Pharmazeutika in der Umwelt und Interaktion mit Pflanzen

Bei der Verwendung von Pharmazeutika in der Humanmedizin werden Wirkstoffe oft im Körper nicht vollständig abgebaut, sondern zum Teil in unveränderter Form ausgeschieden und gelangen so in das kommunale Abwassersystem. Auch in Kläranlagen werden diese Wirkstoffe eventuell nicht elimiert, sodass sie über Kläranlagenabflüsse in die Umwelt eingetragen werden. Die Wirkungen auf das Ökosystem sind derzeit vielfach nicht ausreichend aufgeklärt. Bewässerung von landwirtschaftlichen Kulturen mit verunreinigtem Wasser kann zum Kontakt von Pflanzen mit Arzneimitteln führen. Auch die eventuelle Verwendung von Klärschlamm als Dünger ist eine Quelle für die Kontamination von Pflanzen. Weiters können Wirkstoffe aus der Veterinärmedizin durch Ausscheidung von Tieren zu einem direkten Eintrag dieser Stoffe in die Umwelt führen. Schließlich ist zu berücksichtigen, dass im Fall von Pflanzenkläranlagen pharmazeutische Wirkstoffe die Entwicklung der verwendeten Pflanzen beeinflussen können. Wie weit es zu einer eventuellen Anreicherung von Pharmazeutika im pflanzlichen Material kommen kann ist bisher kaum bekannt. Weiters ist nicht geklärt in welchem Ausmaß pharmazeutische Wirkstoffe durch Pflanzen eventuell weiter metabolisiert werden und ob Metabolite mit toxikologisch relevanten Eigenschaften gebildet werden können. Im vorliegenden Projekt soll die Wechselwirkung von nichtsteroidalen entzündungshemmenden Pharmazeutika mit Pflanzen in der Umwelt untersucht werden. Diese Gruppe von pharmazeutischen Wirkstoffen zählt zu den mengenmäßig am meisten verwendeten Arzneimitteln und diese sind in der aquatischen Umwelt praktisch immer in der Nähe von Kläranlagenabflüssen nachweisbar. Mit verschiedenen Pflanzen, insbesondere Mais und Erbse, als Modelle soll die Aufnahme und eventuelle Metabolisierung der Wirkstoffe untersucht werden und Auswirkungen auf Pflanzenwachstum, biochemische Veränderungen und pflanzenphysiologische Parameter überprüft werden. Für diese Studien ist auch eine Weiterentwicklung von modernen analytischen Methoden erforderlich, mit denen Spuren von Arzneimitteln und deren Metabolite in Pflanzenmaterialien identifiziert und quantifiziert werden können. Durch das Projekt soll ein detailiertes Verständis der Wirkung von pharmzeutischen Wirkstoffen in der Umwelt in Hinblick auf Akkumulation und Metabolisierung in Pflanzen, Auslösung von Stressfaktoren, beziehungsweise Pflanzenwachstum in der Landwirtschaft gewonnen werden. Mit der Weiterentwicklung von Analyenmethoden sollen verbesserte Werkzeuge für den Nachweis von Arzneimittelrückständen zur Verfügung gestellt werden, welche in weiterer Folge auch für andere Klassen von pharmazeutischen Wirkstoffen angewendet werden können.

Arzneimittel in der Umwelt und ihre Wechselwirkungen mit Pflanzen Aufgrund des medizinischen Fortschritts nimmt der Verbrauch von Arzneimitteln in unserer Gesellschaft ständig zu. Neben den positiven Effekten, nämlich der Möglichkeit, immer mehr Krankheiten erfolgreich zu behandeln, gibt es auch ungewollte Auswirkungen auf unsere Umwelt. Bei der Awendung durch Menschen (oder Tiere) werden Arzneimittel häufig nicht vollständig im Organismus metabolisiert und können in intakter Form ausgeschieden und in kommunale Abwassersysteme eingeleitet werden. Die wachsende Bevölkerung in Verbindung mit dem Klimawandel stellt eine dramatische Bedrohung für die Gesellschaft dar, da ein Mehrbedarf an Nahrungs- und Futtermitteln besteht, deren Anbau aber durch Wasserknappheit zunehmend erschwert wird. Ein Weg, um diese Probleme zu überwinden (welcher bereits in vielen ariden Regionen praktiziert wird), ist die Verwendung von aufbereitetem Wasser (d. h. Wasser aus Kläranlagen) zur Bewässerung in der Landwirtschaft. Leider birgt diese Praxis das Risiko, dass Pflanzen Kontaminanten ausgesetzt werden, die noch in diesen zurückgewonnenen Gewässern vorhanden sind. Im vorliegenden Projekt untersuchten wir die Wechselwirkung von Pflanzen (einschließlich Pflanzen, die zur Herstellung von Lebensmitteln und Futtermitteln verwendet werden) mit einer Reihe weit verbreiteter Arzneimittel. Dabei wurden experimentelle Bedingungen entwickelt, die das Züchten einer Reihe von Pflanzen ermöglichen, während sie Pharmazeutika ausgesetzt sind, die üblicherweise in den Abwässern kommunaler Kläranlagen nachgewiesen werden. Durch die Analyse von Extrakten aus Pflanzen, die mit diesen Substanzen behandelt wurden, konnten wir zeigen, dass die Medikamente von der Pflanze nicht nur über die Wurzeln aufgenommen, sondern auch in andere Teile wie Stängel, Blätter oder Früchte transportiert werden. Einige der Substanzen wurden in der Pflanze sogar zu einer Vielzahl von Metaboliten umgewandelt, von denen viele in diesem Zusammenhang bisher unbekannt waren. Zu diesem Zweck mussten nicht nur für die effiziente Extraktion dieser Substanzen aus der Pflanzenmatrix, sondern auch für die anschließende Analyse der Extrakte neue analytische Ansätze entwickelt werden. Dabei wurden hochentwickelte analytische Instrumente verwendet, die die Identifizierung der Metaboliten ermöglichten und es erlaubten vorläufige Strukturen für diese Moleküle auch bei Spurenkonzentration vorzuschlagen. Dies führte zum Nachweis einer Reihe neuer Metaboliten, die sich bei Aufnahme der Arzneimittel aus Wasser in den Pflanzen bildeten. Durch die Zusammenarbeit zwischen dem Institut für Analytische Chemie der Johannes-Kepler-Universität in Linz und der Abteilung für Experimentelle Pflanzenbiologie der Masaryk-Universität Brno konnten wir wissenschaftliche Erkenntnisse aus der analytischen Chemie (Identifizierung neuer arzneimittelbezogener Metaboliten in Pflanzen) mit solchen aus biologischen Tests, nämlich die Wirkung dieser Substanzen auf das Pflanzenwachstum und die Pflanzenanatomie, kombinieren.