Methan aus Abfällen sollte nicht verschwendet werden: Deponieökosysteme erkunden

Jedes Jahr produzieren Menschen auf der ganzen Welt Milliarden Tonnen festen Abfalls. Rund 70 % dieser Abfälle landen auf Deponien, wo sie langsam zerfallen. Doch was wie eine leblose Ansammlung nutzloser Trümmer erscheinen mag, ist in Wirklichkeit ein komplexes Ökosystem voller mikrobieller Aktivität. Riesige Gemeinschaften von Mikroorganismen ernähren sich von den Abfällen und wandeln sie in Nebenprodukte um – hauptsächlich Kohlendioxid (CO2) und Methan.

Während das meiste Deponiemethan aufgefangen und abgefackelt wird, hoffen die Forscher stattdessen, diese Ressource zu nutzen, die in Kraftstoffe, Strom oder zum Heizen von Häusern umgewandelt werden kann (siehe unten).

In einer neuen Studie, die in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Angewandte und Umweltmikrobiologie, erforschen Hauptautor Mark Reynolds zusammen mit seinen Kollegen der Arizona State University und der Industrie diese mikrobiellen Gemeinschaften, die in Sickerwasser gedeihen, einer Flüssigkeit, die durch feste Abfälle auf einer Mülldeponie sickert. Sie finden heraus, dass sich die Zusammensetzung und das Verhalten bestimmter Mikroben, die in trockenen Deponien wie denen in Arizona gefunden werden, von ähnlichen Gemeinschaften in subtropischeren oder gemäßigteren Klimazonen unterscheiden. Die mikrobielle Zusammensetzung unterscheidet sich auch je nach Alter der Deponien.

Das Projekt wurde auf der Salt River Deponie in Scottsdale in der Nähe des Tempe-Campus der ASU durchgeführt. Die Anlage erhält täglich etwa 1.600 Tonnen feste Siedlungsabfälle.

Fester Abfall: Ein Zusammenbruch

Die Studie untersucht die mikrobielle Zusammensetzung im Sickerwasser auf Ökosystemebene. Unterschiedliche Umweltbedingungen wirken sich scheinbar auf die mikrobiellen Nischen aus, die über die 143 Hektar der Deponie verteilt sind.

„Ich stelle mir eine Mülldeponie wie ein großes Kohlebuffet für diese Mikroorganismen vor“, sagt Reynolds, ein Forscher am Biodesign Swette Center for Environmental Biotechnology. „Unser Müll ist meist papierlastig und sehr reich an Zellulose und Hemizellulose. Diese sind unter anaeroben (sauerstofffreien) Bedingungen leicht abbaubar.“

Die Abscheidung und Verwendung von in Deponien produzierten Gasen kann dazu beitragen, die mit Deponieemissionen verbundenen Gefahren zu verringern und zu verhindern, dass Methan in die Atmosphäre entweicht. Darüber hinaus können Energieprojekte im Zusammenhang mit der Erfassung und Verarbeitung von Deponiegas Einnahmen generieren und Arbeitsplätze in der Gemeinde schaffen.

Durch ein besseres Verständnis des Verhaltens dieser methanproduzierenden Mikroorganismen hoffen die Forscher, die Aufnahme dieser lebenswichtigen Ressource zu verbessern und möglicherweise das Entweichen von Methan und CO2 – zwei starke Treibhausgase und Hauptverursacher des Klimawandels – in die Atmosphäre zu begrenzen.

„Wir tauchen in die ökologische Theorie ein, um zu versuchen, an die Quelle dessen zu gelangen, was die Organisationsmuster der methanproduzierenden Organismen antreiben könnte“, sagt Reynolds. Die facettenreiche Analyse der Studie zeigt, dass Temperatur und gelöste Feststoffe die beiden Schlüsselparameter sind, die ihre Häufigkeit und Diversifizierung bestimmen. Das sind gute Nachrichten, denn diese Daten werden routinemäßig monatlich auf Mülldeponien erfasst und können genaue Diagnosen liefern – verräterische Indikatoren für allgemeine Trends in der gesamten Methanproduktion.

Vom Müll zum Treibstoff

Siedlungsabfalldeponien machten 2019 über 15 % der Methanemissionen aus und stellten damit die drittgrößte Quelle der globalen Methanemissionen dar. Wie die Studie feststellt, belaufen sich die Methanemissionen aus Deponien auf das Äquivalent von einer Milliarde Tonnen CO2 oder ungefähr den Treibhausgasemissionen, die von fast 22 Millionen Autos verursacht werden, die ein Jahr lang gefahren werden.

Typischerweise wird das meiste Methan, das von Mikroorganismen in einer Deponie freigesetzt wird, als Biogas aufgefangen und anschließend abgefackelt, wodurch es in CO2 umgewandelt wird. Dieses Verfahren begrenzt zwar die klimaschädlichen Wirkungen des Methans selbst, ist aber eine kurzfristige und unzureichende Lösung des Problems der Treibhausgasemissionen aus Deponien.

Neben der negativen Auswirkung auf das Klima stellt das verlorene Methan eine verpasste Chance dar, diese wertvolle Ressource zu gewinnen. Die Studie schätzt, dass etwa ein Fünftel der Deponien des Landes für eine solche Erfassung und Verarbeitung geeignet wäre, wenn wirtschaftliche und andere Hürden überwunden werden können.

Derzeit erzeugen Mikroorganismen, die Siedlungsabfälle abbauen, Deponiegas, das zu etwa 50 % aus Methan und zu 50 % aus CO2 besteht. Durch das Verständnis der subtilen Funktionsweise dieser Mikroorganismen – insbesondere der methanogenen Archaea, die die eigentlichen Arbeitspferde im Methanproduktionszyklus sind – hoffen die Forscher, die Methanproduktion zu steigern.

Das erhöhte Methan kann geerntet und zur Erzeugung von Strom, CO2-neutralen Brennstoffen oder zum Heizen von Häusern verwendet werden. Letztere Option ist besonders attraktiv, da keine weitere Aufbereitung des Methans erforderlich wäre. Alternativ könnten möglicherweise modifizierende mikrobielle Gemeinschaften verwendet werden, um den Methanausstoß zu begrenzen, wenn eine Minderung erwünscht ist.

Auf der Jagd nach Archaea

Deponien bieten einen idealen Rahmen für die detaillierte Untersuchung von Archaeen, die bekanntermaßen eine Herausforderung für die Kultivierung im Labor darstellen. Ungefähr 80 % der Vielfalt der Archaeen sind noch weitgehend unerforscht. „Unsere Labore sind wirklich an den Methanogenen interessiert, weil sie den gleichen Stoffwechsel, den sie in den Feuchtgebieten durchführen, die sie zur größten Methanquelle machen, oder stattdessen den menschlichen Magen-Darm-Trakt, in den Mülldeponien durchführen“, sagt Reynolds.

Da es sich bei den Methanogenen um primitive, einzellige Organismen handelt, können sie gleichermaßen Pflanzen-, Nahrungs- oder Papierprodukte verwerten. Während die Studie ähnliche Methankonzentrationen auf ihrer trockenen Deponie im Vergleich zu anderen Deponien fand, leisten verschiedene Gemeinschaften von Methanogenen die Schwerstarbeit. Die Studie zeigt, dass das mikrobielle Verhalten auch vom Alter der abgelagerten festen Abfälle abhängt. Jüngere Abfälle haben im Vergleich zu älteren Abfällen eine höhere Temperatur und werden gemäß unterschiedlichen Regimen abgebaut. Es hat sich auch gezeigt, dass die Trockenheit den Abbau von festen Abfällen im Laufe der Zeit stark beeinflusst.

„Es gibt eine Umstrukturierung oder Reorganisation dieser ariden Klimamikroben in Mülldeponien“, sagt Reynolds. Zukünftige Untersuchungen werden darauf abzielen, die Unterschiede in diesen Gemeinschaften im Vergleich zu ihren gemäßigten und feuchten Gegenstücken zu klären.

Weitere Forschungsarbeiten werden die mikrobiellen Gemeinschaften von Deponien sowie den Einsatz von Biostimulanzien oder anderen Techniken, die zur Modifizierung der Methanproduktion eingesetzt werden könnten, genauer untersuchen.