Abertausende chemische Substanzen gelangen täglich in die Umwelt. Der wissenschaftliche Austausch über Schadstoffe ist eines der Ziele von NORMAN, einem europäischen Netzwerk von Referenzlabors, Forschungszentren und verwandten Organisationen. Dazu zählt auch die Eawag als bedeutender und aktiver Schweizer Partner.

Detektivarbeit im Labor: Mit Hightech- Analysegeräten finden die Eawag-Forscherinnen bisher unbekannte Schadstoffe. (Fotos: Kellenberger Kaminski Photographie)

Ende Oktober 2016 feierte das NORMAN Netzwerk mit gut 70 Mitgliedern sein zehnjähriges Bestehen in Brüssel. Mit dabei Juliane Hollender. «Die Schweiz ist mit der Eawag ein vollwertiger und geschätzter Partner dieser europäischen Institution», sagt die Leiterin der Abteilung Umweltchemie der Eawag und Professorin an der ETH Zürich. Ihr Spezialgebiet ist das Auffinden unbekannter Schadstoffe mit neuen analytischen Methoden. Sie leitet im Rahmen von NORMAN denn auch eine Arbeitsgruppe zu diesen sogenannten «Non-Target»-Untersuchungen und organisierte 2016 zusammen mit ihrem Team eine Konferenz zum Thema in Ascona mit 120 Teilnehmenden aus über 20 Ländern.

Bei den unerwünschten Mikroverunreinigungen handelt es sich beispielsweise um Arzneimittelrückstände in Flüssen und Seen. Weltweit für Schlagzeilen sorgte Diclofenac, die Basis vieler Schmerzmittel und Entzündungshemmer. In den heutigen Kläranlagen wird dieser Wirkstoff nur zum Teil abgebaut. Während die Konzentrationen von Diclofenac für den Menschen kaum gefährlich sind, können sie bei Fischen zu Nierenschäden führen. «Unter anderem deshalb werden in der Schweiz in den nächsten zwanzig Jahren 100 von insgesamt 700 Kläranlagen aufgerüstet», erklärt Juliane Hollender, «und zwar vor allem dort, wo viele Leute wohnen. So kann man die Konzentration der Arzneimittelrückstände deutlich senken.»

Neben bekannten Wirkstoffen wie Diclofenac gelangen auch bisher nicht nachgewiesene Arzneistoffe in die Gewässer. Während man früher genau wissen musste, wonach man suchte und eine Referenzsubstanz brauchte, lassen sich heute auch unbekannte Stoffe identifizieren – dank hochauflösender Massenspektrometrie. Die modernen Geräte können Molekülmassen extrem genau bestimmen und selbst Moleküle mit einer geringen Massendifferenz trennen. Eine Software liest aus den Daten der Massenspektrometrie Substanzsignale heraus und berechnet die chemische Zusammensetzung des betreffenden Stoffs. Ein Vergleich mit Datenbanken kann dann aufdecken, um welche Substanz es sich handelt. So wies ein Eawag-Forscher mit einer eigens entwickelten Software das Antidepressivum Moclobemid im Rhein nach.

Öffentliche Datenbank für mehr Transparenz

Eine dieser Datenbanken wurde 2012 vom NORMAN Netzwerk ins Leben gerufen, mit dem Zweck Massenspektren von Stoffen aufzunehmen, aufzuarbeiten und auszuwerten und somit den Informationsaustausch zwischen den Forschungsteams in den verschiedenen Ländern zu fördern, und schlussendlich die Anforderungen einer Risikobewertung besser erfüllen zu können. Davon profitiert auch die öffentliche Hand. Am Aufbau und Betrieb dieser NORMAN MassBank wesentlich beteiligt ist Wissenschaftlerin und ehemalige Marie-Curie-Fellow Emma Schymanski: «Wir haben dafür einen grossen Anteil von Massenspektren geliefert, die jetzt auf der ganzen Welt abrufbar sind», sagt die Eawag-Wissenschaftlerin, die in der Gruppe von Juliane Hollender arbeitet. «In der Schweiz haben wir zum Beispiel Stoffe, die anderswo nicht oder wenig auf dem Markt zu finden sind, während es in Deutschland oder in den Niederlanden wieder andere Stoffe gibt», erklärt Emma Schymanski. Da der Rhein aber durch alle drei Länder fliesst, sei es wichtig, diese länderspezifischen Details auszutauschen. Im Gegensatz zu den Datenbanken der Gerätehersteller ist die NORMAN MassBank öffentlich zugänglich und kann Spektren aller Geräte aufnehmen.

Die Umweltchemikerinnen Dr. Emma Schymanski und Prof. Juliane Hollender sowie Labormitarbeiterin Birgit Beck (v. l. n. r.) nehmen eine Wasserprobe, um darin Mikroverunreinigungen wie Pestizide oder Arzneimittelrückstände nachzuweisen.

Dass die Zusammensetzung vieler chemischer Produkte dem Geschäftsgeheimnis unterliegt, macht den Umweltchemikerinnen zu schaffen – obwohl es zur Zulassung neuer Produkte oft toxikologische Tests braucht, deren Resultate sogar bei Behörden archiviert sind. «An diese geheimen Details kommen wir nicht heran», bedauert Emma Schymanski: «Dabei liesse sich mit Hilfe dieser Daten abschätzen, welche Stoffe zum Problem werden könnten.»

Die Forscherin ist über das NORMAN Netzwerk an einem grossen EU-Projekt namens «Solutions» beteiligt, das Lösungen für Schadstoffe in der Umwelt finden will, und engagiert sich für den internationalen Austausch der Forschungsergebnisse. So analysierten in einem Trainingsexperiment 18 Institute aus 12 europäischen Ländern dieselbe Wasserprobe aus der Donau. In einem Workshop an der Eawag diskutierten die Teilnehmenden ihre Ergebnisse und gründeten die neue Plattform NORMAN Suspect List Exchange, die den europaweiten Austausch von Listen mit verdächtigen Substanzen ermöglicht.

Das Risiko von Pestiziden verringern

Dabei fahnden die Umweltchemikerinnen nicht nur nach Arzneistoffen in Gewässern. «Ein grösseres Risiko für die Umwelt sind häufig die Pestizide», sagt Juliane Hollender. «Obwohl sie in Seen und Flüssen oft in geringerer Konzentration als die Arzneimittelrückstände vorkommen, können sie einen grösseren Effekt haben, denn sie sind ja dazu entwickelt worden, um Organismen zu schädigen.» Bereits vor drei Jahren suchten die Eawag-Forschenden in verschiedenen Gewässern nach allen in der Schweiz zugelassenen Pestiziden. «Wir waren überrascht, wie viele wir gefunden haben», erzählt die Umweltchemikerin. Im Schnitt enthielt eine Gewässerprobe jeweils 40 verschiedene Pestizide.

«Diese Studie hat dazu beigetragen, das Problem ins Gespräch zu bringen», ist die Wissenschaftlerin überzeugt. So gab das Bundesamt für Landwirtschaft (BLW) 2016 einen «Nationalen Aktionsplan Pflanzenschutzmittel» in die Vernehmlassung. Damit soll das Risiko reduziert und dafür gesorgt werden, dass Pflanzenschutzmittel nachhaltiger angewendet werden. Mit ihren ausgeklügelten Analysemethoden wies das Eawag-Forschungsteam aber auch Pestizide nach, die bei uns gar nicht vorkommen dürften. «Meine Postdoktorandin fand kürzlich einen Schadstoff, der auf Zitrusfrüchte gespritzt wird und in der Schweiz nur eingeschränkt zugelassen ist», erzählt Juliane Hollender.

Süssstoffe im Trinkwasser

Die höchsten Konzentrationen von organischen Mikrovereinigungen in Gewässern messen die Umweltchemikerinnen und -chemiker bei den künstlichen Süssstoffen. Sie verlassen unseren Körper, aber auch die Kläranlagen praktisch unverändert und sammeln sich deshalb in den Flüssen an. Täglich passieren 50 bis 100 Kilogramm Acesulfam, einer der gebräuchlichsten Zuckerersatzstoffe, die Rheinüberwachungsstation Weil bei Basel. «Man kann zwar nicht ausschliessen, dass dies für bestimmte Organismen ein Problem sein könnte», meint Juliane Hollender, «aber man darf nicht dramatisieren, obwohl es auch in unserem Trinkwasser zum Teil sehr geringe Mengen an Süssstoffen hat.» Für die Forschenden kann Acesulfam sogar nützlich sein. Als so genannter Tracer zeigt der Süssstoff den Weg des Abwassers ins Grundwasser an.

Obwohl die Analysen zum grossen Teil automatisch ablaufen, braucht es auch viel Detektivarbeit. «Ohne Expertenwissen geht es nicht», sagt Juliane Hollender: «Das NORMAN Netzwerk ist dabei für uns auch ein Sprungbrett, um Partner für EU-Projekte zu finden», - ein Unterfangen, das aufgrund der politischen Lage nach der Annahme der Masseneinwanderungsinitiative schwieriger geworden ist. «Ich bin ursprünglich mit einem EU-Fellowship an die Eawag gekommen», erzählt Emma Schymanski, «doch jetzt kommt man schwieriger an EU-Gelder, was unsere Chancen als Wissenschaftler im internationalen Kontext reduziert.» Auch deshalb sei die Beteiligung am europäischen NORMAN Netzwerk so wichtig, unterstreicht Juliane Hollender.