Stu­die der Uni­ver­si­tät Bay­reuth: Natür­li­che Umwelt­be­din­gun­gen för­dern die Auf­nah­me von Mikro­pla­stik in leben­de Zellen

Symbolbild Bildung

Welt­weit ist die Umwelt durch Mikro­pla­stik bela­stet. Die win­zi­gen Teil­chen gelan­gen in die Nah­rungs­ket­ten und somit in die Ver­dau­ungs­sy­ste­me von Tie­ren und Men­schen, oder sie kön­nen über die Luft ein­ge­at­met wer­den. Statt wie­der aus­ge­schie­den zu wer­den, kön­nen sie sich im Kör­per­ge­we­be fest­set­zen. Ein For­schungs­team an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth hat jetzt ent­deckt, dass Mikro­pla­stik-Teil­chen infol­ge natür­li­cher Umwelt­be­din­gun­gen leich­ter ihren Weg in leben­de Zel­len fin­den. Im Was­ser lagern sich auf ihren Ober­flä­chen Bio­mo­le­kü­le an, wel­che die Auf­nah­me der Par­ti­kel in die Zel­len för­dern. In der Zeit­schrift „Sci­ence Advan­ces“ stel­len die Forscher*innen ihre Ergeb­nis­se vor.

Mikroplastik, das der Umwelt ausgesetzt war, ist mit einer "Ecocorona" beschichtet (rechts) und wird viel leichter von Zellen aufgenommen als unverändertes Mikroplastik (links). Grafik: UBT.

Mikro­pla­stik, das der Umwelt aus­ge­setzt war, ist mit einer “Eco­co­ro­na” beschich­tet (rechts) und wird viel leich­ter von Zel­len auf­ge­nom­men als unver­än­der­tes Mikro­pla­stik (links). Gra­fik: UBT.

Das inter­dis­zi­pli­nä­re For­schungs­team unter der Lei­tung von Prof. Dr. Chri­sti­an Laforsch (Tier­öko­lo­gie) und Prof. Dr. Hol­ger Kress (Bio­lo­gi­sche Phy­sik) hat für die neue Stu­die Mikro­pla­stik-Par­ti­kel mit einem Durch­mes­ser von rund drei Mikro­me­tern aus­ge­wählt. Par­ti­kel die­ser Grö­ße fin­den sich häu­fig in der Umwelt. Um ihren Auf­ent­halt in der Umwelt zu simu­lie­ren, wur­den eini­ge Mikro­pla­stik-Par­ti­kel in Süß­was­ser aus einem künst­li­chen Teich, ande­re Mikro­pla­stik-Par­ti­kel in Salz­was­ser aus einem Mee­res­aqua­ri­um ein­ge­bracht. Auf den Ober­flä­chen die­ser Par­ti­kel lager­ten sich inner­halb von zwei Wochen Bio­mo­le­kü­le ab.

„Spek­tro­sko­pi­sche Unter­su­chun­gen deu­ten dar­auf hin, dass es sich bei den Bio­mo­le­kü­len um Koh­len­hy­dra­te, Ami­no­säu­ren, Nukle­in­säu­ren und Pro­te­ine han­delt. Wir spre­chen hier­bei von einer ‚Eco-Coro­na‘, die sich auf den Mikro­pla­stik-Teil­chen in einer natür­li­chen Umwelt bil­det“, erklärt Anja Ram­sper­ger M.Sc., Erst­au­torin der neu­en Stu­die und Dok­to­ran­din am Lehr­stuhl Tier­öko­lo­gie I und in der Arbeits­grup­pe Bio­lo­gi­sche Phy­sik. Das For­schungs­team hat die mit Bio­mo­le­kü­len beschich­te­ten Mikro­pla­stik-Par­ti­kel nun dar­auf hin unter­sucht, wie sie mit leben­den Zel­len wech­sel­wir­ken. Hier­für wur­den Zel­len von Mäu­sen ver­wen­det, die aus einer in der For­schung eta­blier­ten Zell-Linie stammen.

Anja Ramsperger M.Sc. untersucht an einem Fluoreszenzmikroskop die zelluläre Aufnahme von Mikroplastikteilchen aus Süß- oder Salzwasser. Foto: UBT/C. Wißler.

Anja Ram­sper­ger M.Sc. unter­sucht an einem Fluo­res­zenz­mi­kro­skop die zel­lu­lä­re Auf­nah­me von Mikro­pla­stik­teil­chen aus Süß- oder Salz­was­ser. Foto: UBT/C. Wißler.

Um zu unter­schei­den, ob die Par­ti­kel tat­säch­lich ins Inne­re der Zel­len gelan­gen oder nur äußer­lich an ihnen haf­ten blei­ben, wur­de ein wich­ti­ger Bestand­teil des Zellin­ne­ren, die Akt­in­fi­la­men­te, ange­färbt. Auf den so ent­stan­de­nen mikro­sko­pi­schen Auf­nah­men waren die von den Zel­len auf­ge­nom­me­nen Par­ti­kel als „dunk­le Löcher“ zu erken­nen. „Die Fluo­res­zenz-Mar­kie­rung der Akt­in­fi­la­men­te hat es uns ermög­licht, genau zu erken­nen, wel­che Par­ti­kel von den Zel­len auf­ge­nom­men wur­den. Auf­grund spek­tro­sko­pi­scher Ver­fah­ren konn­ten wir sicher sein, dass es sich bei die­sen Teil­chen tat­säch­lich um Mikro­pla­stik – genau­er gesagt: um Poly­sty­rol-Par­ti­kel – han­del­te und nicht etwa um zufäl­li­ge Ver­un­rei­ni­gun­gen“, sagt Prof. Dr. Hol­ger Kress, Pro­fes­sor für Bio­lo­gi­sche Phy­sik an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth. Als Kon­troll­grup­pe in die­sem Expe­ri­ment dien­ten Mikro­pla­stik-Par­ti­kel, die sich in ste­ri­lem Was­ser befun­den hat­ten und daher kei­ne Beschich­tung mit einer Eco-Coro­na auf­wie­sen. Es zeig­te sich, dass die­se unbe­han­del­ten Mikro­pla­stik-Teil­chen nur ver­ein­zelt von den Zel­len auf­ge­nom­men wurden.

„Unse­re Stu­die spricht für die Annah­me, dass auch Mikro­pla­stik, dass aus der Umwelt stammt und daher mit Bio­mo­le­kü­len beschich­tet ist, nicht nur den Ver­dau­ungs­trakt pas­siert, wenn es mit der Nah­rung auf­ge­nom­men wird, son­dern auch in das Gewe­be über­ge­hen kann. Die Hül­le aus Bio­mo­le­kü­len fun­giert mög­li­cher­wei­se als eine Art Tro­ja­ni­sches Pferd, das Kunst­stof­fe in leben­de Zel­len ein­schleust. Wel­che Schä­den die Par­ti­kel hier im Ein­zel­nen anrich­ten kön­nen, ist bis­her nur unzu­rei­chend unter­sucht. Eben­so ist noch weit­ge­hend unge­klärt, wel­che Eigen­schaf­ten von Mikro­pla­stik tat­säch­lich für nega­ti­ve Effek­te ver­ant­wort­lich sind. Die­se Fra­gen sind in Bay­reuth im Son­der­for­schungs­be­reich ‚Mikro­pla­stik‘ ein zen­tra­ler For­schungs­be­reich. Genaue Ant­wor­ten dar­auf zu fin­den, ist vor allem wich­tig, um in die­sem öko­lo­gisch und öko­no­misch hochr­e­le­van­ten The­ma für die Zukunft neue Mate­ria­li­en und Lösungs­we­ge ent­wickeln zu kön­nen“, sagt Prof. Dr. Chri­sti­an Laforsch, Spre­cher des von der DFG geför­der­ten Son­der­for­schungs­be­reichs „Mikro­pla­stik“ an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth und Inha­ber des Lehr­stuhls Tier­öko­lo­gie I.

„Die inter­dis­zi­pli­nä­re Ver­net­zung im Son­der­for­schungs­be­reich ‚Mikro­pla­stik‘ macht es uns mög­lich, die kom­ple­xen Fra­ge­stel­lun­gen, die die­se The­ma­tik birgt, mit der erfor­der­li­chen Viel­falt der For­schungs­an­sät­ze und ‑per­spek­ti­ven zu unter­su­chen. Die Not­wen­dig­keit einer inter­dis­zi­pli­nä­ren Her­an­ge­hens­wei­se zeigt sich auch in der jetzt ver­öf­fent­lich­ten Stu­die. Wissenschaftler*innen aus den unter­schied­lich­sten natur­wis­sen­schaft­li­chen Fach­be­rei­chen der Uni­ver­si­tät Bay­reuth haben dar­an mit­ge­wirkt – von der Tier­öko­lo­gie über die Poly­mer­che­mie bis hin zur Bio­lo­gi­schen Phy­sik,“ sagt Laforsch.

For­schungs­för­de­rung:

Die an der neu­en Stu­die betei­lig­ten For­schungs­ar­bei­ten wur­den von der Deut­schen For­schungs­ge­mein­schaft (DFG), dem Eli­tenetz­werk Bay­ern und der Stu­di­en­stif­tung des deut­schen Vol­kes gefördert.

Ver­öf­fent­li­chung:

A. F. R. M. Ram­sper­ger, V. K. B. Nara­ya­na, W. Gross, J. Mohan­raj, M. Thelak­kat, A. Grei­ner, H. Schmalz, H. Kress, C. Laforsch: Envi­ron­men­tal expo­sure enhan­ces the inter­na­liz­a­ti­on of micro­pla­stic par­ti­cles into cells. Sci­ence Advan­ces (2020). DOI: https://​dx​.doi​.org/​1​0​.​1​1​2​6​/​s​c​i​a​d​v​.​a​b​d​1​211