Aktuelle Publikationen und Tagungen zum Thema Biomonitoring belegen, dass die Anwendung molekularer Biomarker in Biotaproben zur Identifikation von Umwelteinflüssen auf genetischer Ebene immer mehr an Bedeutung zunimmt. Das Ziel dieser Studie war es daher zu überprüfen, ob die Verwendung von Biomarkern auf genetischer Ebene in Jahreshomogenatproben der Umweltprobenbank (UPB) des Bundes prinzipiell ebenfalls möglich ist. Im Rahmen dieser Machbarkeitsstudie wurden Untersuchungen mit archivierten Muskulatur- und Leberproben von Brassen (Abramis brama) durchgeführt, da diese zum einen im UPB-Programm schon langjährig beprobt werden. Zum anderen sind Fische in der aquatischen Umwelt einer Vielzahl von Schadstoffen ausgesetzt, so dass sich hier viele potentielle Anwendungen ergeben. Weiterhin liegen für Fische umfangreiche Daten aus genetischen Untersuchungen im Labor vor. So ist es durch die Ableitung aus den bekannten Gensequenzen des Zebrabärblings (Danio rerio), einer mit dem Brassen verwandten Spezies, gelungen, Gene zu identifizieren, die im Brassen durch unterschiedliche Stressoren reguliert werden. Es konnten sowohl Marker detektiert werden, die wirkstoff-unspezifisch reguliert werden, als auch solche, die als wirkstoff-spezifisch anzusehen sind. Als Wirkstoff-unspezifischer Marker konnte das Gen des so genannten Hitzeschockproteins (HSP; heat shock protein) identifiziert werden. HSP wird durch die unterschiedlichsten Stressoren sehr schnell reguliert und repräsentiert dahingehend einen Indikator, der Auskunft darüber gibt, in welchem allgemeinen Stresszustand sich der untersuchte Organismus befand. Als Wirkstoffspezifische Marker wurden die Gene des Metallothioneins, das durch verschiedene Schwermetalle, und des Vitellogenins, das durch östrogenwirksame Substanzen in der Expression stark beeinflusst werden, gewählt. Für diese Gene konnte in Brassenlebern eine von den Expositionsbedingungen abhängige Aktivität nachgewiesen werden. So zeigten Fische von belasteten Standorten im Vergleich zu einem Referenzstandort eine höhere Expression dieser Gene. Die vorliegende Studie zeigt damit prinzipiell, dass molekulare Biomarker auch in Brassenproben der Umweltprobenbank des Bundes im Sinne eines retrospektiven Monitoring erfolgreich Anwendung finden können. Mit Hilfe der DNA-Microarray Technik wird es nun möglich, entsprechende Untersuchungen auf eine Vielzahl relevanter Gene auszuweiten und an einer großen Probenzahl durchzuführen. Damit könnten die bisher schon erfolgreich durchgeführten retrospektiven Untersuchungen von UPB-Proben zur Exposition von Fischen gegenüber Schadstoffen mit Daten zu möglichen Effekten auf genetischer Ebene ergänzt werden. Da Biomarker geschlechtsspezifisch unterschiedlich reagieren können (z.B. Vitellogenin), wird empfohlen, insbesondere die Brassen für die UPB zukünftig nach Geschlechtern getrennt zu beproben und einzulagern, um so die Anwendungsmöglichkeiten noch zu erweitern.
Die Wasserqualität hat sich in den letzten Jahren stark verbessert, es gelangen wesentlich weniger Nitrat und insbesondere Phosphor in die Gewässer. Die Bedeutung der Belastung durch Mikroverunreinigungen wächst jedoch. Viele Aspekte sind zudem noch unbekannt. Um Wissenslücken zu schliessen und gegebenenfalls Massnahmen einleiten zu können, sind Forschungsprojekte zwingend. Zurzeit umfasst die Aktivität 'Herausforderungen Wasserqualität' zwei Forschungsprojekte: Östrogene aus der Landwirtschaft, in dessen Rahmen das Vorkommnen, das Verhalten und die Bedeutung für Gewässer von Östrogenen aus der Landwirtschaft in der Schweiz quantitativ erfasst werden und das Projekt Massenflüsse von Mikroplastik in der Umwelt. Je nach Bedarf werden in Zukunft weitere Forschungsprojekte im Prozess 'Herausforderungen Wasserqualität' initiiert. Die Forschungsarbeiten stehen jeweils im Kontext des Artikels 57 Absatz 1 des Gewässerschutzgesetzes: Der Bund führt Erhebungen von gesamtschweizerischem Interesse durch über die Wasserqualität der ober- und unterirdischen Gewässer und über andere Belange des Gewässerschutzes. Projektziele: Neue Fragestellungen und Herausforderungen im Bereich Wasserqualität werden in der Aktivität 'Herausforderungen Wasserqualität' angegangen, um Grundlagen für eine Positionierung des BAFUs zu spezifischen Fragestellungen und für allfällige Massnahmen zu schaffen. Mit dem Forschungsprojekt 'Östrogene aus der Landwirtschaft' wird bis Ende 2020 geklärt, wie gross die Menge an Östrogenen im Hofdünger aus der Schweizer Landwirtschaft ist, wie sich die Östrogene im Hofdünger verhalten (Abbau? Umwandlung?), welche Menge in die Oberflächengewässer gelangt und was dieser Eintrag für die Gesamtfracht an natürlichen und synthetischen Östrogenen in den Schweizer Gewässern ausmacht. Das Projekt 'Massenflüsse von Mikroplastik in der Umwelt' wird bis Ende 2019 die Eintragspfade von Mikroplastik in die Umwelt in der Schweiz identifizieren und die Mengen quantifizieren. Dazu werden die Einträge der vier wichtigsten Plastikarten in die Umwelt via wichtigste Eintragspfade modelliert. Anhand des Modells können Auswirkungen einzelner Szenarien, z.B. des Verbietens von Plastik in bestimmten Anwendungen, abgeschätzt werden. Die Ergebnisse dienen als Grundlage, nötigenfalls Massnahmen zur Reduktion von Mikroplastikemissionen in die Umwelt abzuleiten.
Im Rahmen des hier vorgeschlagenen Projektes soll ein optisches Hybridsystem bestehend aus Gradientenoptiken (GRIN-Optiken) und plasmonischen Nanostrukturen/optischen Mikroresonatoren für die Sensorik hergestellt und charakterisiert werden. Ziel ist es, die kleine, kostengünstige und praktikable Bauform der GRIN-Linsen für die Analytik nutzbar zu machen. Mit diesem Ansatz sollen die komplexen und kostenintensiven optischen Laboraufbauten, die bisher für den Nachweis einzelner Partikel/Moleküle notwendig sind, vereinfacht und letztendlich ersetzt werden können. Das soll am Beispiel der Detektion einzelner H1N1-Viren gezeigt werden. Dazu nutzen wir bereits etablierte Techniken der GRIN-Linsenoptiken, der plasmonischen Nanostrukturierung und der Analyse von H1N1-Viren. Durch die Kombination dieser Techniken wird ein neuartiges optisches Hybridsystem für die Sensorik ermöglicht. Als weiteres Anwendungsfeld soll die Detektion pharmazeutisch relevanter Leitstrukturen am Beispiel des nukleären Östrogenrezeptors alpha untersucht werden. Die Übertragung dieser Ergebnisse hat wichtigen Anwendungsbezug für die wirkungsbezogene Analytik von hormonaktiven Substanzen in der Umwelt. Ein Hauptelement des optischen Hybridsystems sind GRIN-Linsen mit hoher numerischer Apertur. Diese kostengünstigen Linsen werden millionenfach zur Miniaturisierung und Integration faseroptischer Systeme eingesetzt. Die Linsenwirkung einer GRIN-Linse entsteht durch ein definiertes Brechzahlprofil im Material. Damit lassen sich gewölbte Oberflächen konventioneller Linsen durch ebene optische Grenzflächen ersetzen. Zudem ist es damit möglich, die Bildebene direkt auf die plane Oberfläche der Linse zu legen. Unter diesen Voraussetzungen befinden sich plasmonische Nanostrukturen oder reflektive Schichten, die auf der Linsenoberfläche aufgebracht werden, sowie die daran angelagerten Analyt-Partikel per se im Fokus. Durch eine Variation des Einfallswinkels des Lichtstrahls kann die Oberfläche zusätzlich konfokal abgerastert werden.
Der Arylhydrokarbon Rezeptor (AhR) ist ein liganden-aktivierter Transkriptionsfaktor, welcher zur Gruppe der bHLH- PAS (basic Helix-Loop-Helix-Homologe zu Per/ARNT/Siin) Proteine gehört und die Toxizität von Umweltchemikalien wie dem ubiquitären 2,3,7,8-Tetrachlorodibenzo(p)dioxin (TCDD) und anderen polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAH) vermittelt. Aus in vitro und in vivo Studien geht hervor, dass der AhR u.a. durch einen Crosstalk mit dem Östrogenrezeptor (ER) an der hormonellen Homöostase des Organismus beteiligt ist. Ein in dieser Hinsicht wenig untersuchtes hormonelles Zielorgan ist die Haut. Östrogene haben eine Schlüsselrolle in der intrinsischen und extrinsischen Hautalterung. In jüngster Zeit gibt es vermehrt Hinweise, dass eine weitere Gruppe von bHLH-PAS-Proteinen, die Clock-Familie, bei der Regulation der extrazellulären Matrix involviert ist (Oster et al. 2003). Eine Dys-regulation dieser Clock-Gene ist mit Alterungsprozessen korreliert. Diese Gene sind in der menschlichen Haut exprimiert. In dem beantragten Projekt soll deshalb die Rolle des AhR in der hormonabhängigen Hautalterung untersucht werden. Unsere Arbeitshypothese ist, dass eine Aktivierung des AhR zur verstärkten Bindung des Östrogenrezeptors führt, wodurch es zu einer Dysregulation der extrazellulären Matrix (ECM) kommt. Zudem soll geprüft werden, welche Rolle Clock-Gene in diesem Kontext spielen.
Das Projekt stellt eine Fortsetzung und Erweiterung des Vorläuferprojekts 'Herstellung transgener Zellkulturen von Tabak, die die humanen Cytochrom-P450-Monooxygenasen CYP1A1 oder CYP1A2 exprimieren' dar. Die transgenen Tabak-Zellkulturen wurden zu diesem Zweck um eine weitere Kultur, die humanes CYP3A4 exprimiert, ergänzt. Als Xenobiotika werden Cyprodinil (Fungizid), die Herbizide Fluometuron und Nitrofen, die Insektizide Carbaryl, Diflubenzuron, DDT, Endosulfan und Methoxychlor sowie das Xenoestrogen 4-n-Nonylphenol untersucht.
Um den Eintrag von Schadstoffen in die Umwelt zu verringern, bieten Kläranlagen einen guten Ansatzpunkt, da hier die anfallenden Abwässer gezielt behandelt werden können. Dabei hat sich die Ozonung als vierte Reinigungsstufen als sehr effektiv erwiesen. Allerdings entsteht hierbei eine Vielzahl verschiedener Transformationsprodukte, über deren Art und Wirkung wenig bekannt ist. Eine Gruppe von Schadstoffen bilden die endokrin aktiven Chemikalien, die in das Hormonsystem von Menschen und Tieren eingreifen können. Zu dieser Gruppe zählen neben den natürlichen Hormonen auch viele Industriechemikalien und Arzneimittel, die über die Abwässer in die Umwelt gelangen. In Voruntersuchungen von Krankenhausabwässern des Kreiskrankenhauses Waldbröl (Bieling, 2011) und des Marienhospitals in Gelsenkirchen (IUTA und IWW, PILLS Project, 2012) wurde bei der Messung von östrogenen Effekten ein Anstieg der Östrogenität (gemessen als 172-Estradiol Äquivalentkonzentration, EEQ) nach der Ozonung beobachtet. Als Arbeitshypothese dient die Annahme, dass eine selektive Entfernung von Steroidrezeptorantagonisten (z. B. von antiöstrogen, androgen oder antiandrogen wirksame Arzneimittel wie Tamoxifen oder Flutamid) durch die Ozonierung deren inhibitorische Effekte aufhebt. Die Entfernung dieser maskierenden Effekte könnte dazu führen, dass die östrogene bzw. androgene Aktivität nach der Ozonierung sichtbar wird. Diese Effekte sollen durch die systematische Untersuchung zu östrogenen, antiöstrogenen sowie androgenen und antiandrogenen Effekten und die Kombination mit der Quantifizierung der im Krankenhaus eingesetzten hormonell wirkenden Medikamente aufgeklärt werden. Hieraus werden neben der genauen Effektbeschreibung zu den einzelnen Proben am Beispiel Krankenhausabwasser auch Informationen zur Störanfälligkeit und Vergleichbarkeit der biologischen Assays für die Anwendung in hoch belasteten Abwässern erhoben. Die erzielten Ergebnisse sollen zur Optimierung der Anlagensteuerung und somit zur Optimierung der Reinigungsleistung genutzt werden.
Mit der Bestimmung des integrierenden Parameters 'Estrogene Gesamtaktivität' soll die Belastungssituation ausgewählter Oberflächengewässer einschließlich einer Quellencharakterisierung erfasst werden und Maßnahmen zur Reduktion des Eintrags estrogenaktiver Verbindungen über weitergehende Abwasserreinigungstechnologien bewertet werden. Die Bestimmung partikelgebundener und wassergelöster Aktivitätsanteile soll Hinweise auf die Eignung einfacher partikelreduzierender Techniken geben. Eine wichtige Zielsetzung liegt im Datenabgleich mit anderen Teilprojekten und in der Verknüpfung der erfassten potentiellen Effekte mit beobachteten realen Effekten. Die Plausibilität soll mit Daten der instrumentellen Analytik des Gesamtprojekts überprüft werden (bei bekannter Konzentration einer aktiven Verbindung ist ihr Anteil an der Gesamtaktivität berechenbar). Mit den Ergebnissen des Teilprojektes soll überprüft werden, ob der E-Screen allein über die Erfassung eines effektorientierten Parameters oder in Kombination mit anderen Tests kostengünstige Bewertungsgrundlagen liefern kann. Die Bestimmung des Summenparameters 'Estrogene Gesamtaktivität' erfolgt mit dem E-Screen-Assay in Wasser- und Sedimentproben gemäß dem Beprobungsplan des Gesamtprojekts. Bei Teilproben werden wassergelöste und partikelgebundene Anteile der Aktivität bestimmt, Fraktionierungen von Probenextrakten erlauben die Zuordnung estrogener bzw. allg. toxischer Effekte zu bestimmten Substanzgruppen bzw. Polaritätsbereichen.
Es soll ein Wirktest (Screeningverfahren) zur Detektion östrogener Effekte international genormt werden. Als Voraussetzung für die Annahme eines neuen Normungsprojektes (New Work Item Proposal, NWIP) fordert die Internationale Normungsorganisation ISO die Durchführung eines Prävalidierungsringversuchs (Ringtest) als Nachweis für die Eignung des Testverfahrens entsprechend den dort definierten Testanforderungen. Die BfG hat angeboten, den Ringversuch durchzuführen. Das betrifft die gesamte Organisation, den Probenversand und die abschließende Berichterstattung. Aufgrund der Vielzahl der teilnehmenden Labore ist die Aus- und Bewertung der Messergebnisse arbeitsintensiv und aufwändig und kann von der BfG mit eigenen Personalkapazitäten nicht geleistet werden. UBA hat angeboten, finanzielle Mittel für die weitere Betreuung des Ringversuchs (weitere Testungen zur Qualitätssicherung) sowie für die Datenauswertung und Berichterstattung zur Verfügung zu stellen, weil wir sehr an einer zweifelsfreien statistischen Aus- und Bewertung der Testergebnisse interessiert sind. Nur so hat das Verfahren eine Chance auf nationale und internationale Akzeptanz. Konsistente und belastbare Daten zur Prävalidierung sind eine unabdingbare Voraussetzung zur Einreichung eines NWIP auf ISO-Ebene.
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