Die Verschmutzung der Umwelt mit Plastikabfall wurde lange Zeit ignoriert, gilt aber inzwischen als eine globale Bedrohung für aquatische Systeme und ihre Bewohner. Mikroplastik, welches Plastikfragmente, -kügelchen und -fasern kleiner als 5 mm umfasst, wird in Flüssen, Seen und Ozeanen auf der ganzen Welt nachgewiesen. Aufgrund seiner geringen Größe kann es von einer Vielzahl von Wasserorganismen, einschließlich Fischen, aufgenommen werden. Bislang ist nur wenig darüber bekannt, wie stark einheimische Süßwasserfischarten durch Mikroplastik beeinträchtigt werden. Außerdem stellt sich die Frage, wie sich der Aufbau des Verdauungstraktes und unterschiedliche Futtersuchstrategien von Fischen auf die Aufnahmemechanismen und die Verweildauer von Mikroplastik auswirken. Ziel dieser Arbeit war es, einige dieser Wissenslücken zu schließen, um so die Interaktion von Fischen mit Mikroplastik in Süßwassersystemen besser zu verstehen.

Zunächst wurde eine neue Methode zum Nachweis von Mikroplastik in Fischen entwickelt, welche eine effiziente und schnelle (<1 h) Zersetzung des gesamten Magen-Darm-Trakts von Fischen ermöglicht und zusätzlich einen optionalen Dichteseparationsschritt zur Reduzierung mineralischer Bestandteile umfasst. (Manuskript I). Diese neuartige Methode ermöglichte es, eine große Anzahl von Proben zuverlässig und schnell zu untersuchen und aufgenommene Plastikpartikel verlässlich zu identifizieren. Dadurch konnte flächendeckend die Mikroplastikbelastung einheimischer Fischarten in ganz Baden-Württemberg untersucht werden (Manuskript II). Die Auswertung der Ergebnisse ergab, dass aktuell die Gesamtbelastung mit Mikroplastik als gering eingestuft werden muss. Die durchschnittliche Prävalenz belasteter Fische lag bei ~19 % und die Intensität zwischen einem und vier Partikeln pro Individuum. Es zeigte sich zudem, dass relevante biotische und abiotische Faktoren, wie z. B. der Ort der Probenahme und der trophische Status, nur einen geringen Einfluss auf die Mikroplastikbelastung haben. Die Ergebnisse bestätigten jedoch auch eine wesentliche Einschränkung der derzeit verfügbaren Methoden zum Nachweis von Mikroplastik: Partikel <40 μm konnten im Magen-Darm-Trakt der untersuchten Fische nicht mehr zuverlässig nachgewiesen werden. Es war jedoch mit Hilfe der gewonnenen Daten möglich, die theoretische Gesamtbelastung von heimischen Fischen mit Mikroplastik über eine Größenverteilungsanalyse zu berechnen. Es zeigte sich, dass mit abnehmender Partikelgröße die Partikelkonzentration in Form eines Potenzgesetzes zunimmt. Dies deutet darauf hin, dass über 95 % aller Mikroplastikpartikel in Fischen aktuell nicht nachgewiesen werden können. Damit würde derzeit nur ein Bruchteil des potenziellen Größenspektrums von Mikroplastik in den bis heute durchgeführten Untersuchungen berücksichtigt werden.

Es ist immer noch nicht vollständig geklärt, wie Mikroplastik von Fischen überhaupt aufgenommen wird. Um ein ganzheitliches Verständnis der Aufnahmewege zu erlangen, wurden bereits bestehende, aber auch neu entwickelte Theorien mit Hilfe einer Reihe von praktischen und theoretischen Ansätzen untersucht (Manuskript III). Vier Fischarten (Regenbogenforelle (Oncorhynchus mykiss), Äsche (Thymallus thymallus), Karpfen (Cyprinus carpio), Karausche (Carassius carassius)), die verschiedene Futtersuchstrategien und einen unterschiedlichen Grad der Domestizierung repräsentieren, wurden einer Reihe von Plastikarten und -farben bei gleichzeitiger oder ohne Futterzugabe ausgesetzt; anschließend wurde die Menge an Mikroplastik im Magen-Darm-Trakt bestimmt. Bei diesen Experimenten zeigte sich, dass visuell orientierte Fische Mikroplastik viel häufiger aktiv und/oder zufällig mit dem Futter aufnehmen als chemosensorisch orientierte Fische. Neben der Mikroplastikkonzentration im Wasser und der Fischgröße spielte auch die Farbe der Plastikpartikel eine wichtige Rolle bei der Aufnahme: Partikel wurden deutlich häufiger aufgenommen, wenn sie der Farbe des Futters ähnelten. Im Gegensatz dazu konnten chemosensorische Fische bei der Nahrungssuche größere Plastikpartikel erkennen und nahmen daher diese nur gelegentlich und zufällig auf. Bei kleineren Partikelgrößen werden andere Aufnahmewege als die Nahrungsaufnahme relevanter; statistische Modelle zeigten, dass bei großen Meeresfischarten beträchtliche Mengen an Mikroplastik durch einfaches Trinken aufgenommen werden können. Abschließend zeigten die Experimente erstmals, dass die Domestizierung von Fischen eine wichtige Rolle bei der Aufnahme von Mikroplastik spielt. Im Vergleich zu Wildfischen unterschieden Zuchtfische weniger zwischen unterschiedlich gefärbten Plastikpartikeln und nahmen Mikroplastik häufiger aktiv auf, wenn keine echte Nahrung zur Verfügung stand.

In einem nächsten Schritt wurde die Verweildauer von Mikroplastikpartikeln im Magen-Darm-Trakt von Fischen untersucht (Manuskript IV). Es wurde ein spezielles Futter entwickelt, das unterschiedlich große Mikroplastikpartikel enthielt. Die Anzahl der zurückgehaltenen Partikel im Magen-Darm-Trakt wurde bis zu 72 Stunden nach der Verabreichung bei zwei Fischarten (Regenbogenforelle (Oncorhynchus mykiss), Karpfen (Cyprinus carpio)) bestimmt, welche unterschiedliche Magen-Darm-Morphologien aufweisen. Die Laborexperimente zeigten größenabhängige Unterschiede im T50-Wert (Zeit, in der 50 % der Partikel ausgeschieden werden) von Plastikpartikeln bei Fischen mit einem echten Magen; Partikel mit einer Größe von ~1000 μm wurden etwa dreimal schneller ausgeschieden als Partikel mit einer Größe von ~40 μm. Bei Fischen ohne Magen waren die Unterschiede wesentlich geringer, was auf eine rein passive Ausscheidung mit dem Chymus schließen lässt. Daraus wurde gefolgert, dass die Morphologie des Magen-Darm-Trakts eine entscheidende Rolle bei der Retention von Mikroplastik spielt und dass große Plastikpartikel bei Fischen mit einem echten Magen aktiv ausgeschieden werden müssen.

Schließlich wurde in kontrollierten Laborexperimenten untersucht, ob realistische Mikroplastikkonzentrationen schädliche kurz- und langfristige Auswirkungen auf Fische haben (Manuskript V). Neben der Analyse etablierter Leistungs- und Gesundheitsparameter wurde das gesamte Leberproteom der Regenbogenforelle (Regenbogenforelle (Oncorhynchus mykiss)) untersucht und die Ergebnisse mit Hilfe einer Genexpressionsanalyse bestätigt. Zwei Gruppen von Fischen wurden einer derzeit in der Umwelt messbaren Konzentration von Mikroplastik und einer leicht erhöhten Mikroplastikkonzentration, welche die in naher Zukunft zu erwartende Belastung widerspiegelt, exponiert. Diese beiden Gruppen wurden anschließend mit einer Kontrollgruppe (keine Exposition mit Mikroplastik) nach 120 Tagen kontinuierlicher Exposition verglichen. Es zeigte sich, dass die Exposition mit Mikroplastik eine signifikante dosisabhängige Wirkung auf das Wachstum und andere Leistungsparameter (d.h. spezifische Wachstumsrate, Futterverwertung) hat. Es gab keine signifikanten Unterschiede zwischen den Gruppen bei den Blutzuckerwerten, den Hämatokritwerten und dem Vorkommen von oxidativem Stress. Bei der Proteomanalyse wurden über 6000 Proteine identifiziert, aber es wurden keine eindeutigen Unterschiede in ihrer Regulation oder Korrelation mit der Genexpression zwischen den Gruppen festgestellt. Eine Reihe einzelner Proteine und ihre jeweiligen Transkripte wurden jedoch als potenzielle Biomarker für künftige Studien identifiziert. Die Ergebnisse zeigen somit schlüssig, dass selbst geringe Mikroplastikkonzentrationen bei langfristiger Exposition erhebliche Auswirkungen auf Fische haben. Zudem sind sie eine wichtige Grundlage für künftige Untersuchungen der Auswirkungen von Mikroplastik auf die Gesundheit. Abschließend demonstrieren die Ergebnisse das Potenzial neuartiger, dem neuesten Stand der Technik entsprechender Methoden, welche sich derzeit auf diesem Gebiet entwickeln.