Wie kommt der Betablocker in die Gartenkresse?

Im Abfluss von Kläranlagen spiegeln sich die häufigsten Leiden der österreichischen Bevölkerung wider. Rückstände von Schmerzmitteln, Antibiotika oder Blutdrucksenkern finden dort ihren Weg in die Flüsse. Zum Glück nur in Spuren. Wenn aber Wasser knapp wird – was angesichts des Klimawandels auch in Österreich passieren könnte –, wird man für die landwirtschaftliche Bewässerung auf geklärte Abwässer zurückgreifen müssen. Höchste Zeit herauszufinden, wie medizinische Wirkstoffe in Pflanzen verarbeitet werden.

Biologie & Medizin

29. März 2021

Für die Analyse von Kresse, Mais & Co haben Forscherteams aus Österreich und Tschechien neue Methoden entwickelt, um Pflanzen auf Spuren von Arzneien zu überprüfen. © pstiegele, Pixabay

Nicht nur in der Umweltanalytik gilt: Wer weiß wonach er sucht, hat es leichter. Schon vor Jahrzehnten wurden verschiedene Arzneimittelklassen, deren chemische Strukturen bekannt sind, im Abfluss von Kläranlagen nachgewiesen. Dass man dort „die halbe Apotheke findet, wenn auch nur in Spuren“, war für Wolfgang Buchberger, analytischer Chemiker an der Universität Linz, klar. Völlig unklar jedoch war, was in Pflanzen passiert, die mit aufbereiteten Abwässern gegossen werden. Das ist in Österreich noch nicht üblich, könnte mit dem Klimawandel aber ein Thema werden. Im trockenen Israel ist es hingegen gang und gäbe und große Gemüseproduzenten wie Italien und Spanien haben ebenfalls teilweise mit Wassermangel zu kämpfen. Was passiert also, wenn Arzneimittelspuren mit der Bewässerung auf Pflanzen treffen: Werden die Wirkstoffspuren überhaupt aufgenommen? Und wenn ja, wie werden sie im Gewebe verteilt? Werden sie angereichert, um- oder abgebaut (metabolisiert)? Und könnten sich pharmazeutische Wirkstoffe auf das Pflanzenwachstum auswirken?

Schmerzmittel und Pflanzenwachstum

Für die Analyse von Kresse, Mais, Radieschen, Erbsen und Zwiebeln wurde die Masaryk Universität in Brno für eine grenzüberschreitende Zusammenarbeit, unterstützt mit Fördermitteln des Wissenschaftsfonds FWF, gewonnen, die sich mit ihren Gewächshäusern und Know-how zum regulären Pflanzenwachstum einbrachte. Zunächst nahmen sich Wolfgang Buchberger und sein Team der mengenmäßig stärksten Substanzklasse in geklärten Abwässern an: nichtsteroidale Entzündungshemmer wie Acetylsalicylsäure, Diclofenac oder Ibuprofen. „Von den fiebersenkenden, schmerzlindernden und entzündungshemmenden Mitteln weisen wir im Kläranlagenabfluss insgesamt so geringe Mengen nach, dass noch keine Grenzwerte vorgegeben wurden“, beruhigt der Chemiker. Im Gewächshaus kultivierten die Forscherinnen und Forscher ihre Modellpflanzen mit deutlich höheren Konzentrationen im Wasser, um Auswirkungen aufs Wachstum beobachten zu können – und verdünnten dann nach und nach. Die wichtigste Erkenntnis: Bei geringen Konzentrationen wird das Wachstum nicht beeinträchtigt, es liegt also keine akute Gefährdung vor.

Maispflanzlinge (hintere Reihe) und Erbsenpflanzlinge (vordere Reihe) während der Kultivierung in arzneimittelhaltigem Wasser. © Franz Mlynek, Universität Linz

Kultivierung von Maispflanzen. Die Bügelperlen dienen dazu, die Pflanzen zu stabilisieren und ein Verdampfen des Wassers zu verringern. © Franz Mlynek, Universität Linz

Zwiebelkeimlinge für Untersuchungen zur Aufnahme und Metabolisierung von Arzneiwirkstoffen © Franz Mlynek, Universität Linz

Hochleistungsflüssigchromatografie gekoppelt mit einem Massenspektrometer für die Spurenanalytik von Arzneiwirkstoffen und deren Metabolite. © Franz Mlynek, Universität Linz

Was, wo, wieviel und in welcher Form?

Apropos Wachstum: Die Modellpflanzen repräsentieren verschiedene Stoffwechseltypen und Wuchsformen. Beginnend im Wurzelbereich wurde also bestimmt, wie viel von dem Original-Wirkstoff und seinen Abbau- und Umbauprodukten (Metaboliten) sich in welchen Pflanzenteilen findet, denn es werden ja unterschiedliche Teile verzehrt. Während der Original-Wirkstoff bekannt und daher nachweisbar ist, musste die gesamte Palette der Metaboliten, die sich zudem von Pflanzenart zu Pflanzenart unterscheiden können, zunächst bei geringen Konzentrationen in den Extrakten aufgespürt werden. Dazu wurden die herausgelösten Substanzen mittels Massenspektrometrie und Chromatografie analysiert und anschließend ihre chemische Struktur aufgeklärt. „Wenn wir nicht wissen, was die Substanz ist und wie sie aussieht, können wir auch nichts über ihr Reaktionsverhalten sagen. Darauf abgestimmt mussten wir die gesamte analytische Methodik und Bestimmungsmethoden aufbauen“, beschreibt Wolfgang Buchberger eine Mammutaufgabe seiner Grundlagenforschung. Zudem wurden weitere Substanzklassen wie Blutdruck- und Lipidsenker oder Antibiotika in Hinblick darauf gescreent, ob sie von Pflanzen um- oder abgebaut werden – oder nicht.

Schritt für Schritt die Wege nachvollziehen

Vorläufig müssen wir kein kontaminiertes Gemüse fürchten, entwarnt Wolfgang Buchberger. Doch was gilt es für die Zukunft im Auge zu behalten? Wenn sich intakte Antibiotika im Kläranlagenabfluss finden, werden sie weder vom Organismus noch in der Kläranlage gut abgebaut. Das gilt etwa für manche Fluorchinolone. „Diese Antibiotikasorte wird in der Pflanze unverändert eingelagert. Diclofenac wird hingegen im Organismus gut abgebaut. Dass wir es dennoch intakt im Kläranlagenabfluss finden, liegt wohl an den Angeboten in Salbenform, die abgewaschen werden“, sagt Buchberger und ergänzt: „Es wird auch in der Pflanze weiterverarbeitet in eine Reihe von Metaboliten.“

Mit dem Grundlagenprojekt haben die Forscherinnen und Forscher aus Österreich und Tschechien wichtige Beiträge zum Verständnis der Ausbreitung von synthetischen Stoffen in der Umwelt geliefert. Nachdem hier für die umweltanalytische Praxis zahlreiche Methoden entwickelt wurden, ist es künftig möglich, Pflanzen auf Spuren von Arzneien und Metaboliten zu überprüfen. Die Erkenntnisse könnten im nächsten Schritt eine lohnende Aufgabe für Fachleute der Toxikologie sein und zur Verbesserung von Kläranlagentechnologien beitragen.

Zur Person

Wolfgang Buchberger studierte Chemie in Wien und Linz. Seit 1996 ist Buchberger ordentlicher Professor für analytische Chemie an der Johannes Kepler Universität Linz. Zwischen 1990 und 2015 verbrachte er mehrere Forschungsperioden in Australien. Seine Forschungsinteressen umfassen organische Spurenanalyse, Umweltanalytik, Qualitätskontrolle von Materialien, analytische Hochleistungstrenntechniken und deren Kopplung mit Massenspektrometrie. Das internationale Projekt „Pharmazeutika in der Umwelt und Interaktion mit Pflanzen“ (2017–2020) wurde vom Wissenschaftsfonds FWF mit 167.000 Euro gefördert.

Publikationen

Franz Mlynek, Markus Himmelsbach, Wolfgang Buchberger, Christian W. Klampfl: A fast‐screening approach for the tentative identification of drug‐related metabolites from three non‐steroidal anti‐inflammatory drugs in hydroponically grown edible plants by HPLC‐drift‐tube‐ion‐mobility quadrupole time‐of‐flight mass spectrometry, in: Electrophoresis 2021

Franz Mlynek, Markus Himmelsbach, Wolfgang Buchberger, Christian W. Klampfl: A new analytical workflow using HPLC with drift-tube ion-mobility quadrupole time-of-flight/mass spectrometry for the detection of drug-related metabolites in plants, in: Analytical & Bioanalytical Chemistry 2020

Franz Mlynek, Markus Himmelsbach, Wolfgang Buchberger, Christian W. Klampfl: Time study on the uptake of four different beta-blockers in garden cress (Lepidium sativum) as a model plant, in: Environmental Science & Pollution Research 2020

Bernd Reichl, Markus Himmelsbach, Lisa Emhofer, Christian W. Klampfl, Wolfgang Buchberger: Uptake and metabolism of the antidepressants sertraline, clomipramine, and trazodone in a garden cress (Lepidium sativum) model, in: Electrophoresis 2018