Neuartige Sensoren könnten dazu beitragen, einen bienenfreundlichen Schutz für Pflanzen zu entwickeln

Die weltweit steigende Nachfrage nach pflanzlichen Lebensmitteln macht den Einsatz von Pestiziden notwendig, um Nutzpflanzen vor Schädlingen zu schützen und Ernteerträge zu sichern. Allerdings gibt es einen großen Nachteil: Der flächendeckende Einsatz von Pestiziden hat in der Vergangenheit zu einem erheblichen Rückgang der Insektenpopulationen geführt. Besonders besorgniserregend ist der Rückgang der Wildbienen, die einen wesentlichen Beitrag zur Bestäubung leisten und daher für landwirtschaftliche Erträge unerlässlich sind.

Um dieses Dilemma zu lösen, arbeiten Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Elektronische Mikrosysteme und Festkörpertechnologien (kurz EMFT) im Rahmen des Forschungsprojekts Ökotox an der Entwicklung neuartiger Sensoren. Diese Sensoren sollen dabei helfen, „bienenfeindliche“ Stoffe in den frühen Entwicklungsphasen neuer Pflanzenschutzmittel zu identifizieren.

„Unser Ziel ist es, dass diese Sensoren innerhalb weniger Stunden eine schädliche Wirkung auf Insekten anzeigen und gleichzeitig die parallele Prüfung vieler Substanzen ermöglichen, was Zeit und Geld spart“, sagt Prof. Joachim Wegener. Wegener ist Leiter der Fraunhofer-Abteilung „Zellbasierte Sensorik“, die auf dem Campus der Universität Regensburg (UR) angesiedelt ist und eng mit dem Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik der UR verbunden ist.

Das Grundkonzept des neuen Ansatzes basiert auf der Nutzung von Insektenzellen als Sensoren. Diese Zellen verfügen über den für die jeweiligen Insekten typischen Stoffwechsel und können bei Einwirkung bioaktiver Substanzen auf schädliche Auswirkungen hinweisen. „Die Zellen werden in Laborschalen überführt, die am Boden mit Mikroelektroden ausgestattet sind“, erklärt Wegener. Bei diesen sogenannten Multi-Elektroden-Arrays wird der Widerstand der Zellen gegenüber Wechselstrom (Impedanz) in Echtzeit ermittelt und über die schädlichen Auswirkungen auf die Zellen berichtet.

Die Methode könnte herkömmliche bioanalytische Tests ergänzen, mit denen die toxische Konzentration des isolierten Wirkstoffs bestimmt wird. Allerdings enthalten Pestizide meist zahlreiche Zusatzstoffe, die oft für unbeabsichtigte toxische Wirkungen verantwortlich sind. Mit den Insektenzellsensoren wird die Wirkung der gesamten Mischung in einem einzigen Experiment getestet. Dadurch können die biologischen Wirkungen neuer Formulierungen schnell erkannt werden.

Die Zellen werden im Labor kultiviert. Sie werden direkt in den Wells der Multi-Elektroden-Arrays eingefroren und bei niedrigen Temperaturen gelagert. Nun können die Zellen bei Bedarf aufgetaut werden und sind unabhängig von einem Zellkulturlabor innerhalb weniger Minuten auch direkt im Feld für die Untersuchung bereit. Dies ermöglicht eine zeit- und kosteneffiziente Vorbereitung großer Chargen von Sensorzellen lange vor der Testdurchführung.

Bisher wurden fünf verschiedene Pestizide mit dieser Sensortechnologie auf ihre akute Zelltoxizität getestet. „Die Ergebnisse zeigen, dass einige für den Hausgebrauch verkaufte Pestizide bereits in Konzentrationen giftig sind, die weit unter der empfohlenen Anwendungskonzentration liegen“, sagt Stefanie Michaelis, die das Projekt leitet.

Um die Anwendung der sensorbeladenen Elektrodenarrays zu automatisieren, hat das Forschungsteam der Fraunhofer EMFT ein Demogerät entwickelt, das die Zellen auftaut und die Proben hinzufügt. „Das Gerät ermöglicht eine präzise Dosierung und eliminiert jegliche Kreuzkontamination“, erklärt Christian Hochreiter, der den Prototyp geplant und konstruiert hat.

Inwieweit die Ergebnisse mit Insektenzellen den Einfluss auf lebende Insekten widerspiegeln, wird Gegenstand weiterer Forschung sein.

Neben der Erkennung einer akuten insektiziden Wirkung soll das gleiche Sensorprinzip künftig auch zur Untersuchung verschiedener Zellfunktionen (Phänotypen) eingesetzt werden und die gleichzeitige Untersuchung von Zellen verschiedener Insektenarten ermöglichen. „Unser Ziel ist es, ein umfassendes Wirkungsprofil der Stoffe zu erstellen, das über ihre reine akute Toxizität auf eine einzelne Art hinausgeht“, sagt Wegener.

Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Tagebuch Angewandte Forschung.