Faszinierende Bioaerosole aus dem Regenmantel von Kleinzikaden

GSF-Wissenschaftler beobachten hohes Vorkommen an bisher kaum wenig bekannten, luftgetragenen Partikeln

Dr. Klaus Wittmaack vom Institut für Strahlenschutz am GSF – Forschungszentrum für Umwelt und Gesundheit hat beim Sammeln von Feinstaub entdeckt, dass eine bisher weitgehend unbekannte Art von Bioaerosolen, sogenannte Brochosomen, in völlig unerwartet hoher Konzentration in der Luft vorkommen. Brochosomen werden von Kleinzikaden produziert, um sich damit gegen Benetzung durch Wassertropfen zu schützen. Nach einer Häutung scheiden sie ein brochosomenhaltiges Sekret aus und verteilen dieses mit den Hinterbeinen über ihren ganzen Körper. Die so erzeugte Bedeckung mit Brochosomen ist extrem wasserabweisend, was die Tierchen quasi gegen Regen imprägniert. Beim Verteilen des Sekrets gehen sie vermutlich jedoch ziemlich verschwenderisch vor: Oft fallen ganze Pakete von Brochosomen auf den Boden, um dann vom leisesten Lufthauch davon getragen zu werden.

Einzelne Brochosomen haben einen Durchmesser zwischen 0.25 und 0.6 µm, mit einem ausgeprägtem Häufigkeitsmaximum bei 0.4 µm. Als Größenvergleich kann der Durchmesser eines menschlichen Haares mit 100 µm (0,1 mm, also dem zehnten Teil eines Millimeters) herangezogen werden. Somit entspricht der Durchmesser von 250 Brochosomen dem eines Haares.

Ihre faszinierende Schönheit offenbarte sich bei elektronenmikroskopischen Untersuchungen, die Wittmaack mit Unterstützung von Helga Wehnes bei seinem Kollegen Dr. Ulrich Heinzmann am GSF-Institut für Pathologie durchführen konnte. Wie perfekt geformte Mikrofußbälle erscheinen die winzigen, aus einem protein- und lipidhaltigem Gerüst aufgebauten Hohlkugeln.

Wittmaack ist besonders von der Geometrie der Hohlkugeln fasziniert: „Die fünf- und sechseckigen Strukturen spiegeln ein universelles Konstruktionsprinzip wider.“ Nur mit einer solchen Struktur können dreidimensionale Gebilde wie Kugeln oder Rohre entstehen; deshalb zieht sich diese Form durch alle Größenskalen von Natur und Technik: von der molekularen Ebene der Fullerene (C60) und Nanoröhrchen – zwei Modifikationen des Kohlenstoffs, deren Bau auf diesem Prinzip basiert – über Fußbälle bis hin zu mächtigen kuppelförmigen Gebäuden.

Fast allen Forschern sind die Brochosomen bisher bei der Aerosolsammlung entkommen. „Wegen ihrer flauschigen Struktur sind Brochosomen schwer einzufangen“, erklärt Wittmaack. Er hat deshalb die Technik so verfeinert, dass die kleinen Bioaerosolteilchen doch im Sammelgerät hängen blieben. Dabei stellte sich heraus, dass Brochosomen zumindest in der warmen Jahreszeit massenhaft durch die Luft schweben, meist in Aggregaten von vielen tausend Stück. „Alle einzelnen Brochosomen berücksichtigt, ist ihre Anzahlkonzentration in der Luft fast so hoch wie die von mineralischen Feinstaubpartikeln mit Größen oberhalb von einem Mikrometer“, staunt Wittmaack. Völlig offen ist dabei noch die Frage, ob Brochosomen mit ihrer großen verschlungenen Oberfläche als Träger toxischer Substanzen dienen und damit möglicherweise einen signifikanten Beitrag zu den Gesundheitsrisiken liefern, die derzeit im Zusammenhang mit der Inhalation von Feinstaub diskutiert werden.

Aerosolpartikel werden meist mit so genannten Impaktoren gesammelt, die im einfachsten Fall aus einer mit Düsen versehenen Scheibe und einer nachfolgenden Prallplatte bestehen. Im Betrieb wird Luft durch die Düsen gesaugt und an der Prallplatte umgelenkt. Aerosolpartikel, die dem raschen Luftstrom nicht folgen können, bleiben an der Prallplatte beziehungsweise an einer darauf ausgelegten Sammelfolie hängen, etwa so wie Fliegen und Mücken auf die Windschutzscheibe eines rasch fahrenden Autos klatschen und daran kleben bleiben. Die Aufprallgeschwindigkeit und die elastischen Eigenschaften von Aerosolpartikeln entscheiden darüber, ob sie tatsächlich auf der Prallplatte abgeschieden werden. Pollen können beispielsweise wie Gummibälle abprallen, leicht bewegliche Objekte wieder weggeblasen werden.

Oft zerfallen Aggregate von Brochosomen beim Aufprall im Impaktor, wobei die einzelnen Partikel in der Regel unversehrt bleiben. Frische Brochosomen zeigen sich unter Umständen sehr reaktiv: Findet sich eine geeignete Andockstelle, kann sich die Hohlkugelstruktur öffnen und das Brochosom nimmt quasi Kontakt zu benachbarten mineralischen Partikeln oder der Prallplatte selbst auf. „Dabei fanden wir erstaunliche Veränderungen. Einige Brochosomen hatten sich über nabelschnurähnliche Verbindungen an benachbarte Partikel angelagert, andere bildeten domartige Strukturen. Ein Brochosom hatte sich sogar vollständig geöffnet und hing wie ein Spinnennetz zwischen Wänden aus anorganischen Aerosolpartikeln“, so Wittmaack. Vor allem Brochosomen, die dem Forscher gleich zu Beginn der warmen Jahreszeit in die Falle gingen, zeigten solche Reaktionen. „Diese Reaktivität verliert sich offensichtlich im Alterungsprozess“, erklärt er, „Brochosomen, die erst im Spätsommer oder im frühen Herbst gesammelt wurden, zeigten keine bedeutenden Strukturveränderungen mehr“.

Literatur

K. Wittmaack: Atmos. Environ. 39 (2005) 1173-1180;
K. Wittmaack et al.: Sci. Total Environ. 346 (2005) 244-255.

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