Das Projekt "Teilprojekt 7" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Heidelberg, Institut für Zoologie, Abteilung V Morphologie & Ökologie, Arbeitsgruppe Aquatische Ökologie und Toxikologie durchgeführt. Das Gesamtziel des Projekts besteht darin, die wissenschaftlichen Grundlagen für einen Leitfaden für ein gefährdungsbasiertes Risikomanagement anthropogener Spurenstoffen auf der Grundlage des gesundheitlichen Orientierungswerts (GOW) mit den biologischen Endpunkten Gentoxizität, Neurotoxizität, endokrine Wirkungen und Keimzellschädigung zu schaffen. Im Teilprojekt der Universität Heidelberg sollen im Rahmen des Moduls Neurotoxizität neue bildgebende Verfahren zum Nachweis neurotoxischer Schädigungen am Zebrabärbling (Danio rerio) eingesetzt werden, der sich zunehmend als Modellorganismus auch für Säugetiere inkl. des Menschen etabliert. Die Tests werden mit frühen Entwicklungsstadien durchgeführt, die nach der neuen Tierschutzrichtlinie der EU keinem Schutzstatus unterliegen (also keine Tierversuche sind); nur in Ausnahmefällen wird die Exposition auf fortgeschrittene Entwicklungsstadien erweitert. Neben konventionellen Parametern wie der Hemmung der Acetylcholinesterase werden adverse Effekte von ausgewählten Monosubstanzen, Wasserproben und Konzentraten, die im Gesamtprojekt festgelegt werden, auf das optische und olfaktorische System sowie das Seitenliniensystem (Neuromasten) der Fischembryonen ermittelt. Um primär neurotoxische Wirkungen von Sekundäreffekte im Zuge allgemeiner Toxizität abzugrenzen, werden im verlängerten Fischembryotest allgemeine teratogene Effekte ermittelt.
Das Projekt "Design von Biodetektoren für Pestizide und deren Anwendung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Braunschweig, Institut für Ökologische Chemie und Abfallanalytik durchgeführt. Die Wirkungsweise von Insektiziden wie Organophosphaten und Carbamaten sowie einiger Arzneimittel (Alzheimer, Demenz) beruht auf der Hemmung von Cholinesterase-Enzymen. Daher ist es naheliegend, für die Analyse auf solche Verbindungen in wässerigen Umweltproben, Biosensoren mit immobilisierter Acetylcholinesterase als Detektoren einzusetzen. Leitfähige Polymere haben sich dabei aufgrund ihrer elektrochemischen und physikalischen Eigenschaften als hervorragende Plattformen für die Immobilisierung von Biomolekülen erwiesen. Im Rahmen der Kooperation mit dem Chemistry Department der Middle East Technical University (METU) in Ankara, Türkei, wurden daher sehr empfindliche Biosensoren auf der Basis von verschiedenen leitfähigen Polymeren für die quantitative Bestimmung von insektiziden Organophosphaten und AChE-hemmenden Arzneimitteln in Wasserproben entwickelt (Messbereiche: Insektizide 0,001 Mikro g/L - 10 Mikro g/L, Arzneimittel 0,04 Mikro g/L - 50 Mikro g/L). Die Messergebnisse der Biosensoren wurden nach Anreicherung der Wirkstoffe durch Festphasenextraktion mit Hilfe von HPLC/DAD-Analysen validiert. Die Ergebnisse von HPLC- und Biosensor-Analysen auf die verschiedenen Testsubstanzen korrelierten jeweils sehr gut (R2: 0,991-0,999). Die Sensoren können die AChE-hemmenden Substanzen zwar nicht selektiv unterscheiden, können jedoch in Form eines Summen-/Toxizitätsparameters als relativ kostengünstige und einfach zu bedienende Messsysteme für die Überwachung der Kontamination von Trinkwasser und vermutlich auch Oberflächen- und Abwasser mit AChE-hemmenden Insektiziden und Arzneimitteln eingesetzt werden. Da die Nachweisgrenzen deutlich unter dem Grenzwert der Trinkwasserverordnung für Pflanzenschutzmittel und Biozide von 0,1 Mikro g/L liegen, können sie im Vorfeld von aufwendigen rückstandsanalytischen Bestimmungen der Einzelverbindungen einen schnellen Hinweis auf das Vorliegen einer eventuell relevanten Kontamination geben.
Das Projekt "Ringversuch Acetylcholinesterase-Hemmung in Wasser der Arbeitsgruppe 'Pestizide im Wasser' der Senatskommission fuer Pflanzenschutz-, Pflanzenbehandlungs- und Vorratsschutzmittel der DFG" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Bayer AG durchgeführt. Ringversuch; Methode nach Prof. Ohnesorge/Dr. Menzel (Universitaet Duesseldorf) bzw. Dr. Weil (TU Muenchen).
Das Projekt "Einsatz von Biomonitoren zur Erfassung von Phosphorsaeureester in Trink-, Abwasser und Boeden" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Clausthal, Institut für Anorganische und Analytische Chemie durchgeführt. Neue Verordnungen und Anforderungen aus der EG im Trinkwasserbereich erfordern insbesondere auch die Analyse von Insektiziden, wie sie aufgrund der Acetylcholinesterase-Hemmung moeglich ist. Mit diesem Forschungsvorhaben soll ein Screening- bzw Biomonitoringverfahren als Warnsystem auf der Grundlage der Acetylcholinesterase-Hemmung entwickelt werden, das den Nachweis von Phosphorsaeureester-Insektiziden in Wasserproben und Bodenextrakten ermoeglicht. Dafuer ist vor allem die Anwendbarkeit als Enzymelektrode in Form immobilisierter Kartuschen oder als Testkit (mit einer Spurenanreicherung) fuer Loesungen (auch im Durchflusssystem) weiterzuentwickeln und in der Feldanalytik zu erproben.
Das Projekt "Untersuchungen zum Mechanismus der Cholin- und Acetylcholinesterasehemmung durch Kupfer, Zink, Blei, Cadmium und Arsen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität München, Institut für Pharmakologie, Toxikologie und Pharmazie durchgeführt. Klaerung des Mechanismus der frueher beschriebenen Enzymhemmungen.
Das Projekt "Enzymhemmstoffe im Wasser und Nahrungsmitteln" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Untersuchungsstelle für Umwelttoxikologie Schleswig-Holstein durchgeführt. Traegergebundene Acetylcholinesterase wird in einem Saeulendurchflussverfahren zur Bestimmung von Hemmstoffen im Wasser und zur Rueckstandsanalytik bei Nahrungsmitteln eingesetzt (z.B. Organophosphate, Carbonate u.a.)
Background There has been a rising interest within the scientific community and the public about the environmental risk related to the abundance of microplastics in aquatic environments. Up to now, however, scientific knowledge in this context has been scarce and insufficient for a reliable risk assessment. To remedy this scarcity of data, we investigated possible adverse effects of polystyrene particles (104 particles/L) and the pesticide methiocarb (1 mg/L) in juvenile brown trout (Salmo trutta f. fario) both by themselves as well as in combination after a 96 h laboratory exposure. PS beads (density 1.05 g/mL) were cryogenically milled and fractionated resulting in irregular-shaped particles (<50 (micro)m). Besides body weight of the animals, biomarkers for proteotoxicity (stress protein family Hsp70), oxidative stress (superoxide dismutase, lipid peroxidation), and neurotoxicity (acetylcholinesterase, carboxylesterases) were analyzed. As an indicator of overall health, histopathological effects were studied in liver and gills of exposed fish. Results Polystyrene particles by themselves did not influence any of the investigated biomarkers. In contrast, the exposure to methiocarb led to a significant reduction of the activity of acetylcholinesterase and the two carboxylesterases. Moreover, the tissue integrity of liver and gills was impaired by the pesticide. Body weight, the oxidative stress and the stress protein levels were not influenced by methiocarb. Effects caused by co-exposure of polystyrene microplastics and methiocarb were the same as those caused by methiocarb alone. Conclusions Overall, methiocarb led to negative effects in juvenile brown trout. In contrast, polystyrene microplastics in the tested concentration did not affect the health of juvenile brown trout and did not modulate the toxicity of methiocarb in this fish species. © The Author(s) 2020
Pharmaceuticals such as antidepressants are designed to be bioactive at low concentrations. According to their mode of action, they can also influence non-target organisms due to the phylogenetic conservation of molecular targets. In addition to the pollution by environmental chemicals, the topic of microplastics (MP) in the aquatic environment came into the focus of scientific and public interest. The aim of the present study was to investigate the influence of the antidepressant amitriptyline in the presence and absence of irregularly shaped polystyrene MP as well as the effects of MP alone on juvenile brown trout (Salmo trutta f. fario). Fish were exposed to different concentrations of amitriptyline (nominal concentrations between 1 and 1000 (micro)g/L) and two concentrations of MP (104 and 105 particles/L; <50 (micro)m) for three weeks. Tissue cortisol concentration, oxidative stress, and the activity of two carboxylesterases and of acetylcholinesterase were assessed. Furthermore, the swimming behavior was analyzed in situations with different stress levels. Exposure to amitriptyline altered the behavior and increased the activity of acetylcholinesterase. Moreover, nominal amitriptyline concentrations above 300 (micro)g/L caused severe acute adverse effects in fish. MP alone did not affect any of the investigated endpoints. Co-exposure caused largely similar effects such as the exposure to solely amitriptyline. However, the effect of amitriptyline on the swimming behavior during the experiment was alleviated by the higher MP concentration. © 2022 by the authors
Das Projekt "Neue Biosensoren fuer die verbesserte Erkennung von Umweltverschmutzung durch Anticholinesterase-Pestizide" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Stuttgart durchgeführt. Excessive use of pesticides in Europe has led to serious contamination of soil and water and presents a growing threat to human and animal health. We propose to improve the sensitivity of biosensors used both for detecting incidental or chronic environmental contamination by anticholinesterase pesticides and for monitoring the efficiency of remediation of polluted sites. The enzyme acetylcholinesterase is the target of organophosphates and carbamates, two major pesticides currently used in agriculture. We will employ a 'state-of-the-art' approach, utilizing X-ray crystallography, structure analysis, site-directed mutagenesis and large-scale production, using suitable expression systems. This will enable us to produce new bio-engineered targets both more sensitive to and more selective for pesticides of interest, and also possessing increased stability. This will permit us to provide our industrial partner with deliverables suitable for production of novel biosensors possessing the specificity and shelf-life required for manufacturing field kits.
Das Projekt "Immobilisierte Enzyme als Biosensoren zur wirkungsbezogenen organischen und anorganischen Schadstoffanalytik" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Clausthal, Institut für Anorganische und Analytische Chemie durchgeführt. Biosensoren bestehen aus einer biologischen Komponente, meist Enzyme, kombiniert mit einer physikalisch-chemischen Detektionsmethode, meist chemische Sensoren. Diese Kombination ermoeglicht durch Messung der Abnahme der Substratkonzentration bzw. der Zunahme der Produktkonzentration die Bestimmung der Enzymaktivitaet des Biosensors. Abhaengig von der Art des Enzyms wird diese Aktivitaet durch Umweltschadstoffe herabgesetzt. So wird z.B. die Aktivitaet des Enzyms Urease durch Schwermetalle, die Aktivitaet des Enzyms Acetylcholinesterase durch Organophosphorsaeureester, -thioester oder N-Methylcarbamate, die als Pestizide verwendet werden, herabgesetzt. Durch Optimierung der Messparameter ist es gelungen, einen Biosensor bestehend aus pH-Elektrode und Enzymmembran zu entwickeln, der diese Pestizide bei einer Konzentration von 0,1 Mikrogramm/L im Trinkwasser nachweisen kann. Ein Biosystem, bestehend aus einem Urease-Reaktor mit anschliessender photometrischer Detektion des durch die enzymatische Reaktion gebildeten Ammoniums, ist zur Bestimmung freier Kupfer- und Quecksilberionen im Trink- und Oberflaechenwasser geeignet. Solche Analysensysteme lassen Rueckschluesse auf die biologische Wirkung der Schadstoffe in der Probe zu und stellen somit eine sinnvolle Ergaenzung der physikalisch-chemischen Analysenmethode dar. Sie koennen auch eingesetzt werden zum Schadstoff-Screening mit dem Ziel einer Ja/Nein-Aussage ueber die Belastung einer Probe.