Moringa: die Wissenschaft hinter dem Wunderbaum Understand article

Übersetzt von Katharina Nöske. Moringas sind schon lange als Wunderbäume bekannt. Jetzt untersuchen Wissenschaftler ihre Eigenschaften im Detail, wie Sue Nelson und Marlene Rau berichten.

Die Blüte eines
Moringabaumes

© WEDC, Loughborough
Universität

In den Ausläufern des Himalayas wachsen Bäume, fünf bis zehn Meter hoch, mit Büscheln kleiner, ovaler Blätter und zart duftenden, cremefarbenen Blüten. Dies sind Moringa oleifera – die am häufigsten kultivierte der 14 Moringa-Spezies, bekannt als „Wunderbäume“.

“Er wird Wunderbaum genannt, weil jeder Teil des Baumes Nutzen bringt“, sagt Balbir Mathur, Präsident von Trees for Life Internationalw1, einer in den USA stationierten, gemeinnützigen Organisation, die Entwicklungshilfe durch das Pflanzen von Obstbäumen leistet, darunter Moringas. „Die Wurzeln, Blätter, Rinde, Teile der Frucht und die Samen – alles. Die Liste ist endlos.”

Die Berichte der Presse über die wundersame Natur des Baumes mögen zwar übertrieben sein, aber er hat tatsächlich einige wirklich beeindruckende Eigenschaften. Die ursprünglich aus Nordindien stammenden Moringas, die heute auch in Asien, Afrika und Lateinamerika weitverbreitet sind, werden in Dörfern in Entwicklungsländern schon seit hunderten von Jahren genutzt. Ihre Verwendung reicht von traditioneller Medizin, Nahrung und Speiseöl bis hin zu natürlichen Pestiziden, häuslichen Putzmitteln und – die neueste Ergänzung – Biotreibstoff.

M. oleifera Samen werden vor
der Nutzung zu Pulver
vermahlen

© WEDC, Loughborough
Universität

Moringas sind extreme zählebig und daher in Teilen Afrikas als nebedies bekannt, was “nie sterbender Baum” bedeutet, denn sie wachsen auf kargen Böden, treiben neu aus, nachdem sie gefällt wurden und sind einer der wenigen Bäume die während einer Trockenperiode Früchte hervorbringen.

Es ist jedoch eine andere Eigenschaft von Moringa oleifera, die die Wissenschaftler fesselt: die zerstoßenen Moringasamen können dabei helfen, verschmutztes Wasser zu reinigen. Das könnte Leben retten: Die Weltgesundheitsorganisation schätzt, dass verunreinigtes Wasser, schlechte sanitäre Bedingungen und mangelnde Hygiene 1,6 Millionen Todesfälle pro Jahr verursachen.

Wasseraufreinigung ist meist ein Prozess in zwei Schritten: zuerst wird das Wasser geklärt, indem Partikel wie Mineralien, Pflanzenreste und Bakterien entfernt werden. Da jedoch nicht alle Partikel einfach zu Boden sinken, werden koagulierende Stoffe hinzugefügt, um die Partikel zu verklumpen; diese Klumpen können dann mit Filtern oder durch Sedimentation entfernt werden. Der zweite Schritt ist Desinfektion, um die verbleibenden Krankheitserreger mittels Chlorverbindungen, Ozon, Wasserstoff oder ultraviolettem Licht abzutöten.

Moringa oleifera kann beim ersten Aufreinigungsschritt helfen – nicht nur in den Entwicklungsländern sondern auch in Industrienationen. Aluminiumsalze sind die heute am häufigsten verwendeten Koagulantien in industriellen Wasseraufbereitungsanlagen. Die meisten Partikel, die aus dem Wasser entfernt werden müssen, sind geladen, also sind Koagulantien meist Ionen; da die Koagulierungseffizienz sich um das Quadrat der Ladung des Koagulierungsmittels erhöht, sind polyvalente Ionen wie Aluminium besonders effizient. Es gibt jedoch Bedenken – wenn auch umstritten –, dass Langzeitexposition von Aluminium zur Entwicklung neurodegenerativer Erkrankungen beitragen könnte. Eine Alternative wären Eisensalze, sie sind jedoch schwieriger in der Handhabung, da ihre Löslichkeit sich mit dem pH-Wert ändert.

Moringasamen: ganz (links)
und aufgeschnitten (rechts)

© WEDC, Loughborough
Universität

Weitere Koagulantien sind unter anderem synthetische Polymere, aber, wie auch bei anderen Koagulantien muss dabei der entstehende Schlamm entsorgt werden: obwohl synthetische Polymere also das Problem der möglichen Verbindung zu neurodegenerativen Erkrankungen lösen, ist ihre fehlende biologische Abbaubarkeit ein Thema.

Da M. oleifera sowohl ungiftig als auch biologisch abbaubar ist und die erfassten Verringerungen an Trübung, Lehm und Bakterien im Wasser nach der Behandlung mit M. oleifera-Samen mit der Effizienz von Aluminiumsalzen konkurrieren (siehe Ghebremichael et al., 2005), scheint es eine brauchbare Alternative zu sein.

In einigen ländlichen Gebieten Sudans nutzen Frauen M. oleifera bereits, um Wasser aufzureinigen: wenn sie Wasser aus dem Nil holen, stecken sie die gemahlenen Samen in einen kleinen Stoffbeutel mit einem Faden. Dieser wird dann in dem Eimer mit trübem Wasser herumgewirbelt, bis feine Partikel und Bakterien mit dem M. oleifera-Pulver verklumpen und zu Boden sinken. Für Trinkwasser muss das Wasser allerdings noch weiter gereinigt werden – durch Kochen, Filtern durch Sand oder indem man es für ein paar Stunden in einer durchsichtigen Flasche in die direkte Sonne stellt (Solarisieren; siehe Folkard et al., 1999). Eine ähnliche Methode können Sie selbst mit der Klasse ausprobieren (siehe Kasten).

Die Mutter der Moringa-Forscherin Dr Kwaambwa zeigt wie die Samen für die Wasserreinigung behandelt werden
Mit freundlicher Genehmigung von Dr Majority Kwaambwa, Universität Botswana

Obwohl von 1989-1994 schon eine erfolgreiche Pilotstudie in den Thyolo Wasseraufreinigungswerken in Malawi (siehe Folkard & Sutherland, 2002), durchgeführt wurde, müssen für die Entwicklung industrieller Behandlungsmethoden mit M. oleifera die genauen Prozesse bekannt sein, die während der Klärung ablaufen. Wissenschaftler wissen schon, dass der aktive Bestandteil in den Samen Proteine sind, die 30-40% des Gewichts der Samen ausmachen. Mindestens zwei Proteine könnten aktiv sein: sie sind wasserlöslich und recht klein, etwa 6-16 kDa, so dass sie problemlos aus dem Stoffbeutel diffundieren können. In höherer Konzentration aggregieren sie aufgrund ihrer beträchtlichen Anzahl hydrophobischer Regionen sogar in Lösung. Das Protein lagert sich an kontaminierende Partikel an, die dann verklumpen und getrennt und extrahiert werden können.

Getrocknete Moringa
oleifera
-Samen

Mit freundlicher Genehmigung
von Dr Majority Kwaambwa

Aber wie genau funktioniert dieses Verklumpen? Forscher der Universität Uppsala in Schweden und der Universität Botswana in Gaborone, Botswana, machten sich an die genauere Untersuchung (siehe Kwaambwa et al., 2010). Sie stellten einen reinen Extrakt aller wasserlöslicher Proteine der Samen her, um zu studieren, wie das Protein sich an die Grenze zwischen Wasser und Siliziumdioxid (SiO2) anlagert, die als Modell für die Grenze zwischen Wasser und Mineralpartikeln dient.

Dicht an der
Siliziumdioxidoberfläche sind
die M. oleifera Proteine dicht
gepackt in einer Schicht von
etwa zwei Molekülen Dicke
(50 Å). Dann, mit steigendem
Abstand zur
Siliziumdioxidoberfläche,
sinkt die Konzentration des
adsorbierten Proteins rapide.
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Mit freundlicher Genehmigung
von Maja Hellsing

Bei der sogenannten Neutronenreflektometrie nutzte das Team einen Neutronenstrahl am Institut Laue Langevinw2 in Grenoble, Frankreich, um die Dicke, Dichte und Grobkörnigkeit der sich formierenden Proteinschicht zu messen.

Wie funktioniert diese Technik? Wenn man auf einer Pfütze eine Schicht Benzin betrachtet, sieht man verschiedene schillernde Farben: Licht wird von der Ober- und Unterseite der Benzinschicht reflektiert. Die reflektierten Lichtwellen sind leicht verschoben und addieren sich entweder auf oder kürzen sich gegenseitig aus, abhängig von der Dicke der Benzinschicht, wodurch verschiedene Farben entstehen. Viel mehr Materialien sind für Neutronen durchlässig als für Licht und Neutronwellenlängen (0,2-2 nm) sind etwa tausendmal kürzer als Lichtwellen (ca 0,5 µm). Deshalb kann ein Neutronenstrahl benutzt werden um Proteinschichten zu messen, die nur ein Molekül dick sind.

Der „weiße“ Neutronenstrahl wird auf die Probe gerichtet und der Reflexionsgrad wird als Funktion der Neutronen-„Farbe“ (d. h. Wellenlänge) gemessen. Dies sagt den Wissenschaftlern, wie viele Moleküle dick die Schicht ist, wie dicht die Moleküle gepackt sind und wie rau die Oberfläche ist.

Im M. oleifera Experiment fanden die Wissenschaftler heraus, dass die Samenproteine sogar bei Konzentrationen von nur 0,025 wt% dichte Schichten formen, die dicker als ein einzelnes Molekül sind – die Bindung ist also sehr effizient. Die Oberfläche der Schicht ist erstaunlich glatt, aber die Anordnung der M. oleifera Proteine ist nicht gleichförmig: weiter weg von der Siliziumdioxidoberfläche steigt die Anzahl der Wassermoleküle, was man an einer Veränderung der Dichte bemerkt, die durch die Neutronenreflexion gemessen wird (siehe Diagramm, links).

Das lässt die Vermutung zu, dass die Verklumpung so effizient ist, weil die M. oleifera roteine aufgrund von hydrophobischen Regionen und aufgrund der Tatsache dass, obwohl das Gesamtprotein elektrisch neutral ist, verschiedene Untergruppen gegensätzlicher Ladung ionisiert werden, eine starke Tendenz haben, sowohl mineralische Oberflächen als auch andere M. oleifera Proteinmoleküle zu binden, sogar bei sehr geringen Proteinkonzentrationen.

Die Arbeit an den M. oleifera Proteinen geht weiter, um eine ungiftige, biologisch unschädliche Wasseraufreinigungsmethode zu entwickeln, für die das Material lokal verfügbar und günstiger als Aluminiumsalz ist. Unter anderem muss dabei geklärt werden, wie viel Samenprotein benötigt wird, ob auch andere Proteine oder Biopolymere geeignet sind und ob andere Unreinheiten im Wasser, wie zum Beispiel Detergenzien, den Ablauf des Prozesses beeinflussen.

Mathur begrüßt die wissenschaftliche Untersuchung. „Wir haben das Gefühl, dass der Moringabaum sehr wichtig ist und die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler verdient, die weitere Forschung betreiben können“, sagt er. „Er ist in den westlichen Ländern noch nicht so bekannt, weil er da nicht wächst.“ In der Zukunft könnte der Wunderbaum seinem Namen alle Ehre machen. „Der Moringa könnte viele Jahre lang Millionen Leben auf der ganzen Welt retten“, meint Mathur. „Ich kann gar nicht genug betonen, wie wichtig er ist.“

 

Wasseraufreinigung mit Moringasamen

Samen des Moringa oleifera Baumes gibt es günstig online, da der Baum zu dekorativen Zwecken angepflanzt wird.

Je nach Verschmutzung des Wassers werden verschiedene Mengen M. oleifera Pulver benötigt, um es zu reinigen. Etwa 50-150 mg gemahlene Samen behandeln ein Liter Wasser: als Faustregel gilt, das Pulver eines Samens genügt für ein Liter sehr trüben Wassers oder zwei Liter leicht trüben Wassers. Experimentieren Sie mit kleinen Wassermengen in einem Gefäß, um die korrekte Menge Pulver und die optimale Rührzeit herauszufinden.

Vielleicht möchten Sie die Wasserqualität, die Sie mit M. oleifera Samen erreichen mit der anderer Methoden vergleichen (siehe Mitchell et al., 2008, für ein Beispiel einer anderen Aufreinigungsmethode), und einen Wettbewerb für die effizienteste Wasseraufreinigung veranstalten.

  1. Entfernen Sie die Samen aus den getrockneten Hülsen, falls noch vorhanden, und schälen Sie sie. Entfernen Sie alle Kerne mit dunklen Flecken oder anderen Schäden.
  2. Zerdrücken Sie die Kerne zu einem feinen Puder und sieben Sie sie (0,8 mm Sieb oder ähnlich).
  3. Geben Sie das Pulver (etwa 2 g) in eine Tasse sauberen Wassers, gießen Sie es in eine Flasche und schütteln Sie für 5 Minuten.
  4. Filtern Sie die Mischung durch ein sauberes Tuch in einen Eimer mit schmutzigem Wasser, das behandelt werden soll.
  5. Rühren Sie das Wasser kräftig für 2 Minuten und langsam für 10-15 Minuten (benutzen Sie keine Metallinstrumente, da diese unerwünschte Metallionen wieder einführen können, die von M. oleifera entfernt wurden). Während des langsamen Rührens beginnen die Partikel und Bakterien zusammenzuklumpen und sinken auf den Boden des Eimers.
  6. Bedecken Sie den Eimer und lassen Sie ihn unbewegt bis das Wasser klar wird und Unreinheiten zu Boden gesunken sind. Das kann bis zu einer Stunde dauern.
  7. Das saubere Wasser können Sie abschöpfen, abgießen oder durch ein sauberes Tuch filtern. Der Vorgang entfernt mindestens 90% der Bakterien und anderer Unreinheiten, die Trübung verursachen.

Anmerkungen:

Sowohl die Samen als auch das Samenpulver können aufbewahrt werden, aber die Paste (in Schritt 4 hergestellt) sollte jedes Mal, wenn Wasser gereinigt wird, frisch zubereitet werden.

Aus Sicherheitsgründen darf das im Unterricht gereinigte Wasser nicht getrunken werden.

 

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References

  • Folkard G, Sutherland J (2002) Development of a naturally derived coagulant for water and wastewater treatment. Water Science and Technology: Water Supply 2(5-6): 89-94
  • Folkard G, Sutherland J, Shaw R (1999) Water clarification using Moringa oleifera seed coagulant. In Shaw, RJ (ed) Running Water: More Technical Briefs on Health, Water and Sanitation pp 109-112. Rugby, UK: IT Publications. ISBN: 9781853394508
  • Ghebremichael KA et al. (2005) A simple purification and activity assay of the coagulant protein from Moringa oleifera seed. Water Research 39: 2338-2344. doi: 10.1016/j.watres.2005.04.012
  • Kwaambwa HM, Hellsing M, Rennie AR (2010) Adsorption of a water treatment protein from Moringa oleifera seeds to a silicon oxide surface studied by neutron reflection. Langmuir 26(6): 3902-3910. doi: 10.1021/la9031046
  • Mitchell WA et al. (2008) Science for the Next Generation: activities for primary school. Science in School 10: 64-69. www.scienceinschool.org/2008/issue10/nextgeneration

 

Web References

  • w1 – Trees for Life International bietet ein internationales Forum für nutzbringende Bäume und Pflanzen, und unterstützt den Moringabaum seit vielen Jahren durch Versenden von Literatur und Informationen an Universitäten, Botschaften und Staatsoberhäupter sowie durch das Erstellen von Lehrmaterial für Schulen. Siehe: www.treesforlife.org
  • w2 – Wenn Sie mehr über das Laue-Langevin-Institut erfahren möchten, siehe: www.ill.eu

Institution

ILL

Author(s)

Sue Nelson ist eine preisgekrönte britische Wissenschaftsrundfunksprecherin und –autorin. Die Physikabsolventin hat zusätzlich als Knight Wallace Journalismusstipendiatin Weltraumwissenschaften und Astronomie an der University of Michigan studiert und kürzlich ein einjähriges Nesta Dream Time Stipendium zum Schreiben wissenschaftlich basierter Dramen genutzt. Ihre Berichte sind in allen nationalen Fernseh- und Radiobekanntmachungen des BBC erschienen. Die Co-Autorin des beliebten Wissenschaftsbuchs How to Clone the Perfect Blonde hat für The Sunday Times, The Observer, The Guardian und The Independent geschrieben und mehrere Kolumnen für die Times beigetragen.

Marlene Rau ist in Deutschland geboren und wuchs in Spanien auf. Nachdem sie den PhD in Entwicklungsbiologie am European Molecular Biology Laboratory in Heidelberg, Deutschland, erlangte, studierte sie Journalismus und ging in die Wissenschaftskommunikation. Seit 2008 ist sie eine der Herausgeberinnen von Science in School.


Review

Dies ist ein zum Nachdenken anregender Artikel, der theoretische Wissenschaft (die Bindungseigenschaften von Ionen, Neutronenreflektionsmethoden) nutzt, um Situationen des realen Lebens (die Nutzung von Samen zur Wasseraufreinigung) zu erklären.

Die Ideen dieses Artikels können für Schüler jeden Alters genutzt werden, um innovative praktische Arbeiten durchzuführen, mit den entsprechenden Vorsichtsmaßnahmen. M. oleifera Samen können über das Internet bestellt werden, wenn man nicht das Glück hat, dass sie lokal wachsen, und ihre Wasserklärungseigenschaften können mit denen anderer Samen verglichen werden. Sind die M. oleifera Samen wirklich viel besser? Für jüngere Schüler könnte es eine Menge Spaß bedeuten, die verschiedenen Samen zu mahlen und sich verschiedene Methoden zu überlegen, um die Reinheit des Wassers zu messen.

Ältere Schüler könnten noch einen Schritt weiter gehen und Untersuchungen mit verschiedenen Teilen der Samen anstellen und diese mit der Biochemie der Samen in Verbindung bringen, oder Samen vergleichen, die auf unterschiedliche Weise behandelt wurden, z. B. getrocknet versus frisch. Die wissenschaftliche Grundlage der samenbedingten Wasseraufreinigung herauszufinden ist sicher selbst für die fähigsten Schüler eine Herausforderung.

Der Artikel passt gut in eine Reihe von Lehrplänen: Biologie der Samen / Biochemie der Extrakte; Chemie der Wasseraufreinigung / physikalische Eigenschaften von Salzen; Physik – vielleicht in Zusammenhang mit der Untersuchung der Dicke von Schichten – und die Suche nach alternativen Methoden. Die Idee könnte als Grundlage für ein fächerübergreifendes Projekt mit Sozialwissenschaften dienen, da es Nachhaltigkeit und erneuerbare Ressourcen einbindet.

Der Artikel eignet sich als Verständnisaufgabe für Schüler ab 16 Jahren. Mögliche Fragen für eine Biologiestunde sind:

  • Moringa oleifera ist nur eine von 14 Spezies des “Wunderbaumes”. Welcher Teil des wissenschaftlichen Namens gibt das Genus, welcher die Spezies an?

    (Antwort: Genus: Moringa; Spezies: Moringa oleifera)

  • In diesem Artikel werden eine Reihe von Nutzungsmöglichkeiten für den Moringa genannt, beispielsweise Medizin, Nahrung und Speiseöl. Überlege, welche Teile des Baumes für welche der Anwendungen, die im Artikel genannt werden, genutzt werden könnten.

    (Die Antworten müssen nicht korrekt sein, da man dies nicht von den Schülern erwarten kann, es sollten aber sinnvolle Vorschläge sein, z. B. Öl aus den Samen; Medizin aus jedem Teil; Nahrung aus den Früchten; Pestizide aus den Blättern; Reinigungsmittel aus den Wurzeln.)

  • Moringas „treiben neu aus, nachdem sie gefällt wurden“ und werden beschrieben als „einer der wenigen Bäume die während einer Trockenperiode Früchte hervorbringen.“ Macht Vorschläge, über welche Anpassungen der Baum verfügt, um dazu fähig zu sein.

    (Antwort: auch hier wird von den Schülern nicht erwartet, dass sie die Antwort wissen, aber sie sollen Ideen entwickeln, etwa dass neue Bäume aus Samen wachsen, die abgeworfen wurden, bevor der Baum gefällt wurde, oder das Fällen dient als eine Art Rückschnitt, durch den mehr Äste austreiben. Die Fähigkeit, Früchte während der Trockenzeit zu produzieren könnte auf ein ausgedehntes Wurzelsystem zurückzuführen sein (tief und / oder breit, so wie bei Kakteen), oder auf Blätter, die die Verdunstung reduzieren, oder auf Methoden, Tauwasser aufzunehmen, zum Beispiel durch oberflächennahe Wurzeln.)

Der Artikel kann auch als Grundlage für Diskussionen dienen. Mögliche Themen sind:

  • Die Beweise, die für / gegen eine Rolle von Aluminiumsalzen als Ursache von neurodegenerativen Erkrankungen sprechen
  • Ungewöhnliche Nutzung von Pflanzen
  • Die Rolle der Medien in der öffentlichen Panikmache auf fadenscheiniger wissenschaftlicher Grundlage (so wie bei den Einbrüchen im Verkauf von Aluminiumpfannen, als behauptet wurde, sie seien gesundheitsschädlich)
  • Bürgerschaftsthemen und / oder –tage rund um Wasserverfügbarkeit weltweit.

Sue Howarth, Großbritannien




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