Eine Studie von Forschern der Universitäten Tübingen und Athen hat herausgefunden, dass die Toxizität von Chemikalien in Seen und Flüssen je nach Säuregehalt des Wassers um mehrere Größenordnungen variieren kann. Professor Heinz Köhler vom Institut für Evolution und Ökologie der Universität Tübingen hat gemeinsam mit Kollegen aus Athen und dem Umweltbundesamt die Wirkung von 24 meist als Arzneimittel eingesetzten Substanzen auf die Entwicklung von Fischembryonen in realistischen Szenarien getestet.
Das Team entwickelte ein Modell zur zuverlässigen Vorhersage der Toxizität ionisierbarer Chemikalien in Gewässern. Die Erkenntnisse wurden von der Europäischen Kommission Ende 2022 bei der Festlegung von Umweltqualitätsstandards zur Begrenzung des Arzneimittels Ibuprofen berücksichtigt. Die Studie wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Wasserforschung.
Damit Medikamente ihre maximale Wirkung entfalten können, sind ihre Wirkstoffe so konzipiert, dass sie vom menschlichen Körper nur schwer abgebaut werden können; danach wird ein Großteil der Dosis unverändert ausgeschieden. Durch den zunehmenden Medikamentenverbrauch einer alternden Bevölkerung gelangen immer größere Mengen verschiedenster Medikamente über das Abwasser in die Umwelt.
Bei den in der Studie untersuchten Substanzen wie den Schmerzmitteln Diclofenac und Ibuprofen, dem Cholesterinsenker Clofibrinsäure und dem Betablocker Metoprolol handelt es sich um ionisierbare Moleküle. Das bedeutet, dass sie in neutraler oder elektrisch geladener Form vorliegen können. Gewässer können sehr unterschiedliche Säure-Base-Verhältnisse haben, gemessen als pH-Wert. „All diese Faktoren beeinflussen die Aufnahme der Substanzen in die Zellen lebender Organismen, die sie schädigen können“, sagt Heinz Köhler.
Betrachtet man Worst-Case-Szenarien
Als Testorganismus diente der Zebrafisch. Seine sich entwickelnden Eier wurden den Chemikalien ausgesetzt. Dabei wurde jeweils der sogenannte LC50-Wert ermittelt, der die Schadstoffkonzentration widerspiegelt, bei der 50 Prozent der Fischembryos absterben. In der Studie testeten die Forscher in mehr als 1.200 Einzeltests die Toxizität der Chemikalien bei bis zu vier verschiedenen pH-Werten, von leicht saurem bis basischem Wasser.
„Bei einigen pharmazeutischen Wirkstoffen wie Diclofenac, dem Betablocker Propanolol und dem Antidepressivum Fluoxetin schwankte der LC50-Wert in Fischembryos zwischen pH 5 und pH 9 um mehr als das Tausendfache“, sagt Köhler.
Die Forscher stellten realistische Worst-Case-Szenarien auf, damit Arzneimittel bei der Freisetzung ins Wasser lebende Organismen nicht zu sehr schädigen und die schlimmsten denkbaren Bedingungen zusammenfallen. Im Durchschnitt erwiesen sich die Substanzen in ungeladenem Zustand als giftiger als in ionisierter Form.
Zuverlässige Simulationen
Das Forschungsteam baute seine jeweiligen Modellierungsansätze auf der Grundlage verschiedener Annahmen darüber auf, wie effektiv die jeweiligen Wirkstoffmoleküle die Zellmembran durchdringen und welche schädliche Wirkung sie in den Zellen haben könnten. Um die Toxizität bei verschiedenen pH-Werten des Umgebungswassers zu simulieren, verglichen sie sechs mathematische Modelle.
„Für die praktische Anwendung haben wir das Modell ausgewählt, das es ermöglicht, die unterschiedlichen toxischen Wirkungen auf Fische über drei Größenordnungen zuverlässig nachzubilden“, sagt der Forscher.
Laut Köhler und dem zweiten Erstautor der Studie, Dr. Peter von der Ohe vom Umweltbundesamt, sollen die Studienergebnisse Auswirkungen auf die Registrierung und Zulassung von Chemikalien in der EU und auf die Definition von Umweltqualitätsstandards haben. Mit dem achtmal niedrigeren EU-Wassergrenzwert für Ibuprofen als nach der bisherigen Methode sei ein Anfang gemacht, fügt er hinzu.
„Diese Studie trägt zu einem besseren Verständnis der Toxizität ionisierbarer Substanzen bei und hat die Vorhersage ihrer Toxizität deutlich verbessert. Wir gehen davon aus, dass unsere Ergebnisse künftig auch bei der Registrierung und Zulassung von Chemikalien berücksichtigt werden“, so die beiden Forscher.
Mehr Informationen:
Heinz-R. Köhler et al., LogD-basierte Modellierung und ΔlogD als Proxy für die pH-abhängige Wirkung ionisierbarer Chemikalien zeigen die Relevanz sowohl neutraler als auch ionischer Spezies für die Embryotoxizität von Fischen und besitzen ein großes Potenzial für die praktische Anwendung bei der Regulierung von Chemikalien. Wasserforschung (2023). DOI: 10.1016/j.waters.2023.119864