Wie Austernpilze Abwässer von Arzneimittelrückständen befreien können

Eine überraschende Entdeckung aus den Laboren der Johns Hopkins University

Forschende der Johns Hopkins University wagten einen ungewöhnlichen Versuch: Sie wollten herausfinden, ob gewöhnliche holzzersetzende Pilze in der Lage sind, Arzneimittelrückstände in Klärschlämmen abzubauen — bevor dieser Schlamm als Dünger auf landwirtschaftlichen Flächen ausgebracht wird. Die Ergebnisse übertrafen alle Erwartungen.

Moderne Antidepressiva und Psychopharmaka werden bewusst so entwickelt, dass sie möglichst lange im Körper wirken. Nach der teilweisen Ausscheidung gelangen sie jedoch ins Abwasser. Dazu kommt: Viele Menschen spülen ungenutzte Tabletten direkt in die Toilette. Konventionelle Kläranlagen entfernen zwar einen Großteil der Verunreinigungen — mit den Wirkstoffen aus Medikamenten sind sie jedoch schlichtweg überfordert.

Was Biosolide sind und warum sie ein Problem darstellen

Nach der Abwasserreinigung entsteht ein nährstoffreiches, dickflüssiges Material: die sogenannten Biosolide, also aufbereiteter Klärschlamm. Sowohl in den USA als auch in vielen europäischen Ländern wird dieses Material routinemäßig als Düngemittel oder zur Bodenverbesserung eingesetzt. Das Problem: Mit ihm können auch Spuren von Pharmawirkstoffen auf die Felder gelangen — darunter Antidepressiva und Beruhigungsmittel.

Studien deuten darauf hin, dass selbst winzige Konzentrationen von Arzneistoffen in der Umwelt das Verhalten von Wasser- und Bodenorganismen beeinflussen können — und möglicherweise auch die menschliche Gesundheit betreffen. Zwar fehlen bislang eindeutige Belege dafür, dass solche Mengen Menschen schaden, die Feldfrüchte von mit Biosoliden gedüngten Äckern essen. Dennoch warnen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, dass viele dieser Verbindungen in der Natur kaum abbaubar sind.

Wie Weißfäulepilze selbst härteste Naturstoffe zersetzen

Das Forschungsteam setzte auf Organismen, die seit Jahrmillionen mit einem der widerstandsfähigsten Materialien der Natur fertigwerden: Holz. Die Rede ist von Weißfäulepilzen, die dafür bekannt sind, Lignin abzubauen — das extrem robuste „Bindemittel“ pflanzlicher Zellwände.

Anders als die meisten Bakterien geben diese Pilze leistungsstarke Enzyme mit einem besonders breiten Wirkungsspektrum in ihre Umgebung ab. Statt eine einzelne Molekülart anzugreifen, zersetzen sie ganze Gruppen komplexer organischer Verbindungen und spalten sie in kleinere, leichter abbaubare Fragmente auf.

Die Forschenden wählten zwei gut erforschte Arten. Pleurotus ostreatus, der in Deutschland weit verbreitete Austernpilz, sowie Trametes versicolor, ein farbenprächtiger Schichtpilz, der auf Baumstämmen wächst und hierzulande als Schmetterlingstramete bekannt ist. Beide Arten sind wissenschaftlich gut dokumentiert, leicht verfügbar und werden häufig in Umweltforschungsprojekten eingesetzt.

So lief das Experiment mit dem Klärschlamm ab

Die Forschenden entnahmen Biosolide aus einer realen städtischen Kläranlage und versetzten sie mit neun Wirkstoffen, die auf das zentrale Nervensystem wirken. Zu den getesteten Substanzen gehörten unter anderem die verbreiteten Antidepressiva Citalopram und Trazodon.

Dieses präparierte Substrat diente anschließend als Nährboden für das Myzel von Austernpilz und Schmetterlingstramete. Die Pilze durften bis zu sechzig Tage lang auf dem Klärschlamm wachsen. In regelmäßigen Abständen wurde gemessen, wie viel von den jeweiligen Wirkstoffen noch in den Proben nachweisbar war.

Zum Vergleich liefen parallel dazu Tests in einem klassischen flüssigen Labormedium ohne Biosolide. So ließ sich überprüfen, wie die reale Schmutzstoff-„Mischung“ die Abbauleistung beeinflusst.

Was die Ergebnisse nach zwei Monaten zeigten

Nach Ablauf der zwei Monate hatte das Myzel beider Pilzarten die Konzentration von acht der neun untersuchten Substanzen deutlich gesenkt. Die Abbaurate reichte von rund fünfzig Prozent bis hin zur nahezu vollständigen Eliminierung einzelner Wirkstoffe aus den Biosoliden. Besonders beeindruckend schnitt dabei der Austernpilz ab, der bei mehreren Pharmawirkstoffen die Proben praktisch komplett von diesen Stoffen befreite.

Besonders aufschlussreich war die Beobachtung, dass der Abbau in einigen Fällen in Gegenwart von Biosoliden sogar besser funktionierte als in einem einfachen synthetischen Medium. Das ist ein wichtiges Signal — denn Labortests in Flüssigkulturen spiegeln die tatsächlichen Bedingungen in einer Kläranlage möglicherweise nicht zuverlässig wider.

Bauen die Pilze die Medikamente wirklich ab — oder verstecken sie sie nur?

Die entscheidende Frage war: Speichern die Pilze die Pharmawirkstoffe lediglich, oder zersetzen sie diese tatsächlich in weniger gefährliche Bestandteile? Um das zu klären, setzten die Forschenden hochauflösende Massenspektrometrie ein — eine Methode, mit der sich chemische Veränderungen in Proben über die Zeit präzise verfolgen lassen.

Dabei identifizierten sie über vierzig neue Verbindungen, die durch die Wirkung pilzlicher Enzyme entstanden waren. Häufig wurden Arzneimittelmoleküle in kleinere Fragmente gespalten oder oxidiert — also mit einem Sauerstoffatom angereichert. Zur vorläufigen Einschätzung der Toxizität dieser neuen Produkte kam ein auf Chemieinformatik basierendes Bewertungstool der US-amerikanischen Umweltbehörde EPA zum Einsatz.

Das Modell legte nahe, dass die meisten Umwandlungsprodukte für lebende Organismen ungefährlicher sein dürften als die ursprünglichen Wirkstoffe. Es handelt sich also nicht nur um eine Verlagerung des Problems, sondern um eine echte chemische „Entgiftung“ der Biosolide — ein Befund, der für die Umweltpolitik von großer Bedeutung ist.

Was Mykoaugmentation ist und warum Kläranlagen aufhorchen

In der Wissenschaft gewinnt der Begriff Mykoaugmentation zunehmend an Bedeutung — damit ist der gezielte Einsatz von Pilzen in belasteten Umgebungen gemeint, um den Abbau von Schadstoffen zu beschleunigen. Diese Studie liefert überzeugende Argumente dafür, dass dieses Verfahren auch im Kontext von Klärschlämmen sinnvoll ist.

Weißfäulepilze besitzen im Vergleich zu teuren chemischen Verfahren oder aufwendigen Membranfiltern eine ganze Reihe praktischer Vorteile:

• Sie können direkt auf festem Substrat wie Biosoliden wachsen, ohne komplexe Infrastruktur zu benötigen
• Sie arbeiten unter vergleichsweise milden Bedingungen — ohne hohe Temperaturen oder Druckverhältnisse
• Sie kommen in der Natur häufig vor, sind wissenschaftlich gut erforscht und lassen sich kostengünstig kultivieren
• Ihre Enzyme wirken auf ganze Gruppen von Verbindungen, nicht nur auf eine einzelne Schadstoffklasse
• Für ihre grundlegenden Stoffwechselprozesse benötigen sie keine externe Stromversorgung
• Die Abbauprodukte weisen eine geringere Toxizität auf als die ursprünglichen Pharmawirkstoffe

Für den Betrieb von Kläranlagen ist das Konzept eines speziellen Moduls verlockend, in dem Biosolide vor dem Abtransport auf die Felder eine Art „Pilzkur“ durchlaufen. Dieser ergänzende Schritt ließe sich in bestehende Prozesse integrieren und würde die ökologische Sicherheit deutlich erhöhen.

Für die Stadtbevölkerung ist diese Nachricht zugleich eine Erinnerung: Eine Schlaftablette oder ein Antidepressivum, das morgens mit einem Glas Wasser eingenommen wird, verschwindet nicht spurlos aus dem Körper. Ein Teil des Wirkstoffs gelangt in die Kläranlage und von dort — in verschiedenen Formen — in die Umwelt. Da die weltweite Einnahme von Antidepressiva kontinuierlich zunimmt, wird der Druck, effektivere Reinigungsmethoden zu entwickeln, weiter wachsen.

Hürden, die noch überwunden werden müssen

Trotz der vielversprechenden Ergebnisse ist der Weg vom Laborversuch zur industriellen Anwendung noch weit. Eine der wichtigsten Aufgaben besteht darin, zu überprüfen, wie die Pilze mit dem komplexen „Schadstoffcocktail“ umgehen, der in realen Klärschlämmen verschiedener Anlagen vorkommt — und nicht nur mit den neun ausgewählten Medikamenten.

Ein weiteres Problem ist die Aufrechterhaltung des biologischen Gleichgewichts. In großen Anlagen sind Biosolide voller Bakterien und anderer Mikroorganismen, die mit dem Myzel um Raum und Nährstoffe konkurrieren können. Außerdem muss sichergestellt werden, dass etwaige Umwandlungsprodukte der Pharmawirkstoffe sich weder im Boden noch im Wasser langfristig in unerwünschter Weise anreichern.

Für Landwirtinnen und Landwirte, die Biosolide verwenden, könnte eine solche Pilzvorbehandlung künftig ein starkes Argument darstellen — als Nachweis, dass sie einen Dünger mit wesentlich geringerer chemischer Belastung ausbringen. Für Kläranlagenbetreiber wäre es ein Weg, zunehmend strengere Vorschriften zu Mikroverunreinigungen zu erfüllen, ohne Millionen in Hochtechnologie investieren zu müssen.

Abschließend noch ein bemerkenswerter Gedanke: Dieselben Enzyme, die Pilzen ermöglichen, sowohl Lignin als auch Psychopharmaka abzubauen, könnten sich auch beim Abbau anderer persistenter Schadstoffe als wirksam erweisen — etwa Pestizide oder bestimmte Inhaltsstoffe aus Kosmetikprodukten. Sollten weitere Studien dies bestätigen, könnten der Austernpilz und seine Verwandten zu einem festen Bestandteil moderner Abwasseraufbereitungssysteme werden.