Die moderne Industriegesellschaft hat in den vergangenen Jahrzehnten rund 100.000 neue Chemikalien hervorgebracht. Tag für Tag gelangen diese unter anderem über Abwässer in Oberflächengewässer und teilweise auch durch die Verwendung dieses Wassers in der Trinkwasseraufbereitung ins Trinkwasser. Besonders problematisch ist, dass nicht eine einzelne Substanz, sondern eine Mischung aller Substanzen in die Umwelt gelangen kann. Das Grundprinzip der Gewässer- und Abwasserüberwachung besteht im Nachweis einzelner Substanzen beziehungsweise Substanzgruppen mittels chemischer Analytik. Zu diesen Substanzen gehören natürliche und synthetische Verbindungen sowie deren Umwandlungsprodukte. Veranschaulichen lässt sich dies mit einem Eisberg. Alles, was Betrachter sehen können und somit bekannt ist, lässt sich auch analysieren. Dies entspricht der Spitze des Eisbergs. Welches Wissen bleibt unterhalb der Wasseroberfläche noch verborgen? Um nun mehr über das „Verborgene unter der Wasseroberfläche“ zu erfahren, etablierte das LANUV Anfang 2019 die wirkungsbezogene Analytik zum vorsorgenden Gewässerschutz. Foto: LANUV/D. Krauthausen Foto: LANUV/D. Krauthausen Foto: LANUV/D. Krauthausen Das Prinzip der wirkungsbezogenen Analytik beruht darauf, dass in einem Screening-Ansatz nicht einzelne Wirkstoffe, sondern biologische Wirkungspotenziale der Gesamtprobe in ausgewählten Zielsystemen, wie zum Beispiel Zellkulturen, nachgewiesen werden. Diese werden im alltäglichen Sprachgebrauch oft als „Effekte“ oder „Wirkungen“ bezeichnet. Die biologischen Wirkungspotenziale finden auf zellulärer Ebene statt und sind dadurch sehr selektiv. Zudem bieten sie den Vorteil, dass auch Wirkungen unbekannter Substanzen und Mischungstoxizitäten erfasst werden können. Das LANUV führt die Untersuchungen zum Nachweis hormonähnlicher, gentoxischer und mutagener Wirkungspotenziale mit gentechnisch veränderten eukaryotischen Zellen in vitro und mit Hefe- und Bakterienzellen durch. In der Regel handelt es sich bei den eukaryotischen Zellen um Krebszellen, die unter standardisierten Laborbedingungen permanent wachsen können. Dank schnellerer und kostengünstigerer Analysemethoden können viele Tierversuche ersetzt werden. Solche Analysen sind hervorragend geeignet, um eine erste Risikoabschätzung bezüglich der untersuchten Endpunkte vornehmen zu können. Hormonähnliche Wirkungspotenziale Hormonähnliche Substanzen, sogenannte endokrine Disruptoren, stehen im Verdacht, die Gesundheit von Mensch und Tier zu beeinträchtigen, indem sie in deren natürlichen Hormonhaushalt eingreifen. Zu den essentiellen Funktionen des Hormonsystems zählen das Gleichgewicht der physiologischen Körperfunktionen wie zum Beispiel Blutdruck und Körpertemperatur, die Fortpflanzung, die Entwicklung und das Verhalten eines Individuums. Diese und viele andere Funktionen werden in den Zielgeweben über Hormone und entsprechende Hormonrezeptoren reguliert. Um nun beurteilen zu können, welche Substanzen im Wasser für hormonähnliche Wirkungen verantwortlich sind, kann die hohe Selektivität von Hormonrezeptoren genutzt werden. Die Rezeptoren funktionieren dabei nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip. Liegt eine Östrogen-wirkende Substanz vor, wie beispielsweise der Wirkstoff der Antibabypille (17α-Ethinylestradiol), bindet die Substanz an den Östrogenrezeptor. Im Zellkern des Testorganismus wird dadurch ein Prozess aktiviert, durch den ein Enzym gebildet wird. Dieses Enzym kann nach Zugabe eines spezifischen Substrats mittels Lumineszenzmessung erfasst werden. Dadurch ist es möglich, auf die Menge der Östrogen-wirkenden Substanzen, die an den Rezeptor gebunden sind, zurückzurechnen. Aber auch Umwelthormone können das Hormonsystem stören. Dazu gehören beispielsweise Flammschutzmittel, Bestandteile von Kunststoffen, Inhaltsstoffe von Kosmetika und Reinigungsmitteln und Wirkstoffe von Medikamenten im Wasser. Foto: LANUV/D. Krauthausen Foto: LANUV/D. Krauthausen Gentoxische und mutagene Wirkungspotenziale Zur Früherkennung reversibler oder irreversibler Schäden des Erbguts (DNA) durch chemische Substanzen können Wirkungstests eingesetzt werden. Um das sogenannte gentoxische Potenzial abschätzen zu können, müssen mindestens drei unterschiedliche Endpunkte beurteilt werden, da jedes dieser Ereignisse in die Entstehung von Krebs und von vererbbaren Krankheiten involviert sein kann: Foto: LANUV/D.Krauthausen Der Mikrokerntest erkennt Änderungen der Chromosomenzahl und strukturelle Schäden der DNA. Foto: LANUV/D.Krauthausen Der Ames-Test identifiziert Genmutationen. Seine Bewertungssicherheit kann durch den parallelen Einsatz des umu-Testes erhöht werden. Foto: LANUV/D.Krauthausen Der umu-Test wird seit 1997 durch das Landesumweltamt NRW beziehungsweise als Nachfolgeorganisation durch das LANUV standardisiert im Vollzug eingesetzt und hat 2019 Einzug in die Parameterliste der akkreditierten Verfahren gefunden. Hormonähnliche Substanzen, sogenannte endokrine Disruptoren, stehen im Verdacht, die Gesundheit von Mensch und Tier zu beeinträchtigen, indem sie in deren natürlichen Hormonhaushalt eingreifen. Zu den essentiellen Funktionen des Hormonsystems zählen das Gleichgewicht der physiologischen Körperfunktionen wie zum Beispiel Blutdruck und Körpertemperatur, die Fortpflanzung, die Entwicklung und das Verhalten eines Individuums. Diese und viele andere Funktionen werden in den Zielgeweben über Hormone und entsprechende Hormonrezeptoren reguliert. Um nun beurteilen zu können, welche Substanzen im Wasser für hormonähnliche Wirkungen verantwortlich sind, kann die hohe Selektivität von Hormonrezeptoren genutzt werden. Die Rezeptoren funktionieren dabei nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip. Liegt eine Östrogen-wirkende Substanz vor, wie beispielsweise der Wirkstoff der Antibabypille (17α-Ethinylestradiol), bindet die Substanz an den Östrogenrezeptor. Im Zellkern des Testorganismus wird dadurch ein Prozess aktiviert, durch den ein Enzym gebildet wird. Dieses Enzym kann nach Zugabe eines spezifischen Substrats mittels Lumineszenzmessung erfasst werden. Dadurch ist es möglich, auf die Menge der Östrogen-wirkenden Substanzen, die an den Rezeptor gebunden sind, zurückzurechnen. Aber auch Umwelthormone können das Hormonsystem stören. Dazu gehören beispielsweise Flammschutzmittel, Bestandteile von Kunststoffen, Inhaltsstoffe von Kosmetika und Reinigungsmitteln und Wirkstoffe von Medikamenten im Wasser.
Das Projekt "Mutagene Aktivitaet schwer- und mittelfluechtiger luftgetragener Verbindungen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Heidelberg, Hygiene-Institut durchgeführt. Im Stadtgebiet von Mannheim werden mit einem High-Volume-Air-Sampler Luftproben mit einem Glasfaser/PU-Schaumfilter entnommen. Die Proben werden extrahiert und im Ames-Test sowie im HGPRT-Rest (CHO-Zellen) auf ihre mutagene Wirksamkeit hin untersucht. Die Daten werden mit dem Immissions- und dem Emissionskataster fuer die Stadt Mannheim korreliert.
Das Projekt "Identifizierung und Bewertung von halogenorganischen Verbindungen als Nebenprodukte der Chlorung von Wasser" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Heidelberg, Hygiene-Institut durchgeführt. Durch die Haloformreaktion entsteht bei der Chlorung von Trink- und Schwimmbadwasser Chloroform. Bislang weitgehend unbeachtet sind die ebenfalls im Zuge dieser Reaktion entstehenden schwerfluechtigen halogenorganischen Verbindungen. Ziel dieser Arbeit ist es, diese Stoffe zu charakterisieren sowie deren mutagene Aktivitaet mit Hilfe des Ames Testes und des HGPRT-Testes an CHO Zellen zu untersuchen. Die augenreizende Wirksamkeit wird mit dem HET-CAM-Test untersucht.
Das Projekt "Pruefung ausgewaehlter Umweltsubstanzen auf mutagene und potentiell carcinogene Wirkung mittels Kurzzeit-Tests" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Zentrallaboratorium für Mutagenitätsprüfung durchgeführt. Fuer den Menschen relevante Umweltchemikalien, z. B. Arzneimittel, Lebensmittelzusatzstoffe, beim Kochen von Speisen entstehende Stoffe, werden auf mutagen Wirkung untersucht. Hierfuer werden zahlreiche Methoden und prokaryotische und eukaryotische Organismen eingesetzt: Tests an Bakterien (Ames-Test, Host-mediated assay), Test an Soma- und Keimzellen von Drosophila melanogaster, cytogenetische Tests am Knochenmark von Kleinsaeugern (Mikrokerntest, SCE-Test u.a.), Specific-locus-Test an embryonalen Pigmentzellen der Maus (Fellfleckentest) sowie als weiterer Test auf transplazentare Mutagenese der Mikrokerntest an embryonalem Blut der Maus.
Das Projekt "Mutagene Aktivitaet verschiedener bitumenhaltiger Baumaterialien" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Heidelberg, Hygiene-Institut durchgeführt. Bitumendachdichtungsbahnen und verschiedene bitumenhaltige Vergussmassen wurden hinsichtlich ihrer Emissionen bei erhoehten Temperaturen untersucht. Die Dachdichtungsbahnen wurden Temperaturen von 90 Grad Celsius ausgesetzt, die Emissionen der Vergussbitumenarten wurden bei einer Temperatur von 190 Grad Celsius gewonnen. Die so gewonnenen Extrakte wurden fraktioniert, chemisch charakterisiert und im Ames Test auf ihre mutagene Aktivitaet untersucht.
Das Projekt "Vergleich zyto- und gentoxischer Wirkungen des Abgaspartikulats von verschiedenen Dieselfahrzeugen bei Betrieb mit fossilem Brennstoff und Rapsoelmethylester (Biodiesel)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Göttingen, Zentrum Umwelt- und Arbeitsmedizin, Abteilung Arbeits- und Sozialmedizin durchgeführt. Dieselmotoremissionen (DME) haben sich bei Verbrennung fossiler Kraftstoffe als mutagen erwiesen. Die Karzinogenitaet wurde von der IARC im Tierversuch als gesichert (sufficient evidence) und fuer den Menschen als wahrscheinlich (limited evidence) eingestuft. In unseren Studien werden die DME beim Betrieb von PKW und Traktoren mit Rapsoelmethylester (RME) und herkoemmlichem Dieselkraftstoff (DK) untersucht. Das filtergesammelte Abgaspartikulat wird schonend extrahiert, mit HPLC auf PAH analysiert und im direkten Vergleich zwischen RME und DK im AMES-Test auf seine mutagenen Eigenschaften und im Neutralrot-Test auf Zytotoxizitaet untersucht. In den bisher durchgefuehrten Versuchen waren die Filterextrakte bei RME-Betrieb trotz hoeherer absoluter Masse in fast allen Laststufen und Fahrzyklen deutlich weniger mutagen als die DK-Extrakte. Dies ist wahrscheinlich auf die niedrigere PAH-Konzentration im Abgas bei RME-Betrieb zurueckzufuehren. Sollte sich bestaetigen, dass RME-Abgase eine niedrigere mutagene Potenz aufweisen als DK-Abgase, so muss ein Ersatz von DK durch RME beim Betrieb von Dieselfahrzeugen an besonders kritischen Arbeitsplaetzen (in Hallen, unter Tage) und anderen Stellen (z.B. Taxis und Busse in Innenstaedten) diskutiert werden.
Das Projekt "Teilprojekt 2" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Frankfurt am Main, Institut für Ökologie, Evolution und Diversität, Abteilung Aquatische Ökotoxikologie durchgeführt. Schwerpunkte der 'Wirkungs- und Gefährdungsanalyse' bilden ökotoxikologische Fragestellungen sowie die Charakterisierung und Analyse von Gefährdungspotentialen in limnischen Systemen durch Einträge von Plastik. Untersuchungsgegenstand sind unterschiedliche Plastikspezies aus den Bereichen (a) 'konventionelle', synthetische Kunststoffe, (b) Rezyklate und (c) biobasierte Kunststoffe. Diese werden in Partikelform sowohl in gealtertem als auch nicht gealtertem Zustand untersucht. Relevante de- bzw. adsorbierende und auslaugende Substanzen werden gesondert analysiert. Für diverse Kunststoffspezies wird die ökotoxikologische Datenlage über Literaturrecherche analysiert. Sofern diese Daten ausreichen, wird auf deren Basis die Ökotoxizität der freigesetzten sowie ad-/desorbierten Substanzen beurteilt. Datenlücken werden durch eigene In-vitro-Testung geschlossen. Als wesentliche Wirkprinzipien werden dabei erfasst: (a) endokrine Wirkpotentiale über rekombinante Reportergenassays mit Hefen, (b) mutagene Aktivitäten über den Ames-Fluktuationstest sowie (c) zytotoxische Wirkungen mit Leuchtbakterien. Einzelne Substanzen, bei denen sich in vitro ein besonders hohes Wirkpotential zeigt, werden zusätzlich mit Hilfe standardisierter, chronischer In-vivo-Tests analysiert. Für die In-vivo-Tests werden die NOEC oder EC10 als ökotoxikologische Wirkschwellen ermittelt, um damit die Ableitung einer PNEC bzw. der EQS für die untersuchten Substanzen zu ermöglichen. Zusätzlich werden Kunststoffpartikel mit Hilfe von In-vivo-Tests auf ihre ökotoxikologischen Effekte in standardisierten und neu entwickelten chronischen Biotests untersucht. Diese Untersuchungen werden mit tierischen Organismen durchgeführt, wobei unterschiedliche Ernährungstypen berücksichtigt werden. Als Endpunkte werden apikale Effekte auf Wachstum, Entwicklung und Fortpflanzung erfasst. Effekte eines möglichen Nahrungskettentransfers von Mikroplastikpartikeln werden in einfachen Räuber-Beute-Systemen im Labor untersucht.
Das Projekt "Teilprojekt 8" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Berlin (ZIB) durchgeführt. Es soll ein neuer Weg beschritten werden, bei dem durch den Einsatz von Interaktionsanalysen mit biologisch relevanten Zielstrukturen für die bekannten TPs der Ausgangssubstanz ein Transformationsproduktraum ('transformation product object space', TPOS) definiert wird. Ein formalisiertes Ordnungssystem sorgt dann dafür, dass mit vertretbarem Arbeitsaufwand die relevanten TPs in die humantoxikologische Risikobewertung gelangen. Summenbewertungen sollen evaluiert werden, die den gesamten TPOS umfassen. Am ZIB werden Bindungsstudien mit Zielsubstanzen und deren Transformationsprodukte (TPs) durchgeführt. Dazu werden moleküldynamische Betrachtungen (Entropie) und neue mathematisch motivierte Freie-Energie-Schätzer verwendet. Zunächst werden Methoden zur Evaluierung des TP-Raumes etabliert, dann werden prädiktive Modelle zur Risikoklassifizierung erstellt. Die Validierung der Modelle geschieht anhand von allgemein anerkannten Tests humantoxikologischer Endpunkte (z.B. AMES II-Test)
Das Projekt "Teilprojekt 9" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität München, Walther-Straub-Institut für Pharmakologie und Toxikologie durchgeführt. Es soll ein neuer Weg beschritten werden, bei dem durch den Einsatz von in-silico-Methoden für die bekannten TPs ausgewählter Modellsubstanzen mögliche Interaktionen mit für den Menschen relevanten, biologischen Zielstrukturen modelliert werden. Die humantoxikologische Bewertung soll durch einen Quotienten ergänzt werden, der sich aus der voraussichtlichen oder gemessenen Exposition eines Individuums und der als annehmbar bzw. tolerierbar erkannten Exposition ergibt und wie der PEC/PNEC Quotient der Ökotoxikologie als 'Risikoampel' fungieren würde. An der LMU werden Vorarbeiten für Bindungsstudien der Ausgangssubstanzen und ihrer Transformationsprodukte (TPs) mit identifizierten biologischen Zielstrukturen (z.B. Enzyme, Kanal-, Struktur-, Transportproteine, etc.) durchgeführt. Erste Kandidaten sind Leitsubstanzen anthropogener Spurenstoffe wie Sulfamethoxazol, Carbamazepin und Diatrizoat und ihre bekannten TPs. Nach der computer-gestützten Exploration der digitalisierten Zielstrukturen am ZIB sollen auffällige TPs im Hinblick auf ihre Interaktion mit ausgewählten Zielstrukturen näher charakterisiert werden. Die Validierung mit allgemein anerkannten Tests humantoxikologischer Endpunkte (z.B. AMES II-Test) koordiniert die LMU, bevor dann LMU und ZIB gemeinsam die Fakten für eine umfassende Risikobewertung präsentieren.
Das Projekt "Teilprojekt 3" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Umweltbundesamt durchgeführt. Ziel des Teilprojekts ist es, durch den Einsatz von flexiblen Teststrategien Gefährdungspotenziale zu erfassen und deren Humanrelevanz zu charakterisieren. Das theoretische Konzept basiert auf der Annahme, dass nicht vorrangig das toxikologische Risiko (Hochdosis-Mechanismen) eines Schadstoffes, sondern dessen toxikologische Sicherheit (Niedrigdosis-Bereich) charakterisiert werden muss. Generell werden im TP alle Verfahrensschritte und analytisch identifizierten Einzelsubstanzen toxikologisch bewertet. Die Ergebnisse sind für die Ausrichtung der Verfahrensschritte von erheblicher Bedeutung. Zum Einsatz kommt eine umfassende Teststrategie, die sowohl verfahrensspezifische (hier: Ozonung) als auch stoffspezifische Effekte (hier: Beeinflussung des Metabolismus durch polare Substanzen) erfasst. Alle komplexen Gemische bzw. Einzelsubstanzen werden zunächst auf ihre zytotoxische Wirkung getestet. Über die Zeit und bei gegebener Exposition kann Zytotoxizität zu adversen Effekten führen. In einer zweiten Stufe wird die Gentoxizitätsprüfung vorgenommen, und zwar entsprechend der festgeschriebenen Teststrategie: Kombination von bakteriellen Testverfahren zum Nachweis von Genmutationen (Ames-Test) und Nachweis von Chromosomenschäden (Mikrokerntest) in der Säugerzellkultur. Auf der Basis aller Messergebnisse kann eine Bewertung des gentoxischen Gefährdungspotenzials im Sinne einer Ja/Nein-Entscheidung vorgenommen werden. Alle positiven Befunde werden in 'humanifizierten' Zellkulturmodellen verifiziert. Die Festschreibung harmonifizierter Teststrategien bildet die Basis für die Übertragung in den regulativen Bereich.
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| Förderprogramm | 57 |
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