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WASSER- UND UMWELTANALYTIK Was Insekten bewegt

| Autor / Redakteur: Guido Deußing* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Ein Göttinger Forstzoologe nutzt die Gaschromatographie in Verbindung mit einem modifizierten olfaktorischen Detektor, um Insekten bei ihrer Kommunikation mit der Umgebung zu „belauschen“.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Ein Göttinger Forstzoologe nutzt die Gaschromatographie in Verbindung mit einem modifizierten olfaktorischen Detektor, um Insekten bei ihrer Kommunikation mit der Umgebung zu „belauschen“. Daraus sollen Ansätze abgleitet werden, nach denen sich umweltfreundliche Pflanzenschutzmaßnahmen oder effiziente Biosensoren für Waldbrände entwickeln lassen.

Unzählige Lebewesen sind der Evolution zum Opfer gefallen. Insekten überstanden selbst widrigste Umstände. Was vielen Menschen weniger gefällt, gelten manche doch als Plagegeister, die Angst und Ekel hervorrufen und lieber tot als lebendig gesehen werden - insbesondere, da sie sich als Geißel der Menschheit entpuppen können: Insekten übertragen Krankheiten, wie Malaria, Gelb- oder Fleckfieber, und sind in der Lage Hungersnöte auszulösen, wenn sie in Scharen über Felder herfallen.

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Was der Evolution in Jahrmillionen nicht gelungen ist, versucht der Mensch selber in die Hand zu nehmen. Der Griff zur Fliegenklatsche gleicht einem natürlichen Reflex, der Einsatz von Pestiziden dem letzten Ausweg, einer Insektenplage Herr zu werden. Welche große Bedeutung die winzigen Kreaturen für das Leben und seine Vielgestaltigkeit haben, werde dabei nur allzu leicht übersehen, sagt die US-amerikanische Insektenforscherin May R. Berenbaum: „Insekten sind unsere wichtigsten Partner bei der Schaffung von Leben auf der Erde, denn oft übernehmen sie die Federführung bei der Gestaltung terrestrischer Ökosysteme.“

Immer den Fühlern nach

Wie aber lassen sich Insekten ohne den Einsatz gefährlicher Chemikalien hindern, Ernten und Forstbestände zu vernichten?

„Um eine Aussage treffen zu können, muss man verstehen, was Insekten veranlasst, bestimmte Pflanzen zu befallen“, erklärt Prof. Stefan Schütz, Leiter des Instituts für Forstzoologie und Waldschutz an der Universität Göttingen. Um Artgenossen zu warnen oder einen Geschlechtspartner zu finden, nutzen Insekten Pheromone. Das sind flüchtige Botenstoffe, die das Insekt über die Luft verbreitet. Die Wahrnehmung erfolgt über empfindliche Riechrezeptoren, die sich an den antennenartigen Fühlern am Kopf des Insekts befinden.

Insekten treten aber nicht nur mit Artgenossen sondern auch mit Pflanzen olfaktorisch in Wechselwirkung. Die Emission flüchtiger Pflanzeninhaltsstoffe erfolgt oft ungewollt infolge einer Verletzung der Pflanzenhaut. Der Kartoffelkäfer etwa hat sich darauf spezialisiert, seine Wirtspflanze, die Kartoffel, am Geruch zu erkennen. Wobei das zur Familie der Blattkäfer gehörende Insekt mit Vorliebe ausgewachsene und beschädigte Pflanzen anfliegt. Junge Pflanzen hingegen findet der Kartoffelkäfer unattraktiv.

Da auch hier eine Übertragung olfaktorischer Reize das Verhalten des Kartoffelkäfers bestimmt, liegt die Vermutung nahe, die Geruchsmuster junger und ausgewachsener beziehungsweise beschädigter Kartoffelpflanzen unterscheiden sich. Um diese These zu überprüfen, entwickelte Schütz eine spezielle Apparatur. Hierbei bedient sich der Wissenschaftler der Gaschromatographie in Verbindung mit einem so genannten Elektroantennographischen Detektor (EAD). Der EAD basiert auf einem olfaktorischen Detektor (Gerstel-OlfactoryDetectorPort ODP), der modifiziert und mit einer speziellen Messzelle ausgestattet wurde (s. Abb. 2).

Zentrales Element der Messzelle ist die Antenne, die dem Insekt amputiert wurde und messbare elektrische Potenziale erzeugt, wird sie mit Geruchsstoffen stimuliert. „Werden Basis und Spitze der Antenne mit Elektroden versehen“, erklärt Dr. Bernhard Weißbecker, Mitarbeiter am Institut, „lässt sich ein Elektroantennogramm (EAG) aufzeichnen, das Auskunft gibt, was das jeweilige Spenderinsekt an flüchtigen Verbindungen wahrnimmt.“

Modell Hausbock

Die Funktionstüchtigkeit seiner Apparatur prüfte Schütz am Beispiel des Hausbocks, der in Europa und Ländern gemäßigten Klimas vorkommt. Die Larven des Käfers verbringen zwischen zwei und acht Jahren im Holz und verursachen schwere Schäden, etwa in Dachstühlen und Fachwerkhäusern. Schütz untersuchte die Emissionen von Kiefernholz und stellte fest: der Hausbock kann verschiedene Stoffklassen detektieren, die weit über den typischen Nadelholzgeruch hinausgehen.

Während Schütz den EAD einsetzt, um die vom Insekt wahrgenommenen Geruchsmuster aufzuzeichnen, bedient er sich der massenselektiven Detektion (MSD), um die chemische Zusammensetzung der Probe zu ergründen. Der Vergleich beider Chromatogramme, also EAD und MSD, kann sich allerdings als aufwändig erweisen, kommen zwei unterschiedliche Systeme zum Einsatz, sagt Schütz. Zudem werde bei bestimmten Verfahren zur Probennahme, etwa der Festphasenmikroextraktion (SPME) oder der Thermodesorption (TDS), die Probe im Moment der Analyse aufgebraucht und steht folglich für weitere Analysen nicht mehr zur Verfügung. Es sei wünschenswert, beide Methoden in einem System zu vereinen betont der Zoologe und sein Mitarbeiter Weißbecker ergänzt: „Um die Probe zwischen dem EAD, der unter Atmosphärendruck arbeitet, und dem MSD, in dem ein Vakuum herrscht, spliten zu können, verwendeten wir ein Graphpack-Kreuzstück von Gerstel und geeignete Restriktionskapillaren“.

Kiefern vor Schädlingsbefall schützen

Zu den Forstschädlingen zählt der Blaue Kiefernprachtkäfer, der während seiner massenhaften Vermehrung erheblichen Schaden in Kiefernwäldern anrichtet. Im Reifeprozess frisst sich das Insekt durch die Baumkrone, während sich die Larven unter der Rinde vom Bast der Kiefer ernähren. Für die Eiablage bevorzugt der Kiefernprachtkäfer geschwächte Bäume. Gesunde Bäume können den Nachwuchs mittels Saftfluss oder Überwallung abtöten.

Die Flughöhe der Insekten während der Wirtsbaumwahl liegt deutlich unterhalb der Baumkrone. Schütz unternahm die olfaktorische Bestimmung von Duftemissionen daher am Kieferstamm. Hierzu bediente sich der Wissenschaftler luftdichter Kammern aus Stahl und Teflonfolie, die er an den Stämmen anbrachte. Die Probennahme erfolgte mittels Closed-Loop-Stripping-Technik auf Aktivkohle. Die von der Aktivkohle eluierten Duftproben wurden gaschromatographisch getrennt und mittels MSD und EAD-FID nachgewiesen. Hierbei zeigten sich signifikante Unterschiede in der Duftzusammensetzung. „Das EAG von Kiefernprachtkäfer-Antennen auf die Duftmuster ließ die Identifizierung potenzieller Markersubstanzen zu, mittels denen sich für den Käfer attraktive Bäume ausmachen lassen“, sagt Schütz.

Bei den als attraktiv eingestuften Bäumen stellte der Wissenschaftler einen vermehrten Anflug und Befall fest. Die übrigen Kiefern wurden weder im Beobachtungszeitraum angeflogen noch wiesen sie im folgenden Jahr Befallsspuren auf. Das heißt, „mittels GC-MS/EAD sind wir in der Lage“, sagt Schütz, „kranke Bäume aufzuspüren.“ Somit ließen sich selektiv Maßnahmen durchführen, um den Schaden durch Schädlingsbefall gering zu halten beziehungsweise ganz zu vermeiden - ohne Einsatz von Pestiziden.

Schwelbrände frühzeitig erkennen

Die sensorischen Fähigkeiten von Insekten finden noch weitere Einsatzmöglichkeiten, etwa um frühzeitig Schwelbrände zu erkennen und zu bekämpfen, erklärt Schütz. Entgegen der üblichen Fluchtbewegung von Tieren steuert der Schwarze Kiefernprachtkäfer in Scharen Waldbrände an, teilweise aus 80 Kilometern Entfernung. Aus gutem Grund: Sie benötigen das Holz frisch verbrannter Bäume als Nahrungsquelle für ihre Larven. Um herauszufinden, welche Bestandteile in Brand geratenes Kiefernholz emittiert und den Käfer in Bewegung versetzt, wurden Proben auf Aktivkohle gesammelt und im Labor nach Elution mittels GC-MS/EAD und GC-FID/EAD untersucht. „Die parallele Detektion durch FID und EAD ermöglicht einerseits die quantitative Erfassung sämtlicher im Rauchgas vorhandener organsicher Verbindungen“, erklärt Schütz, „andererseits eine Zuordnung der Antennenreaktion zu bestimmten Substanzen im EAD.“

Die Identifizierung der Duftstoffe erfolgte mittels MSD. Schütz konnte zeigen: die Antennen von Feuerkäfern weisen Guajakol-Verbindungen ganz besonders empfindlich nach (1 pg/mL). Seinen Berechnungen zufolge, bringe bereits ein einziger, auf zwei Metern Höhe angekohlter Kiefernstamm bei schwachem Wind Feuerkäfer in einem Kilometer Entfernung in die Luft. Bei Feldversuchen mit einem tragbaren EAG-Gerät wurde die Schätzung bestätigt, was der Entwicklung eines Waldbrandfrühwarnsystems auf Biosensorbasis Vorschub leisten kann.

Apropos: Um Agrarpflanzen, wie die Kartoffel oder Mais, vor Insektenbefall zu schützen, bedarf es laut Schütz bald vielleicht keiner Pestizide mehr, geschweige denn, es müssten Genmanipulationen vorgenommen werden. Schütz: „Wenn wir hinhören und lernen, wie Insekten mit Pflanzen kommunizieren, lässt sich eventuell ein Duftstoff entwickeln und einsetzen, der Schädlinge abschreckt und für uns Menschen ungefährlich ist.“

*G. Deußing, ScienceCommunication, Uhlandstr. 16, 41464 Neuss

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