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Nanopartikel beeinträchtigen Feindabwehr von Wasserflöhen

Wasserfloh
Wasserfloh (Daphnia sp.)(Bild: micro_photo/ iStock)

Normalerweise schützen sich Wasserflöhe gegen das Gefressenwerden durch eine raffinierte Strategie: Sie bilden Stachel aus, sobald sie einen Botenstoff von Raubfischen wahrnehmen. Doch wenn das Wasser mit Silber-Nanopartikeln verunreinigt ist, funktioniert diese Schutzreaktion nicht mehr richtig, wie nun eine Studie enthüllt. Bei der Folgegeneration der Wasserflöhe bleiben die Schutzstacheln kurz, selbst wenn Raubfische in der Nähe sind.

Nanopartikel sind inzwischen in vielen Alltagsprodukten verbreitet – von Zahnpasta und Sonnencreme über Verbandsmaterial bis hin zu Funktionsbekleidung. Besonders häufig vertreten sind dabei Silber-Nanopartikel, die wegen ihrer antimikrobiellen Wirkung in vielen Medizinprodukten, aber auch Lebensmittelbehältern, Sportkleidung, Socken und sogar als Beschichtung in Waschmaschinen eingesetzt werden. Beim Waschen gelangen diese Nanopartikel dann in unser Abwasser.

Wasserflöhe als Indikatoren

Das Problem jedoch: Weil die Nanopartikel weniger als 100 Nanometer klein sind, werden sie von vielen Kläranlagen nicht vollständig aus dem Abwasser entfernt, die Effektivität der Filterung liegt je nach Anlage zwischen 50 und 99 Prozent. Dadurch gelangen Silber-Nanopartikel auch in die Flüsse und damit potenziell auch in die Nahrungsketten dieser Gewässer. Tatsächlich hatten frühere Studien schon nachgewiesen, dass Nanosilber selbst in geringen Konzentrationen offenbar den Fortpflanzungserfolg von Wasserflöhen (Daphnia sp.) verringert. Außerdem blieben die Wasserflöhe schon bei weniger als fünf Mikrogramm Nanopartikeln pro Liter kleiner als ihre Artgenossen.

Eine weitere mögliche Folge der Silber-Nanopartikel auf Wasserorganismen wie die Daphnien haben nun Sarah Hartmann von der Universität Siegen und ihre Kollegen untersucht. Sie wollten wissen, ob sich die Kontamination der Gewässer möglicherweise auch auf eine wichtige Abwehrmaßnahme der Wasserflöhe auswirkt. Denn um sich vor ihren Fressfeinden zu schützen, entwickeln einige Wasserfloharten lange Stacheln, spitze Helme oder Nackenzähne, wodurch sie ihren Feinden beim Fressen buchstäblich im Hals stecken bleiben. „Die Ausbildung dieser Stacheln, Helme oder Nackenzähne zur Feindabwehr wird durch sogenannte Kairomone gesteuert. Das sind chemische Signalstoffe, die Raubfische ins Wasser abgeben“, erklärt Hartmann. „Ist der Räuberdruck groß und die Kairomon-Konzentration im Wasser entsprechend hoch, bilden sie mit jeder Häutung größere Abwehrstrukturen aus.“

Überraschende Wirkung auf die zweite Generation

Für ihre Studie haben die Forscher getestet, ob sich diese Reaktion der Wasserflöhe auf die Raubfisch-Botenstoffe in Gegenwart von Silber-Nanopartikeln ändert. Dafür züchteten sie mehrere Generationen von Daphnien entweder in kontaminiertem oder sauberem Wasser und gaben regelmäßig typische Dosen der Raubfisch-Kairomone dazu. Der Gehalt der Silber-Nanopartikel variierte zwischen fünf und 20 Mikrogramm pro Liter Wasser – das sind Konzentrationen, wie sie in der Umwelt durchaus vorkommen können, wie Hartmann und ihre Kollegen erklären. Für jede Zuchtlinie der insgesamt mehr als tausend Daphnien untersuchten sie, ob die Tiere Abwehrstacheln ausbildeten und wie stark.

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Das Experiment ergab Überraschendes: Während erwachsene Daphnien trotz Nanosilber ihre Abwehrstrukturen ausbildeten, blieb diese Reaktion bei ihren Nachkommen aus. Sie entwickelten selbst bei Präsenz der Raubfisch-Kairomone im Wasser deutlich kürzere Stacheln als ihre Mütter, wie die Wissenschaftler berichten. In einem Gewässer wäre dies ein deutlicher Nachteil für diese Wasserflöhe. Denn wenn sie bei Anwesenheit von Raubfischen keinen Schutz besitzen, werden sie leichter gefressen. „Das Ergebnis hat uns selbst überrascht und ist hochspannend, weil es zeigt, dass es durchaus einen Effekt hat, wenn künstliche Stoffe wie Silbernanopartikel in Gewässer gelangen“, erklärt Hartmann. Dies sei zudem die erste Studie, die eine solche Wechselwirkung zwischen natürlichen Substanzen und künstlich vom Menschen erzeugten Nanopartikeln zeige.

Warum allerdings die Wasserflöhe der zweiten Generation nicht mehr richtig auf die Kairomone reagieren, ist noch unklar. „Möglicherweise beeinflussen die Partikel bei den Nachkommen Genaktivitäten, die den Mechanismus steuern – es könnte sein, dass das Abwehr-Programm aus diesem Grund nicht so ablaufen kann, wie bei den Muttertieren. Aber genau wissen wir das derzeit noch nicht“, sagt Hartmann. Das muss nun näher untersucht werden.

Quelle: Universität Siegen; Fachartikel: Scientific Reports, doi: 10.1038/s41598-020-64652-7

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