Jedes Jahr werden in den USA Millionen metrischer Tonnen Biosolids – also nährstoffreicher Rückstand aus der kommunalen Abwasserreinigung, umgangssprachlich Klärschlamm – auf Böden ausgebracht.
Das gilt als beeindruckendes Beispiel für Nährstoffrecycling und ist zweifellos eine praktische Quelle für Dünger. Über viele Jahre hinweg wurden diese Biosolids Landwirtinnen und Landwirten als natürliche Alternative zu petrochemischen Düngemitteln angeboten.
Gleichzeitig richtet diese Praxis jedoch einen enormen Schaden an – denn ein grosser Teil dieses Klärschlamms ist mit PFAS belastet.
Immerhin: Forschende arbeiten an Lösungen.
„Dieses Problem – die Kontamination landwirtschaftlicher Flächen mit PFAS – trifft kleine Betriebe und Bio-Betriebe überproportional stark, weil sie Dünger mit PFAS genutzt haben, bevor das volle Ausmass des Problems bekannt war“, erklärt der Umweltwissenschaftler Jake Thompson von der Yale University.
Thompson und sein Team haben nun ein detailliertes Sanierungskonzept vorgeschlagen, das in der Fachzeitschrift PNAS veröffentlicht wurde. Es soll die PFAS-Belastung zu einem Bruchteil der Kosten heutiger Verfahren senken.
Biosolids auf Ackerflächen: Nährstoffkreislauf mit Nebenwirkungen
Eine nationale Klärschlamm-Studie („National Sewage Sludge Survey“) der US-Umweltbehörde EPA aus dem Jahr 2001 schätzte, dass in der jährlichen Gesamtmenge der in den Vereinigten Staaten produzierten Biosolids 2,749 bis 3,450 Kilogramm PFAS enthalten sind (auch bekannt als „forever chemicals“). Etwa die Hälfte davon wird auf landwirtschaftlichen Böden ausgebracht.
Der Name „forever chemicals“ ist dabei Programm: PFAS bauen sich kaum ab. Die Kohlenstoff-Fluor-Bindung im Zentrum dieser Moleküle ist so stabil, dass PFAS voraussichtlich über Tausende Jahre erhalten bleiben.
Warum PFAS in Böden problematisch sind
Gelangen PFAS auf den Boden, verbleiben sie dort und reichern sich über die Jahre an, wenn wiederholt Biosolids ausgebracht werden. Zusätzlich können sie in Gewässer eingetragen werden, die solche Flächen durchqueren.
Eine weitere Möglichkeit: Pflanzen, die auf diesen Böden wachsen, nehmen PFAS auf – und die Stoffe können anschliessend über die Nahrungskette weiter zirkulieren.
Das ist brisant, weil die Hinweise zunehmen, dass PFAS-Exposition Lebewesen schaden kann.
Labor- und Tierstudien deuten auf eine mögliche Rolle von PFAS bei Krebs sowie bei Problemen rund um Schwangerschaft und Fortpflanzung hin.
Untersuchungen an menschlichen Bevölkerungsgruppen brachten PFAS zudem mit dem Auftreten bestimmter Krebsarten, kardiovaskulären Risiken, Multipler Sklerose sowie Fruchtbarkeitsproblemen in Verbindung.
Viele dieser Arbeiten sind noch vorläufig – die Zusammenhänge werden weiterhin erforscht.
Insgesamt zeichnet sich jedoch ab: PFAS sollten sich nicht in den Böden anreichern, auf denen wir unsere Lebensmittel erzeugen.
„Auch wenn diese Studie auf die USA fokussiert ist, sind PFAS nach den verfügbaren Daten weltweit eine Herausforderung“, sagt Thompson.
Kostenfrage: Aktuelle PFAS-Sanierung versus neues Verfahren
Den entstandenen Schaden zu beheben, ist teuer und komplex. Mit heutigen Techniken kostet die Entfernung von PFAS aus US-Ackerland rund $800,000 bis $1.6 million pro Hektar – insgesamt entspricht das geschätzt $8 trillion.
Das neu vorgeschlagene Vorgehen würde hingegen bei etwa $29,000 pro Hektar liegen, wenn der Prozess bis zu 20 Jahre lang wiederholt wird, um die Sanierung abzusichern.
Den Forschenden zufolge stärkt es ausserdem die Bodengesundheit. Bestehende Verfahren, bei denen Boden ausgehoben und „verbrannt“ wird, entfernen dagegen den Oberboden und setzen grosse Mengen Kohlendioxid frei.
PFAS-Sanierung mit alkalischem Gestein, Pflanzen und Pyrolyse
Wie funktioniert der Ansatz?
Zunächst wird zerkleinertes alkalisches Gestein auf den belasteten Flächen ausgebracht. In ihren Modellen nutzten Thompson und sein Team Basalt; auch Kalkstein käme als Alternative infrage.
„The application of alkaline rock amendments to soil (or enhanced weathering) elevates soil pH to a target pH of 7, leading to an increase in mobility and bioavailability of key PFAS such as perfluorooctane sulfonate (PFOS) and perfluorooctanoic acid (PFOA),“ erklären die Autorinnen und Autoren in der veröffentlichten Arbeit.
Anschliessend werden Pflanzen angebaut, die dafür bekannt sind, PFOS besonders schnell anzureichern – etwa Hanf und mehrjährige Gräser. Diese Biomasse wird geerntet und pyrolysiert (eine Wärmebehandlung ohne Sauerstoff), wodurch Biokohle entsteht.
„Harvested biomass converted to biochar and reapplied to the field can also serve to immobilize residual PFAS, thereby reducing their transfer into forage crops,“ ergänzt das Team.
Offene Fragen und Klimabilanz des Ansatzes
Was während der Pyrolyse genau mit PFAS geschieht, ist noch mit vielen Unsicherheiten behaftet. Eine aktuelle Studie zeigt, dass womöglich mindestens 800 °C (1,472 °F) nötig sind, damit die PFAS-Werte ausreichend sinken.
Ein zentraler Teil der Kostenrechnung ist dabei die Kohlenstoffbilanz.
Die hohen Temperaturen für die Pyrolyse und auch der Transport von Biokohle-Produkten zu anderen Standorten verursachen Treibhausgasemissionen. Demgegenüber senkt die beschleunigte Verwitterung („enhanced weathering“) Emissionen. In der Bilanz von Thompson und seinem Team werden beide Teile des Verfahrens gegeneinander aufgerechnet.
Wenn die Anleitung exakt befolgt wird, schätzen die Forschenden, dass eine Einführung ihres Prozesses im Massstab der gesamten USA jedes Jahr 10.5 million metrische Tonnen Kohlendioxid aus der Atmosphäre binden könnte.
„This is a real pathway to actually give farmers in this situation some agency over their land and leave the soil in better condition than it was before,“ sagt Thompson.
Die Studie wurde in PNAS veröffentlicht.
Dieser Artikel wurde von Clare Watson gegengeprüft und von Peter Dockrill redigiert. Auch wenn wir grossen Wert auf unseren Prozess legen, sind wir nur Menschen. Wenn Ihnen ein Fehler auffällt, geben Sie uns bitte Bescheid.
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