Forschung kompakt: Experiment zu den Auswirkungen von Nanoplastik auf Steinkorallen
Elana Kysil, Doktorandin am Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie (IPB) in Halle, arbeitet als Gastwissenschaftlerin am ZMT in der Forschungsgruppe Geoökologie und Karbonatsedimentologie. In der Meerwasserversuchsanlage MAREE des ZMT hat sie ein Experiment durchgeführt, um die Auswirkungen von Nanoplastik auf Steinkorallen zu untersuchen. Ihre Arbeit wird durch den Leibniz-Forschungsverbund „Advanced Materials Safety“ gefördert und von Prof. Dr. Ludger Wessjohann, Leiter der Abteilung Bioorganische Chemie (NWC) am IPB, und Prof. Dr. Hildegard Westphal am ZMT betreut.
Worum geht es bei dem Experiment?
Ich untersuche die potenziellen Auswirkungen von primären und sekundären Nanopartikeln auf Steinkorallen. Das Ziel ist, die Entwicklung von sichereren und nachhaltigeren Materialien zu fördern. Da Nanopartikel in verschiedenen Anwendungen immer häufiger zum Einsatz kommen, muss sichergestellt werden, dass sie nicht zu ähnlichen Umweltschäden führen, wie wir sie derzeit bei der Plastikverschmutzung beobachten.
Wie genau gehen die Studien in der MAREE dieser Frage nach?
Ich führe Experimente in Aquarien mit geschlossenem System durch, in denen ich Korallen verschiedenen Arten von Nanopartikeln aussetze. Ich teste herkömmliche Kunststoff-Nanopartikel, die in der Meeresumwelt weit verbreitet sind, neben neueren Materialien wie Graphen-Quantenpunkten (QDs) und Kohlenstoff-Nanoröhren. Graphen-QDs sind nanoskalige Partikel mit einzigartigen elektronischen und optischen Eigenschaften, die häufig in der biomedizinischen Bildgebung und bei Energieanwendungen eingesetzt werden. Kohlenstoff-Nanoröhren, die für ihre Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit bekannt sind, finden breite Anwendung in Technik und Elektronik.
Was passiert während bei dem Experiment?
Während des Experiments arbeiten wir fortwährend daran, die Korallen unter Bedingungen zu halten, die ihre natürliche Riffumgebung nachahmen, was in kleinen Becken sehr schwierig nachzustellen ist. Im Gegensatz zu ihrem komplexen Riff-Ökosystem werden unsere Korallen in nahezu sterilen Aquarien ohne die natürliche Unterstützung durch Fische, Wirbellose und Algen gehalten. Bei dieser Einrichtung müssen wir den Nährstoffgehalt und die Alkalinität des Meerwassers, die im Riff natürlich im Gleichgewicht sind, ständig überwachen und anpassen. Es ist ein bisschen wie bei der hydroponischen Pflanzenzucht, aber vielleicht ein bisschen anspruchsvoller.
Jede Woche tausche ich das Wasser aus und füge neue Behandlungen hinzu. Da die Korallen in ihren Zellen symbiotische Algen haben, die auf Photosynthese angewiesen sind, verfolge ich, ob diese Funktion weiterhin so effektiv ist wie bei den unbehandelten Kontrollkorallen. Ich mache Fotos, um Veränderungen in der Färbung und Größe der Korallen im Laufe der Zeit zu beobachten, die visuelle Anzeichen für Stress sein können. Am Ende des Experiments friere ich die Korallen ein und bereite sie für metabolomische Analysen vor.
Was genau wollen Sie so herausfinden?
Ich möchte sowohl offensichtliche als auch subtile Auswirkungen von Nanopartikeln auf Korallen aufdecken, indem ich einen ungezielten Ansatz verwende. Die Metabolomik ermöglicht es uns, Veränderungen in einem breiten Spektrum von Metaboliten (alle kleinen Moleküle in der Zelle) zu verfolgen, ohne auf vordefinierte Marker beschränkt zu sein, so dass wir sowohl erwartete als auch unerwartete Veränderungen in der Biochemie der Korallen feststellen können. Durch die Analyse des gesamten Stoffwechselprofils können wir Muster und potenzielle Stressmarker erkennen, die bei herkömmlichen Toxizitätsbewertungen möglicherweise nicht sichtbar sind. Selbst wenn ein Stoff nicht direkt giftig ist, kann er dennoch subtile, langfristige Veränderungen in den biochemischen Stoffwechselwegen der Korallen auslösen, etwa in Bezug auf den Energiehaushalt, die Nährstoffverarbeitung oder die Interaktion mit ihren symbiotischen Algen. Indem wir diese nuancierten Veränderungen verfolgen, hoffen wir, Auswirkungen aufzudecken, die sich im Laufe der Zeit akkumulieren könnten. Wir wollen auch untersuchen, ob sich Nanopartikel in das Skelett der Korallen einlagern. Dies wird uns ebenfalls helfen, ihre langfristigen Auswirkungen auf Korallenriffe zu verstehen.
Welche Erwartungen gibt es an die Ergebnisse?
Im Idealfall hoffe ich, dass diese Nanopartikel keine schädlichen Auswirkungen auf die Korallen haben, da dies bedeuten würde, dass sie in der Meeresumwelt nur ein minimales Risiko darstellen. Sollte es jedoch zu Veränderungen im Stoffwechselprofil der Korallen kommen, selbst wenn diese subtil und nicht tödlich sind, wären diese Ergebnisse auch sehr wertvoll.
Was könnten die erwarteten Ergebnisse im weiteren Sinne bedeuten?
Durch das Verständnis dieser Wechselwirkungen können Materialwissenschaftler und Umweltbehörden zusammenarbeiten, um Nanopartikel so zu gestalten oder zu verändern, dass ihre ökologischen Auswirkungen minimiert werden. Dieser Ansatz trägt dazu bei, Szenarien wie die Plastikverschmutzungskrise zu verhindern, bei der es zu einer weit verbreiteten Nutzung kam, bevor die langfristigen Risiken bekannt waren. Den Meeressystemen wird im Vergleich zur Forschung über die menschliche Gesundheit, die Landwirtschaft oder die Viehzucht oft weniger Aufmerksamkeit geschenkt, obwohl sie eine entscheidende Rolle für die globale biologische Vielfalt und die Klimastabilität spielen. So werden beispielsweise viele Nanopartikel in erster Linie auf ihre Sicherheit für den Menschen oder ihre Auswirkungen auf die Landwirtschaft getestet, während die einzigartige Empfindlichkeit und Komplexität mariner Ökosysteme oft unterschätzt wird. Aufgrund dieser Lücke ist es von entscheidender Bedeutung, zu untersuchen, wie neue Materialien speziell mit marinen Lebensformen wie Korallen interagieren, die besonders anfällig sind. Wenn wir diese Wechselwirkungen verstehen, können wir uns für die Einbeziehung mariner Systeme in die Sicherheitsbewertung einsetzen und letztlich einen ausgewogeneren Ansatz fördern, der sowohl die Gesundheit der terrestrischen als auch der marinen Umwelt berücksichtigt.
Was könnten die Ergebnisse Ihrer Forschung sein?
Natürlich arbeiten wir alle innerhalb eines begrenzten Zeitrahmens, daher hoffe ich, dass ich eine gute Arbeit leisten und meine Doktorarbeit erfolgreich verteidigen kann. Wenn wir unsere Arbeit richtig machen, hat jede Forschung das Potenzial, einen Mehrwert für das große Ganze zu schaffen, denn alles Bedeutende fängt im Kleinen an. Indem wir aufklären, wie sich Nanopartikel auf Steinkorallen auswirken, können wir die Entwicklung von sichereren Materialien unterstützen und zu nachhaltigeren Praktiken beitragen.
Impressions from the experimental set-up at ZMT's MAREE facility
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