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Schädigen Pflanzenschutzmittel unsere Fische?

26. Mai 2021, Thema: Aquatische Ökotoxikologie

Schädigen Pflanzenschutzmittel unsere Fische?

Umweltrelevante Mischungen von Pflanzenschutzmitteln beeinflussen den Energiehaushalt von Fischen, mit möglichen Folgen für ihr längerfristiges Überleben. Diese Wirkung wird durch höhere Wassertemperaturen und Krankheiten beeinflusst. Ein Nachweis der komplexen Wirkung mit spezifischen Biomarkern ist vielversprechend.

Die Fischfauna in den Schweizer Bächen ist stark zurückgegangen: So stehen inzwischen die meisten Fischarten der Schweiz auf der Roten Liste. Besonders die Zahl der Bachforellen – dem Leitfisch der Schweiz– hat in den letzten Jahren abgenommen. Mitverantwortlich dafür könnte auch die Belastung mit Pflanzenschutzmitteln (PSM) sein. Denn chemische Analysen haben gezeigt, dass kleine und mittlere Fliessgewässer in landwirtschaftlich genutzten Gebieten bedenkliche Mengen an PSM enthalten. Die Stoffe treten dort in Konzentrationen auf, die ein Risiko für Fische darstellen und liegen meist als Gemische vor, die häufig giftiger sind als die Einzelstoffe. Die Fische sind ausserdem zusätzlichen Stressoren ausgesetzt wie einer erhöhten Wassertemperatur durch die Klimaerwärmung, Lebensraumveränderungen und Krankheiten. Forschende des Oekotoxzentrums und der Universität Bern haben die komplexen Wechselwirkungen untersucht und erste Methoden erarbeitet, um die PSM-Belastung von Bachforellen nachzuweisen.

Dreifacher Stress für Bachforellen

Dazu wurden juvenile Bachforellen im Laborexperiment 14 Tage lang einer umweltrelevanten Mischung von 5 PSM ausgesetzt, die aus zwei Fungiziden (Fluopyram und Epoxiconazol), zwei Insektiziden (Chlopyrifos und Lambda-Cyhalothrin) und einem Herbizid (Diuron) bestand. Diese Stoffe waren ausgewählt worden, da sie in Schweizer Gewässern vielfach gefunden werden und Informationen vorliegen, dass sie für Fische ein Risiko darstellen ­- die Anwendung von Diuron und Chlorpyrifos als PSM wird ab Juni 2021 verboten sein. Dabei wurden zwei PSM-Konzentrationen betrachtet: einmal tatsächlich in Schweizer Gewässern gemessene Umweltkonzentrationen und einmal 5-fach höhere Konzentrationen. So sollten hypothetische Spitzenbelastungen nachgestellt werden. Um den Einfluss der Wassertemperatur zu untersuchen, führten die Forschenden das Experiment bei zwei verschiedenen Wassertemperaturen durch, die im Frühjahr beziehungsweise Frühsommer für das Schweizer Mittelland typisch sind: nämlich 12°C und 15°C. Direkt nach dem Ende der PSM-Belastung wurde die Hälfte der Fische mit Parasiten infiziert, die für eine häufige Nierenerkrankung (Proliferative Kidney Disease, PKD) verantwortlich sind. So sollte die Empfänglichkeit der Fische für diese Krankheit erfasst werden. «Im Vergleich zur Freilandsituation haben wir für diesen Versuch bewusst milde Belastungen ausgewählt, um keine Mortalität auszulösen und subletale Effekte zu untersuchen», erläutert Anne-Sophie Voisin vom Oekotoxzentrum. Die Reaktion der Fische wurde anhand von verschiedenen biologischen Parametern analysiert.

Direkte und langfristige Wirkung auf den Energiestatus der Fische

Die Belastung mit den PSM hatte sowohl direkt als auch längerfristig signifikante Wirkungen auf die Bachforellen. Die Sterblichkeit der Fische war zwar jeweils genauso gering wie bei der Kontrollgruppe. Es kam jedoch zu subtileren Effekten, die auf längere Sicht die Vitalität der Fische beeinflussen können. So war bei 12°C am Ende der Belastung der Leber-Somatische Index in PSM-belasteten Fischen im Vergleich zu den Kontrollfischen signifikant niedriger: Dieser Index beschreibt das Verhältnis zwischen Lebergewicht und Gesamtgewicht. «Die Leber ist bei Fischen ein Speicherorgan für Energiereserven», erklärt Helmut Segner von der Universität Bern. «Der niedrigere Index bei den PSM-belasteten Fische deutet also darauf hin, dass die Tiere ihre Energiereserven verstärkt für die Bewältigung der PSM-Belastung verbrauchten». Ausserdem war der Konditionsfaktor (das Verhältnis zwischen Fischlänge und –gewicht) in Fischen, die bei 15°C mit der höheren PSM-Konzentration belastet wurden, niedriger als bei der Kontrollgruppe – der Konditionsfaktor steht ebenfalls im Zusammenhang mit dem Energiehaushalt der Fische. Auch dieser Effekt war direkt am Ende der Belastung sichtbar.

Bei den Fischen, die bei einer Temperatur von 15°C gehalten wurden, beeinflusste die PSM-Belastung die Tiere längerfristig. So war bei diesen Forellen der basale Sauerstoffverbrauch für die Schwimmaktivität 2 Monate nach der PSM-Belastung signifikant niedriger als bei unbelasteten Forellen, die ebenfalls bei 15°C gehalten wurden. Das lässt sich vermutlich dadurch erklären, dass die Fische einen Teil ihres Energiebudgets zur Bewältigung der PSM-Belastung einsetzten mussten, so dass weniger Energie für die Schwimmaktivität vorhanden war. «Auch dies zeigt, dass sich die PSM-Belastung trotz einer anschliessenden Erholungsphase längerfristig auf den Energiehaushalt der Tiere auswirken kann», erläutert Helmut Segner. Bei verschiedenen biologischen Parametern gab es ausserdem Wechselwirkungen zwischen den drei Stressoren.

Genaktivierung zeigt PSM-Effekte

Doch wie lassen sich die äusserst komplexen Wirkungen von PSM auf Fische im Feld nachweisen? Ein erfolgversprechender Ansatz ist die Untersuchung mit Hilfe von Biomarkern. Als Biomarker dienen zum Beispiel Gene, die in den Zellen für Schutzmechanismen gegenüber Umweltstress verantwortlich sind. Die Aktivierung dieser Gene steht am Anfang einer längeren Wirkungskette der Stressantwort. Gemessen wird die Genaktivierung über die Bildung von Boten-RNA (mRNA), die den ersten Schritt auf dem Weg vom Gen zum Protein darstellt. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass die Analyse der Genexpression von ausgewählten Biomarkergenen effektiv zur Bewertung der Wasserqualität verwendet werden kann.

Als Biomarker wurden insgesamt 22 Gene ausgewählt, die auf spezifische Wirkmechanismen von Pestiziden ansprechen oder bei Temperaturstress eine Rolle spielen: Die Expression dieser Gene wurde jeweils in der Leber und/oder im Gehirn gemessen. Dabei reagierten insgesamt sechs Biomarker im Gehirn signifikant auf die PSM-Exposition, jedoch keiner der Biomarker in der Leber – dort reagierten dafür 12 Gene auf die höhere Temperatur. Interessanterweise wurden die meisten signifikanten Effekte auf die Biomarker durch die niedriger dosierte und nicht durch die höher dosierte PSM-Mischung hervorgerufen. Dies könnte dadurch erklärt werden, dass bei höheren Konzentrationen entweder andere zelluläre Abwehrmechanismen aktiviert wurden oder bereits Zellschädigungen auftraten, so dass die Abwehrreaktionen nicht mehr initiiert werden konnten. Dies ist besonders relevant, da die niedriger dosierten PSM-Konzentrationen tatsächlichen Messwerten im Gewässer entsprechen und daher die typischere Umweltsituation wiederspiegeln.

Es ist nicht einfach, geeignete Biomarker zu finden, da die Expression vieler Stressantwortgene nach der Belastung nur kurzfristig erhöht ist, bis andere Schutzmechanismen der Tiere in Gang gesetzt werden. Die Expression der hier reagierenden Biomarkergene war längerfristig erhöht, so dass sie gut geeignet für Freilanduntersuchungen scheinen. «Im Moment sind wir daran, weitere Biomarker zu identifizieren und ein robustes Biomarkerset für das Monitoring zu entwickeln», sagt Anne-Sophie Voisin vom Oekotoxzentrum. «Dieses möchten wir anschliessend im Freiland einsetzen.»

Wichtige Forellen-Fitness

PSM haben direkte und langfristige Auswirkungen auf den Energiestatus von Bachforellen. Die Belastung der Fische mit PSM bewirkte subletale Effekte, die in Wechselwirkung mit anderen Stressoren wie der erhöhten Wassertemperatur und der Parasiteninfektion die allgemeine Fitness der Tiere beeinträchtigen können. Es scheint, dass die PSM-Exposition insgesamt für die Fische energetisch aufwändig war. Dies könnte unter anderem die Überlebenschancen der Fische verringern, da im Freiland die angesammelten Energiereserven massgeblich das Überleben von Jungfischen im Winter beeinflussen. Freilanduntersuchungen deuten darauf hin, dass die Überlebensraten im Winter ein kritischer Faktor für den Forellenbestand in einem Gewässer sein können. Dabei sind besonders zwei Aspekte wichtig: Zum einen traten die Effekte bei milden Versuchsbedingungen bezüglich Wassertemperatur und Parasitendichte auf. «Im Freiland können die Temperaturen viel höher ausfallen und auch die Krankheitserreger sind über einen längeren Zeitraum präsent», sagt Anne-Sophie Voisin. «Gerade die Mittellandgewässer können im Sommer noch deutlich wärmer als 15°C werden, so dass wir den Effekt der Temperatur in Zukunft noch genauer studieren wollen». Zum anderen traten manche Effekte erst lange nach der PSM-Belastung auf. Das deutet an, dass die Belastung mit PSM – obwohl Expositionen oft pulsartig erfolgen – zu längerfristigen Wirkungen führen kann.

Kontakt

Dr. Anne-Sophie Voisin
Dr. Anne-Sophie Voisin E-Mail Kontakt Tel. +41 (0) 58 765 5751
Dr. Inge Werner
Dr. Inge Werner E-Mail Kontakt Tel. +41 (0)58 765 51 21

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