Warum immer mehr Kläranlagen auf Pilze statt Chemie setzen

Medikamentenreste aus der Kanalisation landen auf Feldern

Rückstände von Antidepressiva und anderen Arzneimitteln verlassen Kläranlagen und gelangen direkt auf landwirtschaftliche Felder – gemeinsam mit Düngemitteln. Forschende der Johns Hopkins University haben jedoch eine überraschende Lösung gefunden: Gewöhnliche holzzersetzende Pilze sind in der Lage, diese Wirkstoffe abzubauen, bevor sie überhaupt den Boden erreichen.

Antidepressiva und psychotrope Substanzen sind darauf ausgelegt, im menschlichen Gehirn zu wirken – nicht dazu, sich im Ackerboden anzureichern. Nachdem eine Tablette geschluckt wird, scheidet der Körper einen Teil der Wirkstoffe aus, die dann in die Kanalisation gelangen. Manchmal landen dort auch abgelaufene Medikamente, die die Toilette hinuntergespült werden. Kläranlagen kommen mit Bakterien oder Schwermetallen gut zurecht – doch komplexe pharmazeutische Moleküle durchlaufen den gesamten Reinigungsprozess nahezu unverändert.

Warum klassische Klärtechnologien bei Medikamenten versagen

Aus gereinigtem Abwasser entstehen sogenannte Biofeststoffe – Klärschlämme, die reich an Stickstoff, Phosphor und organischer Substanz sind und häufig als Düngemittel eingesetzt werden. Doch zusammen mit ihnen gelangt ein ganzes Gemisch pharmazeutischer Wirkstoffe auf die Felder. Einige Studien deuten darauf hin, dass Pflanzen Fragmente dieser Verbindungen aufnehmen können – auch wenn bislang kein eindeutiger Beweis für eine Übertragung in die Nahrungskette vorliegt, wächst das Risiko für Mensch und Ökosystem stetig.

Herkömmliche Reinigungstechnologien wurden im Hinblick auf Krankheitserreger und einfache chemische Verbindungen entwickelt. Psychotrope Arzneimittel sind jedoch eine völlig andere Kategorie. Es handelt sich um komplexe Moleküle, die gezielt so konzipiert wurden, dass sie im Organismus lange bestehen bleiben und sich nur schwer abbauen lassen. Das Ergebnis: Eine Kläranlage bewältigt Bakterien problemlos, scheitert aber an modernen Medikamenten. Die Verbindungen heften sich an organische Substanz im Schlamm und überstehen den gesamten Prozess unbeschadet.

Selbst kleinste Mengen psychotroper Substanzen können das Verhalten lebender Organismen beeinflussen – weshalb Fachleute sie als besonders besorgniserregende Schadstoffe einstufen. Das Forschungsteam der Johns Hopkins University suchte daher nach einem unkonventionellen Weg, das Problem bereits innerhalb der Kläranlage zu lösen.

Weißfäulepilze als natürliche Bioreaktoren

Die Forschenden wandten sich Organismen zu, die widerstandsfähige Substanzen bereits seit Millionen von Jahren abbauen. Sogenannte Weißfäulepilze sind dafür bekannt, Lignin zersetzen zu können – das harte Holzgerüst, das den meisten Mikroorganismen widersteht. Anders als Bakterien setzen sie ihre Enzyme nicht im Zellinneren ein, sondern scheiden sie in ihre Umgebung aus. Diese Enzyme sind dabei unspezifisch und greifen daher ein breites Spektrum komplexer Moleküle an.

Genau diese Eigenschaft macht sie zu idealen Kandidaten für den Abbau von Arzneimitteln, die an organische Substanz in Klärschlämmen gebunden sind. Für die Studie wurden zwei Arten ausgewählt, die den meisten Menschen bestens bekannt sind: der Austernpilz (Pleurotus ostreatus), ein beliebter Speisepilz, und der Schmetterlingstramete (Trametes versicolor), wegen seiner farbenprächtigen Fruchtkörper auch „Truthahnsschwanz“ genannt.

Beide Arten sind leicht verfügbar, wissenschaftlich gut beschrieben und in der Lage, auf verschiedenen Substraten zu wachsen – ein enormer Vorteil aus Sicht der Kläranlagen. Die entscheidende Frage lautete: Können diese Pilze die im Schlamm verborgenen Arzneimittel „auffressen“, bevor der Schlamm als Dünger ausgebracht wird?

So lief das Experiment ab

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entnahmen Biofeststoffe aus einer städtischen Kläranlage und reicherten sie gezielt mit einem Gemisch aus neun Wirkstoffen aus der Gruppe der Psychopharmaka an – darunter Antidepressiva wie Citalopram und Trazodon. Anschließend inokulierten sie den Schlamm mit dem Myzel von Austernpilz und Schmetterlingstramete und ließen die Pilze bis zu sechzig Tage lang arbeiten.

Parallel dazu wurde ein Kontrollversuch durchgeführt: Dieselben Verbindungen wurden in einer Laborflüssigkeit ohne Schlamm gelöst. So ließ sich vergleichen, wie sich die Medikamente unter reinen Bedingungen verhalten – im Gegensatz zum chemisch komplexen Material aus der Kläranlage. Zur Verfolgung der Konzentrationen einzelner Wirkstoffe und zur Identifizierung ihrer Abbauprodukte wurde hochauflösende Massenspektrometrie eingesetzt.

Damit konnte nicht nur beantwortet werden, ob die Substanzen verschwinden, sondern auch, in was sie sich umwandeln. Die Ergebnisse überraschten selbst die Forschenden.

Wirksamkeit von bis zu hundert Prozent bei bestimmten Substanzen

Beide Pilzarten schnitten überraschend gut ab. Jede von ihnen baute acht der neun getesteten Verbindungen ab, häufig in sehr hohem Maß. Die wichtigsten Ergebnisse im Überblick:

• In vielen Proben sanken die Wirkstoffkonzentrationen innerhalb von zwei Monaten um rund fünfzig Prozent
• In einem Teil der Fälle reinigten die Pilze den Schlamm vom jeweiligen Wirkstoff nahezu vollständig
• Der Austernpilz erwies sich beim Abbau mehrerer Antidepressiva als besonders wirksam – die Effizienz überstieg neunzig Prozent
• Einige Substanzen wurden im „verunreinigten“ Schlamm besser abgebaut als in der im Labor angesetzten Flüssigkeit
• Die Schmetterlingstramete zeigte stabile Ergebnisse über verschiedene Wirkstoffklassen hinweg
• Die pilzlichen Enzyme arbeiteten auch bei niedrigeren Temperaturen effektiv, wie sie im Kläranlagenbetrieb typisch sind

Besonders bemerkenswert war die Erkenntnis, dass das reale Milieu mit seiner gesamten chemischen und mikrobiologischen Komplexität den pilzlichen Enzymen nicht im Weg stand – im Gegenteil schien es ihnen sogar zu helfen. Das Forschungsteam der Johns Hopkins University wertet dies als äußerst ermutigendes Signal für den praktischen Einsatz der Technologie.

Entstehen beim Abbau gefährliche Nebenprodukte?

Der häufigste Einwand gegen Reinigungsverfahren lautet: Statt eines Schadstoffs entsteht ein anderer, möglicherweise noch gefährlicherer. Die Forschenden widmeten sich daher eingehend der Analyse der Abbauprodukte. Sie identifizierten mehr als vierzig Verbindungen, die entstehen, wenn die Pilze pharmazeutische Moleküle „zerlegen“ – typischerweise durch Spaltung in kleinere Fragmente oder durch Anlagerung von Sauerstoffatomen.

Zur Bewertung ihrer potenziellen Toxizität nutzten sie ein Werkzeug der US-amerikanischen Umweltbehörde EPA, das die Gefährlichkeit von Substanzen anhand ihrer chemischen Struktur vorhersagt. Die große Mehrheit der Abbauprodukte erwies sich als weniger toxisch als die ursprünglichen Verbindungen. Das ist ein starkes Argument dafür, dass der pilzliche Prozess das Gefährdungspotenzial tatsächlich reduziert – und es nicht bloß von einer Form in eine andere verlagert.

Toxikologische Analysen deuten außerdem darauf hin, dass das Myzel die Arzneimittel nicht in seiner Biomasse speichert, sondern sie durch Umwandlung in weniger riskante Partikel tatsächlich neutralisiert. Genau dieser Aspekt war für die Beurteilung des realen Potenzials der Methode von entscheidender Bedeutung.

Mykoaugmentation: Pilzmodule direkt in Kläranlagen

Die Forschenden sprechen von sogenannter Mykoaugmentation – dem gezielten Einsatz von Pilzen zur Stärkung von Reinigungsprozessen. Aus praktischer Sicht ist der Ansatz aus mehreren Gründen attraktiv. Weißfäulepilze benötigen keine sterilen Bedingungen, können auf organischen Abfällen wachsen, produzieren Enzyme mit breitem Wirkspektrum und sind vergleichsweise günstig zu kultivieren.

Künftig könnten „Pilzmodule“ in bestehende Verarbeitungslinien für Biofeststoffe integriert werden – etwa als zusätzliche Reifungsstufen in Tunneln, Mieten oder Behältern, wo das Myzel ausreichend Zeit hat, seine Abbauarbeit zu leisten, bevor der Dünger auf die Felder gelangt. Einige Kläranlagen in Oregon und Kalifornien testen bereits ähnliche Pilotprojekte.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Austernpilz und Schmetterlingstramete Arten sind, die Menschen regelmäßig verzehren oder medizinisch nutzen. Ihr Sicherheitsprofil ist daher gut dokumentiert, was den Weg zur behördlichen Zulassung erheblich erleichtert.

Was das für Landwirtschaft und menschliche Gesundheit bedeutet

Biofeststoffe sind heute in vielen Ländern ein wichtiger Bestandteil der Kreislaufwirtschaft: Statt entsorgt zu werden, verbessern Klärschlämme die Bodenfruchtbarkeit. Gleichzeitig wächst der Druck, das chemische „Gepäck“ zu reduzieren, das sie mit sich tragen. Gelingt es, die Pilztechnologie zur Praxisreife zu bringen, könnten Landwirtinnen und Landwirte von den Nährwerten der Schlämme profitieren – bei deutlich geringerem Risiko, psychotrope Substanzen auf ihre Felder einzutragen.

Für den Menschen würde das bedeuten, dass mikroskopisch kleine Mengen Antidepressiva und anderer Pharmaka weniger wahrscheinlich zwischen Kanalisation, Boden, Wasser und Nahrungsmitteln zirkulieren. Für Wasser- und Bodenorganismen bedeutete es eine geringere Belastung durch Substanzen, die in ihre Nervensysteme eingreifen. Die Forschenden der Johns Hopkins University betonen, dass es sich zwar noch um eine Laborphase handelt, das Potenzial für einen realen Einsatz jedoch enorm ist.

Keine einzelne Lösung wird das Problem der Arzneimittel in der Umwelt vollständig beseitigen. Selbst die wirksamsten Pilze können einen vernünftigen Umgang mit Medikamenten nicht ersetzen – also kein Herunterspülen von Tabletten, weniger übermäßige Verschreibungen und die Entwicklung biologisch besser abbaubarer Präparate. Pilzgestützte „Klärstufen“ könnten jedoch ein wichtiges Puzzlestück in einem größeren Bild sein, in dem Technologie, Medizin und Ökologie endlich an einem Strang ziehen.