Biochemische Marker zur Vorhersage, wie chemische Verschmutzung die Biodiversität gefährdet

DMZ – WISSENSCHAFT ¦ MM ¦ AA ¦ 

 

Dübendorf – Jährlich gelangen Zehntausende von Chemikalien auf den Markt und somit in die Umwelt. Während die meisten dieser Verbindungen vor ihrer Zulassung auf ihre Sicherheit getestet werden, bleiben die langfristigen Auswirkungen auf die Tierwelt häufig schwer vorherzusagen. Um die potenziellen Bedrohungen für Ökosysteme besser abschätzen zu können, haben Forschende des Wasserforschungsinstituts Eawag nun biochemische Marker untersucht, die den Grad der chemischen Belastung von Fischen anzeigen.

 

Chemikalien in der Umwelt – eine wachsende Herausforderung

Weltweit sind derzeit zwischen 40.000 und 60.000 chemische Substanzen im Umlauf, die jedes Jahr in riesigen Mengen in Ökosysteme gelangen. Arzneimittel, Reinigungsmittel, Pestizide und andere Verbindungen finden ihren Weg in Gewässer, Böden und Luft – auch in der Schweiz, einem der weltweit führenden Chemikalien-Exportländer. Die Herausforderung liegt darin, die Umweltwirkungen dieser Substanzen präzise vorherzusagen, insbesondere in Bezug darauf, welche Tierarten am meisten gefährdet sind.

 

Eawag-Forscher untersuchen Biotransformation als Indikator für Artensensibilität

In einer kürzlich veröffentlichten Studie in der Fachzeitschrift Environmental International haben Eawag-Wissenschaftler einen neuen Ansatz entwickelt, um die Auswirkungen chemischer Verschmutzung auf die Biodiversität besser vorhersagen zu können. Sie untersuchten, wie verschiedene Fischarten in der Lage sind, Chemikalien auf natürliche Weise abzubauen und auszuscheiden – eine Fähigkeit, die Hinweise darauf geben könnte, welche Arten in verschmutzten Umgebungen am ehesten überleben können.

 

„Wir haben uns auf den Prozess der Biotransformation konzentriert, bei dem Organismen Chemikalien in Substanzen umwandeln, die sie ausscheiden können“, erklärt Marco Franco, Umwelttoxikologe und Erstautor der Studie. „Dieser Mechanismus könnte uns helfen, die empfindlicheren Arten innerhalb einer Tiergemeinschaft zu identifizieren.“

 

Invasive Arten als chemische Überlebenskünstler

Die Forscher untersuchten fünf Fischarten, die in der Aare und angrenzenden Gewässern leben. Überraschenderweise zeigte der Sonnenbarsch (Lepomis gibbosus), eine invasive Art, die höchste chemische Abbauaktivität. Diese Entdeckung deutet darauf hin, dass invasive Arten möglicherweise eine erhöhte Fähigkeit besitzen, mit Chemikalien umzugehen, was ihnen einen Überlebensvorteil verschafft. „Invasive Arten müssen sich in neuen Lebensräumen durchsetzen, in denen sie potenziell auch mit chemischen Bedrohungen konfrontiert sind“, so Franco.

 

Chemische Belastung macht Arten mit geringer Biotransformationskapazität besonders anfällig

Die Studie brachte jedoch auch erschreckende Erkenntnisse zu Tage. Fischarten, die aus landwirtschaftlich intensiven oder industriell verschmutzten Regionen stammten, wiesen bis zu elfmal höhere Chemikalienabbauaktivitäten auf als solche aus weniger belasteten Gebieten. Dieser Unterschied legt nahe, dass Tiere, die bereits über eine geringe Fähigkeit zur Biotransformation verfügen, stärker unter den Auswirkungen von Chemikalien leiden, da sich toxische Substanzen stärker in ihrem Körper anreichern und sie mehr Energie aufwenden müssen, um diese zu verarbeiten. Diese Tiere sind daher anfälliger für weitere Stressfaktoren und bedroht, während empfindliche Populationen in einem Ökosystem verstärkt von einem Bestandsrückgang betroffen sein könnten.

 

Bessere Risikobewertungen für Chemikalien durch biochemische Marker

Die Erkenntnisse aus der Studie könnten nicht nur zur Verbesserung von Naturschutzstrategien beitragen, sondern auch den Prozess der Marktzulassung von Chemikalien optimieren. Derzeit stützen sich Sicherheitsbewertungen stark auf Daten von Modellorganismen, die möglicherweise nicht die Sensibilität von Wildtierarten widerspiegeln. „Die Frage, ob Tiere und Pflanzen in ihrem natürlichen Lebensraum gegenüber Chemikalien empfindlicher sind als Modelltiere, muss dringend beantwortet werden“, betont Franco.

 

Der innovative Ansatz der Forscher, der biochemische Daten mit ökosystemweiten Vorhersagen verknüpft, könnte es ermöglichen, die Auswirkungen von Chemikalien auf spezifische Wildarten zu bewerten und so eine genauere Risikoeinschätzung zu treffen.

 

Reduzierung von Tierversuchen durch neue Methodik

Ein weiterer Vorteil der entwickelten Methode ist die Reduzierung von Tierversuchen in der Umweltforschung. Statt groß angelegter Studien mit vielen Tieren über lange Zeiträume hinweg, nutzt der biochemische Ansatz Daten von wenigen Individuen, um die Sensibilität von Arten gegenüber chemischer Verschmutzung zu bewerten. Diese Methode ermöglicht es, aussagekräftige Daten aus kleinen Stichproben zu gewinnen, ohne auf umfangreiche Populationsstudien angewiesen zu sein.

 

Zukünftige Perspektiven: Langfristige Beobachtungen notwendig

Obwohl die Methode vielversprechende Ergebnisse liefert, betonen die Wissenschaftler, dass eine langfristige Überwachung von Ökosystemen notwendig bleibt, um die Vorhersagen zu verifizieren und die Auswirkungen auf die Populationsdynamik zu beobachten. „Wir müssen die Natur über längere Zeit hinweg beobachten, um sicherzustellen, dass unsere Vorhersagen zutreffen“, schließt Franco. Dennoch ist er zuversichtlich, dass dieser biochemische Ansatz in verschiedenen geografischen Regionen zur Bewertung von chemischen Bedrohungen für die Biodiversität angewendet werden kann.

 

Box: Biotransformation – Ein zellulärer Mechanismus zur Entgiftung

Biotransformation bezeichnet den Prozess, bei dem lebende Organismen schädliche Substanzen in weniger gefährliche Produkte umwandeln, die sie ausscheiden können. In Fischen erfolgt dies hauptsächlich in der Leber, den Kiemen und dem Magen-Darm-Trakt. Der Prozess umfasst zwei Phasen: In der ersten Phase werden chemische Substanzen durch Enzyme verändert, in der zweiten Phase werden größere Moleküle an die Substanzen angehängt, um sie für die Ausscheidung vorzubereiten.

 

 

Herausgeber

Eawag: Wasserforschungsinstitut des ETH-Bereichs

http://www.eawag.ch