Biogene Magneten

Wie Bakterien helfen unsere Umwelt zu retten

von Annette Piepenbrock

Sie waren mehrere Milliarden Jahre vor uns da, und auch heute sind sie uns mit weltweit etwa einer Quintillion (1030) Individuen zahlenmäßig weit überlegen. Die Rede ist von Bakterien. Es gibt sie überall: Im Boden, im Wasser, in der Luft, in den Tiefen der Ozeane genauso wie in uns Menschen und in anderen Lebewesen. Kaum eine andere Gruppe von Lebewesen hat es geschafft, sich an so viele verschiedene und extreme Lebensräume anzupassen.
Trotzdem bringen wir Menschen den Bakterien meist wenig Bewunderung entgegen. Im Gegenteil, wir denken zuallererst an Krankheiten und Infektionen, an Entzündungen und Blutvergiftung. Nicht umsonst gibt es in der Medizin das Fachgebiet der Hygiene, dessen wichtigstes Ziel es ist, Bakterien möglichst weitgehend aus unserem Leben zu vertreiben. Schließlich haben wir auf der Welt wenige so gefährliche Feinde wie bestimmte Bakterienarten.

"Ohne Bakterien in unserem Magen-Darm-Trakt ginge es uns sehr schlecht."

Doch dabei wird gerne übersehen, dass viele Bakterien für uns unabdingbar wichtig sind. Ohne Bakterien gäbe es uns überhaupt nicht, und das in vielerlei Hinsicht. Zum einen sind sie in der Evolution lange vor uns entstanden und damit sozusagen unsere Vorfahren. Zum anderen spielen sie auch eine wichtige Rolle in und auf dem menschlichen Körper sowie in natürlichen Systemen. Ohne die Bakterien in unserem Magen-Darm-Trakt oder auf der Haut ginge es uns sehr schlecht. Und ohne ihren Beitrag zu den natürlichen Stoffkreisläufen könnte keine Pflanze wachsen und wir hätten nichts zu essen. So gelangen Nährstoffe wie Stickstoff erst dadurch in den Boden, dass sie von den Bakterien aus totem organischen Material wieder freigesetzt werden.
Neben all diesen wichtigen Funktionen leisten Bakterien auch noch einen entscheidenden Beitrag zum Umweltschutz. So können sie beispielsweise organische Schadstoffe abbauen, die in den Boden oder ins Grundwasser gelangt sind. Außerdem bieten Bio-Brennstoffzellen eine umweltschonende Möglichkeit elektrischen Strom zu erzeugen. In ihnen setzen Bakterien die Energie, die in organischem Material steckt, frei und übertragen sie in Form von Elektronen auf eine Elektrode. Einer neuen Idee zufolge kann die bakterielle Aktivität nun auch dabei helfen Schadstoffbelastungen im Boden zu lokalisieren. Demnach reicht eine einfache Messung der magnetischen Bodeneigenschaften aus, um zu erkennen, ob eine Schadstoffbelastung vorliegt. Denn die Aktivität der Bakterien im Boden wird durch einen Schadstoff verändert, was sich wiederum auf das magnetische Signal des Bodens auswirkt.

Bakterien unter dem Mikroskop

Bakterien gibt es nicht nur in einer Vielzahl von verschiedenen Lebensräumen; innerhalb eines Lebensraumes, wie zum Beispiel im Boden, gibt es auch noch eine große Anzahl verschiedener Bakterienarten, die unterschiedliche Stoffwechsel und Lebensweisen haben. Genau wie sich die chemischen Umweltbedingungen im Boden mit zunehmender Tiefe verändern, wechselt auch die bakterielle Lebensgemeinschaft. In den oberen Schichten, wo noch etwas Licht und ausreichend Sauerstoff vorhanden ist, finden sich zum Beispiel phototrophe Bakterien, die Licht zur Energiegewinnung nutzen, und aerobe, an Sauerstoff gebundene Formen. In tieferen Schichten hingegen herrscht meist Sauerstoffmangel und es überwiegen andere Stoffwechselwege wie zum Beispiel Nitrat- oder Eisenreduktion und Methanogenese.
Eisenbakterien zum Beispiel gewinnen die Energie, die sie zum Leben und Wachsen brauchen, aus der Reduktion und Oxidation von Eisen, so wie wir Menschen Sauerstoff reduzieren, wenn wir atmen. Eisen gibt es in verschiedenen Verbindungen und Mineralen, die durch die bakterielle Aktivität auf- und abgebaut werden. Eisenreduzierer lösen dreiwertige Eisenminerale wie Ferrihydrit oder Hämatit auf und aus dem entstehenden zweiwertigen Eisen bilden sich neue Minerale wie beispielsweise Magnetit.
Magnetit ist ein natürlicher Magnet. Er kommt natürlicherweise in Böden und Gesteinen vor und bestimmt so die magnetischen Eigenschaften des Bodens entscheidend mit. Als Magnet hat Magnetit die Eigenschaft, sich in einem externen magnetischen Feld auszurichten. Das passiert zum Beispiel, wenn Magnetit in frischem Ozeanboden gebildet wird. Das externe Magnetfeld ist dabei das natürliche Magnetfeld der Erde. Die Magnetitkristalle richten sich alle entlang dieses Feldes aus und wenn der Magnetit erhärtet, wird ihre Ausrichtung festgehalten. So kann man in unterschiedlich alten Ozeanböden die jeweilige Orientierung des Erdmagnetfeldes zur Bildungszeit des Magnetits ablesen. Denn die ist in geologischen Zeiträumen keineswegs immer gleich.

"Als Kompassnadel leisten Magnetitkristalle einen wertvollen Dienst."

Auch für Tiere sind die magnetischen Eigenschaften des Magnetits wichtig. So wird er häufig zur Orientierung innerhalb des Magnetfeldes der Erde benutzt. Das kennt man neben Bienen und Krebstieren auch von vielen Zugvögelarten, denen der Magnetsinn bei ihrer Reise in den Süden hilft. Tauben zum Beispiel lagern kleine Magnetitkristalle in ihre Schnäbel ein und können so Norden und Süden unterscheiden. Und auch der Mensch macht es ganz ähnlich. Als Kompassnadel leisten Magnetitkristalle schon seit der Antike vielen Seeleuten und Reisenden einen wertvollen Dienst.
Wenn im Boden Magnetit enthalten ist, hat auch er magnetische Eigenschaften. Sie werden durch die Menge des Magnetits und andere Parameter wie zum Beispiel die Größe der Magnetitkristalle bestimmt. Eine dieser Eigenschaften ist zum Beispiel die magnetische Suszeptibilität. Das ist die Reaktion eines Materials auf ein extern angelegtes Magnetfeld. Daran kann man unterscheiden, ob ein Stoff magnetisch ist oder nicht. Denn ein Magnet, wie zum Beispiel Magnetit, reagiert etwa 100 bis 1000 mal so stark auf ein angelegtes Magnetfeld wie ein nicht magnetischer Stoff.
Man kann sich vorstellen, dass ein Magnetitkristall aus vielen winzig kleinen Magneten aufgebaut ist, die alle einen Plus- und einen Minuspol haben, genau wie ein Stabmagnet. Man nennt das magnetische Domänen. Solange kein externes Magnetfeld vorliegt, sind die einzelnen Domänen zufällig ausgerichtet. Aber wenn der Magnetitkristall in ein Magnetfeld gelangt, richten sich die Domänen entsprechend dieses Magnetfeldes aus. Ihre Plus- und Minuspole zeigen in die gleiche Richtung und erzeugen dadurch selbst ein Magnetfeld. Dies kann man dann als magnetische Suszeptibilität messen.

Doch kommen wir auf die Bakterien im Boden zurück. Was passiert, wenn sie einer Schadstoffbelastung ausgesetzt werden? Das ist eine nicht ganz einfach zu beantwortende Frage, die von sehr vielen verschiedenen Faktoren abhängig ist. Im Gegensatz zu uns Menschen sind Bakterien extrem flexibel und anpassungsfähig. Obwohl viele Stoffe, die für uns Menschen schädlich sind und deshalb als Schadstoffe bezeichnet werden, auch für Bakterien toxisch sind, können diese jedoch häufig eine Resistenz gegen die Stoffe entwickeln und lernen mit der Schadstoffbelastung klarzukommen. Das tun sie, indem sie den Schadstoff auf verschiedenen Wegen so schnell wie möglich wieder aus der Zelle heraustransportieren. Wenn der Schadstoff eine ähnliche Struktur hat wie ein Stoff, der natürlicherweise in der Umwelt vorkommt, geht das sehr schnell. Aber selbst wenn es sich um einen völlig unbekannten Stoff handelt, haben Bakterien besondere Anpassungsmechanismen um mit diesem fertig zu werden. Zum Beispiel können sie DNA-Bruchstücke aus der Umgebung aufnehmen, die vielleicht die Gene für ein Enzym enthalten, das den entsprechenden Schadstoff aus der Zelle transportieren kann.
Sind die Bakterien erst einmal resistent gegen einen Schadstoff, können sie aus ihm häufig sogar einen Nutzen ziehen. Wie schon erwähnt, haben Bakterien viele verschiedene Stoffwechselwege und können aus ganz verschiedenen Verbindungen Energie gewinnen. Es gibt sogar Bakterien, die aus dem Abbau von organischen Schadstoffen Energie gewinnen können. So paradox das auch klingen mag, es kann so dazu kommen, dass die Bakterien mit dem Schadstoff sogar besser wachsen als ohne ihn.
Ob der Schadstoff nun toxisch für die Bakterien ist oder ob sie ihn als Energiequelle nutzen können, in jedem Fall verändert seine Anwesenheit die Aktivität der im Boden lebenden Mikroorganismen. Und wenn es sich bei ihnen um Eisenbakterien handelt, die Magnetit auf- oder abbauen, verändert sich dabei auch der Magnetitgehalt im Boden und mit ihm die magnetischen Eigenschaften, die magnetische Suszeptibilität. Und genau dieses Phänomen kann man zur Lokalisierung des Schadstoffes nutzen.

"Magnetische Suszeptibilität ist sehr einfach."

Wie lokalisiert man überhaupt eine Schadstoffbelastung? Normalerweise ist das ein relativ aufwändiger Prozess. Selbst wenn man weiß, dass ein Schadstoff, wie zum Beispiel Benzin oder Diesel, an einer bestimmten Stelle ausgelaufen ist, kann er sich, bis man das Problem erkennt, schon im Boden weiter verteilt haben. Um genau festzustellen, wo überall eine Schadstoffbelastung vorliegt, muss man an vielen verschiedenen Stellen Bohrungen durchführen und Boden- und Wasserproben entnehmen. Diese werden dann ins Labor transportiert und dort auf ihren Gehalt an dem entsprechenden Schadstoff untersucht. Das ist nicht nur aufwändig und teuer, sondern es dauert auch eine gewisse Zeit, bis man das Ergebnis der Untersuchung vorliegen hat.
Deshalb ist die Idee mit den magnetischen Eigenschaften so verlockend. Denn wenn sich durch den Schadstoff die magnetischen Eigenschaften des Bodens verändern, kann man das messen. Die magnetische Suszeptibilität müsste anders sein an einer Stelle, an der eine Schadstoffbelastung vorliegt, als an einem unbelasteten Stück Boden. Und die magnetische Suszeptibilität zu messen ist sehr einfach. Man muss nur mit einem Messgerät über den Boden gehen, das so ähnlich aussieht wie ein Geigerzähler. „Der Vorteil dieser Messtechnik liegt darin, dass sie eine schnelle Erkennung der Schadstoffbelastung ermöglicht, ohne analytischen Aufwand, direkt vor Ort“, so Prof. Dr. Andreas Kappler, Inhaber des Lehrstuhls Geomikrobiologie an der Uni Tübingen. Einsatzbereiche sieht er zum Beispiel in der Sanierung von Benzin- oder Dieselaustritten beim Transport oder durch Leckagen in Tanks oder Pipelines. Statt viele Proben zu nehmen und im Labor zu analysieren, könnte man mit Hilfe der Messung der magnetischen Eigenschaften die beschädigte Fläche eingrenzen und dann ganz gezielt nur noch wenige Proben nehmen.
Diese Methode der Erkennung und genauen Lokalisierung von Schadstoffbelastungen ist aber noch nicht vollständig ausgereift. Um sie sinnvoll anwenden zu können, braucht man umfangreiche Kenntnisse der magnetischen Eigenschaften und der Faktoren, die sie beeinflussen und verändern. „Noch sind nicht alle Prozesse bei der Umwandlung des Magnetit genau verstanden“, erklärt Prof. Kappler. „Daran arbeiten wir im Labor.“ Dort lässt man zum Beispiel Bakterien wachsen und misst, wie gut sie unter verschiedenen geochemischen Bedingungen, das heißt in Anwesenheit bestimmter Stoffe, Eisen reduzieren und Magnetit bilden. So versucht die Arbeitsgruppe herauszufinden, unter welchen Bedingungen Magnetit gebildet und abgebaut wird und welche Umweltfaktoren dabei eine Rolle spielen. Zwar sind noch einige Fragen in Bezug auf die Erkennung von Schadstoffbelastungen anhand der magnetischen Signale des Bodens offen, doch wenn diese Technik zur Anwendung kommt, haben wieder einmal einige Bakterien einen wichtigen Dienst für uns Menschen und den Erhalt unserer Umwelt geleistet.

Autor:

Annette Piepenbrock studiert im 11. Semester Geoökologie. Das Studium gefällt ihr gut, weil es sehr vielseitig ist und von klassischen Naturwissenschaften über Ökologie und angewandte Geowissenschaften bis hin zu Umweltökonomie und -recht viele umweltrelevante Themengebiete verbindet. Schon als Kind interessierte sie sich für die Natur und den Umweltschutz und es gefällt ihr, dass sie dieses Interesse in ihrem Studium und hoffentlich auch später im Beruf umsetzen kann. Zur Zeit schreibt sie ihre Diplomarbeit in der Arbeitsgruppe für Geomikrobiologie von Prof. Kappler, wo sie anschließend auch promovieren wird.

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