Hormonelle Wirkungen von Umweltchemikalien

Zahlreiche Industriechemikalien stehen unter Verdacht, in das Hormonsystem von Mensch und Tier einzugreifen. Insbesondere Substanzen, die in der Lage sind, die Wirkung des weiblichen Geschlechtshormons Östradiol nachzuahmen, sogenannte Xenoöstrogene, werden für Fruchtbarkeitsstörungen und den Rückgang vieler Tierarten weltweit verantwortlich gemacht. Aus Großbritannien häufen sich Berichte, denen zufolge zunehmend eine Verweiblichung männlicher Fische in Flüssen unterhalb von Kläranlagenausläufen zu beobachten ist. Neben dem als Wirkstoff in der Antibaby-Pille eingesetzten synthetischen Östrogen Ethinylestradiol werden vor allem Alkylphenole, wie das Nonylphenol, die als Bestandteil von Reinigungsmitteln, Farbstoffen oder Pestiziden zum Einsatz kommen, mit diesen Veränderungen in Verbindung gebracht.
Auch in Bayern wird zunehmend von einem Rückgang bestimmter Fisch- und Amphibienarten berichtet. Als eine der Ursachen wird auch hier eine mögliche Belastung der Gewässer mit östrogen wirksamen Umweltchemikalien diskutiert. Der Frage ob diese Substanzen eine Bedrohung für freilebende Fisch- und Amphibienbestände darstellen, wurde in den Jahren 1996 bis 2003 im Rahmen mehrerer Forschungsvorhaben nachgegangen.

Laborversuche mit Fischen

Zwischen 1996 und 2001 wurden Laborversuche zur Erfassung östrogener und toxischer Wirkungen der Industriechemikalie Nonylphenol durchgeführt.
Ziel war es, das Risikopotential von Nonylphenol auf Fische möglichst umfassend zu beurteilen. Durch Nonylphenol induzierte Effekte wurden Veränderungen, die durch das synthetische Östrogen Ethinylestradiol (EE2) induziert werden, gegenüber gestellt. Die Untersuchungen erfolgten je nach Fragestellung an verschiedenen Fischarten, darunter Regenbogenforellen, Karpfen, Medakas und Hundsfische. Zur Ermittlung endokriner Wirkungen wurden Reproduktionsstudien, histologische Untersuchungen zur Geschlechtsdifferenzierung, Untersuchungen zum Funktionszustand der Hypophyse anhand morphometrischer Analysen sowie Steroidhormon-Messungen durchgeführt. Als wichtiger spezifischer Biomarker für eine östrogene Wirkung wurde die Stimulation der Vitellogenin-Synthese im Blut männlicher Fische herangezogen. Die Untersuchungen zur Erfassung toxischer Wirkungen beinhalteten Verhaltenstudien, hämatologische, klinisch-chemische, histopathologische und elektronenmikroskopische Untersuchungen, Rückstandsanalysen, genotoxikologische Studien sowie Untersuchungen zur Pharmakokinetik.
Die Untersuchungen ergaben eine östrogene Wirksamkeit der Industriechemikalie Nonylphenol. Bei den über mehrere Wochen definierten Konzentrationen dieser Substanz (1 µg/l; 10 µg/l) ausgesetzten männlichen Fischen wurden geringe Mengen von Vitellogenin im Blut nachgewiesen. Die östrogene Wirkung war jedoch um ein Vielfaches geringer ausgeprägt, als beispielsweise nach Einwirkung des Pillenwirkstoffes Ethinylestradiol. Auf eine wirkliche Verweiblichung hindeutende Veränderungen der männlichen Geschlechtsorgane wurden bei direkt exponierten Fischen nicht beobachtet. Reproduktionsversuche ergaben jedoch unter den gegebenen Versuchsbedingungen einen Rückgang der Schlupfrate um ca. 20 Prozent. Bei Nachkommen exponierter Fische wurden in sehr seltenen Fällen sogenannte Hermaphroditen beobachtet. Darunter sind Tiere zu verstehen, deren Geschlechtsorgane sowohl männliche als auch weibliche Merkmale aufweisen.

Histologischer Schnitt durch Hodengewebe einer männlichen Regenbogenforelle mit weiblicher Keimzelle Bild vergrößern Histologischer Schnitt durch Hodengewebe einer männlichen Regenbogenforelle mit weiblicher Keimzelle

Aufgrund der Ergebnisse der medizinisch-toxikologischen Untersuchungen ist von einem hohen toxischen Potential von NP auszugehen. So lag die NOEC für einige hämatologische und klinisch-chemische Parameter unter 1 µg NP/l. Die an juvenilen Karpfen durchgeführten Verhaltensstudien ergaben ebenfalls in einem Konzentrationsbereich von 1 µg NP/l signifikante Veränderungen des Schwimmverhaltens. Aufgrund der vorliegenden Untersuchungsbefunde ist nicht auszuschließen, dass den beobachteten toxischen Wirkungen unter ökotoxikologischen Gesichtspunkten eine größere Bedeutung zukommt als den vergleichsweise gering ausgeprägten endokrinen Effekten.

Mesokosmenversuche mit Amphibien

Gegenstand der Untersuchungen war, mögliche Effekte der Industriechemikalie Nonylphenol auf die Gonadenentwicklung und das Geschlechterverhältnis von Grasfröschen (Rana temporaria) zu ermitteln. Hierfür wurden Grasfrösche während ihrer gesamten Entwicklung vom Ei über das Kaulquappenstadium bis hin zum fertig entwickelten Frosch (Metamorphose) in Modellökosystemen, sogenannten Mesokosmen, in verschiedenen Nonylphenol-Konzentrationen exponiert. Diese Modellökosysteme stellen nachgebildete Ausschnitte realer Ökosysteme statt und ermöglichen die Untersuchung von Stoffwirkungen unter annähernd natürlichen Bedingungen.

Halbfreilandsysteme, sogenannte Mesokosmen, zur Exposition von Grasfröschen Bild vergrößern Halbfreilandsysteme, sogenannte Mesokosmen, zur Exposition von Grasfröschen
Aufgrund der Ergebnisse ist nicht davon auszugehen, dass die aktuelle Belastung von Oberflächengewässern in Bayern mit östrogen wirksamen Stoffen eine akute Gefahr für Amphibienpopulationen im Hinblick auf deren Geschlechtsentwicklung darstellt.

Freiland-Monitoring mit Fischen und Amphibien

Zur Klärung der Frage, inwieweit eine Belastung bayerischer Vorfluter mit östrogen wirksamen Stoffen eine mögliche Gefährdung für Fische und Frösche darstellt, wurde ein Wirkungsmonitoring in Vorfluter-relevanten Abwasserverdünnungen diverser Kläranlagen durchgeführt. Die Untersuchungsergebnisse ergaben geringgradig erhöhte Vitellogenin-Spiegel bei adulten männlichen Regenbogenforellen, während bei männlichen Amphibien der Gattung Grasfrosch (Rana temporaria) und Afrikanischer Krallenfrosch (Xenopus laevis) keine östrogenen Effekte zu beobachten waren. Hinweise auf weitergehende populationsrelevante Veränderungen wie beispielsweise eine Verschiebung der Geschlechterverhältnisse zugunsten weiblicher Tiere oder eine Verweiblichung männlicher Individuen wurden im Rahmen der bisher durchgeführten Untersuchungen weder bei Fischen noch bei Fröschen beobachtet.

Afrikanischer KrallenfroschBild vergrößern Afrikanischer Krallenfrosch
GrasfroschBild vergrößern Grasfrosch