Graue Gentechnik – neue Waffen gegen alte Probleme

Wie David gegen Goliath steht die Graue Gentechnik einem gewaltigen Abfallberg gegenüber. Immer mehr Menschen produzieren immer mehr Abfälle. Dabei geht es nicht nur um Plastikstrudel, die sich weit entfernt im Ozean drehen. Rückstände von Arzneimitteln, Kosmetika oder Schadstoffen landen auch in der Nahrungskette und nehmen Einfluss auf die Lebensqualität. Umweltbiotechnologen setzen auf organismische Systeme, die eine biologisch verträgliche Entsorgung von Abfällen ermöglichen sollen. Nun versuchen wir einen Überblick über die Graue Gentechnik zu geben.

 

Graue Gentechnik - die Farben der Gentechnik

Gentechnik

 

1. Geschichte der Grauen Gentechnik

Die Umweltbiotechnologie ist ebenso jung wie das Bewusstsein für die Abfallproblematik. Über Jahrhunderte wurde kein großes Aufheben um Abfälle gemacht. Müll war einfach da, bestenfalls weit entfernt von den Menschen vergraben oder ins Wasser gekippt. So konnte die Cholera ganze Armeen lahm legen und die Pest die Bevölkerung Europas halbieren. Mit Beginn des Industriezeitalters erwuchsen neue Probleme. Große Mengen giftiger Metalle fielen als Abfall an und drohten Grundwasser und Böden zu verseuchen.

Gegen Ende des 19. Jahrhunderts entwickelten Ingenieure erste Anlagen zur Abwasserreinigung. Bald darauf wurden neben chemischen Ausfällungsmethoden auch mechanisch-biologische Klärungsverfahren ausprobiert. In den 1980er Jahren begannen Techniker vermehrt Mikroorganismen für Abbauprozesse einzusetzen. Danach ging die Entwicklung mit großen Schritten voran. Bereits zehn Jahre später konnten mineralölkontaminierte Böden in Großraumhallen biologisch gereinigt werden. Heute sind mikrobielle Reinigungsverfahren in Kläranlagen, Industrie und Gewerbe Standard.

Graue Gentechnik und GVO

Für die Freisetzung von Gentechnisch Veränderten Organismen (GVO) gelten strenge Sicherheitsbestimmungen. Daher arbeiten offene Systeme wie Kläranlagen, Biofilter oder die Bodensanierung nicht mit GVO, sondern mit natürlich vorkommenden Mikroorganismen. Gentechnische Modifikationen an Organismen kommen in der Forschung sowie bei der Produktion von Enzymen und Reagenzien zum Einsatz (vgl. Weiße Gentechnik).

2. Anwendungsgebiete der Grauen Gentechnik

Biologische Reinigungssysteme enthalten in der Regel ein Gemisch aus Bakterien, Pilzen und tierischen Kleinstlebewesen (Protozoen), die sich in ihrer Funktionsweise ergänzen. Sie katalysieren und beschleunigen den Abbau von organischem und anorganischem Material. Einsatzgebiete von Mikroorganismen sind:

Reinigung von Abfällen

  • Abwasser
    Kläranalgen reinigen Abwässer aus Industrie, Gewerbe und Privathaushalten. Die in sogenannten Belebtbecken angesiedelten Mikroben ernähren sich von Fetten, Proteinen, Kohlenhydraten oder Stickstoffverbindungen.
  • Abluft
    Industrieanlagen, Tierproduktionsbetriebe oder Lackierereien produzieren Abluft. Biofilter aus organischem Material wie Torf, Rindenkompost, Kokosfasern enthalten Mikroorganismen, die Gerüche und Lösemitteldämpfe reduzieren.
  • Xenobiotika
    Halogenverbindungen (Teflon, Lösch- und Kühlmittel), Tenside (Wasch- und Pflanzenschutzmittel) und Arzneimittel sind naturfremde Substanzen synthetischen Ursprungs. Derartige Stoffe können nur in Kläranlagen abgebaut werden, die über eine zusätzliche Reinigungsstufe verfügen.

Detektion von Schadstoffen

Bioindikatoren in Form von Teststreifen oder -flüssigkeiten sollen das Aufspüren von Umweltgiften erleichtern. Biogene Substanzen, zumeist Proteine oder kurze DNA-Stücke, zeigen durch eine Farbreaktion das Vorhandensein eines Stoffes an. Hier werden auch GVO eingesetzt, beispielsweise zum Nachweis von Arsen in Brunnenwasser.

Sanierung kontaminierter Gewässer und Böden (Remediation)

  • Wasser
    „Ölfresser“ sind Bakterien, die Kohlenwasserstoffketten aufbrechen und verwerten. Sie kommen natürlicherweise in der Nähe unterseeischer Ölquellen vor. Per Flugzeug werden mit Bakterienkulturen angeimpfte Holzfaserstücke über ölverseuchten Wasserflächen ausgebracht, um die Selbstreinigungskapazität des Gewässers zu erhöhen. Auch langlebiges Plastik kann durch manche Organismen abgebaut werden.
  • Boden
    Chemische Schadstoffe wie Kadmium oder Quecksilber reichern sich im Boden an. Einige Pflanzenarten haben von Natur aus eine erhöhte Schwermetalltoleranz. Gentechniker machen sich diese Eigenschaft zunutze und erzeugen Transgene Pflanzen, welche die Schadstoffe aus dem Boden aufnehmen sollen.

 

3. Techniken

Unter optimalen Lebensbedingungen vermehren sich Mikroorganismen schnell und setzen große Stoffmengen um. Eine der Hauptaufgaben der Umweltbiotechnologen ist daher, ein geeignetes Umfeld für die mikrobiellen Helfer zu schaffen.

Stoffwechsel der Organismen

Grundlegend unterschieden wird zwischen Lebewesen, deren Stoffwechsel aerob (mit Sauerstoff) oder anaerob (ohne Sauerstoff) funktioniert. Nährstoffversorgung, Feuchtigkeit, pH-Wert und andere Parameter sind für das Gedeihen der Mikroorganismen entscheidend. Kleinstlebewesen ernähren sich von den unterschiedlichsten organischen und anorganischen Stoffen. Sie zerlegen ihr Nahrungssubstrat in der Regel in unschädliche Einzelteile, zurück bleiben vorwiegend Kohlendioxid, Wasser, Sauerstoff und Mineralsalze.

Bereitstellung der Organismen

Biofilter enthalten durch das genutzte Material bereits eine geeignete Organismenmischung. Kläranlagen können mit einer erprobten Kulturmischung angeimpft werden. Einige Stämme durchlaufen Züchtungs- und Selektionsprogramme im Labor, bevor sie zum Einsatz kommen.

4. Graue Gentechnik: Ausblick

Umweltbiotechniker arbeiten überwiegend mit natürlich vorkommenden Organismen. Ein wesentlicher Teil zukünftiger Forschung wird darin bestehen, gezielt nach spezialisierten Mikroben zu suchen. Die Chancen auf Erfolg stehen gut. Hunderte neuer Arten mit unbekannten Fähigkeiten warten auf ihre Entdeckung.

Im Folgenden müssen technische Verfahren entwickelt werden, die Nützling und Schadstoff in einem passenden Reaktionsraum zusammenbringen. So gibt es zwar Bakterien und Pilze, die das in den Meeren schwimmende PET-Plastik abbauen können, sie vertragen jedoch weder Salzwasser noch Kälte. Auch ist die Effizienz der Bakterien zu gering, um große Müllmengen zu bewältigen. Dies sind die Herausforderungen, vor denen Techniker und Biologen stehen.

2017 entdeckten Forscher eine Raupe, die den Kunststoff Polyethylen (PE) zersetzen kann (Cell.com). Angestrebt wird, das für den Plastikverdau verantwortliche Enzymsystem zu identifizieren und industriell nutzbar zu machen. Die Graue Gentechnik steht erst am Anfang, doch jeder ihrer Fortschritte erregt Aufsehen und nährt die Hoffnung, Abfallberge und Umweltkontaminationen zukünftig in den Griff zu bekommen.