Weißfäulepilze bauen Arzneimittelreste im Klärschlamm ab

Was durch den Abfluss gespült wird, verschwindet keineswegs einfach. Viele moderne Arzneimittel überstehen die Reinigung in Kläranlagen und finden sich später im Klärschlamm wieder, der als Dünger auf Äckern ausgebracht wird. Ein Forschungsteam der Johns Hopkins University hat nun gezeigt, dass bestimmte holzzersetzende Pilze diese Wirkstoffe bemerkenswert wirksam abbauen können. Damit könnte sich ein bislang ungelöstes Umweltproblem entschärfen lassen.

Verborgene Arzneimittelreste 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 und kann ausgelaugte Böden verbessern. Gleichzeitig enthält er jedoch eine unerwünschte Fracht: Arzneimittelrückstände, insbesondere psychoaktive Wirkstoffe wie Antidepressiva.

Diese Substanzen gelangen auf zwei Wegen in die Umwelt. Zum einen werden sie über Urin und Stuhl behandelter Personen ausgeschieden, zum anderen durch Tabletten, die fälschlicherweise in Toilette oder Ausguss entsorgt werden. Herkömmliche Kläranlagen entfernen zwar Krankheitserreger und einen großen Teil der Metalle aus dem Abwasser. Komplexe organische Chemikalien passieren die Anlagen jedoch weitgehend.

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

Wie stark solche Rückstände letztlich auf unseren Tellern landen, ist bisher nicht eindeutig geklärt. Untersuchungen belegen, dass Pflanzen einzelne Wirkstoffe aus mit Klärschlamm behandelten Böden aufnehmen können. Ob sie anschließend in relevanten Mengen in Lebensmittel gelangen, lässt sich noch nicht abschließend sagen. Dennoch gelten sie Fachleuten als „Besorgnisstoffe“, da schon kleinste Dosen psychoaktive Wirkungen auslösen können und empfindliche Wasserorganismen darauf reagieren.

Warum Weißfäulepilze für Arzneimittelrückstände interessant sind

Das Team aus der Abteilung für Umweltgesundheit und Ingenieurwesen griff einen Ansatz aus der Holzzersetzung auf: den Einsatz sogenannter Weißfäulepilze. Diese Organismen können Lignin abbauen, also jenes harte Pflanzenmaterial, das Holz seine Stabilität verleiht. Weil Lignin als besonders schwer biologisch abbaubar gilt, können Pilze, die es zersetzen, häufig auch mit anderen komplexen Molekülen umgehen.

Im Mittelpunkt standen zwei Arten, die auch vielen Hobbygärtnern und Pilzinteressierten bekannt sind:

• Pleurotus ostreatus – der Austernseitling
• Trametes versicolor – auch Schmetterlingstramete oder Schmetterlings-Tramete genannt, international als „Turkey Tail“ bekannt

Beide Arten geben Enzyme unmittelbar an ihre Umgebung ab. Diese Enzyme sind nicht auf ein bestimmtes Zielmolekül ausgerichtet, sondern greifen unterschiedliche Stoffe an, sofern diese zu ihrem chemischen Beuteschema passen. Gerade diese Breitbandwirkung macht Weißfäulepilze für die Behandlung von Klärschlamm interessant, in dem zahlreiche Arzneimittel gleichzeitig vorkommen können.

So wurde der Pilzversuch mit Klärschlamm durchgeführt

Für ihre Untersuchung verwendete das Forschungsteam Klärschlamm aus einer kommunalen Anlage. Dieser wurde gezielt mit neun häufig nachgewiesenen psychoaktiven Arzneimitteln versetzt, darunter die verbreiteten Antidepressiva Citalopram und Trazodon. Anschließend konnten die Pilze direkt auf dem Material wachsen – über einen Zeitraum von bis zu 60 Tagen.

Zeitgleich führten die Forschenden Vergleichsversuche in flüssigen Nährmedien ohne Klärschlamm durch. Dadurch ließ sich feststellen, ob sich die Abbauleistung unter den komplexen, „schmutzigen“ Bedingungen von derjenigen in sauberen Laborlösungen unterscheidet.

Mithilfe hochauflösender Massenspektrometrie verfolgte das Team, wie sich die Arzneimittelkonzentrationen im Zeitverlauf veränderten und welche Abbauprodukte dabei entstanden.

Hohe Abbauquoten nach zwei Monaten

Beide Pilzarten arbeiteten überraschend effizient. Die zentralen Ergebnisse:

• Beide Pilze bauten acht der neun geprüften Wirkstoffe deutlich ab.
• Je nach Substanz lagen die Abbauraten nach 60 Tagen meist zwischen etwa 50 % und einer nahezu vollständigen Entfernung.
• Der Austernseitling erwies sich in mehreren Fällen als besonders leistungsfähig und erreichte bei einigen Antidepressiva Abbauraten von über 90 %.

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

Anhand der ermittelten Molekülfragmente konnte das Team mehr als 40 unterschiedliche Abbauprodukte nachweisen. Zu den typischen Reaktionen gehörten die Spaltung großer Moleküle in kleinere Einheiten sowie die Anlagerung von Sauerstoffgruppen. Beides entspricht dem bekannten Enzymspektrum von Weißfäulepilzen.

Wird das Risiko gesenkt oder nur verlagert?

Eine grundlegende Frage der Umweltchemie lautet, ob beim Abbau eines Schadstoffs tatsächlich weniger bedenkliche Stoffe entstehen oder lediglich ein neuer, möglicherweise ebenso problematischer Mix unbekannter Substanzen.

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

Die erste Bewertung war ermutigend: Das Modell wies für die Mehrheit der identifizierten Fragmente ein geringeres Gefährdungspotenzial aus als für die ursprünglichen Arzneimittel. Die Behandlung mit Pilzen dürfte das Gesamtrisiko somit verringern, anstatt das Problem lediglich in eine andere Form zu überführen.

Von der Laborbox zur Kläranlage: Wie realistisch ist der Einsatz?

Die Studie verdeutlicht einen wichtigen Punkt: In echtem Klärschlamm verhalten sich Arzneimittel anders als in klaren Laborlösungen. Einige Wirkstoffe wurden in den biosolidhaltigen Proben sogar stärker abgebaut als in Flüssigkulturen. Diese Unterschiede unterstreichen, wie unverzichtbar Tests unter praxisnahen Bedingungen sind.

Gleichzeitig ergibt sich ein möglicher praktischer Ansatz. Weißfäulepilze wachsen natürlicherweise auf festen Materialien wie Baumstämmen, Holzhackschnitzeln oder Stroh. Klärschlamm könnte deshalb vergleichsweise einfach als „Pilzbeet“ dienen, bevor er auf landwirtschaftliche Flächen ausgebracht wird.

Mögliche Modelle 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 Zeit, geeignete Temperaturen und etwas Sauerstoff.

Chancen, Grenzen und Risiken der „Mykoaugmentation“

Fachleute bezeichnen einen solchen Ansatz als „Mykoaugmentation“: Pilze werden gezielt eingesetzt, um belastete Materialien zu reinigen. Seine Stärke liegt in der einfachen Nutzung natürlicher Prozesse. Bevor ein solches System jedoch großflächig eingesetzt werden kann, bleiben wichtige Fragen offen.

Dazu zählen unter anderem:

• Wie zuverlässig funktionieren Pilzkulturen bei schwankender Schlammqualität und über unterschiedliche Jahreszeiten hinweg?
• Welche Rückstände verbleiben in der Pilzbiomasse, und wie kann diese anschließend entsorgt oder weiterverwendet werden?
• Wie beeinflussen andere Mikroorganismen im Klärschlamm die Pilze – unterstützen oder bremsen sie den Abbau?
• In welchem Maß sinken die Risiken für Menschen und Wasserorganismen im realen Betrieb und nicht nur unter Laborbedingungen?

Besonders sensibel ist die Frage, wie die Pilzmasse genutzt werden kann. Austernseitlinge sind grundsätzlich essbar. Wurden sie jedoch zur Reinigung von Klärschlamm eingesetzt, gehören sie nicht mehr in die Küche, sondern kämen allenfalls als Brennstoff oder als Bodenverbesserer unter kontrollierten Bedingungen infrage.

Was Verbraucher und Kommunen bereits heute tun können

Die Untersuchung zeigt einen vielversprechenden Weg für Betreiber von Kläranlagen auf, nimmt jedoch weder Gesellschaft noch Einzelne aus der Verantwortung. Je weniger Arzneimittel in das Abwasser gelangen, desto leichter lassen sich die verbleibenden Rückstände behandeln.

Praktische Möglichkeiten sind beispielsweise:

• Arzneimittel niemals über Toilette oder Ausguss entsorgen, sondern bei Apotheken oder kommunalen Sammelstellen abgeben
• bei dauerhaften Therapien regelmäßig gemeinsam mit Ärztinnen und Ärzten kontrollieren, ob die Dosierung weiterhin erforderlich ist – denn jede nicht benötigte Tablette muss später entsorgt werden
• Kommunen können Aufklärungskampagnen durchführen und Rückgabemöglichkeiten erweitern
• Forschung und Pilotanlagen für biologische Reinigungsverfahren gezielt unterstützen

Parallel entwickeln Umweltchemiker besser abbaubare Wirkstoffe, die im Körper ihre Wirkung entfalten und sich danach schneller zersetzen sollen. Pilzsysteme wie jene aus der Johns-Hopkins-Studie könnten dabei ein wichtiger Baustein sein, um verbleibende Arzneimittelreste aus dem Stoffkreislauf zu entfernen.

Warum Pilze in der Umwelttechnik an Bedeutung gewinnen

Weißfäulepilze werden längst nicht nur für Klärschlamm untersucht. Forschende prüfen vergleichbare 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 den gesamten Pilz kultivieren zu müssen.

Vor allem Regionen mit begrenzten finanziellen Mitteln könnten davon profitieren: Pilzbasierte Anlagen benötigen einfache Materialien und keine aufwendige Hochtechnologie-Chemie. In Industrieländern mit strengen Umweltstandards könnten sie eine zusätzliche Schutzstufe bilden – vergleichbar mit einem biologischen „Feinschliff“, nachdem klassische Technik die gröbsten Verunreinigungen entfernt hat.

Die Arbeit der Johns-Hopkins-Gruppe macht deutlich, dass aus einem zunächst unscheinbaren Forschungsthema ein strategischer Bestandteil moderner Umweltpolitik werden kann: Pilzkulturen als Wächter zwischen Kläranlage und Acker, die den Strom von Arzneimittelrückständen deutlich reduzieren, bevor diese die Nahrungskette erreichen.