Warum Austernpilze Abwasser von Medikamentenrückständen befreien können

Pilze als unerwartete Helfer in der Abwasserreinigung

Forschende der Johns Hopkins University haben untersucht, ob gewöhnliche holzzersetzende Pilze in der Lage sind, Arzneimittelrückstände aus Klärschlamm abzubauen – bevor dieser als Dünger auf landwirtschaftlichen Feldern ausgebracht wird. Die Ergebnisse überraschten selbst die Wissenschaftler.

Moderne Antidepressiva und andere Psychopharmaka sind so konzipiert, dass sie intensiv auf das Gehirn wirken und lange im Körper verbleiben. Nach ihrer teilweisen Ausscheidung gelangen sie ins Abwasser. Hinzu kommt, dass nicht verwendete Tabletten noch immer häufig in der Toilette entsorgt werden. Kläranlagen beseitigen zwar den Großteil der Verunreinigungen, doch nicht alle Wirkstoffe lassen sich auf konventionellem Weg vollständig unschädlich machen.

Biosolide als unterschätzter Schadstoffträger

Nach der Klärung verbleibt ein nährstoffreicher, fester Rückstand – die sogenannten Biosolide, also aufbereiteter Klärschlamm. In den USA und vielen anderen Ländern wird dieses Material als Bodendünger eingesetzt. Dabei können winzige Mengen an Arzneistoffen, darunter Antidepressiva und Beruhigungsmittel, auf die Felder gelangen.

Studien deuten darauf hin, dass selbst geringe Konzentrationen von Pharmawirkstoffen in der Umwelt das Verhalten von Wasser- und Bodenlebewesen beeinflussen können – und möglicherweise auch die menschliche Gesundheit betreffen. Zwar fehlen bislang eindeutige Belege dafür, dass solche Konzentrationen den Verbrauchern von Nahrungsmitteln von biosolide-gedüngten Feldern tatsächlich schaden. Viele dieser Verbindungen sind jedoch äußerst persistent und verbleiben über lange Zeiträume in der Umwelt.

Wie Weißfäulepilze selbst härteste Naturstoffe zersetzen

Das Forschungsteam wandte sich Organismen zu, die seit Millionen von Jahren mit einem der widerstandsfähigsten Materialien der Natur umgehen: Holz. Die sogenannten Weißfäulepilze sind bekannt für ihre Fähigkeit, Lignin abzubauen – den extrem stabilen „Klebstoff“ des Holzgefüges.

Anders als viele Bakterien setzen diese Pilze kraftvolle, wenig selektive Enzyme in ihre Umgebung frei. Sie zielen nicht auf eine bestimmte Verbindung ab, sondern greifen ein breites Spektrum komplexer organischer Moleküle an und zerlegen diese in kleinere, meist leichter abbaubare Bruchstücke.

Die Wissenschaftler konzentrierten sich auf zwei bekannte Arten: Pleurotus ostreatus, hierzulande als Austernpilz bekannt, und Trametes versicolor, ein farbenprächtiger Hutpilz, der auf Baumstämmen wächst und im Deutschen als Schmetterlings-Tramete bezeichnet wird. Beide Arten sind gut erforscht, leicht verfügbar und werden seit Langem in verschiedenen Umweltexperimenten eingesetzt.

Aufbau des Experiments mit Klärschlamm

Die Forschenden entnahmen Biosolide aus einer städtischen Kläranlage und versetzten sie gezielt mit neun Arzneistoffen, die auf das zentrale Nervensystem wirken. Darunter befanden sich populäre Antidepressiva wie Citalopram und Trazodon.

Dieses präparierte Material diente anschließend als Wachstumssubstrat für das Myzel des Austernpilzes und der Schmetterlings-Tramete. Die Pilze wurden bis zu sechzig Tage lang auf dem Schlamm kultiviert, während die verbleibenden Wirkstoffkonzentrationen regelmäßig gemessen wurden.

Zum Vergleich liefen parallel dazu Versuche in einem klassischen flüssigen Labormedium ohne Biosolide. So ließ sich überprüfen, wie die Anwesenheit eines realen Schadstoffgemisches die Abbaueffizienz beeinflusst.

Erstaunliche Abbauraten nach zwei Monaten

Nach zwei Monaten Myzelwachstum reduzierten beide Pilzarten die Konzentration von acht der neun getesteten Substanzen deutlich. Die Abbauraten lagen dabei zwischen rund fünfzig Prozent und nahezu vollständiger Eliminierung des jeweiligen Wirkstoffs aus den Biosoliden.

Besonders der Austernpilz zeigte herausragende Ergebnisse und reinigte die Proben bei mehreren Pharmawirkstoffen praktisch vollständig. Bemerkenswert war zudem, dass der Abbau in einigen Fällen in Gegenwart von Biosoliden sogar effizienter verlief als in einer einfachen synthetischen Lösung – ein klares Zeichen dafür, dass reine Labortests nicht immer die realen Bedingungen einer Kläranlage widerspiegeln.

Werden Medikamente wirklich abgebaut oder nur versteckt?

Ein besonderes Augenmerk legten die Forschenden auf die Frage, was mit den Arzneimittelmolekülen nach dem Kontakt mit dem Myzel tatsächlich geschieht. Die entscheidende Frage lautete: Nehmen die Pilze die Wirkstoffe lediglich auf, oder zersetzen sie diese wirklich in weniger schädliche Bestandteile?

Mithilfe fortgeschrittener Massenspektrometrie ließ sich verfolgen, wie sich die chemische Zusammensetzung der Proben im Zeitverlauf veränderte. Dabei wurden über vierzig neue Verbindungen identifiziert, die durch die Einwirkung pilzlicher Enzyme entstanden. In vielen Fällen wurden die Wirkstoffmoleküle in kleinere Fragmente gespalten oder oxidiert – also mit einem Sauerstoffatom versehen.

Eine Toxizitätsanalyse mithilfe eines chemieinformatischen Werkzeugs deutete darauf hin, dass die Abbauprodukte für Lebewesen in der Regel weniger schädlich sind als die ursprünglichen Arzneistoffe. Das spricht für eine echte Entgiftung – und nicht bloß eine Verlagerung des Problems.

Was ist Mykoaugmentation und wie kann sie Kläranlagen helfen?

In der wissenschaftlichen Literatur taucht zunehmend der Begriff Mykoaugmentation auf. Damit ist das gezielte Einbringen von Pilzen in belastete Umgebungen gemeint, um den Abbau schädlicher Verbindungen zu beschleunigen. Die Studie liefert überzeugende Argumente dafür, dass diese Methode auch bei der Behandlung von Klärschlamm sinnvoll ist.

Weißfäulepilze bieten gegenüber teuren chemischen Verfahren oder Hochleistungsfiltern mehrere praktische Vorteile:

• Sie können auf festen Materialien wie Biosoliden wachsen, ohne aufwendige Infrastruktur zu benötigen
• Sie funktionieren unter gemäßigten Bedingungen – ohne hohe Temperaturen oder Druckbehandlung
• Sie kommen in der Natur vor, sind gut erforscht und ihre Kultivierung ist kostengünstig
• Die von ihnen produzierten Enzyme wirken auf ganze Gruppen von Verbindungen, nicht nur auf einen einzigen Schadstoff
• Für grundlegende Stoffwechselprozesse benötigen sie keinen elektrischen Strom
• Die Abbauprodukte weisen eine geringere Toxizität auf als die ursprünglichen Pharmawirkstoffe

Aus Sicht von Kläranlagen ist die Idee eines Behandlungsmoduls verlockend, in dem Biosolide vor ihrer Ausbringung auf Felder eine Art „Pilzkur“ durchlaufen. Eine solche Stufe könnte bestehende Prozesse ergänzen und das Umweltschutzniveau insgesamt deutlich erhöhen.

Für Stadtbewohner verdeutlicht diese Geschichte, dass eine vor dem Schlafengehen oder zur Stimmungsaufhellung eingenommene Tablette nicht spurlos verschwindet. Ein Teil gelangt in die Kläranlage und von dort – in verschiedenen Formen – in die Umwelt. Angesichts des stetig steigenden Antidepressivaverbrauchs suchen Forschende daher mit Nachdruck nach neuen und ausgefeilteren Reinigungsverfahren.

Welche Herausforderungen stehen dem großflächigen Einsatz noch im Weg?

So vielversprechend die Ergebnisse auch klingen – der Weg zur praxisreifen Anwendung im großen Maßstab ist noch weit. Es muss etwa überprüft werden, wie die Pilze mit dem vollständigen Schadstoffcocktail aus realen Kläranlagen unterschiedlicher Herkunft umgehen – und nicht nur mit neun ausgewählten Wirkstoffen.

Eine weitere Herausforderung liegt in der biologischen Balance. In großen Anlagen sind Biosolide voller Bakterien und anderer Mikroorganismen, die mit dem Myzel um Raum und Nährstoffe konkurrieren können. Zudem muss sichergestellt werden, dass mögliche Umwandlungsprodukte pharmazeutischer Verbindungen sich nicht über längere Zeiträume unerwünscht im Boden oder Wasser anreichern.

Für Landwirte, die Biosolide nutzen, könnte eine solche pilzliche Vorbehandlung künftig als Argument dienen, dass sie einen Dünger mit geringerer chemischer Belastung einsetzen. Für Anlagenbetreiber wäre es ein Weg, immer strengere Grenzwerte für Mikroverunreinigungen zu erfüllen – ohne gigantische Investitionen in fortschrittliche Membrantechnologien.

Ein letzter bemerkenswerter Aspekt: Dieselben Enzyme, die Pilzen beim Angriff auf Lignin und Psychopharmaka helfen, könnten sich auch beim Abbau anderer persistenter Schadstoffe als nützlich erweisen – etwa Pestizide oder bestimmte Inhaltsstoffe von Kosmetikprodukten. Sollten weitere Studien die Wirksamkeit dieses Ansatzes bestätigen, könnten Austernpilze und ihre „Verwandten“ zu einem festen Bestandteil moderner Abwasserwirtschaft werden.