Tierökologen untersuchen erstmals die Auswirkungen auf Hummeln

Der Rückgang der Insekten bedroht viele Ökosysteme weltweit. Während die Auswirkungen von Pestiziden gut erforscht sind, mangelt es an Erkenntnissen über die Auswirkungen anderer anthropogener Schadstoffe. Tierökologen der Universität Bayreuth haben nun erstmals die Auswirkungen von Dieselabgaspartikeln auf Hummeln untersucht.

In zwei neuen Studien veröffentlicht in Ökologie und Evolution und das Zeitschrift für gefährliche MaterialienSie zeigen, dass diese Feinstaubpartikel den Organismus von Hummeln erheblich schädigen können, wenn sie dauerhaft über die Nahrung aufgenommen werden.

Abgaspartikel von dieselbetriebenen Fahrzeugen können beim Menschen Atemwegs- oder Lungenerkrankungen verursachen. In freier Wildbahn landen sie oft im Nektar von Pflanzenblüten, von dem sich Hummeln und andere Insekten ernähren. Wissenschaftler der Forschungsgruppe Tierökologie der Universität Bayreuth haben diese Konstellation im Labor nachgebildet.

Als Modellorganismus wählten sie Hummeln der weit verbreiteten Art Bombus terrestris (Hummel mit braunem Schwanz). In Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse der Universität Bayreuth erzeugten sie Abgaspartikel, die bei Verbrennungsprozessen in einem Vierzylinder-Dieselmotor entstehen, wie sie häufig in Pkw vorkommen. Diese Partikel wurden dem Zuckerwasser zugesetzt, mit dem die Hummeln im Labor täglich gefüttert wurden.

Die Menge entsprach der Menge an Dieselabgaspartikeln, die bereits in Böden in der Nähe stark befahrener Landstraßen nachgewiesen worden war. Die Analyse der Partikel in den Bayreuther Laboren ergab nun, dass sie zum Teil aus elementarem Kohlenstoff bestehen, aber auch Schwermetalle und andere organische Stoffe wie polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) enthalten. PAK stehen im Verdacht, für den Menschen giftig zu sein und die Entstehung von Krebs zu fördern.

Veränderungen im Darmmikrobiom: Hinweise auf eine Schwächung des Immunsystems

Nachdem die Hummeln sieben Tage lang bei jeder Mahlzeit Abgaspartikel aufgenommen hatten, beobachteten die Wissenschaftler eine deutliche Veränderung in der Zusammensetzung des Darmmikrobioms: Von den Bakterienarten, die normalerweise die Hauptbestandteile der Darmflora der Hummeln bilden, waren einige deutlich häufiger anzutreffen , während andere weniger häufig vorkamen.

Insbesondere das Bakterium Snodgrassella, das für die Bildung eines den Darm schützenden Biofilms wichtig ist, kam nur in sehr geringer Zahl vor. In der Forschung ist bekannt, dass solche Veränderungen im Darmmikrobiom die Immunität und Resistenz gegen Krankheitserreger bei Insekten schwächen und dadurch deren Sterblichkeit erhöhen.

Sinkender Fettgehalt des Körpers und erhöhte Sterblichkeit

In einer anderen Studie ging es darum, wie sich die Partikel auf das Immunsystem der Insekten auswirken. Zehn Tage lang nahmen die Hummeln Abgaspartikel auf, die dem Zuckerwasser in unterschiedlichen Konzentrationen beigemischt waren. Danach war ihr Fettgehalt im Vergleich zu Hummeln, die mit normaler Nahrung gefüttert wurden, deutlich zurückgegangen.

„Der verringerte Fettgehalt ist ein Hinweis darauf, dass die Partikel im Körper der Hummeln Entgiftungsprozesse auslösen, die mit einem erhöhten Energieverbrauch einhergehen.“ Auch diese Studien legen die Schlussfolgerung nahe: Die tägliche Aufnahme von Abgaspartikeln über die Nahrung setzt den Organismus der Hummeln unter Stress „Wir haben beobachtet, dass ihre Sterblichkeit deutlich zunimmt“, sagt Erstautor Frederic Hüftlein M.Sc., Ph.D. Student der Forschungsgruppe Tierökologie.

Veränderungen in der Genexpression: weiterer Beweis für eine energieintensive Stressreaktion

Es wurden auch signifikante Veränderungen in der Genexpression, der Produktion lebenswichtiger Proteine, die durch Gene gesteuert wird, aufgedeckt. Die Analyse des Transkriptoms – das ist die Gesamtheit der zu einem bestimmten Zeitpunkt produzierten RNA-Moleküle – ergab, dass sich die Expression von 324 Genen verändert hatte. Die Produktion von RNA-Molekülen war bei 165 Genen verstärkt, bei 159 Genen jedoch zurückgegangen.

Die beobachteten Veränderungen können als Hinweise darauf interpretiert werden, dass die Abbauprozesse im Organismus der Hummeln durch die über einen längeren Zeitraum mit der Nahrung aufgenommenen Abbaupartikel gefördert werden, während Prozesse der Biosynthese verlangsamt werden.

„Vieles spricht dafür, dass es sich bei der veränderten Genexpression um eine Stressreaktion handelt, die die Energieressourcen der Insekten angreift und schwächt. An der Universität Bayreuth planen wir in naher Zukunft weitere Studien, um diese Zusammenhänge noch genauer aufzuklären. Das wollen wir.“ nicht nur einzelne Insekten, sondern ganze Kolonien zu betrachten und neben Dieselabgasen auch andere anthropogene Stressfaktoren einzubeziehen“, sagt Prof. Dr. Heike Feldhaar, Leiterin des Teilprojekts „Einfluss von Feinstaub auf Insekten“ im bayerischen Projektverbund BayÖkotox.

Schädliche Wirkung nur bei chronischer Aufnahme der Partikel über die Nahrung

Die Autoren der neuen Studien betonen, dass signifikante schädliche Auswirkungen von Dieselabgasen auf Hummeln nur dann festgestellt werden können, wenn die Partikel über die Nahrung aufgenommen wurden. Experimente, bei denen die Hummeln die Partikel einatmeten, ergaben keine Hinweise auf gesundheitsschädliche Auswirkungen.

„Wenn die Hummeln über einen Zeitraum von 48 Stunden einmal oder nur mehrmals mit den Partikeln gefüttert wurden, gab es keine messbaren nennenswerten Reaktionen. Auch der Fettgehalt im Körper der Hummeln veränderte sich kaum. Der entscheidende Faktor für die Schädigung der Hummeln.“ „Die Aufnahme der Abgaspartikel erfolgt chronisch, also über einen längeren Zeitraum wiederholt. Wenn Pflanzen und Böden belastet sind, ist eine chronische Belastung durch die Schadstoffe denkbar“, berichtet Dr. Matthias Schott von der Arbeitsgruppe Tierökologie.

Die Autoren weisen außerdem darauf hin, dass unter natürlichen Bedingungen bereits eine nicht tödliche Wirkung der Abgaspartikel für Hummeln problematisch sein kann. Denn Hummeln sind in der Umwelt meist mehreren Stressfaktoren gleichzeitig ausgesetzt, beispielsweise anderen Umweltschadstoffen wie Pestiziden oder auch hohen Tagestemperaturen im Sommer.

Interdisziplinäre Zusammenarbeit in Bayreuth

„Seit etwa zehn Jahren ist in zahlreichen Regionen der Welt ein rasanter Rückgang der Insekten zu beobachten. Diese Entwicklung ist besorgniserregend, da Insekten viele wichtige Ökosystemfunktionen wie Bestäubung, Abbau von organischem Material und Schädlingsbekämpfung übernehmen oder dazu beitragen. Sie bilden sich auch.“ ein unverzichtbares Glied in Nahrungsnetzen.“

„Mittlerweile ist klar, dass die Umweltverschmutzung einer der Hauptgründe für diesen Rückgang ist. An der Universität Bayreuth wollen wir mit unserer Expertise dazu beitragen, die Zusammenhänge von Ursache und Wirkung auch auf molekularer und zellbiologischer Ebene aufzuklären.“ sagt Prof. Dr. Christian Laforsch, Lehrstuhlinhaber für Tierökologie, und verweist auf die enge interdisziplinäre Zusammenarbeit im BayÖkotox-Projekt.