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Forschungsarbeit

Der Einfluss von Veterinärarzneistoffen auf biotische Interaktionen
in aquatischen Ökosystemen - Eine exemplarische Studie anhand induzierbarer Verteidigungen bei Daphnia magna

von Max Severin Rabus (10.11.2009)

Allein in Deutschland werden jährlich mindestens 2300 Tonnen Veterinärarzneimittel umgesetzt, davon entfallen etwa 90 % auf Antibiotika und Antiparasitika (LANUV-NRW 2007). Eine erhebliche Menge dieser Stoffe oder deren Metabolite gelangt über den Weg der Gülleaustragung in den Wasserkreislauf (Boxall et al. 2003, Hamscher 2006). Für die Organismen aquatischer Ökosysteme ergibt sich hieraus über Auswaschungsprozesse bei Beregnung eine erhöhte Exposition mit zahlreichen biologisch aktiven pharmazeutischen Produkten. Diese Stoffe, obgleich meist in geringen Konzentrationen vorhanden, können graduell auch in Nicht-Zielorganismen biologische Prozesse beeinflussen und dadurch zu irreversiblen Veränderungen des Ökosystems führen.
Ziel meines Forschungsvorhabens ist es aufzuzeigen, welche Auswirkungen sich auf aquatische Ökosysteme durch eine Exposition von aquatischen Invertebraten mit umweltrelevanten Veterinärarzneistoffkonzentrationen ergeben. Hierbei soll ein Schwerpunkt auf die möglichen Effekte von Veterinärarzneistoffen auf Lebensgemeinschaften gelegt werden. Exemplarisch soll dies anhand des Räuber-Beute-Systems Triops cancriformis und Daphnia magna, einem wichtigen Modellorganismus der Evolution, Ökologie und Umweltwissenschaften, untersucht werden. Die Art D. magna bildet vermittelt über chemische Signale (Kairomone), die von dem Räuber T. cancriformis abgegeben werden, spezifische induzierbare morphologische Verteidigungen aus (Rabus 2008). Da sowohl D. magna als auch T. cancriformis in temporären Gewässern leben, welche sehr stark dem Gewässereintrag aus Erosionsprozessen unterliegen, ist dieses Räuber-Beute-System prädestiniert, die möglichen Auswirkungen der aus dem Boden ausgeschwemmten Veterinärarzneistoffe auf biotische Interaktionen zu untersuchen.

Mögliche Eintragspfade für Veterinärarzneistoffe in die Umwelt[Bildunterschrift / Subline]: Abb.1: Mögliche Eintragspfade für Veterinärarzneistoffe in die Umwelt (modifiziert nach Hamscher 2006)


Induzierbare Verteidigungen sind eine Form der phänotypischen Plastizität und finden sich bei einer Vielzahl von Taxa, von Pflanzen (hier spricht man von Resistenzen) bis hin zu vielen Beutetieren (Tollrian & Harvell 1999). Hierbei verändert der Organismus als Reaktion auf biotische Informationen seinen Phänotyp, um sein Prädationsrisiko zu senken. Da die Verteidigungsmechanismen nur dann ausgebildet werden, wenn ein verlässlicher Hinweis auf zukünftige Attacken des Prädators vorhanden ist, können die Kosten der Verteidigung in Abwesenheit des Räubers eingespart werden. Die Beuteorganismen können dabei sowohl ihre Life History, ihr Verhalten, als auch ihre Morphologie an das Prädationsrisiko anpassen (aktueller Review: Laforsch & Tollrian, 2009). Da über die chemischen Stoffe welche diese Verteidigungen induzieren bisher noch sehr wenig bekannt ist, besteht die Wahrscheinlichkeit, dass pharmazeutische Produkte synergetisch oder antagonistisch zu den Kairomonen wirken und dadurch die Gemeinschaftsstrukturen und Nahrungsnetze in aquatischen Ökosystemen empfindlich stören (Pohnert et al. 2007). Unterstützt wird diese Annahme durch eine aktuelle Studie die zeigt, dass zwei Stressoren (Prädation und Pestizide) stärkere Auswirkungen auf einen Organismus haben können als nur ein Faktor alleine (Sih et al. 2004). Speziell Antibiotika und antimikrobielle Leistungsförderer, die in der Veterinärmedizin Verwendung finden, können in der Vermittlung biotischer Interaktionen über Kairomone erhebliche Auswirkungen bedingen, da Kairomone ständigen bakteriellen Um- und Abbau unterliegen.

a) Dorsalansicht eines Triops cancriformis; b) Vergleich einer unverteidigten und einer verteidigten D. magna. Die morphologische Verteidigung äußert sich dabei durch die gesteigerte Körperlänge und -breite sowie den deutlich verlängerten Schwanzstachel.[Bildunterschrift / Subline]: Abb. 2: a) Dorsalansicht eines Triops cancriformis; b) Vergleich einer unverteidigten (links) und einer verteidigten D. magna (rechts). Die morphologische Verteidigung äußert sich dabei durch die gesteigerte Körperlänge und -breite sowie den deutlich verlängerten Schwanzstachel.

Im Rahmen meiner Arbeit sollen zunächst die Verteidigungsmechanismen dieser neu entdeckten induzierbaren Verteidigung detailliert untersucht werden, um nachfolgend mögliche Auswirkungen der Pharmazeutika detektieren zu können. Ebenso sollen komplexe Interaktionen (Multiprädationsregime) und die Effekte von Stoffgemischen, welche bisher ebenfalls nahezu unerforscht sind, in der Folge untersucht werden. Zur Analyse der antizipierten Effekte sollen neue Methoden weiterentwickelt und angewandt werden, wie beispielsweise Ultraschallmikroskopie mit Phasenkontrast zur Untersuchung der Cuticulaeigenschaften. Diese fachübergreifende Studie soll helfen, das Risikopotenzial einer permanenten Fracht einer Vielzahl an biologisch aktiven pharmazeutischen Substanzen für aquatische Ökosysteme besser einzuschätzen. Bei erfolgreicher Durchführung soll das einfach im Labor zu kultivierende Räuber-Beute System T. cancriformis - D. magna zur Untersuchung der Auswirkungen von pharmazeutischen Produkten auf Lebensgemeinschaften etabliert werden. Dementsprechend könnten die Ergebnisse dieser Studie einen wichtigen Beitrag dazu leisten Strategien zum Schutz der empfindlichen und für den Menschen essenziellen aquatischen Ökosysteme weiter zu entwickeln.

 

Boxall, A.B.A., Kolpin,D.W., Halling-Sorensen,B. & Tolls,J. (2003) Are veterinary medicines causing environmental risks? Environmental Science & Technology, 37, 286A-294A.

Laforsch, C. and Tollrian R. (2009) Cyclomorphosis and Phenotypic Defences In: Encyclopedia of Inland waters, Elsevier, Volume 3, pp 643-650.

Hamscher, G. (2006)  Tierarzneimittel in der Umwelt: Vorkommen, Verhalten, Risiken. Heil-Lasten - Arzneimittelrückstände in Gewässern (ed. by F.H.Frimmel and M.B.Müller), pp. 105-124. Springer Berlin Heidelberg.

Landesamt für Natur,Umwelt und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen (2007) Eintrag von Arzneimitteln und deren Verhalten und Verbleib in der Umwelt - Literaturstudie. LANUV-Fachbericht 2.  2007.

Pohnert,G., Steinke,M. & Tollrian,R. (2007) Chemical cues, defence metabolites and the shaping of pelagic interspecific interactions. Trends in Ecology & Evolution, 22, 198-204.

Rabus, M. (2008) Das Räuber-Beute-System Daphnia magna - Triops cancriformis: Induzierbare Verteidigungsmechanismen. Diplomarbeit an der Fakultät für Biologie der Ludwig-Maximilians-Universität München

Sih,A.,Bell, A.M. & Kerby,J.L. (2004) Two stressors are far deadlier than one. Trends in Ecology & Evolution, 19, 274-276.

Tollrian,R. & Harvell,C.D. (1999) The Ecology and Evolution of Inducible Defenses. Princeton University Press, Princeton, New Jersey.


Stationen
  • 2002-2008
  • Studium der Biologie an der LMU München
  • seit 2008
  • Promotion am Lehrstuhl für Ökologie/Evolutionsökologie, LMU München
  • seit Dezember 2008
  • Forschungsstipendiat des Elitenetzwerks Bayern