Weißfäulepilze bauen Medikamente im Klärschlamm ab

Was im Abfluss landet, ist damit noch lange nicht verschwunden. Viele moderne Arzneimittel überstehen die Reinigungsstufen kommunaler Kläranlagen und finden sich später im Klärschlamm wieder, der als Dünger auf Äckern ausgebracht wird. Ein Forschungsteam der Johns Hopkins University hat jetzt gezeigt, dass bestimmte holzzersetzende Pilze solche Wirkstoffe überraschend wirksam abbauen können. Damit könnte sich ein bisher ungelöstes Umweltproblem entschärfen lassen.

Verborgene Arzneimittelrückstände im „guten“ Dünger

Klärschlamm, der in den USA und Europa häufig als „Biosolids“ bezeichnet wird, gilt als wertvoller Rohstoff. Er liefert Stickstoff, Phosphor und organisches Material, die ausgelaugte Böden verbessern können. Allerdings enthält er auch eine problematische Zugabe: Rückstände von Medikamenten, insbesondere psychoaktiven Wirkstoffen wie Antidepressiva.

Diese Substanzen gelangen auf zwei Wegen in die Umwelt. Sie werden über Urin und Stuhl behandelter Menschen ausgeschieden, kommen aber auch durch unsachgemäß entsorgte Tabletten in die Kanalisation, etwa wenn sie über Toilette oder Ausguss weggespült werden. Herkömmliche Kläranlagen entfernen zwar Krankheitserreger und einen großen Teil der Metalle aus dem Abwasser. Bei komplexen organischen Chemikalien stößt das System jedoch weitgehend an seine Grenzen.

Psychoaktive Arzneien sind so gebaut, dass sie im menschlichen Körper stabil bleiben – genau das macht sie in der Umwelt so hartnäckig.

Wie viel von diesen Rückständen letztlich tatsächlich auf dem Teller landet, ist bislang offen. Untersuchungen belegen, dass Pflanzen einzelne Wirkstoffe aus mit Klärschlamm behandelten Böden aufnehmen können. Ob diese Stoffe anschließend in bedeutsamen Mengen in Lebensmittel gelangen, ist noch nicht abschließend geklärt. Trotzdem gelten sie Fachleuten als „Besorgnisstoffe“, da schon sehr geringe Dosen psychoaktive Wirkungen auslösen können und empfindliche Wasserorganismen darauf reagieren.

Weshalb Weißfäulepilze besonders interessant sind

Die Forschenden aus der Abteilung für Umweltgesundheit und Ingenieurwesen griffen ein Prinzip auf, das aus der Zersetzung von Holz bekannt ist: den Einsatz von Weißfäulepilzen. Diese Organismen können Lignin abbauen, jenen Pflanzenstoff, der Holz sein stabiles Gerüst verleiht. Lignin zählt zu den biologisch besonders schwer abbaubaren Stoffen. Pilze, die diese Hürde überwinden, können häufig auch zahlreiche andere komplexe Moleküle zerlegen.

Im Mittelpunkt der Studie standen zwei Arten, die auch vielen Garten- und Pilzinteressierten bekannt sind:

• Pleurotus ostreatus – der Austernseitling
• Trametes versicolor – meist Schmetterlingstramete oder Schmetterlings-Tramete genannt

Beide Arten geben Enzyme unmittelbar an ihre Umgebung ab. Diese Enzyme sind nicht auf ein einzelnes Zielmolekül zugeschnitten, sondern greifen verschiedene Stoffe an, sofern diese zu ihrem chemischen Spektrum passen. Gerade diese breit wirksame Eigenschaft macht die Pilze für die Behandlung von Klärschlamm attraktiv, weil darin zahlreiche unterschiedliche Arzneimittelrückstände gleichzeitig vorkommen können.

Ablauf des Weißfäulepilz-Versuchs mit Klärschlamm

Für ihre Untersuchung verwendete das Team Klärschlamm aus einer kommunalen Anlage. Anschließend versetzten die Forschenden das Material gezielt mit neun häufig nachgewiesenen psychoaktiven Medikamenten, darunter verbreiteten Antidepressiva wie Citalopram und Trazodon. Die Pilze konnten danach bis zu 60 Tage direkt auf diesem Substrat wachsen.

Zeitgleich führten die Forschenden Kontrollversuche in flüssigen Nährmedien ohne Klärschlamm durch. Auf diese Weise konnten sie feststellen, ob sich die Abbauleistung unter den komplexen, belasteten Bedingungen von jener in sauberen Laborlösungen unterscheidet.

Mithilfe hochauflösender Massenspektrometrie beobachtete das Team, wie sich die Medikamentenkonzentrationen im Verlauf der Zeit entwickelten und welche Abbauprodukte dabei entstanden.

Hohe Abbauraten nach zwei Monaten

Beide Pilzarten zeigten eine bemerkenswerte Wirkung. Die zentralen Ergebnisse im Überblick:

• Beide Pilze reduzierten acht von neun untersuchten Wirkstoffen deutlich.
• Nach 60 Tagen lagen die Abbauraten je nach Substanz meist bei etwa 50 % bis nahezu vollständiger Entfernung.
• Der Austernseitling erwies sich in mehreren Fällen als besonders leistungsfähig und erreichte bei einigen Antidepressiva Abbauwerte von über 90 %.

Die Pilze „parken“ die Medikamente nicht einfach, sie zerlegen sie chemisch in kleinere, meist weniger problematische Bausteine.

Aus den gemessenen Molekülfragmenten bestimmte das Forschungsteam mehr als 40 unterschiedliche Abbauprodukte. Zu den typischen Reaktionen zählten die Zerlegung großer Moleküle in kleinere Einheiten sowie die Anlagerung von Sauerstoffgruppen. Beides entspricht dem bekannten Enzymspektrum von Weißfäulepilzen.

Wird die Belastung tatsächlich verringert oder nur verschoben?

Eine grundlegende Frage der Umweltchemie lautet, ob beim Abbau eines Schadstoffs wirklich weniger bedenkliche Stoffe entstehen oder ob lediglich ein neuer, womöglich ebenso problematischer Mix unbekannter Verbindungen gebildet wird.

Um diese Bedenken zu prüfen, setzte das Team ein Gefahrenbewertungsinstrument der US-Umweltbehörde EPA ein. Damit konnten Toxizität, Persistenz und das Potenzial zur Bioakkumulation der entstandenen Abbauprodukte abgeschätzt werden.

Die erste Auswertung war ermutigend: Das Modell bewertete die Mehrheit der identifizierten Fragmente als weniger gefährlich als die ursprünglichen Medikamente. Demnach reduziert die Behandlung mit Pilzen voraussichtlich das Gesamtrisiko, anstatt lediglich die Erscheinungsform des Problems zu verändern.

Von der Laborbox in die Kläranlage: Wie realistisch ist das?

Die Untersuchung macht einen wichtigen Unterschied sichtbar: In echtem Klärschlamm verhalten sich Medikamente anders als in klaren Laborlösungen. Einige Wirkstoffe wurden in den biosolidhaltigen Proben sogar stärker abgebaut als in Flüssigkulturen. Solche Abweichungen unterstreichen, dass Versuche unter praxisnahen Bedingungen unverzichtbar sind.

Zugleich bietet sich ein praktikabler Ansatz an. Weißfäulepilze wachsen natürlicherweise auf festen Materialien wie Baumstämmen, Holzhackschnitzeln oder Stroh. Klärschlamm könnte deshalb vergleichsweise einfach als Pilzsubstrat dienen, bevor er auf landwirtschaftliche Flächen ausgebracht wird.

Mögliche Einsatzformen für Kläranlagen und Entsorgungsbetriebe wären:

• eine zusätzliche Rottephase, in der Klärschlamm mit Pilzmyzel beimpft wird
• fest eingebaute Reaktoren mit Holzsubstraten, die Pilzkolonien tragen und mit Schlamm beschickt werden
• die Verbindung der Pilzbehandlung mit vorhandenen Trocknungs- oder Kompostierungsanlagen

Verglichen mit thermischen oder rein chemischen Verfahren wäre der Energiebedarf gering. Die Pilze benötigen vor allem ausreichend Zeit, geeignete Temperaturen und etwas Sauerstoff.

Chancen, Grenzen und Risiken der „Mykoaugmentation“

Für einen solchen Ansatz verwenden Fachleute den Begriff „Mykoaugmentation“: Gemeint ist der gezielte Einsatz von Pilzen zur Reinigung belasteter Materialien. Sein Reiz liegt in der einfachen Anwendung und darin, natürliche Prozesse zu nutzen. Vor einem großflächigen Einsatz bleiben jedoch wichtige Fragen offen.

Dazu zählen beispielsweise:

• Wie zuverlässig arbeiten Pilzkulturen bei schwankender Schlammqualität und über verschiedene Jahreszeiten hinweg?
• Welche Rückstände verbleiben in der Pilzbiomasse, und wie kann diese anschließend entsorgt oder genutzt werden?
• Wie beeinflussen andere Mikroorganismen im Schlamm die Pilze: Unterstützen sie den Abbau oder hemmen sie ihn?
• In welchem Umfang verringern sich Risiken für Wasserorganismen und Menschen unter realen Einsatzbedingungen und nicht nur im Labor?

Besonders sensibel ist die Frage nach der weiteren Verwendung der Pilzmasse. Austernseitlinge sind grundsätzlich Speisepilze. Wachsen sie jedoch zur Reinigung auf Klärschlamm, sind sie nicht mehr für den Verzehr geeignet. Unter kontrollierten Bedingungen kämen sie eher als Brennstoff oder Bodenverbesserer infrage.

Was Verbraucher und Kommunen bereits heute tun können

Die Studie eröffnet einen interessanten Zukunftsweg für Betreiber von Kläranlagen, nimmt aber weder Gesellschaft noch Einzelne aus der Verantwortung. Je weniger Arzneimittel in das Abwasser gelangen, desto einfacher ist die Behandlung der verbleibenden Rückstände.

Zu den praktischen Möglichkeiten gehören:

• Medikamente niemals über Toilette oder Ausguss entsorgen, sondern bei Apotheken oder kommunalen Sammelstellen abgeben
• bei dauerhaften Therapien gemeinsam mit Ärztinnen und Ärzten regelmäßig prüfen, ob die Dosierung weiterhin angemessen ist – jede nicht benötigte Tablette muss später nicht entsorgt werden
• Kommunen können Informationskampagnen auflegen und Rückgabemöglichkeiten ausbauen
• Forschung und Pilotanlagen für biologische Reinigungsverfahren gezielt unterstützen

Parallel entwickeln Umweltchemiker Wirkstoffe, die im Körper ihre medizinische Wirkung entfalten, sich danach jedoch schneller abbauen lassen. Pilzsysteme wie in der Johns-Hopkins-Studie könnten dabei ein wichtiger Baustein sein, um verbliebene Arzneimittelreste aus dem Stoffkreislauf zu entfernen.

Warum Pilze für die Umwelttechnik zunehmend wichtiger werden

Weißfäulepilze kommen längst nicht nur bei Klärschlamm infrage. Forschende untersuchen ähnliche Verfahren auch für Pestizide, Farbstoffe aus der Textilindustrie und Rückstände von Altöl. Die Enzyme dieser Organismen sind bemerkenswert widerstandsfähig und können teilweise isoliert verwendet werden, ohne dass der gesamte Pilz kultiviert werden muss.

Insbesondere Regionen mit begrenzten Budgets könnten davon profitieren: Pilzbasierte Anlagen benötigen einfache Materialien und keine komplexe chemische Technik. In Industrieländern mit hohen Umweltstandards könnten sie eine zusätzliche Schutzstufe bilden – vergleichbar mit einem biologischen „Feinschliff“, nachdem herkömmliche Verfahren die gröbsten Verunreinigungen entfernt haben.

Die Arbeit der Johns-Hopkins-Gruppe verdeutlicht, dass aus einem auf den ersten Blick unscheinbaren Forschungsthema ein strategisches Element moderner Umweltpolitik werden könnte: Pilzkulturen als Schutzschicht zwischen Kläranlage und Acker, die den Strom von Arzneimittelresten deutlich verringert, bevor diese die Nahrungskette erreichen.