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Schutzlos Fressfeinden ausgeliefert

Silbernanopartikel in Gewässern beeinflussen die natürliche Feindabwehr von Wasserflöhen. Das haben Biologinnen der Universität Siegen erstmals nachgewiesen. Ihre innovative Studie wurde in der Fachzeitschrift „Scientific Reports“ veröffentlicht.

Daphnien – gemeinhin Wasserflöhe genannt – tummeln sich weltweit in Seen, Tümpeln und Flüssen und stehen in der Nahrungskette recht weit unten. Um sich vor ihren Fressfeinden zu schützen, wehren sich manche Arten, indem sie lange Stacheln, spitze Helme oder Nackenzähne ausbilden. Diese bewirken, dass Feinde die Krebstierchen nicht so leicht schlucken können. Biologinnen der Universität Siegen haben jetzt eine erstaunliche Entdeckung gemacht: Winzige Silbernanopartikel, die in Gewässer gelangen, haben einen negativen Einfluss auf die Feindabwehr der Daphnien.

Während erwachsene Tiere die bekannten Abwehrstrukturen nach wie vor ausbilden, zeigen ihre Nachkommen diese Reaktion Daphnien_web2unter dem Einfluss von Silbernanopartikeln nicht mehr. Ihre Generation ist also schutzlos Fressfeinden ausgeliefert – mit dramatischen Folgen für die Wasserfloh-Population und damit für die komplexe Nahrungskette in Gewässern. „Das Ergebnis hat uns selbst überrascht und ist hochspannend, weil es zeigt, dass es durchaus einen Effekt hat, wenn künstliche Stoffe wie Silbernanopartikel in Gewässer gelangen“, erklärt Dr. Sarah Hartmann, die die Untersuchung im Rahmen ihrer Dissertation am Institut für Biologie der Universität Siegen umgesetzt hat. Es handelt sich um die erste Studie, die eine solche Wechselwirkung zwischen natürlichen Substanzen und künstlich vom Menschen erzeugten Nanopartikeln zeigt.

Die Untersuchung war Teil des interdisziplinären Verbundprojektes FENOMENO. BiologInnen und ChemikerInnen der Universität Siegen haben dabei mit internationalen Partnern den Einfluss winziger Nanopartikel auf das Ökosystem in Gewässern untersucht. Nanomaterialien sind in vielen alltäglichen Gebrauchsgegenständen enthalten, von Zahnpasta und Sonnencreme über Verbandsmaterial, bis hin zu Funktionsbekleidung. Über das Wasch- und Abwasser gelangen Nanopartikel, tausend Mal dünner als ein menschliches Haar, in die Umwelt. Im FENOMENO-Projekt haben WissenschaftlerInnen entsprechende Wasserproben einerseits umfassend chemisch analysiert. Die Biologinnen Prof. Dr. Klaudia Witte und Dr. Sarah Hartmann haben außerdem über einen längeren Zeitraum mögliche Einflüsse der Partikel auf Wasserflöhe beobachtet.

Daphnien_web4Wasserflöhe sind für solche Untersuchungen bestens geeignet, denn die nur ein bis fünf Millimeter großen Tierchen verfügen über komplexe Fähigkeiten, ihr äußeres Erscheinungsbild an Umwelteinflüsse anzupassen. „Die Ausbildung der Stacheln, Helme oder Nackenzähne zur Feindabwehr wird durch so genannte Kairomone gesteuert. Das sind chemische Signalstoffe, die Raub-Fische ins Wasser abgeben. Daphnien können diese Informationen wahrnehmen – ist der Räuberdruck groß und die Kairomonen-Konzentration im Wasser entsprechend hoch, bilden sie mit jeder Häutung größere Abwehrstrukturen aus. Mit ihren langen Stacheln bleiben sie den Fressfeinden dann förmlich im Halse stecken“, erklärt Prof. Witte.

Warum diese Anpassungsreaktion bei Daphnien der 2. Generation nicht mehr funktioniert, wenn neben den Kairomonen auch Silbernanopartikel im Wasser sind, darüber können Klaudia Witte und Sarah Hartmann nur spekulieren: „Möglicherweise beeinflussen die Partikel bei den Nachkommen Genaktivitäten, die den Mechanismus steuern – es könnte sein, dass das Abwehr-Programm aus diesem Grund nicht so ablaufen kann, wie bei den Muttertieren. Aber genau wissen wir das derzeit noch nicht“, sagt Hartmann, die zahlreiche Ansätze für weitere Arbeiten sieht – beispielsweise um herauszufinden, ob außer den Silbernanopartikeln auch andere Nanopartikel auf Wasserorganismen wirken. Unklar ist derzeit ebenfalls noch, ob sich an der Wirkung der Partikel etwas verändert, wenn diese zuvor eine Kläranlage durchlaufen haben.

Für die aktuelle Studie hat Sarah Hartmann zusammen mit ihrer Mitarbeiterin Anna Beasley mindestens tausend Daphnien im Labor mikroskopisch untersucht. Um beurteilen zu können, ob und in welchem Umfang die Tiere Abwehr-Stacheln ausbilden konnten, musste jede einzelne Aufnahme eines Wasserflohs manuell ausgewertet werden. „Damit waren wir über ein Jahr beschäftigt, aber der Aufwand hat sich gelohnt“, sagt Sarah Hartmann, die ihre Promotion inzwischen mit „Magna cum laude“ abgeschlossen hat. Die Ergebnisse der Studie wurden jüngst in der renommierten Fachzeitschrift „Scientific Reports“ veröffentlicht. Sie finden den Artikel hier.

Kontakt:
Prof. Dr. Klaudia Witte
E-Mail: witte@biologie.uni-siegen.de
Tel.: 0271-740 3297

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 Dr. Sarah Hartmann und Prof. Dr. Klaudia Witte (v.l.) bei der Arbeit im Labor. (Fotos: Heiner Manderbach)