur Optimierung von Bodensanierungen vorschlagen – zumindest teilweise auf einem ähnlichen Mechanismus, da diese Organismen bekanntlich spezielle oxidierende Enzyme ausscheiden.)

Ein ideales Netzwerk für die oxidative Ankopplung aller im Boden vorliegenden aromatischen Verbindungen bieten die darin enthaltenen Huminstoffe (Bild 2). Diese komplexen Polymere bestehen bis zu 30 Prozent aus Komponenten, wie sie sich ähnlich auch beim Abbau von PAK im Boden bilden können. Ihre aromatischen Strukturen sind vielfach über Sauerstoffbrücken miteinander verbunden und bieten über zahlreiche Seitengruppen ausreichend Bindungsstellen für Stoffwechselprodukte jeder Art.

Man kann also annehmen, daß die bei der Bilanzierung mit radioaktiv markierten Stoffen als "nicht extrahierbare, gebundene Rückstände" bezeichnete PAK-Fraktion mit großer Wahrscheinlichkeit als solche im Boden gar nicht mehr existiert, sondern in zunehmendem Maße zu einem Bestandteil eines Humus-Makropolymers geworden ist, dessen Kohlenstoff weiter umgesetzt werden kann. Der Boden erfüllt somit ebenfalls eine entgiftende Funktion, da die ursprünglich gesundheitsgefährdenden Wirkstoffe nicht mehr für Organismen verfügbar – bioverfügbar – sind (Bild 3).

Die Beschreibung solcher Vorgänge, die in der Praxis oft vernachlässigt werden, soll allerdings nicht zu dem Fehlschluß verleiten, der mikrobielle Abbau beruhe überwiegend oder gar ausschließlich auf Festlegungsmechanismen. Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe können auch im Boden und im Sediment von Gewässern bis zu Kohlendioxid abgebaut werden – wenn nicht durch eine Bakterienart, dann doch als Gemeinschaftsleistung mehrerer Arten.

Der verfügbare Schadstoff muß bei Markierungsexperimenten nicht zu 100 Prozent in Kohlendioxid umgesetzt werden, damit man begründet von einer völligen Mineralisierung sprechen darf; denn ein Teil des fremden Kohlenstoffs wird ja auch zum Aufbau von Zellsubstanz, also Biomasse, verwendet – und das ist aus Sicht der Bakterien außer der Gewinnung von Energie sogar der Hauptzweck der biologischen Oxidation solcher Stoffe.

Modellvorstellungen zum PAK-Umsatz

Außer der vollständigen Mineralisierung muß also insbesondere die Bildung gebundener Rückstände als ein wesentlicher Teil des biogenen Verschwindens von PAK im Boden mit einkalkuliert werden. Zudem wird ein Teil der aus menschlicher Sicht unerwünschten Stoffe zumindest vorübergehend in Biomasse umgewandelt, ein weiterer kann durch rein adsorptive Mechanismen im Boden festgelegt werden.

Somit findet der Widerspruch zwischen erfolgreicher Sanierungspraxis und wissenschaftlichen Indizien, die eher für einen Mißerfolg sprechen, außer der analytischen eine zweite, diesmal biologische Erklärung: Biologische Sanierungen von PAK-kontaminierten Böden basieren niemals allein auf der direkten und vollständigen Mineralisierung der Schadstoffe, sondern zu einem großen Teil auch auf der gezielten Einbindung von sozusagen toxischem Potential in die Bodenmatrix – einem Prozeß, den Mikroorganismen wiederum aktiv zu fördern vermögen (Bild 5).

Selbst in schwer zugänglichen Poren oder in adsorbiertem Zustand können PAK von etlichen Mikroorganismen angegriffen werden; die ausgeschiedenen Enzyme machen es möglich. Jedes der gebildeten Umwandlungsprodukte kann theoretisch sofort mit der organischen Bodenmatrix in der Umgebung weiterreagieren.

Damit läßt sich auch auf die vielfach geäußerte Befürchtung eingehen, bei einer partiellen Oxidation könnten sich – anders als bei vollständiger Mineralisation – toxische Zwischenprodukte anreichern. Mehr noch, statt zu entgiften würde etwa der pilzliche Stoffwechsel das gentoxische Potential womöglich erst hervorbringen. Bekanntlich wirkt Benzpyren selbst gar nicht cancerogen; es wird erst in der Leber von Säugern in eine Form umgewandelt, die mit der Erbsubstanz, der DNA, interagiert. Einen ähnlichen Umwandlungsweg nutzen auch Pilze.

Der Tenor einschlägiger Veröffentlichungen geht jedoch dahin, daß sich in speziellen Mutagenitätstests keine Indizien für eine mikrobielle Toxifikation von PAK ergeben haben. Wieweit sich diese nur an Reagenzglassystemen gewonnenen Belege auf natürliche Systeme – also den Boden selbst – übertragen lassen, ist bislang noch nicht ausführlich untersucht. Aber ein so komplexes Biotop wie der Boden hat insbesondere durch seine Immobilisierungsmechanismen ein vielfältigeres Entgiftungsarsenal als die Zellen. Die beim anfänglichen Abbau von PAK entstehenden Zwischenprodukte sind zudem chemisch meist so reaktiv, daß es angesichts der geradezu unendlich vielen Möglichkeiten der Weiterreaktion unwahrscheinlich ist, daß sich ein solches Produkt anhäuft oder nur in einer bestimmten Richtung weiterreagiert.

Beim biologisch stimulierten PAK-Abbau in einem mit Dieselöl verseuchten Boden haben Wissenschaftler zwar eine vorübergehende Zunahme der Gentoxizität festgestellt (geprüft anhand der mutationsauslösenden Wirkung bei Bakterien). Nach vier Wochen sank sie jedoch wieder und blieb schließlich stabil auf dem Niveau von sauberem Vergleichsboden. Ähnliches haben auch die Betreiber von Sanierungsunternehmen nach eigenen Angaben für PAK-kontaminierte Böden ermittelt.

Es ist somit anzunehmen, daß die durch biogene Festlegung bewirkte Neutralisierung der potentiell gesundheitsschädlichen Wirkung von PAK für viele Bodensanierungszwecke ausreicht. Für Sanierungsverfahren, die überwiegend auf biologischer Festlegung beruhen, ist allerdings durch sorgfältige längerfristige Untersuchungen sicherzustellen, daß unerwünschte Komponenten nicht doch wieder freigesetzt oder verlagert werden.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 10 / 1993, Seite 97
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