Wie feine Erdgeflechte Schwermetallbelastungen abhelfen könnten

Unter heimischen Pilzsammlern in Deutschland versteht es sich von selbst, dass viele Speisepilze in unseren Wäldern durch die Atomkatastrophe von Tschernobyl 1986 immer noch mit Radionukliden belastet sind. Weniger bekannt ist, dass Pilze auch andere Schwermetalle anreichern können.

Ein Team des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) hat nun die Besonderheiten der Wechselwirkung von vier verschiedenen Pilzarten mit Europium als nicht radioaktivem und chemischem Analogon für bestimmte Aktinide und andere Vertreter der Seltenen Erden untersucht.

Damit entschlüsseln die Wissenschaftler das Migrationsverhalten von Radionukliden in der Umwelt: Details, die sowohl für eine Gefährdungsbeurteilung als auch für die Entwicklung industrieller Sanierungs- oder Extraktionsverfahren unverzichtbar sind.

„Die Wechselwirkung von Pilzen mit Europium auf molekularer Ebene ist aus radiotoxikologischer Sicht derzeit besonders interessant, da dieses Seltenerdelement ein Analogon der dreiwertigen Actinoide Americium und Curium ist, wobei insbesondere Americium für die hohe Radiotoxizität in Tschernobyl verantwortlich ist in der Zukunft“, erklärt Dr. Alix Günther vom Institut für Ressourcenökologie des HZDR.

Das sehr gefährliche Radionuklid Americium-241 wurde bei der Reaktorexplosion nicht freigesetzt. Allerdings wurde Plutonium-241 freigesetzt, das mit einer Halbwertszeit von 14,4 Jahren zu Americium-241 zerfällt. Andere Radionuklide wie Cäsium oder Strontium werden langsam verschwinden – aber der Americium-Anteil wird weiter steigen und seinen Höhepunkt erst schätzungsweise 70 bis 80 Jahre nach dem Unfall erreichen.

„Darüber hinaus ist das Seltenerdmetall Europium ein wichtiger Bestandteil einer Vielzahl von Hightech-Produkten. Bei der Gewinnung oder auch durch unsachgemäße Entsorgung kann Europium in die Umwelt gelangen. Als Analogon zu Calcium, Europium kann den Zellstoffwechsel im menschlichen Körper massiv stören“, beschreibt Günthers Institutskollege Dr. Johannes Raff die zweite Motivation für die gemeinsame Arbeit. Beide Themen werfen für die Forscher die gleiche Frage auf: Interagieren verschiedene Pilzarten auf die gleiche Weise mit diesen Schwermetallen?

Die wunderbare Welt der Pilze

Pilze sind bemerkenswerte Lebewesen: Sie können im Extremfall weit über tausend Jahre alt werden und eine Ausdehnung von mehreren hundert Hektar und eine Biomasse von über 500 Tonnen erreichen. Bei der Akkumulation von Schwermetallen spielen die bislang im Fokus stehenden Fruchtkörper jedoch nicht die Hauptrolle, obwohl deren Ernte und Verzehr das Tor in die menschliche Nahrungskette bilden. Für die Aufnahme von Schwermetallen aus der Umwelt ist vor allem das unterirdische, feine Netzwerk des Myzels verantwortlich.

Für ihre Arbeit wählten die Forscher holzabbauende Pilze wie den Gemeinen Spaltkiemer (Schizophyllum commune), den Austernpilz (Pleurotus ostreatus) und den Tigersägeblatt (Lentinus tigrinus) sowie den Weißen Apfelbaum (Leucoagaricus naucinus), der sich ernährt auf toter organischer Materie. Sie konfrontierten diese Pilze mit Europium.

In einer früheren Arbeit hatten sie die Reaktion von Pilzen auf die Elemente Cäsium, Strontium und Uran untersucht, da diese entweder wichtig für die Radiotoxizität oder Bestandteile von Kernbrennstoff sind. Aus diesen Studien haben sie zum Beispiel gelernt, dass der Split-Gill große Mengen Uran in seine Zellen aufnehmen kann, ohne zu sterben.

Auch dank der exzellenten technischen Ausstattung des Instituts für Ressourcenökologie und der fruchtbaren Zusammenarbeit mit dem Ionenstrahlzentrum des HZDR konnte das Team nun mithilfe einer Kombination aus Spektroskopie und Mikroskopie den Zusammenhang zwischen dem Auftreten verschiedener Bindungsformen aufklären Europium und die jeweilige Bindungsstelle auf oder in der Zelle.

Schwermetallappetit bei Pilzen: Unterschiedlich ausgeprägt

Ihre Ergebnisse zeigen, dass Pilze sehr unterschiedlich mit dem Schwermetall interagieren. Während die Art der chemischen Wechselwirkung bei allen Pilzen ähnlich ist, sind die beteiligten zellulären Komponenten und damit der Transport und die Aufnahme sowie die Anreicherungsorte in der Zelle sehr unterschiedlich. Während beispielsweise der Weiße Apfelschimmel nur geringe Mengen an Europium bindet, das fein verteilt in der Zelle immobilisiert ist, kann die Spaltkieme im Vergleich zu den anderen Pilzen bis zu viermal mehr Europium binden.

Diese Art gehört zu den Weißfäulepilzen, also Pilzen, die den Holzbestandteil Lignin abbauen können, um ihn für ihren Stoffwechsel zu nutzen. Sie bilden außen an der Zellwand unlösliche europiumhaltige Niederschläge: ein Hinweis darauf, dass sich die Pilze auch ernährungsphysiologisch unterschiedlich gegenüber Schwermetallen verhalten.

Das Team hofft, eine Vielzahl von Anwendungen für ihre Erkenntnisse zu finden. Für Raff sind Methoden denkbar, die zum Beispiel mit Schwermetallen belastete Flächen wieder landwirtschaftlich nutzbar machen: „Dazu müssen wir allerdings die molekularen Prozesse und den Transport im Organismus noch genauer verstehen.“

Günther notiert ein Detail, das die Rossendorfer Wissenschaftler schon länger beschäftigt: „Dank der langen Lebensdauer mancher Pilzarten könnten radioaktive Stoffe teilweise bis zu ihrem Zerfall gespeichert werden. Aus diesem Grund könnten sie sich für eine schnelle Strahlenschutzvorsorge eignen.“ einerseits und zur Sanierung kontaminierter Böden andererseits. Und wir sehen auch die Möglichkeit, kontaminiertes Wasser zu reinigen: Hier könnten unsere Pilze als Trägermaterial in Reinigungskolonnen eingesetzt werden.“

Außerdem wollen die beiden mit ihrer Arbeit Licht ins bisher nur unvollständig verstandene Verhalten von Radionukliden in unserer Umwelt bringen. Dieses Wissen bildet die Voraussetzung für eine detaillierte Modellierung und Vorhersage, die wiederum für eine realistische Risikobewertung unerlässlich sind.