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.
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.
Die bisherigen Spurenstoffmessungen im Rahmen der Begleitung der adsorptiven Teilstrombehandlung im Klärwerk Mannheim haben gezeigt, dass mit der Zugabe von Pulveraktivkohle zu biologisch gereinigtem Abwasser eine Vielzahl von Einzelsubstanzen zusätzlich eliminiert werden können. Mit Hilfe eines Fischmonitorings, das im Rahmen der technischen Gewässeraufsicht bayernweit zum Nachweis von estrogen wirksamen Substanzen eingesetzt wird, soll zusätzlich überprüft werden, inwiefern durch die Anwendung von Aktivkohle eine Verminderung von hormonell wirksamen Substanzen gegeben ist. Parallel zum Fischmonitoring wird die estrogene Gesamtaktivität des Abwassers mittels E-Screen-Assay bestimmt, um eine mögliche Übertragbarkeit der Ergebnisse des Fischmonitorings auf das Testsystem des E-Screen-Assay feststellen zu können. Zusätzlich wird anhand einer instrumentellen Einzelstoffanalytik von Estrogenen und estrogen wirksamen Substanzen überprüft, durch welche Stoffe die estrogene Aktivität des Abwassers hervorgerufen wird.
Abwässer gelten als hauptsächliche Quelle von estrogen wirksamen Substanzen, bei denen es sich einerseits um natürliche und synthetische Hormone handelt und andererseits um Industriechemikalien, die in unerwünschter Weise das Hormonsystem beeinflussen können. In diesem Dissertationsprojekt wurde mit Hilfe eines biologischen in vitro Zelltests estrogene Aktivität in verschiedenen Arten von Abwasser nachgewiesen und die Elimination dieser Aktivität im Verlauf der Abwasserreinigung erfasst. Der verwendete in vitro Wirktest basierte auf der Induktion eines Reportergens in estrogen-sensitiven, gentransformierten Mammakarzinomzellen (sogenannten MVLN-Zellen). Die erfolgreiche Etablierung dieses Testsystems konnte unter anderem durch die mit Literaturdaten übereinstimmende Quantifizierung der relativen estrogenen Potenz von bekannten (Xeno)estrogenen demonstriert werden. Auch die Eignung der durchgeführten Probenaufarbeitung zur Gewinnung konzentrierter, für den MVLN-Test geeigneter Extrakte als entscheidender Schritt bei der Quantifizierung estrogener Aktivität in Umweltproben konnte belegt werden. Trotz weltweiter Forschungstätigkeiten in den letzten Jahren ist die Datenlage über die Elimination estrogen aktiver Substanzen aus dem Abwasser immer noch unzureichend. Die vorliegende Arbeit leistet hier einen Beitrag und ist darüberhinaus die erste systematische Untersuchung der in Deutschland häufigen, weitergehenden (tertiären) Abwasserreinigung hinsichtlich der Entfernung estrogen aktiver Substanzen. Die untersuchten acht kommunalen Kläranlagen erwiesen sich alle hinsichtlich der biologischen Reinigungsstufe als sehr effektiv im Vergleich zu Literaturdaten, wobei die Belastung im Zulauf der Kläranlagen in dem aus der Literatur bekannten Bereich lag. Dennoch enthielt das gereinigte Abwasser in sechs der acht kommunalen Kläranlagen zumindest zeitweise signifikante estrogene Aktivität. Auch in den Sedimenten des Vorfluters einer dieser Kläranlagen war estrogene Aktivität nachweisbar. Im Kontext kürzlich veröffentlichter Untersuchungen geben diese Ergebnisse Anhaltspunkte dafür, dass die bei allen untersuchten Anlagen vorhandene Nitrifikation und das damit verbundene hohe Schlammalter mit der Eliminationsleistung der estrogenen Aktivität zusammenhing. Weitere Faktoren wie die Art der Phosphatelimination und der Schlammbehandlung wiesen keinen Zusammenhang mit der Eliminationsleistung auf. Die wiederholte Beprobung der Kläranlagen zu verschiedenen Jahreszeiten ergab Hinweise auf eine temperaturabhängige Eliminationsleistung, aber auch auf eine jahreszeitlich unterschiedliche Belastung der Kläranlagen mit estrogen aktiven Substanzen. Neben kommunalem Abwasser wurden auch zwei weitere Arten von Abwasser untersucht, über die bisher nur wenig hinsichtlich der Belastung mit estrogen wirksamen Stoffen bekannt war. Dabei handelte es sich einerseits um Sickerwasser einer Siedlungsabfalldeponie und andererseits um reines Industrieabwasser. U.s.w.
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.
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