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13.02.2017

Hohe Konzentrationen organischer Schadstoffe in Tieren aus der Tiefsee

Anlass

Selbst in kleinen Krebsen in entlegenen Tiefseegräben finden sich überraschend hohe Konzentrationen organischer Schadstoffe, die vor vielen Jahren vom Menschen verwendet und in Umlauf gebracht wurden. Zu diesem Ergebnis kommen Forscher, die eine kleine Anzahl Flohkrebse in bis zu 10.250 Metern Tiefe gefangen und dann auf die Schadstoffe PCB (polychlorierte Biphenyle) und PDBE (polybromierte Diphenylether) untersucht haben. Sie fanden in einigen Exemplaren Konzentrationen dieser organischen Verbindungen, die deutlich höher waren als die in Krabben nachgewiesen wurden, die in stark belasteten Flüssen in China leben. Der Befund ist umso erstaunlicher, als die Verwendung seit vielen Jahren verboten (Schadstoff PCB) oder zumindest stark eingeschränkt (Schadstoff PBDE) ist. Die Studie von Jamieson et al. wurde am 13.02.2017 im Fachjournal Nature Ecology & Evolution veröffentlicht.

 

Übersicht

  • Prof. Dr. Andrea Koschinsky-Fritsche, Professorin für Geowissenschaften, Abteilung für Physik und Erdwissenschaft, Jacobs University Bremen und MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Bremen
  • Prof. Dr. Ralf Ebinghaus, Leiter der Abteilung Umweltchemie, Helmholtz-Zentrum Geesthacht Zentrum für Material und Küstenforschung (HZG), Geesthacht
  • Dr. Ulrike Kammann, Wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Fischereiökologie, Johann Heinrich von Thünen-Institut, Bundesforschungsinstitut für Ländliche Räume, Wald und Fischerei, Hamburg
  • Dr. Oliver Wurl, Leiter der Arbeitsgruppe Meeresoberflächen, Institut für Chemie und Biologie des Meeres, Carl von Ossietzky Universität Oldenburg
  • Prof. Dr. Eric Achterberg, Leiter der Arbeitsgruppe Biogeochemie der Wassersäule im Forschungsbereich Marine Biogeochemie, Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel (GEOMAR), Kiel
  • Prof. Dr. Detlef Schulz-Bull, Sektionsleiter Meereschemie und stellvertretender Direktor am Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde an der Universität Rostock (IOW), Rostock

Statements

Prof. Dr. Andrea Koschinsky-Fritsche

Professorin für Geowissenschaften, Abteilung für Physik und Erdwissenschaft, Jacobs University Bremen und MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Bremen

„Es überrascht nicht unbedingt, dass diese Stoffe auch in Tieren in der Tiefsee gefunden werden. Man hat zum Beispiel auch in Walen, die sich in großer Wassertiefe ernähren, das Anti-Fouling-Mittel TBT (Tributylzinn-Verbindungen; Anti-Fouling-Mittel verhindern die unerwünschte Ansiedlung von Organismen an technischen Oberflächen, zum Beispiel Schiffsrümpfen; Anm. d. Red.) gefunden, dass früher bei Schiffsanstrichen weit verbreitet war. Da PCBs und PBDEs (polychlorierte Biphenyle und polybromierte Diphenylether; Anm. d. Red.) als habflüchtige Substanzen auch zu einem gewissen Anteil in die Atmosphäre übergehen, können sie sich somit auch global verteilen und sind zum Beispiel auch in der Arktis zu finden, obwohl die Verschmutzungsquellen weit weg sind. Überraschend sind die recht hohen Konzentrationen im Vergleich zu denen in Tieren flacherer küstennaher Regionen.“

„Die Ergebnisse der Studie belegen einmal mehr, dass der Abbau dieser organischen Schadstoffe sehr langsam vor sich geht, insbesondere in energiearmen Regionen wie der Tiefsee, wo es kalt und dunkel ist und chemische und mikrobiologische Prozesse sehr langsam ablaufen. Somit müssen wir uns auch nach dem Verbot solcher Substanzen noch über Jahrzehnte mit dem Erbe früherer Fahrlässigkeit im Umgang mit diesen Chemikalien befassen. Man könnte auf Basis solcher Ergebnisse erhoffen, dass bei der Zulassung und dem Einsatz neuer Chemikalien in der Zukunft stärker an langfristige und über Grenzen hinaus reichende negative Konsequenzen für Mensch und Umwelt gedacht wird.“

„Diese Verbindungen reichern sich generell in fetthaltigem Gewebe von Meerestieren an. Und da Säugetiere wie Wale, Robben und Eisbären am Ende der Nahrungskette stehen und zwischen jeder Stufe in der Nahrungskette eine Anreicherung der Schadstoffe in den Organismen in der Größenordnung von etwa Faktor 100 stattfinden kann, ist auch der Mensch am Ende der Nahrungskette ohne Zweifel von der Aufnahme solcher Stoffe betroffen, zum Beispiel über Fisch und auch Fleisch. Organismen aus Tiefseegräben sind dabei allerdings nur für wenige Meeresorganismen als Beute zu erreichen; daher ist die Tiefsee vermutlich eine Senke für solche Stoffe.“

Prof. Dr. Ralf Ebinghaus

Leiter der Abteilung Umweltchemie, Helmholtz-Zentrum Geesthacht Zentrum für Material und Küstenforschung (HZG), Geesthacht

„Die Autoren verwenden ein bewährtes und validiertes Verfahren für die Analytik der zu untersuchenden PBCs und PBDEs (polychlorierte Biphenyle und polybromierte Diphenylether; Anm. d. Red.). Die angegebenen Wiederfindungsraten und Bestimmungsgrenzen sind absolut plausibel und stimmen mit denen aus der Literatur und auch unseren eigenen sehr gut überein. Für eine derart komplexe umweltchemische Fragestellung ist es natürlich immer wünschenswert, möglichst viel Probenmaterial zu haben. Bedenkt man allerdings die instrumentellen und logistischen Herausforderungen, die damit verbunden sind in 10.000 Metern Meerestiefe Proben zu gewinnen, dann ist das hier Erreichte wirklich bemerkenswert.“

„Die Konzentrationen im Marianengraben, insbesondere für die PCBSs, sind in der Tat sehr hoch. Auch wenn die Autoren keine wissenschaftlichen Belege für einen ursächlichen Zusammenhang mit dem Great Pacific Garbage Patch (Ansammlung von geschätzt 100 Millionen Tonnen Plastikmüll im Nordpazifik; Anm. d. Red.) haben, so kommt hier ein in meinen Augen wichtiger Punkt ins Spiel: Plastikmüll im Meer ist eben nicht nur ein ästhetisches Problem oder gefährlich für Tiere, die sich darin verstricken oder den Müll mit Nahrung verwechseln. Plastik im Meer ist Quelle für chemische Substanzen, zum Beispiel Additiven wie Weichmachern, UV-Stabilisatoren, Flammschutzmitteln, die mit der Zeit freigesetzt werden können. Gealtertes Plastikmaterial und Mikroplastik kann zudem auch Schadstoffe aus dem Meer aufnehmen und aufkonzentrieren.“

„Die Persistenz dieser beiden Substanzklassen ist seit vielen Jahren bekannt und belegt. Wir finden diese Substanzen auch in der Arktis und der Antarktis sowie im Hochland von Tibet. Und das nicht selten in höheren Konzentrationen als in den gemäßigten Breiten, wo sie industriell produziert und eingesetzt wurden. Dies stimmt auch gut mit Modellbetrachtungen überein, die als ‚kalte Kondensation’ beschrieben werden. Diese sagen voraus, dass sich die hier untersuchten besonders langlebigen Schadstoffe in den kalten Regionen der Welt anreichern werden, auch wenn sie schon lange nicht mehr produziert und eingesetzt werden dürfen.“

„Ähnlich wie beim Klimawandel liegen hier Ursache und Auswirkung, Profiteure und Leidtragende räumlich und zeitlich weit voneinander entfernt. Das ist ganz sicher nicht fair!“„Die hier vorliegende Studie zeigt nun, dass so ein Verlagerungsprozess auch bis in die größten Tiefen der Ozeane reicht. Ein Vorgang, den wir als Modell der ‚Biologischen Pumpe’ kennen, der aber für derartige Meerestiefen bisher nicht mit Messdaten wissenschaftlich belegt werden konnte.“

„PCBs kommen im Meerwasser in Konzentrationen von wenigen Nanogramm pro Liter vor, also Milliardstel Gramm pro Liter Wasser. In höheren Meeressäugern liegen aufgrund der Anreicherung entlang der Nahrungskette die Konzentration aber schon im Bereich von Milligramm bis Gramm pro Kilogramm! Meeresorganismen sind diesen Schadstoffen rund um die Uhr und ihr Leben lang ausgesetzt. Und nicht zu vergessen: Am Ende der Nahrungskette steht der Mensch.“

Dr. Ulrike Kammann

Wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Fischereiökologie, Johann Heinrich von Thünen-Institut, Bundesforschungsinstitut für Ländliche Räume, Wald und Fischerei, Hamburg

„PCB und PBDE (polychlorierte Biphenyle und polybromierte Diphenylether; Anm. d. Red.) sind menschengemachte Verbindungen, die besonders langlebig sind. Sie haben sich bereits über den gesamten Globus verteilt. Man findet sie in entfernten Seegebieten ebenso wie im arktischen Eis. Sie verteilen sich unter anderem gebunden an Partikel durch Wasser und Luft und sinken im Meer gemeinsam mit Partikeln zu Boden. Dort können sie in die Nahrungskette eintreten und von Organismen aufgenommen werden. So haben sie vermutlich die Tiefsee-Gebiete erreicht.“

„Es ist also nicht überraschend, dass die Autoren in der genannten Studie diese Substanzen in Tiefsee-Amphipoden (Flohkrebse, deren Lebensraum die Tiefsee ist; Anm. d. Red.) gefunden haben. Erstaunlich sind die nachgewiesenen hohen Konzentrationen. Die Gründe dafür können vielfältig sein, wie auch in der Studie ausgeführt.“

„Die höchsten Konzentrationen in der Meeresumwelt findet man üblicherweise in fleischfressenden, fettreichen und alten Organismen am Ende der Nahrungskette wie zum Beispiel in Aalen, Vögeln und Eisbären.“

„Für Amphipoden sind solche Gehalte nicht typisch. Die Ergebnisse zeigen, dass es auch fern von Eintragsquellen offensichtlich Situationen gibt, die weiter untersucht werden sollten. Daher ist eine regelmäßige Messung der Schadstoffkonzentrationen in Meeresorganismen eine wichtige Aufgabe.“

Dr. Oliver Wurl

Leiter der Arbeitsgruppe Meeresoberflächen, Institut für Chemie und Biologie des Meeres, Carl von Ossietzky Universität Oldenburg

„Die beschriebenen Messwerte sind um ein Vielfaches höher als Werte, die wir in einer Studie über PCB-Belastungen (polychlorierte Biphenyle; Anm. d. Red.) in Sedimenten des Industriestaates Singapur beschrieben haben. Das könnte eventuell an der Methodik liegen, die, wie in der aktuellen Veröffentlichung beschrieben, nicht dem modernsten Stand entspricht und eindeutige Identifizierung von detektierten Verbindungen nicht zulassen. Die Autoren beschreiben keine Ergebnisse für zertifizierte Referenzproben, obwohl dies typisch wäre für die Spurenanalyse von organischen Schadstoffen. Außerdem ist es möglich, dass auch die Geruchswolke des Köders für die Krebstierchen die Umgebung kontaminiert hat.“

„Das eindeutige Auffinden von Quellen ist schwierig, da PCBs und PBDEs (polybromierte Diphenylether; Anm. d. Red.) schnell durch Meeresströmungen und Winde in der marinen Umwelt verbreitet werden. Die Entfernungen des Marianengraben zu den nächsten Landmassen betragen mindestens 2000 Kilometer und Verdampfung der leichtflüchtigen PCBs und PBDEs und weiterer atmosphärischer Transport scheint eher plausibel zu sein. Müll im Great Pacific Garbage Patch (Ansammlung von geschätzt 100 Millionen Tonnen Plastikmüll im Nordpazifik; Anm. d. Red.) ist ein Problem, das sich in der Nähe der Meeresoberfläche zeigt; und die Akkumulation in der Nahrungskette und Verdampfung von ausgebleichten Schadstoffen aus dem Müll deuten hier eher nicht auf eine wichtige Herkunftsquelle für die Tiefsee hin.“

„Die in der Studie erwähnten Krebstierchen haben eine geringe Lebenserwartung und stehen unten in der Nahrungskette der Tiefsee. Mit den beschriebenen Werten müssten Räuber der Tiefsee extrem hoch kontaminiert sein. Daher überraschen mich die Ergebnisse und ich kann mir die Herkunft nicht erklären. Auch nicht durch die in der Studie beschriebenen absinkende Partikel - die werden nämlich beim Absinken in den ersten 2000 bis 3000 Metern zu 98 Prozent von Bakterien zersetzt.“

„Die Persistenz und globale Verteilung dieser Schadstoffe sind seit Langem bekannt. Die Krebstierchen haben eine kurze Lebenszeit und daher bringt diese Studie wenig neues Wissen über die Persistenz. Die Erklärung der Autoren, dass die Schadstoffe in der Tiefe auf das Absinken an Partikeln zurückzuführen sei, umspannt einen Zeitraum von einem halben Jahr. Wobei 98 Prozent der Partikel nicht den Meeresboden erreichen, die Verweildauer aber in der Umwelt mit mehreren Jahrzehnten geschätzt wird. Daher sind neue Erkenntnisse über die Persistenz aus dieser Studie nicht zu entnehmen.“

„Diese Schadstoffe wurden bereits in Robben und Eisbären der Arktis detektiert. Auch in Pottwalen wurden PCBs und PBDEs gefunden. Pottwale ernähren sich von Riesentintenfischen aus der Tiefsee, aber beide stehen am Ende der Nahrungskette mit hoher Lebenserwartung, das bedeutet eine potentiell hohe Anreicherung. Die Literatur berichtet über Messwerte für PCBs in Pottwalen, die um ein Mehrfaches geringer lagen als die Konzentration der Krebstierchen aus dieser Studie. Die Anreicherung in der Nahrungskette ist bedenklich, denn diese Schadstoffe mit dem Potenzial, Krebs zu verursachen, wurden auch in Menschen gefunden. Insbesondere Studien in Muttermilch trugen vermutlich zum Verbot dieser Stoffe bei.“

„Das Verbot dieser Substanzen verhindert allerdings nicht die Freisetzung solcher Schadstoffe. Viele Maschinen und elektronische Geräte enthalten diese Schadstoffe und werden zum Beispiel freigesetzt beim Abwracken von Schiffen in Indien und Bangladesch und beim unsachgemäßen ‚Recycling’ von elektronischen Geräten in China. Durch die Distanzen, das Verdünnen und das Anreichern nahe der Erdoberfläche können diese Quellen dennoch die hohen Messwerte der Studie nicht erklären. Allerdings zeigt es, dass diese Art von Schadstoffen weiterhin in unsere Umwelt gelangen.“

Prof. Dr. Eric Achterberg

Leiter der Arbeitsgruppe Biogeochemie der Wassersäule im Forschungsbereich Marine Biogeochemie, Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel (GEOMAR), Kiel

„Es handelt sich zusammenfassend sicherlich um eine sehr interessante Studie, aber der Mangel an Klarheit bezüglich der angewandten Methoden stellt die Qualität der Daten in Frage. Die Studie stellt einige wichtige Fragen bezüglich der Expositionsmechanismen, die nun durch weitere Arbeiten beantwortet werden müssen.“

„Die Autoren präsentieren Konzentrationen für PCBs und PDBEs (polychlorierte Biphenyle und polybromierte Diphenylether; Anm. d. Red) – Verbindungen, die den Hormonhaushalt des Menschen stören können – in Organismen aus Tiefseegräben des Pazifischen Ozeans. Die Konzentrationen wurden im Fettgewebe und in getrockneten Proben von Flohkrebsen gemessen, die mit Fallen an Bord eines Tiefsee-Forschungsgeräts gesammelt wurden. Die Proben stammen von nur wenigen Tieren aus wenigen unterschiedlichen Tiefen. Das lässt sich damit erklären, dass es eine enorme Herausforderung ist, solche Proben in Meerestiefen von sieben bis zehn Kilometern zu sammeln. Die gefundenen Konzentrationen für die PCBs waren 50-mal höher, als sie in Krabben aus verschmutzen Flüssen in China gefunden wurden. Auch die PDBE-Konzentrationen sind höher als die in einer neuseeländischen Flussmündung, auf die sich die Autoren in der Studie beziehen. Die Forscher liefern kaum Informationen zu den verwendeten analytischen Methoden und verweisen lediglich auf die Arbeiten einer anderen, von ihnen unabhängigen Forschergruppe. Außerdem fehlt jeder Hinweis, dass sie zertifizierte Referenzproben eingesetzt haben, um ihre Messungen so genau wie möglich zu gestalten. In den Diagrammen fehlen die Fehlerbalken; dabei wären diese wichtig, um die Genauigkeit und die Unsicherheit der Messungen anzugeben. Dies stärkt nicht das Vertrauen in die angewandten Methoden.“

„Die Messungen und der Nachweis von Verbindungen wie PCBs sind in Deutschland Routinemethoden für Wasser aus Küstengebieten. Meistens werden sie vom Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie durchgeführt. Studien in abgelegenen Regionen der Ozeane sind rar, weil es extrem schwierig ist, dort Proben zu entnehmen. Die in dieseer Studie beobachteten hohen Konzentrationen sind sicherlich überraschend. Einerseits sind die von den Autoren vorgeschlagenen Erklärungen (die relative Nähe des Marianengrabens zur Industrienation Japan und zum Great Pacific Garbage Patch, einer Ansammlung von geschätzt 100 Millionen Tonnen Plastikmüll im Nordpazifik; Anm. d. Red.) durchaus möglich, wenn auch eher spekulativ. Andererseits ist es tatsächlich schwierig, über andere Quellen für die PCBs und PBDEs zu spekulieren, die zu diesen hohen Konzentrationen in den Flohkrebsen geführt haben könnten.“

„PCBs und PBDEs sind beständige Verbindungen. Das ist bekannt und insofern liefert die Studie keine neuen oder überraschenden Informationen. Überraschend sind dagegen die hohen Konzentrationen in den Flohkrebsen aus der Tiefsee, zeigen sie doch, dass auch sehr abgelegene Regionen unseres Planeten stark durch Industrie-Chemikalien beeinflusst werden. Die Studie stellt ein paar neue Fragen auf zu möglichen Transportwegen halogenierter organischer Kohlenwasserstoffe und den Expositionsmechanismen für Tiefsee-Organismen. Angesichts der wachsenden Bedenken gegenüber Kunststoffen in den Ozeanen und dem möglichen Transport dieser Verbindungen durch Plastikmüll bedarf es weiterer Forschung, um die offenen Fragen zu beantworten, welche Rolle Plastik für den Transport von Schadstoffen spielt und wie es unsere Ozeane belastet.“

„Ich denke nicht, dass diese Studie viele Informationen liefert über den Transfer von Schadstoffen in die marinen Nahrungsnetze oder darüber, wie sehr der Mensch, der Meerestiere und Fisch isst, diesen Schadstoffen ausgesetzt ist. Es sind weitere Arbeiten über die genauen Transportmechanismen von PCBs und PBDEs und zur Exposition notwendig, damit wir das mögliche Expositionsrisiko beurteilen können, das für andere Organismen in anderen Regionen der Ozeane besteht.“

Prof. Dr. Detlef Schulz-Bull

Sektionsleiter Meereschemie und stellvertretender Direktor am Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde an der Universität Rostock (IOW), Rostock

„Die in der Studie untersuchten Schadstoffe gehören zu den persistenten und lipophilen (fettliebenden) Stoffen. Sie werden in der Umwelt nicht abgebaut und reichern sich daher in Nahrungsketten an (Bioakkumulation). Solche Stoffe werden über die Atmosphäre global verteilt, wenn sie durch atmosphärische Einträge oder auch durch Flüsse ins Oberflächenwasser der Ozeane geraten. PCBs und PBDEs (polychlorierte Biphenyle und polybromierte Diphenylether; Anm. d. Red.) werden von Algen und organischen Partikeln aufgenommen. Diese sinken als Partikel in tiefere Wasserschichten und letzlich bis zum Sediment der Ozeane. Die Wassertiefe spielt bei diesem grundsätzlichen Transportprozess keine Rolle. Die Nähe zu den Quellen der Schadstoffe kann sich global unterscheiden, was dann lokalen Variabilitäten führt.“

„Algen und organische Partikel dienen anderen, höheren Organismen als Nahrung. Die Schadstoffe werden weitergegeben und sind dann in immer höheren Konzentrationen zu finden. In der Nahrungskette von Algen über Zooplankton zu Fisch bis hin zu Seehunden und Walen steigen die Konzentrationen von Schadstoffen an. Die untersuchten Flohkrebse stehen in der Mitte solcher Nahrungsketten.“

„Insgesamt sind die Ergebnisse der Studie verständlich, die Methodik ist in Ordnung, die Ergebnisse aber auch keine Überraschung. Die Probenanzahl reicht aus, um die getroffenen Aussagen zu belegen.“

„Bis zum Verbot der PCBs war Japan ein Hauptproduzent und Nutzer in den 1970er Jahren. Der Pazifik in der Nähe dieser Regionen wurde bereits öfter als höher belastet identifiziert, dazu gibt es einige Studien. Höhere Werte in Ozeanen werden im Nordatlantik (USA, Europa) beobachtet.“

„Es ist seit vielen Jahren bekannt, dass PCBs und PDBEs auch viele Jahre nach ihrem Verbot bzw. ihrer starken Verwendungsbeschränkung noch in den Weltmeeren nachgewiesen werden können. Es ist ausführlich beschrieben, dass diese Stoffe überall, auch in den Nahrungsketten zu finden sind, sogar in der Arktis und Antarktis.“

Mögliche Interessenkonflikte

Alle: Keine angegeben.

Primärquelle

Jamieson, A.J. et al. (2017): Bioaccumulation of persistant organic pollutants in the deepest ocean fauna. Nature Ecology & Evolution. DOI: 10.1038/s41559-016-0051