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Im Reagenzglas untersuchen Forscher, wie Chemikalien auf
die Embryonen in Fischeiern wirken.
Mit Hilfe von Daphnientests beurteilen Forscher die Risiken
von Chemikalien für Wasserorganismen.
Fotos oben: André Künzelmann, UFZ.
Buchtipp:
Hansjürgens, Bernd;
Nordbeck, Ralf:
Chemikalienregulierung und Innovationen zum nachhaltigen
Wirtschaften.
Physica-Verlag,
Heidelberg, 2005
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Ziel der Untersuchungen am UFZ ist es, das
Standardtestprogramm durch eine intelligente Teststrategie zu
ersetzen. Dazu ist es notwendig, Angaben zur Giftigkeit von Stoffen
mit weiteren Informationen und der Häufigkeit des Auftretens in der
Umwelt zu verknüpfen, um jeweils ein stoffspezifisches
maßgeschneidertes Testprogramm zu entwickeln. "Wir wollen so
mindestens die gleiche Sicherheit bei verringertem Aufwand und weniger
Tierversuchen erreichen", sagt Prof. Gerrit Schüürmann. Das sei aber
nur durch eine Kombination verschiedener Komponenten möglich. Dazu
zählt beispielsweise die Fokussierung des Testprogramms auf die
Bereiche, in denen der jeweilige Stoff vorkommt, das systematische
Einbeziehen von Informationen über ähnliche Stoffe und eine stärkere
Berücksichtigung von Methoden zur frühzeitigen Analyse möglicher
Wirkmechanismen. Als hoffnungsvolle Ansätze, die Vielzahl der für
REACH nötigen Tests kostengünstig und mit möglichst wenigen
zusätzlichen Tierversuchen in den Griff zu bekommen, gelten sowohl
experimentelle in vitro Tests als auch computerbasierte Modelle (QSAR).
"In vitro" als teilweiser Ersatz für Tierversuche
Bisher machen Fische einen relativ geringen Teil der gesamten
Tierversuche aus. Doch die Anzahl an Fischtests wird in den nächsten
Jahren deutlich steigen, da sie Voraussetzung für die Zulassung von
Chemikalien im Rahmen des Chemikalien- und Pflanzenschutzgesetzes
sind. Deshalb arbeiten verschiedene Arbeitsgruppen des UFZ an
Alternativen zu Experimenten mit adulten Fischen. "In vitro" kommt aus
dem Lateinischen und bedeutet "im Glas". Im Reagenzglas können die
Forscher untersuchen, wie Chemikalien auf die Embryonen in Fischeiern
wirken. Inzwischen ist dieser Test mit den Embryonen von
Zebrabärblingen, auch durch die Mitarbeit der Wissenschaftler um Dr.
Rolf Altenburger vom UFZ, zumindest in Deutschland als Alternative zum
Fischtest bei der Überwachung von Industrieabwässern zugelassen. "Am
UFZ wird nun untersucht, ob dieser Test erweitert werden kann",
erzählt Dr. Kristin Schirmer. "Im Rahmen des BMBF-Projektes GenDarT
untersuchen wir mit Hilfe modernster molekularbiologischer Methoden,
ob die Genaktivität im Embryo Vorhersagen für eine chronische
Toxizität im Fisch erlaubt".
Ein weiterer Ansatz ist die Analyse von Fischembryoproteinen (Proteomics),
um so genannte Biomarker als Anzeiger oder Warnsignal für zu
erwartende Effekte zu identifizieren. Derartige Proteinanalysen werden
derzeit von Dr. Eberhard Küster in enger Zusammenarbeit mit einer
anderen Arbeitsgruppe am UFZ im Rahmen des EU-Projektes PROTECTOR
etabliert.
Eine weitere Alternative sind so genannte Zelllinien von Fischen.
"Gemeinsam mit kanadischen Wissenschaftlern haben wir zeigen können",
so Kristin Schirmer, "dass es eine Korrelation zwischen toxischen
Wirkungen auf eine Zelllinie aus den Kiemen und den Gesamtfisch gibt."
Anhand solcher Zellkulturen, die repräsentativ für verschiedene Organe
des Fisches stehen, lassen sich eine Reihe von Tests durchführen, ohne
dass jedes Mal ein Fisch sterben muss.
"Ein Manko ist aus unserer Sicht, dass REACH für Chemikalien, deren
Jahresproduktion zwischen 1 und 10 Tonnen liegt, als Risikobeurteilung
für Wasserorganismen nur den Daphnientest vorsieht. Erst ab einer
höheren Jahresproduktion werden zum Beispiel auch Analysen an Fischen
verlangt" erklärt Dr. Eberhard Küster vom UFZ. Dabei werden gerade
besonders wirksame Substanzen meist in geringer Menge produziert und
fallen damit aus der Beurteilung heraus. "Dabei kann eine einzige
Substanz sehr stark in ein Ökosystem eingreifen." Triclosan, ein
häufig verwendetes Bakterizid, zeigte in Laborversuchen eine
dramatische Verschiebung der Algenpopulationen, die bisher nicht
beschrieben wurde. Da Algen am Anfang der Nahrungskette im Wasser
stehen kann das wiederum Auswirkungen auf alle Lebewesen haben, die in
der Nahrungskette folgen. Standardisierte Algentests nach DIN-Norm
dauern je nach Art zwischen 72 Stunden und mehreren Tagen. Die
UFZ-Wissenschaftler arbeiten daher an Methoden, die die Testzeiträume
verringern bzw. die Anzahl parallel zu untersuchender Proben stark
erhöhen ("high-throughput bioassays"). Diese Studien untersuchen
sowohl mikroskopisch kleine Algen, große Algenarten wie
Armleuchteralgen, aber auch höhere Pflanzen wie Wasserlinsen. Damit
werden alle wichtigen pflanzlichen Ebenen eines aquatischen Ökosystems
mit einbezogen. Diese Analysen lassen es zu, bis zu 96 Proben
wesentlich schneller zu untersuchen als konventionelle Tests. Die
Ökotoxikologen hoffen, dass dieser Test später einmal den Standardtest
für höhere Wasserpflanzen ersetzt.
Maßgeschneiderte Testprogramme durch QSARs
Mit QSARs (Quantitative or Qualitative Structure-Activity
Relationships) - also quantitativen oder qualitativen
Struktur-Aktivitäts-Beziehungen - sind Modelle gemeint, die aus der
chemischen Struktur eines Stoffes seine Wirkstärke (quantitativ) oder
seinen Wirkmechanismus (qualitativ) vorhersagen. Dadurch ist es
beispielsweise möglich, auf toxische Eigenschaften zu schließen und so
auf Tierversuche zu verzichten. Das Gemeinsame Forschungszentrum der
Europäischen Kommission (JRC) will die Aktivitäten zur Etablierung von
QSARs deshalb in den kommenden Jahren verstärken. Schließlich schätzt
das JRC, dass die Industrie allein durch QSAR-Modelle 740 bis 940
Millionen Euro der ca. 2,4 Milliarden Euro an Testkosten einsparen
könnte, die REACH maximal verursachen würde. QSARs sollen helfen,
Einzeltests gezielt durchführen zu können, statt umfangreiche
Testprogramme absolvieren zu müssen - also ein maßgeschneidertes
Testprogramm statt "Schema F". "REACH sieht als ökotoxikologische
Eingangsprüfung unter anderem einen Daphnientest vor", erzählt Prof.
Gerrit Schüürmann vom UFZ. "Wir haben ein QSAR-Modell entwickelt, dass
Entscheidungshilfen gibt zum Erkennen solcher Stoffe, für welche
dieser Test und der damit verbundene Aufwand eingespart werden
könnten."
Der letzte Entwurf der EU-Chemikalienverordnung REACH sieht vor, dass
nur Chemikalien ab einer Jahresproduktion von 100 Tonnen intensiv im
Tierversuch getestet werden sollen. Andererseits sollen aber alle
Stoffe, die als besonders gefährlich gelten, einer Zulassungspflicht
unterliegen. Das betrifft Stoffe, die krebserregend, erbgutverändernd
oder fortpflanzungsschädigend wirken; die schwer abbaubar sind, sich
im Organismus anreichern und toxisch sind; die sehr schwer abbaubar
und sich sehr stark im Organismus anreichern sowie hormonähnlich
wirken. QSAR-Modelle können daher helfen, aus zehntausenden Stoffen
mit geringer Jahresproduktion diejenigen herauszufiltern, die sehr
wahrscheinlich zulassungspflichtig sind und deshalb abschließend im
Tierversuch überprüft werden müssen. Die Dänische Umweltbehörde hat
beispielsweise QSAR-Analysen für rund 47.000 organische Stoffe auf dem
europäischen Markt durchgeführt. Dabei wurde festgestellt, dass 20.000
davon ein oder mehrere Kriterien eines Gefahrstoffes erfüllen.
In den USA setzt die Umweltbundesbehörde EPA bereits seit über einem
Jahrzehnt QSAR-Modelle ein. In Europa werden solche Prüfmethoden zur
Berechnung der Anreicherung von Stoffen in Organismen verwendet. Sie
sind aber eher die Ausnahme, da die Behörden bisher zurückhaltend auf
QSAR reagiert haben. Gerrit Schüürmann rechnet mit einem Durchbruch in
den nächsten drei Jahren: "Es muss uns gelingen, die Stoffe in den
Kontext des toxikologischen Wissens zu stellen." Schließlich seien die
Ziele von REACH nur durch die Kombination experimenteller Befunde mit
alternativen Beurteilungsmethoden wie QSARs zu erreichen.
Die neue EU-Chemikalienverordnung REACH
REACH steht für Registrierung, Evaluierung und Autorisierung von
Chemikalien. Dabei geht es vor allem um die so genannten
Altchemikalien, die vor 1981 auf dem Markt gekommen sind. Um die
Anzahl der Chemikalien, die künftig geprüft werden, wurde bis zuletzt
heftig gerungen. Nach dem letzten Entwurf handelt es sich um etwa 30
000 von geschätzten 100 000 Altchemikalien, die nun zu prüfen sind.
Der überwiegende Teil davon gilt als praktisch ungetestet, obwohl die
EU-Bürger mit ihnen im Alltag ständig Kontakt haben. "Diese
Ungleichbehandlung der so genannten Altstoffe, die als gegeben
hingenommen wurden, und der Neustoffe, die stark reglementiert wurden,
hat Innovationen gebremst", meint Prof. Bernd Hansjürgens, Ökonom am
UFZ. Durch eine Gleichbehandlung will die Gesetzgebung deshalb Anreize
für die Industrie schaffen, umwelt- und gesundheitsfreundlichere
Stoffe zu entwickeln. In Zukunft dürfen nur noch Stoffe in den Handel
gelangen, zu denen ausreichend Daten vorliegen. Von den Prüfungen
betroffen sind Chemikalien ab einer Produktionsmenge von einer Tonne
pro Jahr. Neu ist auch die Umkehr der Beweislast. Künftig müssen die
Unternehmen die Sicherheit ihrer Produkte nachweisen. Bisher konnten
Stoffe so lange eingesetzt werden, bis Behörden Beweise für die
Gefährlichkeit eines Stoffes hatten. Jetzt müssen die Unternehmen
beweisen, dass ein Stoff ungefährlich ist.
REACH soll künftig dafür sorgen, dass der gesamte Lebensweg einer
Chemikalie vom Produzenten bis zum Verbraucher erfasst und sicher
gestaltet werden kann. Die Registrierung wird von einer neuen
EU-Chemikalienagentur in Helsinki überwacht. Diese entscheidet auch im
Einzelfall, ob besonders gefährliche Chemikalien eine Zulassung
erhalten. Mit einem Abschluss der Prüfungsprozeduren für die so
genannten Altchemikalien wird nicht vor 2017 gerechnet.
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