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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-30344
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/3034/


Ritzenthaler, Raphael

Entwicklung und Standardisierung eines Mikroperfusionssystems für ökotoxikologische Untersuchungen

Development and standardisation of a microperfusionsystem for ecotoxicological studies

Dokument1.pdf (10.663 KB) (md5sum: 6f941a9df459c92591ba5fa6338f95aa)

Kurzfassung in Deutsch

Ziel ökotoxikologischer Forschung ist die Ermittlung von Veränderungen in Ökosystemen unter der Einwirkung von Chemikalien. Zur Charakterisierung des ökotoxikologischen Wirkpotentials von Chemikalien und Umweltproben werden vor allem standardisierte Testverfahren mit repräsentativen Organismen angewendet. In der vorliegenden Arbeit wurde ein alternatives Testverfahren mit einem Perfusionssystem bestehend aus einer Mikroperfusionskammer mit integrierten Sensoren für O2 und pH, für ökotoxikologische Untersuchungen optimiert und für Messungen mit Organismen verschiedener Trophieebenen eingesetzt. In unseren Untersuchungen werden drei physiologische Parameter bewertet: die Atmung, die Photosynthese und die Integrität biologischer Membranen.
Die in dieser Arbeit durchgeführten Optimierungen des Perfusionssystems verbessern die Handhabung der Mikroperfusionskammer hinsichtlich des Ein- und Ausbaus der Kammer in das Perfusionssystem, der luftblasenfreien Befüllung der Kammer sowie der Sterilität. Der Einsatz von Zellsuspensionen z.B. Cyanobakterien oder Protozoen im Perfusionssystem, wie in verschiedene Versuche gezeigt wurde, wurde damit einfacher.
Viele Umweltschadstoffe zeigen membrantoxische Effekte. Um diese Effekte nachweisen zu können wurde eine Durchflussleitfähigkeitselektrode in das Perfusionssystem eingebaut und gestestet. Diese Leitfähigkeitselektrode ermöglichte die Messung von Ionenaustritten in Folge des membranschädigenden Effekts eines Detergenz auf Lemna gibba.
Die Optimierung der Chlorophyllfluoreszenzmessung mit Lemna gibba ermöglicht die Messung eines weiteren Parameters, der Hinweise über den Zustand der Photosynthese oder auf die Wirkorte und Wirkweise einer Substanz auf die Photosysteme liefern kann.
In weiteren Untersuchungen wurde das Perfusionssystem in verschiedenen Toxizitätstests eingesetzt. Die Dosis-Wirkungs-Beziehungen von Benzalkoniumchlorid und Cadmium, auf die photosynthetische Aktivität von Lemna gibba wurden untersucht. Die mit dem Perfusionssystem ermittelten toxischen Konzentrationen waren mit den Werten aus der Literatur vergleichbar.
Das Perfusionssystem wurde eingesetzt, um eine Bewertung der toxischen Wirkung von komplexen Umweltproben durchzuführen. Wässrige Proben aus einer elektrokinetischen Anlage zur Reinigung von Cadmium belasteten Böden und Eluate von Abbränden diverser pyrotechnischer Produkte wurden auf ihre Toxizität für die photosynthetische Aktivität von L. gibba im Perfusionssystem untersucht. Die meisten Proben enthielten bioverfügbare toxische Komponenten, die hemmende Effekte auf die photosynthetische Aktivität von L. gibba zeigten.
In einer weiteren Versuchreihe wurde der Einfluss einer pH-Änderung des umgebenden Mediums auf die Atmungsaktivität und den cytoplasmatischen pH von Koleoptilen von Zea mays im Perfusionssystem untersucht. Der cytoplasmatische pH wurde mit einem pH-spezifischen Fluoreszenzfarbstoff und einem Laser-Scanning-Mikroskop gemessen. Eine Änderung des pH des umgebenden Mediums von 7,4 auf 9 verursachte Reduzierungen des O2-Verbrauchs der Koleoptile. Es wurde kein Effekt auf den cytoplasmatischen pH beobachtet.
Verschiedene Versuchsreihen haben gezeigt, dass mit der Mikroperfusionskammer II eine Vielzahl von Organismen aus verschiedenen Trophieebenen auf physiologische Aktivitäten untersucht werden kann. Die gleichzeitige Messung von O2, pH, Chlorophyllfluoreszenz und Leitfähigkeit ermöglicht, wie verschiedene Experimente gezeigt haben, einen Informationsgewinn über die Art von Schäden die durch ein Toxin verursacht werden. Durch kontinuierliche Messungen kann die Kinetik der Wirkung eines Toxins erfasst werden. Diese Möglichkeiten sind bei den gängigen Toxizitätstests in der Ökotoxikologie nicht vorhanden. Das in dieser Arbeit eingesetzte Perfusionssystem hat sich als ein vielseitiges Werkzeug für das Monitoring von physiologischen Aktivitäten von unterschiedlichen Organismen gezeigt und verfügt somit über Anwendungsmöglichkeiten, die über die Ökotoxikologie hinaus z.B. auch für pharmakologische Studien sinnvoll sind.


Kurzfassung in Englisch

The goal of ecotoxicological studies is to determine modifications in ecosystems due to the action of chemicals. To characterise the potential ecotoxicological impact of substances, different toxicity tests with representative organisms are used. In most of the tests the toxicity is given by measurement of the impairment of growth or reproduction. In the present study a perfusion system with a micro perfusion chamber and various sensors was optimised for ecotoxicological tests with different kinds of organisms. Respiration, photosynthesis and the integrity of biological membranes are the physiological parameters that can be monitored. The different modifications of the system done in this work simplified the handling of the micro perfusion chamber thereby improved filling and sterile working with the chamber. The monitoring of cell suspensions like cyanobacteria or protozoan with the perfusion system, as shown in different experiments, is now easier.
Many pollutants show toxic effects on biological membranes leading to alteration of membrane permeability and ion leakage. To monitor such effects a flow-through conductivity electrode has been added to the perfusion system. Ion leakage due to degradation of biological membranes of Lemna gibba by a detergent could be successfully monitored.
Further through the optimisation of the chlorophyll fluorescence measurement for Lemna gibba in the perfusion chambers, additional information on photosynthetic activity and where and how a toxin acts on photosynthesis can be gained.
In a further range of experiments the perfusions system was used to determine the effect-concentration relation of benzalkonium chloride, a detergent, and of cadmium on the photosynthetic activity of Lemna gibba. The obtained results were comparable to values in literature.
The perfusion system was also used to determine the toxicity of complex samples. Water samples taken in an electrokinetical cleaning plant for cadmium contaminated soils and combustion residues of pyrotechnical products were tested for their toxicity on the photosynthesis of Lemna gibba. Most of the samples owned bio available toxic components, which inhibited photosynthesis of Lemna gibba.

Another part of the work was dedicated to the study with the perfusions system of the effect of a change in pH of the surrounding Medium on the respiration and on the cytoplasmatic pH of coleoptiles from Zea mays. The cytoplasmatic pH was measured with a pH-dependant fluorescent dye and a laser-scanning microscope. Thanks a special adapter the micro perfusion chamber could be used for observations with the laser-scanning microscope. Changes in pH of the surrounding Medium from 7,4 to 9,0 showed a reduction of the O2-consumption but no effects on the cytoplasmatic pH of coleoptiles from Zea mays could be observed.

The different experiments done in this study show that with the micro perfusion chamber different physiological parameters of various organisms of different trophic levels can be monitored. The parallel measurement of O2, pH, chlorophyll fluorescence and conductivity allows gaining a larger amount of information about how a chemical acts on physiological parameters. Additionally the continuous monitoring gives indication about the kinetic of the toxic effect.
The usually in ecotoxicology used standardised toxicity tests do not offer such possibilities. The perfusion system used in this study showed to be a valuable tool for ecotoxicological studies but also for various physiological studies and could be used in other research areas for example in pharmacological experiments.


SWD-Schlagwörter: Umwelttoxikologie , Biomonitoring , Chlorophyllfluoreszenz , Elektrische Leitfähigkeit , Makrophyten
Freie Schlagwörter (deutsch): Herbizide , Schwermetalle , Detergenz , Sauerstoffmessungen , Perfusionssystem
Freie Schlagwörter (englisch): ecotoxicology , biomonitoring , perfusionssystem , herbicides , heavy metals
Institut: Institut für Biologie 2
Fakultät: Fakultät für Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Wagner, Elmar (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 21.02.2007
Erstellungsjahr: 2006
Publikationsdatum: 27.07.2007
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