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.
Die industrielle und technische Entwicklung hat dazu geführt, dass Mensch und Umwelt neben den natürlichen Stressfaktoren vielfältigen anthropogen verursachten Schadstoffen, Strahlung und Lärm ausgesetzt sind. Die mittel- und langfristigen Wirkungen dieser Expositionen einzeln und in ihrer Kombination sind oftmals nicht geklärt. Das EU-Verbundprojekt NOMIRACLE möchte neue Methoden entwickeln, die Kombinationsrisiken von chemischen, physikalischen und biologischen Expositionen abzuschätzen. Effekte von kombinierten Stressfaktoren werden zeitlich, räumlich und stofflich integriert erfasst und beschrieben. Verbesserte Abschätzungsinstrumente und neue Modelle sollen die Unsicherheit in der Risikoabschätzung quantifizieren und verringern. mehr Das Institut für Umweltforschung erforscht im Rahmen des Arbeitspaketes 3 'Abschätzung von Mischungen chemischer Substanzen auf Gesundheit und Umwelteffekte Effekte von Chemikalien auf höhere Pflanzen mittels Lemna Test.
Pflanzliche Cytochrom-P450-Monooxygenasen (P450s oder CYPs) sind wichtige Enzyme des Sekundärmetabolismus. Sie spielen weiterhin eine große Rolle im Metabolismus von Xenobiotika - wie z.B. Pestiziden, insbesondere Herbiziden. Spezies-Unterschiede in der Aktivität bestimmter P450s zum Metabolismus von Herbiziden werden als der Mechanismus angesehen, der es toleranten Pflanzenspezies ermöglicht, gegenüber Herbiziden weniger empfindlich zu sein als andere. P450s, die im Pestizid-Metabolism involviert sind, üben vermutlich auch eine Funktion im Sekundär-Metabolismus aus. CYP73A1 z.B. ist die trans-Zimtsäure-Hydroxylase aus Jerusalem-Artichoke, die auch die Ring-Methyl-Hydroxylierung von Chlortoluron katalysiert, wie durch Expression ihrer cDNA in Hefe gezeigt wurde. Ein Wissenszuwachs über P450s, die in empfindlichen und toleranten Pflanzen vorkommen, und über molekulare Mechanismen, die den P450-katalysierten Metabolismus von Herbiziden in toleranten Pflanzen verantwortlich sind, kann zu einem Verständis der Herbizid-Resistenz und ihrer Entwicklung beitragen. Auf Grund seiner Toxizität war Kornrade (Agrostemma githago L.) in der Vergangenheit ein problematisches Unkraut in europäischen Getreidefeldern. Heutzutage ist die Pflanze fast ausgestorben - als Folge des Einsatzes von Herbiziden und einer verbesserten industriellen Saatgutreinigung. In Weizenfeldern, sind eine Reihe Herbizide effektiv gegenüber Kornrade (z.B. Triasulfuron, Diuron, Metribuzin, Dicamba + 2,4-D und Bromoxynil). Obwohl bislang über Resistenz bei Kornrade nicht berichtet wurde, sind Zellsuspensionskulturen der Kornrade in der Lage, die Herbizide Metamitron und Atrazin sowie das Xenoestrogen Nonylphenol zu metabolisieren. Die Metaboliten, die identifziert wurden, entstehen durch Dealkylierung und Hydroxylierung der aromatischen und aliphatischen Teilstrukturen der Ausgangsverbindungen. Da diese Reaktionen als typisch für P450-Enzyme im Metabolismus von Xenobiotika angesehen werden, kann man vermuten, dass P450s an der beobachteten Metabolisierung beteiligt sind. In Verlauf des Projektes wurde eine Plasmid-abhängige cDNA-Bibliothek von Kornrade-Zellsuspensionskulturen konstruiert, um unbekannte P450-Sequenzen zu isolieren. Um eine erhöhte Expression von P450s zu erreichen, wurden die Zellen mit dem Herbizid-Safener Benoxacor behandelt, von dem bekannt ist, dass er den P450-Gehalt von Mais-Keimlingen deutlich erhöht. Um sicherzustellen, dass die Kornradezellen der Suspensionskultur die gewünschten Enzyme noch exprimieren, wurde ihre Fähigkeit, 4-n-Nonylphenol (4-n-NP) durch Oxidation zu metabolisieren, in einer Metabolismus-Studie mit dem radioaktiv-markierten (ring-U-14C)4-n-Nonylphenol überprüft. Nach Anwendung verschiedener molekularbiologischer Techniken konnten letztlich mittels einer PCR-Strategie unter Verwendung P450-spezifischer degenerierter Primer zwei PCR-Produkte kloniert werden. U.s.w.
Untersuchung verschiedener B.t.i.-Präparate sowie des Reinstoffes im Hinblick auf die estrogene und androgene Wirksamkeit mittels einer Biotestbatterie (in vitro und in vivo). Bis in die späten siebziger Jahre beschränkte sich die Bekämpfung von Stechmücken fast ausschließlich auf den Einsatz synthetischer Insektizide. Mit der Isolierung des Bacillus thuringiensis ssp. israelensis (B.t.i.) 1976 (Goldberg & Margalit 1977) stand den Akteuren jedoch ein hochwirksames biologisches Mittel zur Verfügung, sodass ab 1981 eine flächendeckende Bekämpfung mit Produkten auf Basis von B.t.i. durchgeführt werden konnte. B.t.i. ist ein Sporenbildendes Bakterium, das gezielt gegen Stechmücken- und Kriebelmückenlarven eingesetzt werden kann (Becker 1997, Becker & Magin 1996). Aufgrund seines Wirkungsmechanismus handelt es sich bei B.t.i. um eine hoch selektive Bekämpfungsmethode (Boisvert 2005, Becker & Magin 1996). In zahlreichen Studien konnte dargelegt werden, dass B.t.i. bei sachgemäßer Anwendung und genauer Dosierung keine negativen Auswirkungen auf exponierte Wasserorganismen und andere Nicht-Ziel-Organismen wie Zuckmücken hat. Auch eine negative Beeinflussung des Nahrungsnetzes in den behandelten Gebieten konnte nicht festgestellt werden. Des Weiteren wurden umfassende Studien zur Gefährdung von Säugetieren unternommen, die ebenfalls positive Ergebnisse zur Sicherheit des Biozids erbrachten (Becker & Magin 1996). Allerdings wurde in einer Vorstudie der AG Hollert eine endokrine Wirksamkeit verschiedener B.t.i.-Präparate (Culinex Tab plus, Vecto Bac DT) ermittelt. Da B.t.i. regelmäßig und weltweit in beträchtlichen Mengen in die aquatischen Ökosysteme eingebracht wird (Russel & Kay 2008), ist eine weitere Untersuchung der endokrinen Wirksamkeit dringend erforderlich. Die Reinsubstanz wurde in zahlreichen Studien auf ihre toxikologische Relevanz hin untersucht (Becker & Magin 1996), deshalb besteht die Möglichkeit, dass die endokrine Wirksamkeit der untersuchten Präparate auf einen Trägerstoff zurückzuführen ist. Für eine umfassende und belastbare endokrine Risikoanalyse sollen mehrere Testmethoden eingesetzt werden. Neben der Untersuchung verschiedener Präparate sowie der Reinsubstanz im YES ist eine Untersuchung mit dem ER-Calux (Estrogen-Receptor mediated Chemical Activated Luciferase Expression) und dem H295R Steroidogenesis Assay vorgesehen. Weiterhin ist im Rahmen einer Risikoanalyse die Überprüfung des Verbleibs von B.t.i. von Interesse. Daher soll auch die Abbaubarkeit und die daraus resultierende Abnahme der endokrinen Aktivität der B.t.i.-Formulierungen sowie des Reinstoffs experimentell mit den endokrinen Biotests in wässrigem Medium und in einer Bodensäule überprüft werden.
Flavonoids (including flavones, flavonols, catechins, isoflavones, coumestans and anthocyanins) as well as biogenetically related phenylpropanoids of plant origin (e.g. stilbenes or lignans) represent important non-nutritive secondary ingredients of vegetables and fruits. Based on epidemiological studies as well as on numerous in vitro and in vivo experiments flavonoids and other polyphenolic plant constituents are suggested to play a major role in the prevention of important chronic diseases such as cancer that affect large numbers of the human population. This protective action of dietary flavonoids and of related compounds is believed to be mainly due to their anti-oxidative activity involving scavenging of cytotoxic oxygen radicals and to inhibition of specific cancer related targets such as protein kinases and matrix metalloproteinases. For the so called 'phytoestrogens' (isoflavones, coumestans and lignans) another mode of action has been demonstrated: they bind to estrogen receptors and are able to inhibit estrogen-dependent tumor growth. Due to the described importance of flavonoids in the prevention of chronic diseases like cancer a detailed analysis of important modern and traditional Chinese vegetables with regard to their major phenolic constituents will be carried out using modern analytical methods. In addition to the elucidation of individual profiles of plant polyphenolics present in Chinese vegetables special attention will be given to the natural qualitative and quantitative variability of polyphenolic compounds as influenced by environmental factors as well as to their anti-proliferative effects against human cancer cells.
On the basis of a literature survey, a European wide questioning of waterworks and a case study on the occurrence of EDCs in four European waterworks, the following conclusions can be drawn concerning. Occurrence of EDCs in raw water and drinking water: In the literature and in the questionnaires sent to waterworks and authorities the presence of EDCs in drinking water were reported. Some of the listed concentrations were relatively high. Although detailed analytical protocols were not available, it can be assumed that these are outliers. Therefore, further measurements with standardised analytical methods are crucial for confirmation. In the case study where drinking water was analysed at 4 European waterworks for synthetic and natural estrogens, alkylphenols, bisphenol A and organotin compounds, concentrations were below the limit of quantification. Only in a few cases very low EDC levels close to the quantification limit could be detected. Most information about the presence of EDC concentrations in raw water and drinking water were available from a limited number of European countries. These results cannot be transferred to all Member States of the European Union. To provide a union wide picture of the exposure additional data from other European countries are required. For pesticides most frequently the occurrence of Atrazine, Simazine, Diuron, Isoproturon, Linuron, Endosulfan and Lindane was reported in raw water and drinking water. In a few cases even the limit value of the Drinking Water Directive for individual pesticides was exceeded. For the other pesticides selected for this study no information on drinking water concentrations was available. The raw water of waterworks, especially surface waters, frequently contains EDCs. However, common drinking water treatment technology (e.g. bank filtration, coagu lation, ozonation, GAC) should be very effective in removing EDCs. This is underlined by the results of the case study, the literature and by novel results from the EU research project POSEIDON (EVK1-CT-2000-00047). Following conclusions can be drawn with respect to Human exposure via drinking water: The evaluation of the human exposure routes for EDCs investigated in the case study revealed that the contribution of drinking water to the total exposure is of minor impor tance for these substances. The main exposure route for these substances and for the pesticides is food consump tion. Exceptions might occur for synthetic hormones used as pharmaceuticals. However, synthetic hormones such as Ethinylestradiol were detected neither in raw waters of waterworks nor in drinking waters. The reported drinking water concentrations are clearly lower than drinking water guideline values (TBT) or 'provisional drinking water guidance values' derived from TDI values (Bisphenol A) and animal studies (Nonylphenol). usw.
Das Abbauverhalten von Alkylphenolen, Bisphenol A und Ethinyloestradiol soll unter den definierten Bedingungen einer Laborklaeranlage untersucht werden. Die oestrogene Potenz des geklaerten Abwassers dieser Anlagen wird in vivo an Zebrabaerblingen bestimmt. Als spezifischer endokriner Endpunkt wird die Induktion der Vitellogeninsynthese bei maennlichen Fischen erfasst. Aufgrund der teilweise hohen adsorptiven Eigenschaften der Ausgangssubstanzen und ihrer Metaboliten werden geeignete Verfahren entwickelt, um Extrakte des Belebtschlammes zu erstellen und den biologischen Testverfahren zugaenglich zu machen.
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