Mit dem Abfall aus menschlichen Siedlungen und industriellen Abwässern gelangen zahlreiche Schadstoffe in die Umwelt. Über Regen, Wind und Flüsse landen sie auch in den Weltmeeren. Dazu gehören unter anderem per- und polyfluorierte Alkylverbindungen (PFAS), die für viele Alltagsprodukte verwendet werden. Diese Substanzen gelten als Ewigkeitschemikalien, weil sie in der Natur nicht abgebaut werden können und sich stattdessen anreichern. Für Lebewesen sind sie bereits in geringen Konzentrationen hochgiftig.
Auch Quecksilber gelangt mit dem Industriemüll in die Meere, wo Bakterien es häufig in das hochgefährliche Methylquecksilber umwandeln. Dieses reichert sich ebenfalls im Gewebe von Meerestieren an und stört dort den Stoffwechsel, wie frühere Studien bereits belegt haben. PFAS und Methylquecksilber können unter anderem die Energieerzeugung in den Kraftwerken der Zellen beeinträchtigen, den Mitochondrien. Unklar war allerdings bislang, inwiefern diese Studien die realen Bedingungen für Wildtiere und die aktuellen Schadstoffkonzentrationen in Ökosystemen erfasst haben.
Schadstoffbelastung von Sepiasturmtauchern untersucht
Dieser Frage sind nun Biologen um Guadalupe Lopez-Nava vom Max-Planck-Institut für biologische Intelligenz in Seewiesen nachgegangen. Als Modell wählten sie Sepiasturmtaucher (Calonectris diomedea), die auf Linosa brüten, einer kleinen und abgelegenen Vulkaninsel im Mittelmeer zwischen Sizilien und Tunesien. Diese Seevögel stehen dort an der Spitze der marinen Nahrungskette und haben zudem eine Lebensdauer von bis zu 25 Jahren. In dieser Zeit können sie reichlich Schadstoffe aus dem Meer in ihrem Körper anreichern. Diese Vögel liefern damit wichtige Hinweise für die Gesundheit der Ozeane insgesamt. Während zwei Brutsaisons nahmen die Forschenden Blutproben von insgesamt 52 ausgewachsenen Sepiasturmtauchern. Bei allen Vögeln ermittelten sie die Mitochondrienfunktion in den roten Blutzellen und den Quecksilbergehalt im Blut, bei 20 Vögeln zudem den PFAS-Gehalt.
Die Analysen ergaben: Sowohl Quecksilber als auch PFAS veränderten die Funktion der Mitochondrien. Bei Vögeln mit höheren Quecksilberwerten im Blut waren die Membranen der Mitochondrien elastischer und poröser. Dadurch konnten einige Protonen ungehindert durch die Membran wandern, was den Aufbau einer elektrischen Ladung behindert und die Produktion des zentralen Energiebausteins Adenosintriphosphat (ATP) hemmt. Ein Teil des elektrischen Potenzials ging so verloren – ähnlich wie Wasser, das an den Turbinen eines Wasserkraftwerks vorbeifließt, wie das Team erklärt.
Bei Vögeln mit hohen PFAS-Konzentrationen im Blut stellten die Forschenden einen gegenteiligen Effekt fest: Die Membranen der Mitochondrien waren steifer und undurchlässiger als gewöhnlich. Die ATP-Produktion in den Zellen funktionierte dadurch zwar theoretisch sogar besser. Zugleich wurde jedoch ein Sicherheitsmechanismus ausgehebelt, über den normalerweise schädliche Sauerstoffradikale abgewehrt werden. Diese Moleküle reicherten sich dadurch in den Mitochondrien an, machten sie anfälliger für Zellstress und stören letztlich ebenfalls die Energieproduktion.
Energiemangel und Zellschäden durch PFAS und Quecksilber
Sowohl durch Quecksilber als auch durch PFAS werden demnach die Mitochondrien von Seevögeln gestört, was in beiden Fällen zu oxidativen Zellschäden und Energiemangel führen kann, wenn auch durch unterschiedliche Wirkmechanismen. „Wir haben festgestellt, dass Quecksilber und bestimmte PFAS die Energieproduktion in den Zellen von wildlebenden Sturmtauchern stören und die Energieeffizienz der Zellen beeinträchtigen“, sagt Lopez-Nava. „Die Zellen können dies zwar durch eine Steigerung der Energieproduktion kompensieren, doch das ist mit hohen Kosten verbunden – selbst geringfügige Veränderungen der Zelleffizienz können die Fitness unbemerkt beeinträchtigen.“
Doch woher genau kommen die Schadstoffe und wie gelangen sie in die Vogelkörper? Um das herauszufinden, führten die Forschenden auch Isotopenanalysen durch und ermittelten so, wovon sich die Tiere jeweils ernährten. Es zeigte sich, dass ältere Vögel sowie Männchen höhere Quecksilberwerte aufweisen. Bei Weibchen wird offenbar ein Teil des Quecksilbers über die Eier wieder ausgeschieden. Insgesamt enthüllten die Ergebnisse: Quecksilber reichert sich im Laufe des Lebens im Körper der Seevögel an und kommt überwiegend aus den gefressenen Fischen und Krebstieren, so das Team. Bei PFAS zeigte sich hingegen kein Zusammenhang mit Alter, Geschlecht oder Ernährung der Vögel. Diese Schadstoffe kommen demnach auf anderem Wege in die Tierkörper als Quecksilber und stammen nicht aus der Nahrung.
Mehr Schutz für brütende Seevögel nötig
Das Wissen um diese unterschiedlichen Expositionswege könnte künftig helfen, die Umweltverschmutzung mariner Ökosysteme zu reduzieren und die Seevogelpopulationen besser zu schützen, vor allem während der Brutzeit, hofft das Team. „Die Brutzeit ist für erwachsene Vögel besonders anspruchsvoll: Sie wechseln zwischen langen Selbstversorgungstouren und kurzen Futtersuchexpeditionen und versorgen gleichzeitig ihre Küken. In dieser Zeit könnten die Energiekosten aufgrund der Schadstoffbelastung besonders hoch sein“, erklärt Co-Autorin Lucie Michel von der Universität Gießen.
Folgestudien sollen nun klären, wie stark Schadstoffe wie Quecksilber und PFAS über ineffiziente Mitochondrien die Fitness der Seevögel beeinträchtigen und welche Folgen das für ihr Überleben und den Bruterfolg hat. Dabei soll auch erörtert werden, wie solche Schadstoffe mit Überfischung und globaler Erwärmung zusammenwirken. „Dazu ist eine langfristige Überwachung der Seevögel unerlässlich – was auch Einfluss auf das Verständnis der menschlichen Gesundheit hat, da wir ähnlichen Belastungen ausgesetzt sind“, so Michel.
Quelle: Max-Planck-Institut für biologische Intelligenz; Fachartikel: Environment & Health, doi: 10.1021/envhealth.5c00297
