Vorbeugung bioterroristischer Anschläge auf die Trinkwasserversorgung abgesetzter Einheiten

Nachweis und Bedeutung hochtoxischer Pflanzeninhaltsstoffe

C. Deze, N. Kayser

Einleitung

Im Juni 2018 kam es in Köln zu einem beunruhigenden Fund: Nach entsprechenden Hinweisen durch das Bundesamt für Verfassungsschutz wurde die Wohnung eines Terrorverdächtigen durch ein Sondereinsatzkommando der Polizei gestürmt und durchsucht. Die Beamten fanden neben einfachen Laborgeräten und Chemikalien über 3 000 Rizinussamen sowie mehr als 80 Milligramm aufgereinigtes Rizin. Dabei handelt es sich um ein hochwirksames Toxin aus den Samen des Wunderbaums (Ricinus communis), welches der Verdächtige nach einer im Internet verfügbaren Anleitung aus den Samen gewonnen hatte und mittels eines Sprengsatzes ausbringen wollte. 

Im März 2020 wurde der Terrorverdächtige der Herstellung einer biologischen Waffe und Vorbereitung einer schweren staatsgefährdenden Straftat schuldiggesprochen und verurteilt. Wenn er nicht gefasst und aufgehalten worden wäre, wäre dies der erste terroristische Anschlag mit einer ABC-Waffe in Deutschland gewesen. Dieser Fall zeigt, wie aktuell das Thema Bioterrorismus ist. Die benötigten Samen unterliegen keinen Beschränkungen und sind im Baumarkt oder Onlinehandel erhältlich. Aus dieser Situation ergab sich die Frage, welche anderen, uneingeschränkt verfügbaren Pflanzen hoch­toxische Inhaltsstoffe aufweisen, die in ähnlicher Weise mit einfachen Mitteln extrahiert, in terroristischer Absicht eingesetzt und in die Versorgungskette der Bundeswehr eingeschleust werden könnten.

Pflanzengifte – Altbekannt und doch aktuell

Pflanzengifte, korrekt formuliert sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe, haben in der Medizin und Toxikologie eine lange Tradition. Neben dem Rizin besitzen weitere Substanzen, wie zum Beispiel Alkaloide oder die altbekannten Pfeilgifte, das Potential für bioterroristische Anschläge. Die Entwicklung von einsatztauglichen Nachweismethoden erfolgte deshalb an ausgewählten und als besonders bedeutsam eingestuften Substanzen. 

Hierbei wurden besondere Anforderungen an das Verfahren gestellt. Es sollte auch mit den analytischen Möglichkeiten der Labortrupps Lebensmittelchemie/Ökochemie im Einsatz anwendbar sein, um eine schnelle Aussage im Falle eines Anschlags treffen zu können. Somit können viele Untersuchungstechniken, wie die Flüssigchromatographie mit massenselektiver Detektion, die für den mobilen Einsatz nicht verfügbar sind, nicht angewendet werden. Neben diesen analytischen Aspekten erfolgte die Auswahl der zu betrachtenden Pflanzengifte anhand deren Toxizität und Verfügbarkeit.

Blauer Eisenhut (Aconitum napellus)
Blauer Eisenhut (Aconitum napellus)
Quelle: Pixabay.com

Blauer Eisenhut

Der Blaue Eisenhut ist eine mehrjährige bis 1,5 m hohe staudenartige Pflanze mit charakteristischen blau-violetten Blüten. Bei dem toxikologisch relevantesten Inhaltsstoff handelt es sich um das Alkaloid Aconitin, dessen höchste Konzentrationen (bis zu 3 %) sich in den Wurzelknollen findet. Zur Blütezeit ist der Aconitingehalt am geringsten und erreicht im Winter sein Maximum. 

Wirkung: Aconitin ist ein potenter Inhibitor spannungsabhängiger Natriumkanäle. Es weist eine gute intestinale Resorbierbarkeit auf, kann aber auch über die Schleimhäute und teilweise über die Haut aufgenommen werden. Zunächst tritt eine Erregung der sensiblen Nervenendigungen mit leichter Wärmeempfindung auf. Neben unspezifischen Symptomen wie Übelkeit, Erbrechen und Durchfall tritt im Verlauf ein charakteristisches Kältegefühl auf. Bei entsprechenden Aufnahmemengen folgen Lähmungen, Parästhesien sowie Herzrhythmusstörungen. Der Tod tritt durch zentrale Atemlähmung oder Kammerflimmern ein. Für Aconitin ist im Tierversuch eine letale Dosis (LD50, oral) von 1 mg/kg Körpergewicht beschrieben. Es sind jedoch klinische humane Fallstudien bekannt, bei denen bereits eine Aufnahme von 3 bis 6 mg Aconitin letal wirkten.

Therapie: Es sind resorptionsvermindernde Maßnahmen wie Aktivkohle und Magenspülung anzuwenden. Bei Konvulsionen können Benzodiazepine verabreicht werden. Ansonsten erfolgt eine symptomatische Behandlung vor allem der Arrhythmien. Im Verlauf kann eine intensivmedizinische Betreuung notwendig werden.

Herbstzeitlose

Die Herbstzeitlose ist eine 8 bis 25 cm hohe Knollenpflanze. Die Blüten sind weiß bis rosa und können optisch mit Krokussen verwechselt werden, unterscheiden sich aber von diesen durch ihre Blütezeit im Herbst. Der für die Giftigkeit der Pflanze maßgeb­liche Inhaltsstoff ist das Alkaloid Colchicin. Dies kommt in allen Teilen der Pflanze vor, jedoch ist die Konzentration mit bis zu 1,4 % in den Blüten am höchsten. 

Herbstzeitlose (Colchicum autumnale)
Herbstzeitlose (Colchicum autumnale)
Quelle: Pixabay.com

Wirkung: Colchicin ist ein Mitosegift, das die Ausbildung des Spindelapparats durch Bindung an das zelleigene Protein Tubulin blockiert und somit die Zellteilung verhindert. Die Vergiftung lässt sich in drei Phasen einteilen. Während der ersten Phase in den ersten 24 h kommt es zu gastrointestinalen Symptomen mit daraus resultierenden Elektrolytveränderungen und hämatologischen Veränderungen. In der zweiten Phase kann sich nach 24 bis 36 h ein Multiorganversagen entwickeln, welches durch Knochenmarkssuppression, Gerinnungsstörungen, Nieren-, Leber- und Lungenversagen gekennzeichnet ist. Diese Phase der Intoxikation kann bis zu sieben Tage nach dem Vergiftungsereignis andauern und in schweren Verläufen zum Tod durch Herzversagen führen. Klinische Fallstudien beschreiben bereits aufgenommene Mengen von 30 bis 120 mg für den Menschen als potenziell letal. Die dritte, etwa zwei Wochen andauernde, Phase der Intoxi­kation ist die Erholungsphase: Sie ist gekennzeichnet durch eine Verbesserung der Situation in den Organsystemen, einer erneuten Zunahme der Knochenmarksaktivität sowie einer auftretenden Alopezie.

Therapie: Eine frühzeitige Giftentfernung durch Magenspülung oder Gabe von medizinischer Kohle ist dringend anzustreben, da das Gift nach Aufnahme rasch resorbiert wird. Im weiteren Verlauf bleibt lediglich eine symptomatische Behandlung.

Brechnuss

Die Brechnuss ist eine in Südostasien beheimatete, bis zu 25 m hohe Baumart. Die reifen, orangeroten Früchte umschließen etwa 1 bis 9 Samen, welche maximal 3 % des toxikologisch relevanten Alkaloids Strychnin enthalten. 

Samen des Brechnussbaumes
Samen des Brechnussbaumes (Strychnos nux-vomica)
Quelle: Pixabay.com

Wirkung: Strychnin wirkt als kompetitiver Antagonist des Neurotransmitters Glycin im Rückenmark und weiteren Zentralen Nervensystems. Der Glycinrezeptor ist ein inhibitorischer Chloridkanal, dessen Hemmung durch Strychnin zu tonischen Kontraktionen und Spasmen der Skelettmuskulatur führt. Diese können reflexbedingt durch taktile oder akustische Reize ausgelöst werden. Durch die tonischen Kontraktionen kann eine Myoglobinurie mit akutem Nierenversagen entstehen. Der Tod tritt meist durch spasmusbedingte Atemlähmung ein.

Therapie: Gegen die Muskelkrämpfe können Benzodiazepine verabreicht werden. Nach Unterdrückung der reflexbedingten Erregbarkeit sollte eine Magenspülung und Entgiftung mit Aktivkohle durchgeführt werden. Die Gabe von Sauerstoff und eine Beatmung kann im Verlauf essenziell werden.

Besondere Bedrohungen für abgesetzte Einheiten

Für die hier beschriebenen Substanzen stellt nicht das Ausbringen mittels einer „schmutzigen Bombe“ das Mittel der Wahl dar, sondern ein viel unauffälligerer Weg: Das Vergiften von Lebensmitteln oder Trinkwasser. Hierbei ist insbesondere das Trink­wasser von besonderer Relevanz, da dies praktisch alternativlos ist. Der Verbraucher ist darauf angewiesen, das Wasser so zu verwenden, wie es aus dem Wasserhahn kommt. Eine entsprechende Kontamination würde also die breite Masse betreffen. Im Routinebetrieb steht jedoch einem solchen Bedrohungsszenario gegenüber, dass das Trinkwasser aus ausgedehnten Leitungsnetzen und groß­volumigen Speichern bedient wird, woraus sich ein sehr hohes Verteilungsvolumen ergibt. Um eine toxikologisch relevante Konzentration eines Giftstoffes zu erreichen, muss folglich eine entsprechend große Giftmenge eingesetzt werden. Im Falle abgesetzter Einheiten stellt sich die Lage jedoch anders dar: Hier ist von deutlich weniger ausgedehnten Trinkwassernetzen und Frischwasserspeichern auszugehen. 

Ein Beispiel soll dies verdeutlichen: Aus den toxikologischen Daten des Aconitins ergibt sich im Tierexperiment bei oraler Aufnahme ein LD50 von 1 mg/kg Körpergewicht. Übertragen auf den Menschen bedeutet dies (unter Annahme eines Körpergewichts von 70 kg) eine Aufnahme von 70 mg Aconitin. Um von diesen Daten eine Aufnahmemenge, die voraussichtlich keine negativen Folgen für die Gesundheit hat, abzuleiten, wird das für toxikologische Berechnungen übliche Konzept der Sicherheitsfaktoren verwendet: Zur Berücksichtigung von Speziesunterschieden wird ein Faktor von zehn angenommen (Interspezies-Extrapolation). Ebenfalls ein Faktor zehn wird verwendet, um individuellen Unterschieden innerhalb der Population Rechnung zu tragen (Intraspezies-Extrapolation). 

Da keine adäquaten Studien zur Ermittlung eines „No Observed Adverse Effect Level“ (NOAEL) für die Substanz Aconitin vorliegen, muss ersatzweise der LD50 für eine entsprechende Abschätzung verwendet werden. Hierdurch ist jedoch ein weiterer Faktor 100 zu berücksichtigen, um von dem betrachteten Endpunkt der zu Grunde liegenden Studie (LD50) auf die Dosis zu schließen, die voraussichtlich keinen negativen Effekt zeigt (Endpunkt-Extrapolation). Diese Einzelbeiträgen ergeben einen Sicherheitsfaktor von 10 000. Unter Anwendung dieses Sicherheitsfaktors ergibt sich eine Dosis von 7 µg Aconitin, bei deren Überschreitung eine Gesundheitsschädigung des Verbrauchers nicht sicher auszuschließen ist. Bei einem angenommenen täglichen Verzehr von 3 Litern Wasser wäre somit eine Aconitin-Konzentration  von 2,3 µg/l im Trinkwasser ausreichend, um potentiell eine Schädigung zu verursachen. Ab einer Konzentration von 23 bis 230 µg/l kann auf Basis der vorliegenden Daten von einer akuten Gesundheitsschädigung ausgegangen werden. 

Die Trinkwasserversorgung einer abgesetzten Einheit erfolgt beispielsweise mithilfe einer mobilen Wassertankanlage mit 10 m3 Füllvolumen, was 10 000 Litern Trinkwasser entspräche. Um die genannte kritische Konzentration zu erreichen, müssten in diesen Tank 23 mg Aconitin eingebracht werden. Dies entspricht in etwa der Masse eines Pfefferkorns. Daraus wird deutlich, dass insbesondere abgesetzte Einheiten verletzlich gegenüber einem entsprechenden Sabotageakt sind. Deshalb ist es notwendig, analytische Verfahren zu entwickeln, die bei einer entsprechenden Bedrohungslage zu einer Aufklärung und Beurteilung der Verzehrfähigkeit des Trinkwassers beitragen können.

Einsatztaugliches Nachweisverfahren

Analog zu der dargestellten toxikologischen Bewertung des ­Aconitins erfolgte auch die Bewertung von drei weiteren Pflanzengiften: Colchicin, Strychnin und Nikotin. Die so erhaltenen kritischen Konzentrationen, ab deren Überschreitung negative Gesundheitsfolgen nicht ausgeschlossen werden können, wurden nun für die Methodenentwicklung zu Grunde gelegt. Das zu entwickelnde Analyseverfahren muss in der Lage sein, die entsprechenden Substanzen ab diesen Konzentrationen sicher nachzuweisen.

Als ein einsatztaugliches Verfahren wurde die Hochdruckflüssigchromatographie (HPLC) mit optischem Dioden Array Detektor (DAD) verwendet. Die einzelnen Analyten werden anhand ihrer Polarität und ihrer Fähigkeit zur Ausbildung von Wechselwirkungen mit der verwendeten stationären Phase voneinander getrennt. Mithilfe der Absorption von UV-Strahlung einer definierten Wellenlänge können sie identifiziert und quantifiziert werden.

HPLC-DAD Isoabsorbance Plot
HPLC-DAD Isoabsorbance Plot
Quelle: C. Deze

Die verwendeten Messwellenlängen lassen sich mittels sogenannten Isoabsorbance-Plot darstellen: Auf der horizontalen Achse ist die Retentionszeit dargestellt, also die Zeit, die der Analyt zum Passieren des Systems benötigt. Diese ist umso größer, je mehr Wechselwirkungen er mit der stationären Phase des Systems eingeht. Auf der vertikalen Achse ist die Wellenlänge der eingesetzten UV-Strahlung erkennbar. Die Absorption eines Analyten ist dann durch eine heiß-kalt Farbgebung dargestellt: rot bedeutet hohe, blau geringe Absorption. Die so für die einzelnen Analyten festgelegte Messwellenlänge ist in Abbildung 4 entsprechend gekennzeichnet.

Es wurde eine möglichst einfache Probenvorbereitung gewählt, um einen unkomplizierten feldtauglichen Einsatz zu gewährleisten. Der pH-Wert der Probe wird mithilfe von Essigsäure auf pH 3,5 eingestellt. Dazu wird ein Aufarbeitungs-Standard (Coffein) gegeben, welcher die korrekte Durchführung der Messung zeigt. Nach Filtration kann die Probelösung direkt zur Messung verwendet werden. Trotz dieser einfachen Aufarbeitung und ohne weitere Schritte zur Anreicherung der Analyten ergab die DIN EN ISO 17025-konforme Validierung den Anforderungen entsprechende Nachweisgrenzen. Für Aconitin beispielsweise ergab sich eine Nachweisgrenze von 0,8 µg/l. Somit bietet dieses Verfahren die Möglichkeit, Aconitin in toxikologisch relevanten Konzentrationen zuverlässig zu identifizieren. Eine quantitative Bestimmung dieser Substanz ist ab einer Konzentration von 5 µg/l möglich, was für eine differenzierte Beurteilung schwerwiegender Vergiftungsereignisse genutzt wird. Auch für die übrigen hier beschriebenen toxischen Alkaloide konnten im Rahmen der Validierung entsprechend geeignete Nachweis- und Bestimmungsgrenzen gezeigt werden.

Fazit

Einsatztaugliche Schnellmethoden sind auch nach 20 Jahren Auslandseinsatz unverzichtbare Elemente in der Trinkwasser- und Lebensmittelchemie. Aktuelle Anschläge mit hochpotenten Chemikalien zeigen die Auswirkungen auf und lassen erahnen, welches Potential die beispielhaft dargestellten Substanzen in der Trinkwasserversorgung besitzen. Das hier vorgestellte Verfahren ist geeignet, einen bioterroristischen Anschlag auf die Trinkwasserversorgung für die hier beschriebenen Pflanzengifte sicher zu erkennen und zu einer adäquaten Risikobewertung beizutragen. Die mögliche Anwendbarkeit der Methode durch die mobilen Labore der Labortrupps Lebensmittelchemie/Ökochemie im Einsatz leistet darüber hinaus einen wichtigen Beitrag zum Schutz besonders vulnerabler abgesetzter Einheiten. 


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