Schwimmende Einzeller. Wie Kleinstorganismen Umweltgifte aufspüren

Im täglichen Kampf gegen Gift- und Schadstoffe werden die zuständigen Behörden und Organisationen nicht nur durch die kriminelle Energie vieler Umweltsünder behindert. Auch mangelhafte oder umständliche Testverfahren unterlaufen einen effizienten und langfristigen Umweltschutz. Dieses Problem möchte Dr. Wilfried Pauli vom Institut für Biochemie der Freien Universität Berlin lösen. Er arbeitet an einer schnellen und zuverlässigen Methode der biologischen Umweltgifterkennung, mit deren Hilfe noch vor Ort die Toxizität der fraglichen Stoffe bestimmt werden kann. Nutznießer dieses Verfahrens sind mobile Umweltlabore, Industriebetriebe, staatliche Institutionen und Privathaushalte, die schnell und unkompliziert ausgetretene Stoffe auf eine mögliche Beeinträchtigung der Umwelt testen möchten.

Anlass des Forschungsprojekts von Dr. Wilfried Pauli ist der anhaltende Bedarf nach schnellen und zuverlässigen Methoden der Giftdetektion. Bis heute werden im Bereich des Umweltmonitoring hauptsächlich chemisch-analytische Tests durchgeführt. Für diese spricht eine mittlerweile hohe Standardisierung, anerkannte Zuverlässigkeit und Nachweisempfindlichkeit. Im alltäglichen Umgang mit potentiell giftigen Stoffen sind sie aber oft zu zeitintensiv und aufwendig. Ein weiterer Nachteil liegt in der Genauigkeit, mit der chemische Tests durchgeführt werden müssen. Bereits vor dem Verfahren muss festgelegt werden, nach welcher Unbekannten gesucht werden soll. Auch über die toxische Wechselwirkung verschiedener Inhaltsstoffe untereinander sagen chemische Analysen nur wenig aus, Giftigkeit und tatsächliche Umweltbelastung können oft nicht adäquat beurteilt werden. Im Unterschied zu den chemischen Testverfahren, die präzise eine bestimmte Chemikalie untersuchen und nachweisen, geben biologische Tests Auskunft über die allgemeine Toxizität einer Substanz. Sie erlauben noch vor Ort, über Giftigkeit oder Unbedenklichkeit zu entscheiden und bieten sich als erster Schritt an, um mögliche Gefahrenquellen zu erkennen und entsprechend zu handeln.

Hauptproblem dieser biologischen Untersuchungsverfahren war lange Zeit die eingeschränkte Verfügbarkeit und Störanfälligkeit der genutzten Organismen. Dieses Problem könnte nun durch Verwendung der Tetrahymena gelöst werden. Dieser Einzeller, in der Natur in großer Zahl vertreten, verfügt über eine überaus sensible Membranhülle, die es ihm ermöglicht, kleinste Umweltveränderungen und chemische Reize wahrzunehmen. Befindet sich ein solches schwimmendes Wimpertierchen in der Nähe einer Gefahrenquelle, kann es innerhalb kürzester Zeit reagieren und ausweichen. Der von Forschern auch als „Laborhaustier“ bezeichnete Mikroorganismus ist, ähnlich wie Bakterien, leicht zu handhaben, gleichzeitig aber dem Zellenaufbau höher entwickelter Organismen sehr ähnlich.

Es ist diese Ähnlichkeit, die ihn für die moderne Giftdetektion so interessant macht. Da die meisten Gifte membranaktiv sind und zuerst die äußere Hülle der Zelle angreifen, sind sie auch anhand von chemosensorischen Reaktionen der Zellhülle nachweisbar. Gleichzeitig ist eine membranaktive Substanz immer potentiell toxisch, da lebenswichtige Funktionen der Zellmembran beeinträchtigt werden könnten. Anhand der messbaren Stärke der eingetretenen Meid- und chemosensorischen Reaktion wird die Toxizitätsintensität ermittelt. Der gesamte Vorgang der Vermeidungsreaktion, d.h. der Versuch des Mikroorganismus, der Gefahrenquelle auszuweichen und in einer sicheren Distanz zu bleiben, findet innerhalb von wenigen Sekunden statt. Obwohl aus Gründen der statistischen Sicherheit die Reaktion von bis zu 30.000 Organismen beobachtet wird, ist es das Ziel von Dr. Pauli, zukünftig innerhalb von weniger als 20 Minuten ein verwertbares Ergebnis zu erreichen. Dabei steht weniger die Frage einer Humantoxikologie im Vordergrund, d.h. ob ein betreffender Stoff explizit für den Menschen giftig ist, sondern vielmehr die Feststellung einer allgemeinen Basistoxikologie. Diese gibt Auskunft darüber, ob die Substanz überhaupt für isolierte lebende Zellen giftig ist.

Erste Validationsversuche wurden bereits erfolgreich durchgeführt. Das Verfahren wurde durch Versuche mit Schwermetallen, diversen organischen Verbindungen und anderen giftigen Substanzen, die in den unterschiedlichsten Kombinationen und Mengen in der Umwelt zu finden und eventuell auch toxisch sind, überprüft. Vor einer möglichen Anwendung müssen noch mögliche „Falsch-Positive“ Reaktionen beseitigt werden. Dazu gehören bspw. Reaktionen der Einzeller, die nicht in einem direkten Bezug zu Umweltschadstoffen stehen. Als Einsatz in der Praxis sind vielfältige Situationen denkbar. Viele „Umweltmobile“, die nur über einen einzigen Schnelltest – den Leuchtbakterientest – verfügen, sind an weiteren biologischen Tests interessiert. Zu den potentiellen Nutzern gehören aber auch Abwasserbetriebe, Kläranlagenbetreiber sowie Forschungseinrichtungen und private Haushalte. Eingebunden in biologische Testbatterien könnte der Test dazu beitragen, präzisere Aussagen über die Giftigkeit der Proben zu treffen.

Kajetan Tadrowski

Weitere Informationen erteilt Ihnen gern:
Dr. Wilfried Pauli, Institut für Biochemie der Freien Universität Berlin, AG Ökotoxikologie, Ehrenbergstr. 26-28, 14195 Berlin, Tel.: 030 / 838-53171, E-Mail: wpauli@zedat.fu-berlin.de