Ölförderung in der Nordsee beeinflusst die Fische

In einem kürzlich erschienenen Artikel von norwegischen Kollegen wird beschrieben, dass Fische, die in der Nähe von Ölplattformen in der Nordsee gefangen wurden, nicht nur nachweislich höher mit Ölinhaltstoffen (PAH) belastet waren, sondern auch veränderte Enzymaktivitäten, eine abweichende Fettzusammensetzung und mehr DNA-Addukte in der Leber zeigten, als Fische aus Vergleichsgebieten. Auch abseits der Küsten gibt es also mehr Schadstoffeffekte, als nur ein Grundrauschen.

Kurzfassung in englisch 
Gesamter Artikel

Biomarker – quo vadis?

Biologische Effektmonitoring ist mit der neuen Marinen Strategie Rahmenrichtlinie (MSRL) noch wichtiger geworden. Diese Richtlinie gibt vor, dass sich ”aus den Konzentrationen der Schadstoffe keine Verschmutzungswirkung ergeben” dürfen.  Unter Deskriptor 8.2. der MSRL sind dann auch explizit die Effekte vor Schadstoffen als zu überwachender Parameter genannt. Man muss sich also mit biologischen Effekten beschäftigen, wenn man den Pflichten der MSRL nachkommen will.

Bisher ist die Messung aller biologischen Effekte mit einer Ausnahme freiwillig. Diese Ausnahme ist Imposex, die als Alternative zur TBT-Messung eingesetzt werden kann. Alle anderen Biomarker – und es gibt einen bunten Strauß davon – werden auf “Vorschlaglisten” geführt und haben bisher nicht den Sprung in die Riege der verplichtenden Parameter geschafft. Um das zu schaffen braucht der ehrgeizige Biomarker drei Dinge:

1. Eine mit den relevanten Gremien abgestimmte Methodenbeschreibung, vorzugsweise in ICES TIMES
2. Eine funktionierende Qualitätssicherung der Methode – vergleichbare Ergebnisse aus unterschiedlichen Laboren (z.B. unter BEQUALM)
3. Bewerungskriterien die Konzentrationen mit unakzeptablen Effekten im Organismus in Beziehung setzen (für OSPAR, MSRL) und Schwellenwerte zur  Abgrenzung der Konzentration vom Hintergrundwert (für OSPAR).

Mehrere Biomarker haben schon die drei Punkte erfüllt und damit alle Eigenschaften, um in die Listen der verpflichtend zu messenden Parameter (OSPAR-CEMP)aufgenommen zu werden. Für den Ostseebereich wird im HELCOM Projekt CORESET gerade eine solche Liste erarbeitet, die neben chemischen Parametern auch eine Gruppe von Biomarkern enthalten soll. CORESET hat zusätzlich zu den oben genannten drei Voraussetzungen noch den Anspruch, dass  Anrainerstaaten der Ostsee den Biomarker im Rahmen eines regelmäßigen Monitorings einsetzen. So können zwar keine neuen Methoden in die Liste aufgenommen werden, was ein Nachteil ist, aber immerhin kann man kurzfristig mit Daten aus den Ländern rechnen, aus denen man eine Bewertung ableiten kann. Auch wenn diese Liste nur eine Empfehlung ist und keinerlei verpflichtenden Charakter hat, so wäre es doch ein wichtige Signal für das marine Monitoring, wenn hier die Biomarker gleichberechtigt neben der Chemie auftauchen würden. Ende 2011 soll die Liste stehen und wir erwarten die Ergebnisse mit Spannung.

Mehr Infos über biologisches Effektmonitoring unter der MSRL gibt es im TG8 Report.

Zukünftige Themen in der Ökotoxikologie

Als Rückschau auf die Jahrestagung von SETAC Europe in Sevilla hat SETAC Globe zuküftige Themen identifiziert.

Ganz wichtig erscheint mir die Brücke zu schlagen zwischen Effekten und ihrer Relevanz für die Population (“linking biomarker and higher level effects”). Was sagt eine erhöhte Enzyminduktion über den Gesundheitszustand eines Fisches aus? Ist sie ein frühes Warnzeichen für etwas, was sich nachteilig auf den Organismus oder sogar auf die Population auswirkt? Das sind die Fragen die im Bioeffektmonitoring  im Zusammenhang mit der Meeresstrategie-Rahmenrichtlinie auf uns zukommen werden.  In  direkter Verbindung dazu sehe ich die “Community and ecosystem vulnerability” also die Belastbarkeit von Lebensgemeinschaften. Hier gehen wir noch einen Schritt weiter und setzen unsere bewerteten Ergebnisse in ein Beziehungsnetzwerk ein und erhalten am Ende eine Risikoabschätzung.

Wie schön, dass wir auch in Zukunft genug große Herausforderungen haben werden.

Integrierte Umweltbewertung

Integrierte Bewertung ist zur Zeit angesagt in der Umweltfoschung dank der Marinen Strategie der EU. Wissenschaftliche Arbeitsgruppen des Internationalen Rates für Meeresforschung beschäftigen sich seit Jahren mit dem Thema und gut dotierte Forschungsprojekte drehen sich darum passende Konzepte zu entwickeln. Integrierte Bewertung heißt, einzelne Parameter wie Schadstoffe, Biomarker und Fischkrankheiten, Eutrophierung und Zusammensetzung von Lebensgemeinschaften etc. in einer gemeinsamen Zahl zu versammeln. Die Auswahl und Gewichtung der Parameter zueinander und die Behandlung von besonders “alarmierenden” Werten ist eine Herausforderung. Diese gemeinsame Zahl – der Index – dient dann als Bewertung für eine Region. In der Ostsee (Baltic Sea action plan) wird die sogenannte “Gesundheit des Ökosystems” bewertet. Das ist eine abstrakte Größe, die gefährdete Regionen identifiziert.  Als Produkte gibt es dann Landkarten mit Rot/Gelb/Grün analog zur bekannten Ampel. (Hier ausführliche Infos und bunte Landkarten der Ostsee)

Das Schöne an diesem Ansatz ist die übersichtliche und einfache Handhabbarkeit der Ergebnisse und das ist auch gleichzeitig der Nachteil. Denn wenn ich viel zusammenmittel, dann bleibt am Ende nur ein wischiwaschi-Mittelwert aller Eingangsgrößen übrig. Diesem Problem muss man mathematisch entkommen und das ist ein Ziel des Projektes BEAST, das sich um einen Index für die “Ecosystem Health” in der Ostsee kümmert.

Kennen Sie PAKs?

Warum soll man die Wurst auf dem Grill nicht verbrennen lassen? Warum ist zu viel Räucherfisch ungesund und woher kommt die Raucherlunge? Was belastet die Natur bei Öltankerunfällen? Was macht Probleme in alten Parkettklebern?
Bei allen diesen Fragen spielen PAKs (polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe) eine Rolle. PAKs sind keine Erfindung der chemischen Industrie sondern sie sind schon seit es Kohle, Erdöl oder Verbrennungsprozesse unter Sauerstoffabschluss gibt  in der Umwelt zu finden. Außerdem sind diese Substanzen sehr langlebig (persistent). Folglich sind die Meeressedimente und die Flussbetten Europas voll davon. Im Wasser lösen sich diese Substanzen nicht so gut – PAKs lieben das Fett.

Und so warten die PAKs im Sediment geduldig bis eine Wurm oder ein Seestern greifbar ist, damit sie dort im fettähnlichen Gewebe akkumuliert oder verstoffwechselt werden können. Man könnte vermuten, dass sich in der höchsten Gliedern der Nahrungskette auch die höchsten PAK-Gehalte finden – aber das ist nicht so denn PAKs werden im Organismus abgebaut. Niedere Tiere wie Würmer haben noch nicht das notwendige Enzymsystem, aber der Fisch, der den Wurm frisst, baut die PAKs ab. “So what ?” Fragt man sich. Dann ist das Problem doch aus der Welt? Oder doch nicht?!

Leider nicht, denn bei der Metabolisierung entfalten PAKs ihre Giftigkeit: Sie werden zu gefährlichen Epoxiden oxidiert, die mit der DNA reagieren können. Das führt im ungünstigen Fall zu einem Tumor. Daher ist es wichtig die Belastung mit PAK zu untersuchen. In Meeresfischen verwendet man dazu den Gehalt an PAK-Metaboliten in der Galle. Dort sammeln sich einige der vom Fisch verstoffwechselten Substanzen und können leicht analysiert werden.

EROD Aktivität – die Methode

Hier geht es um Enzyme: Ein Enzym setzt in einer definierten Zeitspanne ein Substrat zu einem Produkt um. Das nennt man Enzymkinetik. Wenn man das Produkt messen kann, kann man auf diese Weise die Aktivität des Enzyms bestimmen. Ein prominentes Enzym in der Umweltforschung ist EROD (Ethoxyresorufin-O-deethylase). Es ist im endoplasmatischen Retikulum der Leberzelle gebunden und im Organismus dafür zuständig Steroide zu metabolisieren. Es wird aber auch mit Dioxinen, PAHs und einigen PCBs fertig und kann durch diese sogar induziert werden. Die Metabolite der Schadstoffe sind giftiger als die Ausgangssubstanzen und können im Organismus Schaden anrichten. Kennt man die EROD-Aktivität, hat man also eine Aussage über die Wirkung aller EROD-induzierender Substrate im Organismus und kann sich über Schadstoffe Gedanken machen.

EROD wird aus Leberhomogenaten durch eine Zentrifugation isoliert. Die Aktivität wird am Fluorimeter gegen Resorufin als externen Standard vermessen. Das Messprinzip beruht auf der zeitabhängigen Umsetzung von 7-Ethoxyresorufin (Substrat) zu Resorufin (Produkt) durch das EROD-Enzym. Bestimmt wird die Kinetik der Bildung von Resorufin (Umsatzmenge pro Zeit, Ex 470, Em 560 nm). Die Bezugsgröße ist der Proteingehalt in der Probe, der z.B. nach Lowry bestimmt wird. Das Ergebnis wird in „pmol min^-1mg^-1“ angegeben.

Die Details dieser Messung sind in jedem Protokoll etwas anders. Die ICES Times Series No. 23 (Stagg R., McIntosh A. 1998, ICES Techniques in marine environmental Sciences No. 23, 16 pp), die für marine Fische empfohlen wird, arbeitet mit einer 10 minütige Zentrifugation bei 10000 x g. Eine zweite Zentrifugation bei 105000 x g wird nur als Möglichkeit erwähnt. Daneben beschreibt diese Methode die Verwendung eines internen Standards (Resorufin-Spike direkt in die Messzelle). Die Messung erfolgt in der Küvette.

ICES Times Series No. 13 ( Galgani F, Payne J.F. 1991 ICES Techniques in marine environmental Sciences No. 13, 11pp) beschreibt eine zweistufige Zentrifugation (10000 und 100000 x g zur Isolierung der Mikrosomen und eine Messung in Mikrotiterplatten ohne internen Standard.

Die einstufige Zentrifugation hat den Vorteil, dass man ohne teure Ultrazentrifuge auskommt und die Aufarbeitung auch an Bord eines Forschungsschiffes durchführen kann. Allerdings werden beim Ultrazentrifugationsschritt der zweistufigen Zentrifugation viele Hemmstoffe abgetrennt, so dass die messbare EROD-Aktivität der Probe nach der zweiten Zentrifugation merklich ansteigt. Durch verschiedene Zentrifugationen werden also keine vergleichbaren Daten erhalten.

Ein ähnliches Problem besteht auch beim Vergleich der Küvettenmessung mit der Mikrotiterplattenmessung. Identische Proben bezogen auf identische externe Standards ergeben in Platten niedrigere Ergebnisse. Möglicherweise liegt das an einer langsameren Umsetzung in der Platte (in der Küvette wird gerührt, die Platte wird nur geschüttelt), an den Unterschieden zwischen den Materialien (Quarzglas bei der Küvette, Kunststoff bei der Platte) oder an grundsätzlichen Unterschieden der Geräte.

Wichtig ist, dass EROD-Werte, die nach verschiedenen Protokollen und an verschiedenen Geräten gemessen wurden, nicht vergleichbar sein müssen. Dieser Punkt muss in jedem Fall geprüft werden. Aus diesem Grund sind internationale Interkalibrationen für EROD sehr wichtig.

Neue BLMP-Indikatorberichte erschienen

Zwei neue Indikatorberichte aus dem Bund-Länder-Messprogramm (BLMP) zum Thema PAK-Metaboliten in Fischen sind erschienen.

Zusammen mit einem Kollegen habe ich unsere Messdaten aus Nord- und Ostsee aus den Jahren 1999-2006 zusammengefasst. Für die Nordsee bietet der Bericht 2009/3 Hintergrund-Bewertungskriterien (BAC, Background Assessment Criteria) für 1-Hydroxypyren. Diese Zahlen geben Schwellenwerte an, die niedriege Konzentrationen nahe dem natürlichen Hintergrund von hohen Konzentrationen unterscheiden. Denn PAK (Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe) kommen aus natürlichen Quellen überall vor. Ein sehr geringer Wert zeigt daher nicht unbedingt eine Verschmutzung durch den Menschen an. Diese BAC sind ganz entscheidend für die Bewertung von in der Umwelt gemessenen Konzentrationen.

Diese und andere BLMP-Indikatorberichte kann man hier kostenlos herunterladen.