Antibiotika oder Plastik: Chemikalien, mit denen wir tagtäglich in Kontakt sind, gelangen über Abwasser oder Landwirtschaft in die Umwelt. Umweltbiochemiker Michael Zumstein sucht nach alternativen Stoffen, die auf ihrem Weg in die Umwelt abgebaut werden. Dabei helfen sollen Abwasser- und Bodenenzyme.
Kurz gesagt: Woran forschen Sie?
Wir untersuchen enzymatische Reaktionen in Umweltsystemen, die von menschgemachten Chemikalien betroffen sind. Unser Ziel ist es, diese Reaktionen so gut zu verstehen, dass wir sie für die Entwicklung von umweltfreundlicheren Chemikalien nutzen können. Der Fokus meines aktuellen Ambizione-Projekts liegt auf zwei Gruppen von Enzymen: Abwasserenzyme, welche das Potential haben, Antibiotika zu inaktivieren, und Bodenenzyme, die eine wichtige Rolle beim biologischen Abbau von Plastik spielen.
Viele Chemikalien des täglichen Gebrauchs gelangen in die Umwelt – zum Beispiel über das Abwasser oder über die Landwirtschaft. Warum ist das problematisch?
Das Forschungsgebiet Umweltchemie befasst sich vorwiegend mit dem Verhalten von diesen „alltäglichen“ Chemikalien in der Umwelt. Das ist wichtig, um die Effekte auf die Umwelt abschätzen zu können. Es wäre aber natürlich noch schöner, wenn man Chemikalien so entwickeln könnte, dass der Umwelteintrag möglichst minimal ist.
Antibiotika sind ein Beispiel für Chemikalien, die in die Umwelt gelangen. Sie werden in unserem Körper nicht komplett verstoffwechselt und können über das Abwasser in natürliche Gewässer gelangen. Weil Mikroorganismen auch bei tiefen Antibiotikakonzentrationen beeinflusst werden, ist anzunehmen, dass Resistenzentwicklung nicht nur im menschlichen Körper, sondern auch im Abwasser und in der Umwelt passiert. Wir suchen nach chemischen Bindungen, welche im Abwasser schnell gespalten werden und daher als Sollbruchstellen in Antibiotika eingebaut werden können. Natürlich soll das resultierende Antibiotikum während der Anwendung im Körper trotzdem stabil und aktiv sein. Zudem muss untersucht werden, ob eine Inaktivierung von Antibiotika im Abwasser die Resistenzentwicklung tatsächlich reduziert.
Ein anderes Beispiel sind Plastikprodukte, welche für gewisse Anwendungen direkt mit Umweltsystemen in Kontakt kommen – beispielsweise in der Landwirtschaft und in der Fischerei. Wenn diese Produkte nach der Anwendung nicht komplett entfernt werden können, kann es zur Plastikverschmutzung der Umwelt kommen. Für solche Anwendungen können biologisch abbaubare Kunststoffe eine Lösung sein.
Umweltfreundlichere Stoffe, die „keine Spuren“ hinterlassen – wie weit ist die Forschung?
Für landwirtschaftliche Plastikanwendungen gibt es bereits Kunststoffe, die von Bodenmikroorganismen abgebaut werden können. Die Abbauraten scheinen aber von Boden zu Boden stark zu variieren und es ist daher wichtig zu verstehen, was genau passiert und welche Organismen und Enzyme beim Abbau eine Rolle spielen.
Bei Antibiotika und generell bei Arzneimitteln ist die Entwicklung von umweltfreundlicheren Alternativen weniger weit. Die Hauptschwierigkeit ist, dass bei der Entwicklung von Arzneimitteln sehr viele Faktoren berücksichtigt werden müssen. Bei Antibiotika kommt dazu, dass neue Antibiotika möglichst gezielt eingesetzt werden sollen und deren Entwicklung daher ökonomisch wenig attraktiv ist. Erfreulicherweise gibt es aber trotzdem große Anstrengungen, neue Wirkstoffe zu identifizieren und zu entwickeln. Besonders attraktiv – auch im Hinblick auf Inaktivierung durch Enzyme im Abwasser – sind antimikrobielle Peptide.
Welche Methoden kommen in Ihrem Projekt zum Einsatz?
Wir verwenden vorwiegend Methoden aus der analytischen Chemie, um biochemische Transformationen von Chemikalien in der Umwelt zu untersuchen und Transformationsprodukte zu identifizieren. Wir werden auch vermehrt biologische Analysemethoden anwenden, um zu verstehen, welche Enzyme und Organismen an Abbauprozessen beteiligt sind. Wir arbeiten vorwiegend mit Laborexperimenten, versuchen aber diese bei möglichst umweltrelevanten Bedingungen durchzuführen.
Was fasziniert Sie an dem Thema?
Wir hoffen durch unsere Forschung einen Beitrag zur Entwicklung von umweltfreundlicheren Chemikalien zu leisten, damit wir Chemikalien weiterhin zu unserem Vorteil nutzen können – aber ohne negative Auswirkungen für natürliche Ökosysteme. Abgesehen vom möglichen Nutzen finde ich Forschung an der Grenzfläche zwischen Chemie und Biologie einfach unglaublich spannend. Die tägliche Arbeit ist sehr abwechslungsreich und ich erachte es als Privileg, offenen Fragen nachgehen zu dürfen. Besonders interessant sind Diskussionen mit Forscher*innen aus anderen Fachrichtungen und mit Studierenden.
Forscher*innen versuchen im Rahmen der aktuellen Semesterfrage mit Interviews, Videos und Blogbeiträgen Fragen rund um das Anthropozän zu finden und Antworten aus der Wissenschaft zu geben. Alle Beiträge gibt es im uni:view Magazin sowie auf den Social Media-Kanälen unter #SEMESTERFRAGE.
Was machen wir Menschen mit der Erde?
Meiner Meinung nach haben menschliche Aktivitäten einen zu großen Einfluss auf natürliche Ökosysteme. Das dominierende Problem ist natürlich der Ausstoß von Treibhausgasen – zum Beispiel durch die Verbrennung fossiler Rohstoffe. Aber auch die Verschmutzung von Lebensräumen mit menschgemachten Chemikalien ist problematisch. Wir sollten alle zusammen versuchen, unseren negativen Einfluss auf die Umwelt zu reduzieren und zu überlegen, welche Produkte wir wirklich brauchen.
