Die Umwelt erlebt Stress – ähnlich wie wir. Was stresst sie und wie entstehen solche Stressoren?
Foto: Müll im Wald. Credits: pixabay/pilgrimpassing.
Wer mehrere Medikamente gleichzeitig einnimmt, kennt das Problem: die Wechselwirkungen. Auf dem Beipackzettel einer Arznei sind die Nebenwirkungen ausführlich aufgelistet. Im Zusammenspiel mit anderen Präparaten können auch Wechselwirkungen entstehen, weshalb Medikamente nicht beliebig miteinander kombiniert werden können. Manche verstärken sich gegenseitig oder lösen unerwartete Reaktionen aus. Daher achten Ärzt*innen immer darauf, welche Medikamente eingenommen werden.
Mit Wechselwirkungen hat auch die Umwelt zu kämpfen, denn diese ist ständigem Stress und Stressoren ausgesetzt. Für uns Menschen ist Stress ein altbekanntes Phänomen. Uns begegnet dieser Zustand regelmäßig im Alltag: zum Beispiel auf der Arbeit, bei Deadlines oder in Beziehungen. Wir können jedoch etwas dagegen unternehmen. Doch die Umwelt wird gestresst und ist diesem Zustand ausgeliefert. Für die Umwelt heißt es: Es sind Belastungen, die ihr Gleichgewicht beeinträchtigen. Solche Belastungen sind sogenannte Stressoren, etwa extreme Temperaturen, Wasserknappheit, Umweltverschmutzung und vieles mehr. Durch die Stressoren werden Ökosysteme und Lebewesen gefährdet. Außerdem sind immer mehrere Stressoren überall zu finden, wodurch die Ökosysteme unterschiedlichen Faktoren gleichzeitig ausgesetzt sind. Diese beeinflussen sich gegenseitig in ihren „Wechselwirkungen“, was ihre Schäden für die Umwelt verstärken kann.
Wie sich einzelne Stressoren auf die Organismen auswirken, ist nur teilweise bekannt. So sind etwa Tiere in Stadtnähe von Licht- und Lärmverschmutzung betroffen und die Biodiversität leidet unter Chemikalien und Flächenversiegelung. Dabei stellen sich Umweltwissenschaftler*innen eine Frage: Wie agieren Stressoren zusammen? Genaue Auswirkungen einzelner Stressoren sind oft bekannt, aber die unterschiedlichen Kombinationen und das Zusammenwirken hingegen kaum. Dabei gibt es zwei Arten von Wechselwirkungen: verstärkende und abschwächende. Nur bei einzelnen können bisher Aussagen getroffen werden: So zeigt sich etwa, dass Mikroplastik die Wirkung von anderen Chemikalien oder Krankheitserregern verstärken kann.
Wechselwirkungen verschiedener Stressoren
Ein Forscherteam der Universität Leuven und dem niederländischen Institut für Ökologie (NIOO-KNAW) untersuchte das Zusammenwirken zweier Stressoren: Kupfer und Hitze. Dafür wurden kleinste Süßwasserorganismen – Rädertierchen – gezüchtet. Die Forschenden wollten damit folgende Fragen beantworten1: Kann Anpassung an Hitzestress Organismen widerstandsfähiger gegenüber Schadstoffen machen? Gilt das auch umgekehrt?
Rädertierchen sind kleinste Süßwasserorganismen, die bis zu 0,5 mm groß sind. Sie sind in der Untersuchung verwendet worden, da sie sensibel auf Veränderungen, wie Stress, reagieren. Außerdem wächst eine Population innerhalb kurzer Zeit. Rädertierchen zeigen früh, wenn ein Ökosystem aus dem Gleichgewicht gerät.
Kupfer ist ein Schwermetall, das in höheren Konzentrationen giftig ist und als Stressor gilt. Zu finden ist es in Abwässern, Landwirtschaft, aber auch in Wasserleitungen. Es kann nicht schnell abgebaut werden und beeinflusst pH-Werte, was wiederum Prozesse in Lebewesen beeinflusst. Es befindet sich im Lebensraum der Rädertierchen.
In der Studie sind die Rädertierchen in drei verschiedenen Gruppen untersucht worden: Eine Kontrollgruppe lebte unter normalen Bedingungen, eine zweite Gruppe wurde erhöhten Temperaturen ausgesetzt und eine dritte erhöhtem Kupfer. Anschließend untersuchten die Forschenden, wie die Tiere auf den jeweils anderen Stressor reagierten. Jede Gruppe war unterschiedlichen Bedingungen ausgesetzt: Normalbedingungen (kein Stress), Hitze, Kupfer und auch beiden Stressoren (Kupfer und Hitze) gleichzeitig.
Die Ergebnisse der Studie erwiesen sich komplexer als gedacht. Gruppen, die sich an erhöhte Temperaturen angepasst haben, waren Kupfer gegenüber widerstandsfähiger. Umgekehrt funktioniert dies jedoch nicht: Die Anpassung an Kupfer erhöht nicht die Toleranz gegenüber Hitze. Die Forschenden untersuchten auch die kombinierte Belastung der Stressoren, also die Auswirkung der Hitze und des Kupfers gleichzeitig. Dies zeigt: Beide Stressoren in Kombination sind belastender als die Stressoren einzeln. Weitere Studien verdeutlichen auch, dass Stressoren in Kombination belastender sind.
Das Ergebnis hat das Forschungsteam überrascht, erklärt Steven Declerck vom NIOO-KNAW. Der Professor für Gewässerökologie blickt hoffnungsvoll in die Zukunft: “Einerseits könnte man sagen, dass dies Hoffnung gibt, denn es bedeutet, dass sich die erste Population anpassen kann. Diese Anpassung könnte ihnen helfen, mit anderen Stressfaktoren umzugehen. Tatsächlich schränkt diese Anpassung ihr Potenzial, sich angesichts neuer Stressfaktoren weiterzuentwickeln, nicht einmal ein.” Dennoch sollten diese Ergebnisse mit Vorsicht interpretiert werden. Auch wenn das wichtige Ergebnisse sind, sind sie nicht übertragbar auf die Tierwelt oder das gesamte Ökosystem. Declerck betont: „Wir müssen bedenken, dass es sich hierbei nur um einen einzigen Organismus handelt und dass die Versuche unter ganz bestimmten Laborbedingungen stattfanden. Daher müssen wir bei der Übertragung auf die Natur sehr vorsichtig sein.”
Jede Spezies und jeder Stressor müsse im Einzelnen untersucht werden, da eine Übertragung auf die Allgemeinheit der Ökosysteme nicht funktioniert. Das liegt an genetischen Unterschieden und artenpezifischen Anpassungen. Außerdem haben Tiere und Pflanzen unterschiedliche Zellstrukturen, wodurch sie unterschiedlich auf Stressoren reagieren. Viel wurde dazu noch nicht geforscht, sagt Declerck: “Solche Untersuchungen wurden zwar bereits mit Bakterien durchgeführt, bei echten Tieren sind sie jedoch sehr selten oder kommen gar nicht vor.” Jedoch helfe jede Studie für das Verständnis von Umweltstress.
Auswirkungen von Chemikalien
Auch Chemikalien wirken als Stressoren und haben einen Einfluss auf die Biodiversität. Hier setzt das EU-Forschungsprojekt TerraChem2 ein: Durch dieses Projekt wollen Wissenschaftler*innen besser verstehen, wie Chemikalien in der Natur genau wirken. Dafür betrachten sie die Schadstoffe isoliert, sondern untersuchen, wie sich diese ausbreiten und auf Organismen wirken.
Es sei wichtig, sich mit Kombinationen der Stoffe zu beschäftigen, da diese in der Umwelt nicht vereinzelt auftreten, erklärt Gabriele Treu vom Umweltbundesamt. Die Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin ist für die Zulassung von Gefahrstoffen zuständig. Dabei wird bewertet, wie gefährlich die Stoffe für Umwelt und Menschen sind. Bisher werden die Stoffe jedoch nur einzeln und mit wenigen Tests überprüft. Die Tests unter Laborbedingungen werden den realen Werten aus der Umwelt dabei nicht gerecht: Es gibt keine Umweltstressoren oder keinen weiteren Schadstoffe im Labor. Dadurch sind die Werte höher, als die Umwelt eigentlich vertragen kann. Jedoch befinden sich mehrere Stressoren gleichzeitig in der Umwelt, egal ob im Wasser, Boden oder in der Luft.
Für eine Lösung hat das Umweltbundesamt im Chemikalienbereich einen Mischbewertungsfaktor vorgeschlagen: Das heißt, die Schwelle, ab der eine Chemikalie gefährlich ist, würde um den Faktor 10 heruntergesetzt werden. Der Vorschlag sei schon bei der Revision der REACH-Verordnung eingegangen. Die Überarbeitung sei aber erst einmal auf Eis gelegt worden, erklärt Treu. Sie hofft, dass dieser Faktor irgendwann eingebunden wird.
REACH steht für Registration, Evaluation and Authorisation and Restriction of Chemicals (Registrierung, Bewertung und Zulassung sowie Beschränkung von Chemikalien). Hersteller und Importeure von Chemikalien werden verpflichtet, Daten über Umwelt- und Gesundheitsgefahren vorzulegen. Die Behörden prüfen Risiken, die von einem Stoff ausgehen. Dabei können die Stoffe mit Beschränkung des Verkaufes, gesonderten Schutzmaßnahmen oder auch nur mit dem Nutzen für einen bestimmten Zweck zugelassen werden. Ziel dabei ist, möglichst ungefährliche Stoffe zu nutzen. Teilweise können die Stoffe auch verboten werden, wenn das Risiko zu hoch ist oder ein ungefährlicher Stoff schon vorhanden ist.
Unterschiedliche Kontrollen
Studien, die sich mit der Wirkung von Schadstoffen im Zusammenspiel mit anderen Umweltstressoren beschäftigen, zeigen, dass sich ihre schädliche Wirkung um das bis zu 100-Fache erhöhen kann. Eine solche Steigerung der Toxizität wurde bei fast der Hälfte der untersuchten Schadstoffe festgestellt. Dabei zeigt sich insbesondere, dass bereits geschwächte Lebewesen deutlich anfälliger sind. Auch Schadstoffe, die auf dieselben biologischen Prozesse wirken, können additive Effekte hervorrufen – ihre Wirkungen summieren sich also.
Ein Problem bei der Bewertung der Schädlichkeit ist jedoch die unzureichende Datenlage. Während den zuständigen Behörden bei Bioziden und Pflanzenschutzmitteln viele Daten vorliegen, ist dies bei anderen Chemikalien häufig nicht der Fall. Ein wesentlicher Unterschied liegt in den Zulassungsverfahren. Pflanzenschutzmittel und Biozide werden vor ihrer Zulassung umfangreich auf mögliche Auswirkungen auf Mensch und Umwelt untersucht. „Häufig haben wir da auch so semi-wilde Versuchsanlagen, wo man draußen über Monate testet, welche Effekte eine Chemikalie hat, auch auf Communities, also Gemeinschaften und so weiter“, erklärt Gabriele Treu vom Umweltbundesamt. Doch selbst bei solchen Untersuchungen können langfristige und indirekte Auswirkungen auf Ökosysteme übersehen werden. Dazu gehören beispielsweise Veränderungen in Nahrungsnetzen oder in der funktionellen Vielfalt der Lebewesen. Während Biozide und Pflanzenschutzmittel grundsätzlich eine behördliche Zulassung benötigen, gelten für viele andere Chemikalien andere regulatorische Anforderungen. Sie werden unter anderem im Rahmen der europäischen Chemikalienverordnung REACH registriert. Eine solche Registrierung ist jedoch nicht mit einer umfassenden behördlichen Vorabprüfung jedes Stoffes gleichzusetzen.
Für die Regulierung vieler Industriechemikalien ist die EU-Verordnung REACH maßgeblich. Sie soll sicherstellen, dass ausreichend Informationen über die Eigenschaften und Risiken chemischer Stoffe vorliegen. Doch laut Treu wird nur ein Teil der eingereichten Registrierungsdossiers von der Europäischen Chemikalienagentur (ECHA) überprüft. Auch die Qualität der Daten sei ein Problem: Einer Untersuchung des Umweltbundesamtes zufolge erfülle ein großer Teil der untersuchten Registrierungsdossiers nicht die gesetzlichen Anforderungen.
Fehlendes Monitoring
Auch die Überwachung von Chemikalien nach ihrer Markteinführung gestaltet sich aufwendig. Auf dem europäischen Markt befinden sich Zehntausende chemische Stoffe, doch nur ein vergleichsweise kleiner Teil wird regelmäßig in der Umwelt gemessen. Hinzu kommt, dass die erhobenen Daten bislang nicht ausreichend zusammengeführt werden – weder in Deutschland noch auf europäischer Ebene. Während Ökolog*innen Veränderungen der Biodiversität untersuchen, erfassen die Messprogramme der Bundesländer chemische Belastungen. Da diese Daten häufig nicht miteinander verknüpft werden, lassen sich mögliche Zusammenhänge zwischen Schadstoffen und Veränderungen in Ökosystemen nur schwer erkennen.
Das Monitoring sei zudem sehr teuer. Für die Zukunft gebe es jedoch Pläne, die Datenlage zu verbessern. „Die Europäische Kommission will jetzt eine europäische Datenbank aufstellen, die European Data Platform oder Common Data Platform. Da sollen genau diese Daten zusammengeführt werden bis 2030“, erklärt Treu. Ein vollständiges Monitoring aller Chemikalien ist allerdings kaum zu leisten. Ständig kommen neue Stoffe auf den Markt, und den zuständigen Behörden fehlt das Personal, um diese umfassend zu überwachen. Hinzu kommt, dass verbotene Stoffe teilweise durch chemisch ähnliche Substanzen ersetzt werden, die ebenfalls schädliche Wirkungen haben können. Als Beispiel nennt Treu Bisphenol A (BPA), eine Chemikalie, die unter anderem bei der Herstellung von Kunststoffen und anderen Alltagsprodukten verwendet wird. „Es wurde einfach unter REACH durch andere Bisphenole, Bisphenol S und F, ersetzt, die aber zum Teil eine viel stärkere Wirkung haben.“
Ein möglicher Lösungsansatz des Umweltbundesamtes besteht darin, Chemikalien nicht nur einzeln, sondern auch als Stoffgruppen zu untersuchen. So könnten ganze Gruppen, etwa bestimmte PFAS, gemeinsam reguliert werden. Dadurch ließe sich verhindern, dass ein verbotener Stoff lediglich durch eine ähnlich problematische Substanz derselben Gruppe ersetzt wird.
Was bietet die Zukunft?
Eine weitere Möglichkeit, die Auswirkungen von Chemikalien besser zu untersuchen, bieten sogenannte Multi-Omics-Analysen. Mit ihnen lassen sich Veränderungen auf verschiedenen molekularen Ebenen eines Organismus gleichzeitig erfassen und so Rückschlüsse auf die Wirkung von Schadstoffen ziehen.
Multi-Omics bezeichnet die gemeinsame Analyse verschiedener molekularer Ebenen eines biologischen Systems, beispielsweise der Genaktivität, der Proteine und des Stoffwechsels. Dabei werden die Daten dieser Ebenen miteinander verknüpft, um ihre Zusammenhänge besser zu verstehen. Ziel ist es, biologische Prozesse und die Reaktionen von Organismen auf äußere Einflüsse genauer zu untersuchen. Die Auswertung erfordert komplexe Verfahren: Nach einer Qualitätskontrolle werden die Daten mithilfe leistungsfähiger Computer zusammengeführt, um gemeinsame Reaktionsmuster zu erkennen.
Mithilfe von Multi-Omics lassen sich molekulare Muster erkennen und daraus Rückschlüsse auf biologische Prozesse ziehen. Die Ergebnisse solcher Untersuchungen „korrelieren sehr gut mit den Tierversuchen“, sagt Treu. Das bedeutet, dass sich bestimmte Effekte, die auf molekularer Ebene festgestellt werden, auch in Tierversuchen beobachten lassen. Langfristig könnten solche Methoden dazu beitragen, Tierversuche zu reduzieren und die Auswirkungen von Chemikalien schneller zu bewerten.
Die Anpassung an veränderte Lebensbedingungen und Umweltstressoren begleitet das Leben auf der Erde seit seinen Anfängen. Doch heute verändern sich die Lebensbedingungen vieler Organismen besonders schnell und deutlich. Um die Auswirkungen von Schadstoffen besser einschätzen zu können, bleibt die Forschung deshalb von großer Bedeutung. Gleichzeitig müssen wissenschaftliche Erkenntnisse in die Bewertung und Regulierung von Chemikalien einfließen. Dabei unterscheiden sich die europäischen Regelungen für Industriechemikalien, Biozide und Pflanzenschutzmittel hinsichtlich ihrer Anforderungen und Verfahren.
Was bleibt, sind die Erkenntnisse von Forschenden, die versuchen, die Gefahren für die Umwelt, die Anpassungsfähigkeit von Ökosystemen und die langfristigen Folgen für Mensch und Natur besser einzuschätzen. Sie arbeiten daran, den Beipackzettel für die Umwelt Stück für Stück zu vervollständigen. Auch Steven Declerck hofft, dass seine Forschung weitere Untersuchungen anstößt: „Ich hoffe, mit meinen Ergebnissen Interesse zu wecken und andere Menschen dazu zu inspirieren, ebenfalls solche Experimente durchzuführen, möglicherweise auch mit anderen Organismen. Dann werden wir als Forschungsgemeinschaft hoffentlich im Laufe der nächsten Jahre zu allgemeineren Erkenntnissen gelangen, und dann wäre es sicherer, als allein von diesem ersten einzelnen Ergebnis auszugehen.“
- Han, S., van den Brink, P. J. & Declerck, S. A. J. (2025). Asymmetric Micro-Evolutionary Responses in a Warming World: Heat-Driven Adaptation Enhances Metal Tolerance in a Planktonic Rotifer, but Not Vice Versa. Global change biology, 31(7), e70347. https://doi.org/10.1111/gcb.70347 ↩︎
- https://terrachem.eu/ ↩︎
