Popular weed killer demasculinizes frogs, disrupts their sexual development, UC Berkeley study shows
04 April 2002
By Robert Sanders, Media Relations
Berkeley The nation’s top-selling weed killer, atrazine, disrupts the sexual development of frogs at concentrations 30 times lower than levels allowed by the Environmental Protection Agency (EPA), raising concerns about heavy use of the herbicide on corn, soybeans and other crops in the Midwest and around the world.
 An African clawed frog, Xenopus laevis |
A restricted herbicide, atrazine is used primarily on crops, not around the home, and can be purchased and applied only by certified applicators.
In einem Artikel in der Ausgabe vom 16. April der Proceedings of the National Academy of Sciences, University of California, Berkeley, berichten der Entwicklungsendokrinologe Tyrone B. Hayes, außerordentlicher Professor für integrative Biologie, und seine Kollegen, dass Atrazin in einer Menge, wie sie in der Umwelt häufig vorkommt, Kaulquappen entmannt und sie in Zwitter verwandelt – in Lebewesen mit männlichen und weiblichen Geschlechtsmerkmalen. Das Herbizid senkt auch den Spiegel des männlichen Hormons Testosteron in geschlechtsreifen männlichen Fröschen um den Faktor 10 auf Werte, die niedriger sind als bei normalen weiblichen Fröschen.
Wie Hayes später herausfand, gibt es in vielen mit Atrazin verseuchten Teichen im Mittleren Westen einheimische Leopardenfrösche mit den gleichen Anomalien.
„Mit Atrazin belastete Frösche haben kein normales Fortpflanzungssystem“, sagte er. „Die Männchen haben Eierstöcke in ihren Hoden und viel kleinere Stimmorgane“, die wichtig sind, um potenzielle Partner zu rufen.
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Es ist unklar, ob diese Anomalien zu einer verminderten Fruchtbarkeit führen. Hayes versucht nun herauszufinden, wie sich die Anomalien auf die Fähigkeit der Frösche auswirken, Nachkommen zu produzieren.
„Die Verwendung von Atrazin in der Umwelt ist im Grunde ein unkontrolliertes Experiment – es scheint keine atrazinfreie Umgebung zu geben“, sagte Hayes. „Weil es so weit verbreitet ist, ist die aquatische Umwelt gefährdet.“
Da das Herbizid seit 40 Jahren in rund 80 Ländern eingesetzt wird, könnte seine Wirkung auf die sexuelle Entwicklung männlicher Frösche einer von vielen Faktoren für den weltweiten Rückgang der Amphibien sein, fügte er hinzu.
Die Ergebnisse kommen zu einer Zeit, in der die EPA die zulässigen Werte für Atrazin im Trinkwasser neu bewertet, die derzeit bei 3 Teilen pro Milliarde (ppb) liegen, und neue Kriterien für den Schutz von Wasserlebewesen aufgestellt hat, die die durchschnittliche Exposition an vier Tagen auf 12 ppb begrenzen. Hayes stellte bei Fröschen bereits bei Werten von 0,1 ppb Hermaphroditismus fest. Selbst bei den heutigen Grenzwerten wurden in Teilen des Mittleren Westens in Regen- und Quellwasser Werte von 40 ppb Atrazin gemessen, während Atrazin in landwirtschaftlichen Abwässern mit mehreren Teilen pro Million enthalten sein kann.
Das Herbizid verunreinigt auch die Trinkwasserversorgung in vielen Gemeinden des Mittleren Westens, was einige Umweltgruppen dazu veranlasst, ihre Besorgnis über die Auswirkungen auf Kinder, Säuglinge und Föten zu äußern. Frankreich, Deutschland, Italien, Schweden und Norwegen gehören zu den Ländern, die die Verwendung von Atrazin verboten haben.
„Dies ist eine sehr wichtige und elegante Arbeit“, sagte Dr. Theo Colborn, leitender Wissenschaftler beim World Wildlife Fund und international anerkannter Experte für endokrin wirksame Chemikalien. „Die Arbeit von Tyrone zeigt, wie wichtig es ist, die Sicherheit von Chemikalien in dem Bereich zu erforschen, in dem die Tiere leben, und in den Mengen, denen sie ausgesetzt sind. Die Veränderungen, die er in den Keimdrüsen gefunden hat, wurden bei den herkömmlichen Experimenten mit hohen Atrazin-Dosen nicht entdeckt. Darüber hinaus ist eine mikroskopische Untersuchung der inneren Organe der Frösche erforderlich, um die versteckten Auswirkungen einer niedrigen Dosis aufzuspüren.“
Bislang wurden die Auswirkungen von Atrazin auf Säugetiere und Amphibien nur bei hohen Dosen getestet, nicht bei Dosen, die in der Umwelt üblich sind.
In ihrem Zeitschriftenartikel schreiben Hayes und seine Kollegen: „Die effektiven Dosen in der aktuellen Studie … zeigen die Empfindlichkeit von Amphibien im Vergleich zu anderen Taxa, bestätigen die Verwendung von Amphibien als empfindliche Umweltmonitore/-wächter und geben Anlass zu echter Sorge um Amphibien in der freien Natur.“
Hayes bezweifelt, dass Atrazin so schwerwiegende Auswirkungen auf den Menschen hat, da sich das Herbizid nicht im Gewebe anreichert und der Mensch sein Leben nicht im Wasser verbringt, wie es Frösche tun. Dennoch könnten die Auswirkungen von Atrazin auf Frösche ein Zeichen dafür sein, dass das Herbizid auch die menschlichen Sexualhormone auf subtile Weise beeinflusst, indem es Androgene wie Testosteron beeinträchtigt, die die männlichen Geschlechtsmerkmale steuern.
Einige Studien in Zellkulturen weisen auf eine mögliche biochemische Erklärung für die beobachteten Auswirkungen auf die Geschlechtsorgane von Amphibien hin. John P. Giesy, Professor für Zoologie an der Michigan State University in East Lansing, und seine Kollegen fanden letztes Jahr heraus, dass Atrazin bei hohen Dosen die Produktion des Enzyms Aromatase erhöht, das Androgene in Östrogene umwandelt. Wenn man diese Ergebnisse von Säugetierzellen auf Amphibien überträgt, argumentiert Hayes, dass Atrazin männliche Frösche verweiblichen könnte, indem es die Umwandlung männlicher Hormone in weibliche Hormone fördert. Die verminderten Androgene würden die Entwicklung des Kehlkopfes beeinträchtigen, während die erhöhten Östrogene die Bildung von Eierstöcken innerhalb der Hoden fördern würden.
Mehr als 60 Millionen Pfund des Herbizids wurden im vergangenen Jahr allein in den Vereinigten Staaten ausgebracht. Der Hersteller Syngenta schätzt, dass die Landwirte das Herbizid zur Unkrautbekämpfung auf etwa zwei Dritteln aller Mais- und Sorghumflächen in den USA einsetzen. Im Durchschnitt verbessert es den Maisertrag um etwas mehr als vier Prozent. Die Verbindung gilt jedoch im Allgemeinen als sicher, da sie sich in der Umwelt schnell zersetzt und als wasserlösliche Substanz vom Körper schnell wieder ausgeschieden wird.
Aquatische Lebewesen schwimmen und vermehren sich jedoch in mit Atrazin verunreinigten Feldabflüssen. Frühere Studien zeigten zwar nur bei sehr hohen Dosen Missbildungen und Anomalien bei erwachsenen Amphibien, aber niemand hatte den Hormonspiegel in Fröschen oder die Auswirkungen auf Kaulquappen, das Larvenstadium der Frösche, im Detail untersucht.
Auf Drängen der EPA wandte sich Syngenta an Hayes, einen Experten für Amphibienhormone, um herauszufinden, ob Atrazin die Sexualhormone in Amphibien stört. Er hat mehrere sehr empfindliche Tests entwickelt, um Chemikalien aufzuspüren, die sich auf Hormone auswirken, darunter einen Test für östrogenähnliche Chemikalien, die beim Menschen Brustkrebs auslösen könnten.
Obwohl Hayes ursprünglich von Syngenta Geld für die Studien erhielt, wurden alle derzeit veröffentlichten Studien unabhängig von Syngenta durchgeführt.
Für seine Labortests verwendete er den afrikanischen Krallenfrosch Xenopus laevis, ein beliebtes Forschungsobjekt, das wie viele Frösche sehr empfindlich auf Hormone reagiert, die die Wirkung ihrer eigenen Geschlechtshormone nachahmen. Werden sie beispielsweise in einem Teich mit Östrogen aufgezogen, entwickeln sich alle Xenopus-Kaulquappen zu Weibchen. Bei Anwesenheit von Androgenen wachsen den Fröschen größere Kehlköpfe, die sogenannten Larynge.
In Laborexperimenten mit verschiedenen Atrazinkonzentrationen, bei denen zwei getrennte Froschpopulationen in drei separaten Becken aufgezogen wurden – die Experimente wurden 51 Mal wiederholt -, stellten die Forscher fest, dass Atrazin die sexuelle Entwicklung der Frösche bei Konzentrationen von 0,1 ppb und höher beeinträchtigt. Das ist 30 Mal niedriger als der zulässige Grenzwert von 3 ppb in Trinkwasser und 120 Mal niedriger als der vorgeschlagene Grenzwert für die chronische Exposition von Wasserlebewesen von 12 ppb.
Bei diesen Konzentrationen wiesen 16 Prozent der Tiere mehr als die normale Anzahl von Keimdrüsen auf – darunter ein Tier mit sechs Hoden – oder hatten sowohl männliche als auch weibliche Organe (Hoden und Eierstöcke). Kein Kontrolltier hatte solche Anomalien.
Auch wenn normale Männchen bei der Metamorphose größere Stimmorgane haben als Weibchen, waren die Organe von mehr als 80 Prozent der Männchen, die 1 ppb oder mehr Atrazin ausgesetzt waren, kleiner als der Durchschnitt. Geschlechtsreife Männchen wiesen einen 10-fachen Rückgang des Testosteronspiegels auf, so dass er unter dem Niveau normaler Weibchen lag. Dies deutet darauf hin, dass Atrazin die Synthese von Sexualhormonen stört, was auch die kleineren Kehlköpfe und abnormen Keimdrüsen erklären könnte.
„… die aktuellen Daten geben Anlass zu neuer Besorgnis für Amphibien in Bezug auf Atrazin“, schreiben die Forscher in ihrer Studie. „Wenn solche Effekte in der freien Natur auftreten, würden exponierte Tiere unter einer beeinträchtigten Fortpflanzungsfunktion leiden.“
In der Tat führten Hayes und seine Kollegen anschließend eine Erkundung von mit Atrazin kontaminierten Teichen im Mittleren Westen durch, um zu sehen, ob solche Fortpflanzungsanomalien bei Fröschen in der freien Natur auftreten. Sie entdeckten viele einheimische Leopardenfrösche (Rana pipiens) mit ähnlichen Problemen und testen nun gefangene Tiere, um festzustellen, ob diese Veränderungen auf Atrazin zurückzuführen sind.
„Atrazin beeinträchtigt offensichtlich die Frösche“, sagte Hayes. „Wir haben ernsthafte Auswirkungen auf ihre sexuelle Entwicklung nachgewiesen. Wir müssen uns die Fragen stellen: ‚Was sind die Umweltkosten des Einsatzes von Atrazin? Welche Vielfalt haben wir verloren?'“
Hayes führte die Studie mit Hilfe des kürzlich promovierten Nigel Noriega, des wissenschaftlichen Mitarbeiters Aaron Vonk und der ehemaligen und derzeitigen Studenten Atif Collins, Melissa Lee, Magdelena Mendoz und A. Ali Stuart durch, die alle als Mitautoren der Studie aufgeführt sind. Die Studien wurden von der National Science Foundation unterstützt.
Zusätzliche Informationen:
- Profil über Tyrone Hayes