Ein chemischer Cocktail aus Mikroschadstoffen verstärkte die Wirkung von Algentoxinen beim Fischsterben 2022: Studie

Tonnenweise toter Fische, Muscheln und Schnecken trieben Anfang August 2022 auf der Oder. Schnell wurde klar, was die Umweltkatastrophe im deutsch-polnischen Grenzfluss verursachte: Eine Mischung aus zu hohem Salzgehalt, hohen Wassertemperaturen, niedrigem Wasserstand sowie übermäßigen Nährstoff- und Abwassereinträgen löste eine Blüte der Brackwasseralge Prymnesium parvum aus, deren Algengift Prymnesin tödlich auf Organismen wirkt.

Ein vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) koordiniertes Wissenschaftlerteam sammelte damals Wasserproben und analysierte sie. Die Ergebnisse, veröffentlicht In Natur Wasserzeigen, dass hohe Konzentrationen organischer Mikroverunreinigungen die tödliche Wirkung von Prymnesin verschlimmerten.

Die Umweltkatastrophe im Sommer 2022 führte zur Tod von bis zu 60 % der Fischbiomasse und bis zu 85 % der Muschel- und Schneckenbiomasse in der Oder.

Im August 2022 richtete das UFZ gemeinsam mit Forschenden des Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB), der Veterinärmedizinischen Universität Wien (Vetmeduni) und der Universität Birmingham eine interdisziplinäre Ad-hoc-Arbeitsgruppe ein. An fünf Standorten entlang der Oder nahmen sie Wasserproben, extrahierten vergiftete Fische und analysierten und werteten die Proben aus.

„Ziel der Studie war es herauszufinden, welche Spurenstoffe in der Oder vorkommen, wie sie sich auf die Wasserorganismen im Fluss auswirken und welche Gefahr der Cocktail aus Algengiften und Spurenstoffen für den Menschen darstellen kann“, sagt Prof. Dr. Beate Escher, Leitautorin und Umwelttoxikologin am UFZ.

Im Rahmen der Studie konnten die Forscher in den Wasserproben über 120 organische Spurenstoffe nachweisen. Die höchsten Konzentrationen der chemischen Substanzen fanden sich dabei für das Flammschutzmittel Tris(1-chlor-2-propyl)phosphat, den Polymerzusatz Hexamethoxymethylmelamin und den Korrosionsinhibitor 1H-Benzotriazol.

Die meisten der nachgewiesenen Schadstoffe stammen vermutlich aus Kläranlagen und sind dort in geringen Konzentrationen in die Oder eingeleitet. Allerdings fanden die Wissenschaftler auch Schadstoffe wie 2,4-Dichlorphenol, die vermutlich aus der Industrie stammen, sowie Pestizide und deren Abbauprodukte wie Chlortoluron, die von landwirtschaftlichen Flächen direkt in die Gewässer eingeleitet werden.

„Die Konzentrationen dieser Chemikalien sind nicht ungewöhnlich hoch, sondern typisch für europäische Flüsse“, sagt Beate Escher. „Sie führten zwar nicht zum Fischsterben, können aber gemeinsam mit den Algentoxinen zu zusätzlichem Stress für Wasserorganismen führen.“

Um das Ausmaß dieser Belastung und damit das Risiko der nachgewiesenen Schadstoffe für Wasserorganismen zu analysieren, nutzten die Forscher den Risikoquotienten RQ. Der RQ ist definiert als das Verhältnis zwischen der gemessenen Konzentration eines Schadstoffs und seiner vorhergesagten Konzentration ohne Effekt (PNEC). Überschreitet der RQ den Wert 1, kann der Schadstoff das Leben im Wasser beeinträchtigen.

Die Forscher addierten die RQs der nachgewiesenen Chemikalien und erhielten so an den Probenahmestellen Mischungs-Risiko-Quotienten (RQmix) zwischen 16 und 22.

„Alle RQmix-Werte überschritten den Grenzwert von 1, der auf eine mögliche Gefährdung aquatischer Organismen durch Schadstoffe hinweist, deutlich“, sagt Co-Autorin und Wasserchemikerin Dr. Stephanie Spahr vom IGB.

In das Modell wurden nur 30 organische Mikroschadstoffe einbezogen, obwohl im Fluss vermutlich Tausende organischer Chemikalien vorhanden sind. Die aus den Wasserproben extrahierten Chemikaliencocktails zeigten auch in Laborexperimenten mit Algen, Wasserflöhen und Zebrafischembryonen, die als gängige Modelle für Wasserorganismen gelten, deutliche Effekte.

Wie diese Schadstoffe und die in der Oder vorkommenden Prymnesine als Gemische in Wasserextrakten interagieren, untersuchten die Forscher anhand neurotoxischer Effekte auf menschliche Nervenzellen im Reagenzglas.

„Ziel dieses Tests, der häufig in der Bioanalytik und der Beurteilung der Wasserqualität eingesetzt wird, ist nicht die Einschätzung des Risikos für die menschliche Gesundheit, sondern vielmehr die Ermittlung des Wirkungsgemisches neurotoxischer Chemikalien“, sagt Beate Escher.

Assistenzprofessorin Dr. Elisabeth Varga, Lebensmittel- und Umweltanalytikerin an der VetMedUni Wien, stellte einen Algentoxin-Standard zur Verfügung, der den in der Oder identifizierten Prymnesinen sehr ähnlich ist. Die In-vitro-Untersuchungen werden am UFZ im automatisierten Hochdurchsatz-Screening auf der modernen Technologieplattform CITEPro in sehr kleinen Volumina durchgeführt.

„Dadurch war es möglich, diesen Prymnesin-Standard und weitere nachgewiesene Mikroverunreinigungen sowie die Wasserextrakte direkt zu testen“, sagt Beate Escher. Schon bei sehr geringen Konzentrationen im nanomolaren Bereich verkürzten Prymnesine die Auswüchse von Nervenzellen, die für die Signalübertragung zuständig sind, und töteten die Zellen ab.

Darüber hinaus wurden zahlreiche in den Wasserextrakten quantifizierte organische Spurenstoffe analysiert: Mehrere Substanzen wirkten neurotoxisch, allerdings erst bei deutlich höheren Dosen.

„Durch Mischungsmodellierung und Vergleiche der in den Extrakten gemessenen Neurotoxizität konnten wir zeigen, dass Prymnesine die neurotoxische Wirkung dominieren. Allerdings haben auch die von uns nachgewiesenen Mikroverunreinigungen hierzu beigetragen“, sagt Elisabeth Varga. Die Auswirkungen der Verschmutzung auf Wasserorganismen in Flüssen wie der Oder könnten letztlich jedoch noch viel größer sein.

„Die Prymnesine haben einen sehr hohen Anteil an den Cocktaileffekten, die durch Mikroverunreinigungen noch verstärkt werden. Dadurch wird das ohnehin stark beanspruchte Gesamtökosystem der Oder noch stärker unter Druck gesetzt“, sagt Beate Escher.

Prof. Dr. Luisa Orsini, Co-Autorin und Professorin für Evolutionäre Systembiologie und Umwelt-Omics an der Universität Birmingham, ergänzt: „Die durch den Klimawandel verursachten höheren Temperaturen und Extremwetterereignisse können solche giftigen Algenblüten zu einem noch größeren Risiko für Binnen- und Meeresgewässer sowie für die Bevölkerung machen.“