Pestizide: Biologische Effekte niedriger Schadstoffkonzentrationen besser vorhersagen

Ob und inwieweit ein Schadstoff einem Organismus schadet oder ihn tötet, hängt vor allem von seiner Konzentration und der Empfindlichkeit eines Individuums ab: Die Dosis macht das Gift. „Doch das ist nicht alles“, sagt UFZ-Ökotoxikologe Prof. Dr. Matthias Liess.

„Es kommt auch ganz entscheidend darauf an, wie hoch der Stress ist, dem der Organismus ausgesetzt ist.“ Schadstoffkonzentration, individuelle Sensitivität und Umweltstress spielen also in einer Art Wirkungsdreiklang zusammen.

Welche Rolle den einzelnen Komponenten dabei zukommt, sind die Forscherinnen und Forscher in ihrer aktuellen Studie nachgegangen. Sie wollten herausfinden, wie es künftig besser gelingen kann, empfindliche Individuen und Effekte bei sehr niedrigen Konzentrationen in der Risikobewertung zu berücksichtigen.

„Bisherige Modellrechnungen konnten die Effekte niedriger Schadstoffkonzentrationen auf empfindliche Individuen und Arten kaum vorhersagen“, erklärt Liess. „Doch das ist in der Human- wie auch in der Ökotoxikologie durchaus wichtig.“ Denn sensitive Personen – etwa Kinder, kranke oder ältere Menschen – oder empfindlichere Arten eines Ökosystems nehmen offensichtlich schon bei sehr viel geringeren Konzentrationen Schaden als bisher angenommen.

„Angestoßen wurde unsere Untersuchung durch eine Beobachtung im Labor: Bei sehr niedrigen Pestizid-Konzentrationen – weit unterhalb von Konzentrationen, wie sie in bisherigen Studien zu starken Effekten führten – zeigten sich Wirkungen auf sensitive Organismen“, sagt der Ökotoxikologe.

Diese wurden bisher kaum beobachtet, da derart niedrige Konzentrationen nur äußerst selten getestet werden. Bislang ging man davon aus, dass Schadstoffe erst nach Überschreiten eines Schwellenwertes Effekte in hohen Konzentrationen zeigen – so die Theorie.

Doch bei extrem geringen Konzentrationen stimmt dies offensichtlich nicht. Liess: „Wir fanden diese Effekte bei fast allen vorliegenden Arbeiten, in denen sehr niedrige Konzentrationen von Schadstoffen untersucht wurden.“ Und ebenso in ihren eigenen Untersuchungen, in denen sie den Planktonkrebs Daphnia magna geringsten Konzentrationen eines Pestizids aussetzten – in diesem Fall Esfenvalerat, das als Insektizid mit Kontakt- und Fraßwirkung in Pflanzenschutzmitteln beim Obst-, Gemüse- und Ackerbau verwendet wird und in der EU zugelassen ist.

Was steckt hinter den Effekten in diesen geringen Konzentrationsbereichen? Die Hypothese der UFZ-Wissenschaftler lautet: Schadstoffstress trifft auf inneren Stress. Doch was bedeutet das?

Organismen werden unter Einwirkung von Umweltstress, wie z.B. Räuberdruck, Parasiten und Hitzewellen empfindlicher gegenüber Schadstoffen und sterben schon bei niedrigen Schadstoffkonzentrationen.

„Diesen Zusammenhang haben wir bereits in früheren Untersuchungen berechnen können“, sagt Liess. „Nun konnten wir zeigen, dass Individuen inneren Stress entwickeln, wenn sie zu wenig periodisch auftretendem Stress aus der Umwelt ausgesetzt sind.“ Offensichtlich sind Organismen an eine gewisse Menge angepasst. Für Planktonkrebse sind optimale Laborbedingungen – ausreichend Sauerstoff, optimale Wassertemperatur – daher wohl nicht wirklich optimal.

„Und da sich externer und interner Stress addieren, erhöht sich damit die Empfindlichkeit gegenüber Schadstoffen – und das drastisch“, erklärt Liess. Die Folge: Sensitive Individuen reagieren bereits auf äußerst geringe Schadstoffkonzentrationen. Diese können bis um den Faktor 10.000 unterhalb der Konzentrationen liegen, die bisher als schädlich angesehen wurden. „Somit erhöht zu viel – aber auch zu wenig – Stress die Empfindlichkeit gegenüber Schadstoffen“, sagt der UFZ-Forscher.

Um Effekte in niedrigen Konzentrationsbereichen sichtbar machen zu können, entwickelten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ein Modell, mit dem der innere Stress und die damit zusammenhängenden Effekte auf Schadstoffwirkungen berechnet werden können. Liess: „Wir hoffen, dass wir mit unserer Studie zu einer realistischeren und detaillierteren Risikobewertung umwelt- und humantoxikologischer Fragestellungen beitragen können – insbesondere für sensitive Individuen.“

In einer allgemein zugänglichen und kostenlosen Software kann das Modell der UFZ-Forscher genutzt werden.
Link: http://www.systemecology.eu/indicate/

Prof. Dr. Matthias Liess
Leiter des UFZ-Departments Systemökoloxikologie
Matthias.liess@ufz.de

Liess, M., Henz, S. & Knillmann S.: Predicting low-concentration effects of pesticides; Scientific Reports 9, 15248 (Oct 24, 2019); https://doi.org/10.1038/s41598-019-51645-4