Spürnase im Getreidefeld

Schimmelpilze der Gattung Fusarium sind vor allem wegen ihrer toxischen und zum Teil krebserregenden Nebenprodukte bekannt, die weltweit das Getreide belasten. Eine elektronische Nase soll es jetzt ermöglichen, die gefährlichen Erreger direkt im Feld aufzuspüren.

Im Jahre 1944 erkrankten mehrere tausend Menschen in der UdSSR an einer Lebensmittelvergiftung durch überwintertes Getreide. Unter den feuchten Lagerbedingungen hatte das Getreide zu schimmeln begonnen. In der damals herrschenden Hungersnot wurde es dennoch zu Brot verbacken. Das Getreide, so stellte sich später heraus, war von Schimmelpilzen der Gattung Fusarium befallen. 

Fusarium-Toxine belasten weltweit Getreide 

Obwohl Fusarium-Pilze selber für den Menschen harmlos sind, produzieren einige Arten hochtoxische Nebenprodukte, sogenannte Mykotoxine. Eines der bekanntesten Mykotoxine ist das Deoxynivalenol (DON), das ab einer gewissen Dosis Erbrechen, Durchfall, Blutungen und Nierenversagen verursachen kann. 1944 starben über 1000 Menschen an einer Vergiftung durch DON.

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Heute gehört Fusarium-Befall weltweit zu den wichtigsten Getreidekrankheiten, die vor allem Mais, Weizen, Gerste und Hafer betreffen. Einer Studie der Scientific Co-operation on Questions relating to Food (SCOOP) von 2004 zufolge enthielten durchschnittlich 57% aller untersuchten Weizenproben aus europäischen Staaten das Fusarium-Toxin DON. Der DON-Gehalt der meisten Proben lag dabei jedoch unter dem als schädlich eingestuften Grenzwert. Allerdings herrscht noch immer Uneinigkeit, wie gefährlich bestimmte DON-Mengen für den Endverbraucher wirklich sind. Laut der SCOOP-Studie lag die berechnete Menge in Nahrungsmitteln teilweise auch nahe an dem für Kleinkinder tolerierbaren Tageswert. 

Für Landwirte existieren nur grobe Schätzverfahren

Normalerweise sind Fusarium-Pilze natürliche Bodenpilze, die Pflanzenmaterial abbauen. Bei feucht-warmen Wetterbedingungen im Frühjahr können sie allerdings Sporenbehälter ausbilden. Wenn Sporenflug und der Zeitpunkt der Getreideblüte zusammenfallen, kann es dann zur sogenannten Ähren-Fusariose kommen, bei der sich in den Körnern die giftigen Mykotoxine bilden. In besonders feuchten Jahren setzen Landwirte deshalb Fungizide zur Blütezeit ein. Eine weitere Möglichkeit, um einer Fusarien-Infektion vorzubeugen, ist der Anbau weniger anfälliger Getreidesorten. 

Bisher existieren jedoch noch keine praktikablen Kontrollmethoden, die ganz verhindern können, dass Fusarium-infiziertes Getreide auf den Markt gelangt. Laut Lebensmittelhygienegesetz sind Landwirte, Getreidehändler und Mühlen dazu angehalten, Getreide und Mehl in Stichproben zu kontrollieren. Bestehen Zweifel, so haben sie die Möglichkeit, Proben mittels Gaschromatographie und molekularbiologischen Techniken in einem Labor untersuchen zu lassen. 

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Solche Methoden sind aufwendig und brauchen Zeit. Für Landwirte, die bei der Ernte möglichst schnell entscheiden müssen, welcher Teil eines Feldes sich zum Dreschen eignet und welcher befallen ist, sind sie daher keine Option. Sie sollten, so empfiehlt es eine Verordnung von 2004, ihr Getreide nach der Ernte optisch nach sogenannten Fusarien-Körnern durchsuchen. Die für einen Befall typischen Körner sind heller als gesunde und zeichnen sich durch eine eingedellte, verschrumpelte Form aus. Anhand der Menge an Fusarien-Körnern wird der Toxingehalt eines Getreidesilos berechnet. Das Auszählen der Fusarien-Körner wird allerdings nur als ein grobes Schätzverfahren angesehen und auch gesund aussehende Körner können vom Pilz befallen sein und DON-enthalten. Außerdem lässt sich anhand der Körner nicht erkennen, um welche Pilzart genau es sich handelt. Von den insgesamt 16 verschiedenen Fusarium-Arten, sind besonders F. graminearum und F. culmorum wegen der Produktion von DON gefährlich. 

Schwingquarze schlagen bei Fusarium-Befall an

Mit der Entwicklung einer elektronischen Nase wollen Wissenschaftler bei solchen Unsicherheiten jetzt Abhilfe schaffen. Detlev Schild leitet die Abteilung Neurophysiologie und zelluläre Biophysik der Georg-August Universität Göttingen und erforscht in erster Linie den Geruchssinn bei Tieren. „Das Projekt entstand durch Zufall. Einer unserer Agrarwissenschaftler sprach mich an, weil wir am Geruchssinn forschen. Der Kollege hatte versucht, verschiedene Fusarium-Arten anhand der optischen Eigenschaften der befallenen Körner zu unterscheiden, was aber leider nicht funktioniert hatte. Daraus entstand die Idee zu testen, ob die Arten sich eventuell durch die flüchtigen Substanzen unterscheiden, die von den Pilzen produziert werden.“, so Schild.

Jakob Eifler, ein Doktorand in Schilds Abteilung, baute einen Sensor für chemische Moleküle, der auf der sogenannten Metalloporphyrin Quarz Crystal Microbalance - Technik (QCM) basiert. Auf einer Platine befinden sich Schwingquarze, die mit Polymeren unterschiedlich beschichtet sind und mit Frequenzen von mehreren Millionen Schwingungen pro Sekunde schwingen. Die von den Getreidekörnern austretenden Gase werden dem Sensor über ein Schlauchsystem präsentiert. „Docken unterschiedliche Moleküle an den Schwingquarzen an, so ändert sich die Masse der Quarze und somit auch deren Schwingfrequenz.“, erklärt Detlev Schild. Die Frequenzänderungen ließen sich sehr genau messen und digital auswerten.

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Die Technik ähnelt der Art und Weise wie auch unsere Nase chemische Stoffe aufnimmt: Hunderte unterschiedlicher Rezeptoren erlauben es zwischen zehntausenden unterschiedlicher Gerüche zu unterscheiden. Dabei sind es nicht einzelne Geruchsstoffe, die von dem Sensor erkannt werden, sondern das Muster aus verschiedenen chemischen Substanzen. Anhand der unterschiedlichen Muster, so zeigt die Studie, ließen sich vier Fusarium-Arten mit dem Gerät unterscheiden, darunter auch die gefährlichen Arten F. graminearum und F. culmorum. „Elektronische Nasen dieser Art sind prinzipiell transportabel und bietet Landwirten die Möglichkeit, direkt auf dem Feld einen Fusarium-Befall zu erkennen.“, freut sich Schild.

Sensoren als Entwicklungsfeld

Schwingquarzsensoren werden auch in der Diagnostik getestet, um beispielsweise auf nicht-invasivem Wege Hinweise auf Prostata- und Blasenkrebs zu erhalten. „Das Feld der elektronischen Nasen ist allerdings generell etwas zurückgeblieben“, sagt Schild. „Das Schwierigste dabei ist gute Sensoren zu bauen. Dafür muss man Wissenschaftler mit unterschiedlichen Expertisen aus Biologie, Chemie, Elektronik und Computerwissenschaften zusammenbringen.“

Ob es in Zukunft möglich sei, eine elektronische Nase mit echter Fernwirkung zu entwickelt, die beim Durchmessen eines Getreidefeldes wie ein Geigerzähler ausschlägt? „Das ist eine Frage der Empfindlichkeit und soweit sind wir leider noch nicht. Aber es ist nicht auszuschließen, dass das bald möglich wird“, lautet Schilds Einschätzung. Momentan entwickeln die Wissenschaftler einen Sensor, der nicht den Erreger, sondern das Gift DON selbst erkennt. Denn letztendlich ist es ein schneller, quantitativer Nachweis des Toxins, der bisher in der direkten Getreidekontrolle vor Ort fehlt.