Die Antibabypille ist natürlich nicht für Fische und Frösche gedacht. Und doch können Hormone, die in diesem und anderen Medikamenten enthalten sind und in Kläranlagen nicht vollständig abgebaut werden, auf das Hormonsysten von Lebewesen im Gewässer wirken.
Denn das Hormonsystem des Menschen unterscheidet sich gar nicht so sehr von dem anderer Wirbeltiere. Oft sind es sogar dieselben Botenstoffe und Rezeptoren. Endokrine Disruptoren nennt die Weltgesundheitsorganisation diese Stoffe oder ihre Gemische, und es gibt Vorschriften, um das Risiko für Mensch und Tier zu bewerten und zu reduzieren. Forscherinnen und Forscher des Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) empfehlen, die Definition und Testmethoden für hormonell wirksame Faktoren zu erweitern: Nicht nur chemische Stoffe, sondern auch andere Faktoren wie bestimmte Pflanzenstoffe, parasitäre Infektionen oder Lichtverschmutzung können das Hormonsystem stören.
Chemische Kommunikation ist das Grundkonzept für den Austausch von Informationen in einem Organismus. Bei „höheren“ Tieren und beim Menschen haben sich mit dem Immunsystem, dem Nervensystem und dem Hormonsystem drei zentrale Systeme für diese Kommunikation entwickelt. Das Hormonsystem steuert wichtige Körperprozesse wie Wachstum und Entwicklung, Verhalten oder Stoffwechsel sowie Fortpflanzung.
Hormonell aktive Substanzen vor allem in Oberflächengewässern
Doch die Kommunikation ist anfällig für Störungen von außen: Endokrine Disruptoren sind laut Definition der Weltgesundheitsorganisation (WHO) chemische Substanzen oder Stoffgemische, die in die Umwelt gelangen und in das Hormonsystem von Tieren und Menschen eingreifen. Prominenteste Beispiele sind Weichmacher für Kunststoffe, die ähnlich wie weibliche Geschlechtshormone wirken, oder Hormone aus der Antibabypille, die in Kläranlagen nicht vollständig abgebaut werden. Sammelbecken dieser hormonaktiven Stoffe sind Oberflächengewässer, daher sind auch Fische und Amphibien besonders gefährdet. Diese können dann beispielsweise mehrheitlich verweiblichen oder Zwitter ausbilden, Frösche für immer Kaulquappen bleiben.
Viele Stoffe bisher nicht reguliert
Bisher werden endokrine Disruptoren für regulatorische Zwecke nach dem so genannten EATS-Modell kategorisiert. Dieses gibt an, ob sie östrogene, androgene, thyroidale (auf die in der Schilddrüse gebildeten Hormone) oder weitere steroidale Wirkungen haben. Das Modell deckt also den Teil des Hormonsystems ab, der mit der Fortpflanzung über Sexualsteroide, der Steroidogenese und dem Stoffwechsel sowie der Entwicklung (z. B. der durch die Schilddrüsen gesteuerten Metamorphose von Kaulquappen zum Frosch) verbunden ist. Für diese gibt es gesicherte Testmethoden – sogenannte OECD Test-Guidelines.
Das Forschungsteam weist jedoch in der aktuellen Literaturstudie darauf hin, dass in dem EATS-Modell nicht alle Hormonsysteme berücksichtigt werden; und dass es weitere hormonell wirkende Faktoren gibt, die nicht reguliert werden. „Es ist wichtig, diese bisher nicht erfassten Pfade und endokrinen Disruptoren bei der Risikobewertung zu berücksichtigen“, sagt IGB-Forscher Prof. Werner Kloas und Hauptautor der Veröffentlichung.
Substanzen aus der Minipille mit drastischen Auswirkungen auf Fische
Ein Hormonsystem, das nicht über das EATS-Modell klassifiziert wird, sind die Gestagene, auch Gelbkörperhormone oder Schwangerschaftshormone genannt, weil sie zur Entstehung und Aufrechterhaltung einer Schwangerschaft beitragen. Ein bekannter endokriner Disruptor dieses Hormonsystems ist Levonorgestrel, ein gängiger Wirkstoff zur Empfängnisverhütung in der „Minipille“. Besonders drastische Auswirkungen auf die Fortpflanzung bei sehr niedrigen Konzentrationen wurden bei Fischen beobachtet. Bei Fröschen waren weniger die Geschlechtsentwicklung als vielmehr das Schilddrüsensystem und die Paarungsrufe gestört. Weitere Beispiele für Hormonsysteme, die im EATS-Modell bisher nicht berücksichtigt wurden, sind die Insulinrezeptor-Signalgebung, Hormone des Magen-Darm-Trakts und kardiovaskuläre Hormone, also Hormone, die den Blutkreislauf steuern.
Pflanzenstoffe aus Soja schaden Fischen
Hormonell aktiv können aber nicht nur vom Menschen hergestellte chemische Substanzen sein, sondern auch natürliche Stoffe. Phytoöstrogene zum Beispiel wirken wie das weibliche Geschlechtshormon. Hohe Konzentrationen erreichen sie erst, wenn sie angereichert werden, wie in Kosmetika oder Nahrungsergänzungsmitteln. Daher müssen Grenzwerte für künstlich mit Phytoöstrogenen angereicherte Kosmetika eingehalten werden. Auch die Verwendung von Futtermitteln auf Sojabasis könnte ein Risiko für die Fortpflanzung von Wiederkäuern oder Fischen in Aquakultur sein.
Auch steigende Temperaturen könnten das Hormonsystem beeinflussen
Bei Fischen ist eine temperaturabhängige Geschlechtsdifferenzierung selten und auf wenige Arten beschränkt. Bei Amphibien ist die Geschlechtsausprägung nicht temperaturabhängig, jedoch können primäre genetischen Geschlechtssignale temperaturabhängig ausgeschaltet werden. Dies geschieht gelegentlich auf natürliche Weise und kann zu einer Geschlechtsumkehr führen. „Steigende Temperaturen im Zuge des Klimawandels und andere Arten endokriner Disruption sollten im Zusammenhang mit Hormonreaktionen weiter betrachtet und wissenschaftlich untersucht werden, zumal das Wissen über die genetische Geschlechtsbestimmung und die Folgen von Hormonstörungen bei wildlebenden Amphibienarten sehr spärlich ist“, sagt IGB-Forscher Dr. Matthias Stöck, einer der Autoren der Studie.
Fischbandwurm blockiert die Entwicklung der Geschlechtsorgane beim Wirtsfisch
Parasiten haben Strategien entwickelt, um das Verhalten oder den Stoffwechsel ihrer Wirte zu ihrem Vorteil zu verändern. Unter den Fischparasiten stehen der Bandwurm Ligula intestinalis im Verdacht, das endokrine System seiner Wirtsfische zu beeinflussen und die Fortpflanzungsphysiologie zu beeinträchtigen. L. intestinalis kann die Entwicklung der Geschlechtsorgane seiner Wirtsfische Döbel und Plötze sogar vollständig blockieren, indem er die Expression von Gonadotropin-Genen und damit die Menge an Sexualhormonen in männlichen und weiblichen Wirtsfischen reduziert.
Lichtverschmutzung wirkt auf Schlafhormon Melatonin
Die Tatsache, dass das Lichtregime die Hormone der Fortpflanzung, insbesondere bei saisonal laichenden Fischen, beeinflusst, wird in der Aquakultur für die gezielte Fortpflanzung oder deren Unterdrückung genutzt. So ist es naheliegend, dass auch Lichtverschmutzung das Potenzial hat, als endokriner Disruptor zu wirken. „Lichtverschmutzung ist keine ‚äußere Substanz‘ der man ausgesetzt ist, sondern eine physikalische Kraft durch elektromagnetische Strahlung. Die WHO-Definition deckt Lichtverschmutzung deshalb nicht als Umweltfaktor ab, obwohl bereits belegt ist, dass Lichtverschmutzung ein Risiko für die Störung des Hormonsystems von Fischen und Amphibien birgt“, sagt Werner Kloas.
An Fischen wie Plötzen und Barschen untersuchte das Team den Einfluss von Lichtverschmutzung auf Hormone des Stress-, Schilddrüsen- und Fortpflanzungssystems sowie auf die Produktion des Schlafhormons Melatonin. Unter Laborbedingungen wurde die Melatonin-Sekretion bereits bei der niedrigsten nächtlichen Lichtexposition von 0,01 Lux (zum Vergleich die Beleuchtung bei Vollmond beträgt ca. 0,2 Lux) signifikant beeinträchtigt, während selbst höhere Expositionen keine Stressreaktion über Cortisol auslösten.
„Natürliche endokrine Disruptoren können eine Rolle spielen, aber sie prägen über die Koevolution die Lebewesen seit langer Zeit, ohne dass dies zu einem Verlust der biologischen Vielfalt geführt hat. Zukünftige Forschungs- und Regulierungsanstrengungen sollten sich daher auf die Minimierung anthropogener endokriner Disruptoren konzentrieren. Und das können eben durchaus auch nichtstoffliche Einflüsse sein“, sagt Mitautorin Dr. Andrea Ziková-Kloas, Gastwissenschaftlerin am IGB und Fachgebietsleiterin „Ökotoxikologielabor“ am Umweltbundesamt (UBA).
Herausforderungen für die Risikobewertung
Eine Herausforderung bei der Risikobewertung von hormonell aktiven Substanzen ist, dass sie indirekt über Störungen des Hormonsystems und nicht über direkte toxische Wirkungen ihren Schaden entfalten. Darüber hinaus ist zu berücksichtigen, dass ein einziger endokriner Disruptor das Potenzial hat, mehrere endokrine Systeme parallel zu stören. Vor allem indirekt, da die Hormonsysteme für Fortpflanzung beispielsweise eng mit den Hormonen der Schilddrüse verknüpft sind, die für Wachstum und Entwicklung wichtig sind. Sie interagieren auch eng mit dem Immun- und Nervensystem.
Alternativen zu Tierversuchen werden immer besser
„Um diese Wechselwirkungen beurteilen zu können, bedarf es spezieller Testansätze“, sagt Andrea Ziková-Kloas. Häufig werden dazu immer noch Tierversuche durchgeführt, da die Komplexität der Vorgänge nur im Gesamtorganismus erfasst werden kann. Die erstaunlichen Fortschritte bei der Etablierung von Organoid-Kulturen, die ein endokrines Organ wie die Schilddrüse rekonstruieren, oder sogar Multi-Organoide-on-a-Chip aus Säugetier-Stammzellen bieten aber zunehmend faszinierende Möglichkeiten, verschiedene endokrine Organsysteme in einem in vitro-System zu kombinieren. „Die Entwicklung solcher Organoide-on-a-chip könnte unser prinzipielles Verständnis dafür verbessern, wie verschiedene endokrine Systeme miteinander interagieren“, sagt die Wissenschaftlerin und gibt zu bedenken: „Allerdings werden klassische endokrine Systeme durch Rückkopplungsmechanismen reguliert, auch auf der Ebene des Gehirns, was die größte Herausforderung bei solch angestrebten Rekonstruktion eines klassischen endokrinen Systems darstellt.“
