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Oekotoxikologie aquatischer Systeme

Die Gruppe Oekotoxikologie untersucht in Fallstudien, experimentell und theoretisch, toxische Effekte von Xenobiotika auf biologische Systeme. Dabei werden sowohl Fragen der Exposition wie auch die Beurteilung von Effekten erforscht. In einer Fallstudie wird das Vorkommen von organischen Zinnverbindungen in Seen und Klaeranlagen analysiert und die Wirkungen auf Fischembryonen und enzymatische Prozesse untersucht. Experimente zur Wirkung von Schwermetallen in Zellkulturen dienen der mechanistischen Aufklaerung toxischer Wirkungen, und ein Konzept zur ganzheitlichen Beschreibung von Oekosystemen erlaubt die Erkennung kleinster Stoerungen auf der hoechsten Ebene biologischer Organisation. Literaturanalysen und die Verwendung moderner Computertechniken sollen helfen, die Verbindung zwischen Labordaten und natuerlichen Systemen besser zu verstehen.

Zellulaerer Transport alimentaerer Xenobiotika und ihre Wechselwirkung mit biologischen Membranen

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, den zellulaeren Transport ausgewaehlter alimentaerer Cancerogene und Mutagene in den Epithelien von Duenndarm und Niere sowie in Hepatocyten zu charakterisieren. Diese Zellen sind entscheidende Stellglieder in der Regulation der Xenobiotikabelastung des Koerpers, wobei sie aufgrund ihrer Funktionen auch einer besonders hohen Fremdstoffbelastung ausgesetzt sind. Diese wuerde zwangsweise zu mutagenen Veraenderungen und zu Transformationen fuehren, wenn nicht spezifische Exportmechanismen zur Absenkung der zellulaeren Konzentration von Wirkstoffen vorhanden waeren. Insbesondere das 'Multidrug-resistence Gene- Product'(MDR-1 oder gp-170), welches in der luminalen Membran von Enterocyten und Tubuluszellen, sowie der canaliculaeren Membran von Hepatocyten nachgewiesen wurde, scheint dafuer verantwortlich zu sein. Das MDR-1 Genprodukt ist eine ATP-abhaengige Exportpumpe, die u. a. eine Reihe von antineoplastischen Pharmaka transportiert. Inwieweit gp-170 auch Xenobiotika dietaetischen Ursprungs als 'natuerliche' Substrate transportiert, ist nicht geklaert. Dies soll als Schwerpunkt im Rahmen des Vorhabens geprueft werden. Darueber hinaus soll ein Testsystem entwickelt und etabliert werden, das es erlaubt, die Wirkung von Xenobiotika auf Ionenkanaele und damit die normale Transportfunktion der biologischen Membran zu untersuchen. Das Forschungsvorhaben ist in folgende Teilprojekte mit spezifischen Fragestellungen untergliedert: a) Was sind die Mechanismen, mit denen alimentaere Xenobiotika in Enterocyten, Tubuluszellen und Hepatocyten aufgenommen werden? b) Ist das MDR-1 Genprodukt(gp-170) als ATP- abhaengige Effluxpumpe fuer den Ruecktransport der aufgenommenen Fremdstoffe aus den Zellen in das Lumen verantwortlich? c) Inwieweit wird gp-170 nach Verabreichung alimentaerer Carcinogene und Mutagene in Epithelzellen und Hepatocyten ueberexprimiert und fuehrt dies zu einer erhoehten Transportleistung fuer den ATP-abhaengigen Efflux der Fremdstoffe aus den Zellen? d) Inwieweit sind die an isolierten Membranen gewonnenen Erkenntnisse auf dieser Ebene der Reintegration als zentrales Stellglied in der Fremdstoffhomoeostase identifiziert werden? e) In welchem Umfang und wie beeinfussen Xenobiotika den Ionentransport an biologischen Membranen und kann diese Wirkung als Indikator fuer die Cytotoxizitaet eines Fremdstoffes genutzt werden?

Bestimmende Faktoren der Pharmakokinetik und Verteilung lipophiler Stoffe und Umweltverunreinigungen

Gewisse polyhalogenierte Verbindungen sind lipophil und schlecht oder nicht metabolisierbar, zwei Eigenschaften, die zur Anreicherung in der Biosphaere und damit zu Umwelttoxizitaet fuehren koennen. Zu diesen Verbindungen gehoeren diverse Insektizide, sowie insbesondere polychlorierte Biphenyle (PCB), polyhalogenierte Dibenzodioxine (z.B. TCDD) und Dibenzofurane. Unsere Untersuchungen richten sich insbesondere auf die Ursachen der besonderen Pharmakokinetik solcher Verbindungen - ihrer Aufnahme, Verteilung, Bindung, Elimination - im Vergleich zu anderen lipophilen Xenobiotika.

Membranwirkungen koerperfremder Substanzen (insbesondere geladener und ungeladener amphiphiler Stoffe)

Es sollen Aussagen moeglich werden ueber die Beeinflussung membrangebundener Steuerungsvorgaenge durch Fremdstoffe.

Forschergruppe (FOR) 409: Systemverständnis: Wasser- und Stoffdynamik urbaner Standorte; System Comprehension: Dynamics of Water and Materials at Urban Locations, Teilprojekt FAUNA: Einfluß der Bodenfauna auf die Transformation der organischen Bodensubstanz und auf ausgewählte Strukturparameter urbaner Böden

Das Projekt hat zum Ziel, den Einfluss der Aktivität von Bodentieren auf Umsetzungsprozesse in urbanen Böden zu untersuchen. Neben der Quantifizierung des Beitrages, den die Bodentiere bei der Dekomposition von organischem Material und der Verlagerung von Nähr- und Fremdstoffen leisten, soll insbesondere auf die Wechselwirkungen mit der mikrobiellen Flora eingegangen werden. Da anthropogen geprägte Böden eine in ihrer Vielfalt - gegenüber natürlichen Systemen - reduzierte Bodentiergemeinschaft aufweisen, möchte das Projekt zugleich einen Beitrag zu der Frage leisten, welchen Einfluss jeweils funktionelle Zusammensetzung und Artendiversität der Biozönose auf die bodenbiologisch gesteuerten Prozesse diese Standorte ausüben. Ein weiteres Ziel des Projektes ist die Charakterisierung von Veränderungen in den strukturellen Eigenschaften der untersuchten Böden, die auf Ausscheidungen und auf die Vermengungs- und Grabaktivität der Bodentiere zurückzuführen sind. In der ersten Projektphase wird die Steuerungsfunktion der Bodentiere bei Umsetzungsprozessen, die maßgeblich durch die Aktivität von Mikroorganismen getragen werden, in Mikrokosmen unterschiedlicher Komplexität untersucht. Diese sollen mit standorttypischen Tierarten und Substraten bestückt werden und dynamische, bodenbiologische Prozesse modellhaft beschreiben. Die Übertragung der im Labor gewonnenen Erkenntnisse auf das Freiland erfolgt in einer späteren Projektphase. Zusammenhänge zwischen Besatz von speziellen Tierarten und ... (Text gekürzt)

Einfluss natuerlicher organischer Substanzen auf die Mobilitaet von hydrophoben Umweltchemikalien

Die Wechselwirkung mit natuerlichen organischen Substanzen (z.B. Huminstoffe) kann die Mobilitaet von hydrophoben Xenobiotika in zweierlei Weise beeinflussen: zum einen kann durch Sorption eine Immobilisierung bzw. eine stark verringerte Migration bewirkt werden, zum anderen koennen geloeste Verbindungen auch eine Loesungsvermittlung und damit eine erhoehte Mobilitaet bewirken. Fuer Polycyclische Aromatische Kohlenwasserstoffe, Polychlorierte Biphenyle und Hexachlorcyclohexan Isomere konnte ein unterschiedliches Verhalten bei der Anwesenheit von geloesten und/oder fixierten Huminstoffen nachgewiesen werden, das vor allem von der Aromatizitaet der Verbindungen abhaengt. Weitere Untersuchungen sollen klaeren wann der beschleunigende Effekt von geloesten Huminstoffen den sorbierenden Effekt von fixierten Huminstoffen ueberwiegt und welchen Einfluss Biofilme auf das System haben.

Ausarbeitung eines Systems zur Codierung chemischer Strukturen, einschliesslich eines Retrieval-Systems fuer Substrukturen, Vorhersage von Folgeprodukten von Chemikalien in der Umwelt

Pilotstudie zur Erstellung von Programmsystemen zur Registrierung und Wiedergabe von chemischen Strukturen auf der Basis des mathematischen-logischen Modells der Chemie unter besonderer Betonung des Einsatzes von graphischen Sicht- und Zeichengeraeten. Programmsystem zur Untersuchung von abiotischen Reaktionsmoeglichkeiten von Xenobiotika in der Umwelt und zur Vorhersage von Folgeprodukten und zu deren Bereitstellung als Abfrageobjekte des Datenbanksystems.

Bilanzierung des Beitrags mikrobieller Biomasse zur Bildung refraktärer organischer Substanz im Boden mittels Isotopentracertechniken (Zellen, Zellbestandteile, CO2 und NH4)

Beim mikrobiellen Umsatz von organischen Verbindungen wird ein beträchtlicher Anteil des Kohlenstoffs zunächst zum Aufbau von Biomasse durch Bakterien genutzt. Diese Biomasse unterliegt nach ihrem Absterben wieder einem Abbau durch andere Mikroorganismen. In diesem Prozess werden Fragmente der abgestorbenen Zellen entweder selbst wieder zum Substrat für andere Organismen oder direkt in der Bodenmatrix festgelegt. Damit tragen sie substanziell zur Bildung der organischen Bodensubstanz (SOM) bei. Im Rahmen der geplanten Arbeiten sollen vorwiegend durch Markierungsexperimente mit stabilen und radioaktiven Isotopen die mikrobiellen Umsatzraten und die Bildung von Huminstoffen aus bakterieller Biomasse und fraktionierten Zellbestandteilen wie auch aus mikrobiellen Mineralisationsprodukten wie CO2 und NH4 in Modellböden des Schwerpunktprogrammes detailliert untersucht werden. Dazu wird die Transformation isotopisch markierter Biomassebestandteile (14C; 13C; 15N) in Bodenbioreaktoren untersucht. Die festgelegten und umgewandelten Produkte der markierten Biomasse sollen in den verschiedenen Partikel- und Huminstofffraktionen des Bodens bilanziert und mit isotopenchemischen und strukturchemischen Methoden charakterisiert werden. Damit können der stoffliche Beitrag der Biomasse an der Bildung von Huminstoffen im Boden bilanziert und Konversionsfaktoren sowie Raten für die Stoffverteilung abgeschätzt werden. Ergebnisse aus ersten Versuchen lassen zudem auf einen signifikanten Einbau von Kohlenstoff aus CO2 in die SOM schließen. Daraus könnte sich eine Neubewertung von Tracerexperimenten zur Bildung von gebundene Resten aus Xenobiotika ergeben. Im zweiten Schritt sollen Methoden zur Ermittlung der Struktur und Funktionalität der festgelegten Biopolymere entwickelt werden. Besonderes Augenmerk wird auf die Festlegung von Zellwandbestandteilen, Strukturproteinen und Nukleinsäuren gelegt.

Diffusion von Tritium

Wasserstoff zeigt im Vergleich zu anderen Elementen eine sehr hohe Beweglichkeit in Metallen. Allerdings werden bei der Bestimmung der Diffusionskoeffizienten oftmals erhebliche systematische Fehler beobachtet. So weichen die von verschiedenen Arbeitsgruppen fuer die Wanderung von Wasserstoff in Zirkon bestimmte Diffusionskoeffizienten im mittleren Temperaturbereich von 200 - 600 Grad C bis zu etwa zwei Groessenordnungen voneinander ab. Es schien moeglich, dass diese Abweichungen auf den Einfluss sauerstoffhaltiger Oberflaechenschichten zurueckzufuehren sind, da der Wasserstoff bei allen bisherigen Untersuchungen durch mindestens eine solche Schicht hindurchdiffundieren musste. Die Diffusionskoeffizienten fuer Tritium in diesen Oberflaechenschichten sind im Vergleich zur Beweglichkeit im Metall um mehr als sieben Groessenordnungen kleiner, so dass bereits duenne Schichten eine erhebliche Verzoegerung in der Diffusion bewirken koennen. Es wurde deshalb eine neue Methode entwickelt, bei der die Diffusion in den Oberflaechenschichten vermieden wird. Ausserdem wurde der Einfluss der Sauerstoff-Konzentration auf die Beweglichkeit von Tritium in Zircaloy bestimmt. Diese Arbeiten, welche auch fuer die Kernbrennstoff-Wiederaufbereitung von erheblicher Bedeutung sind, werden fortgesetzt. Im Vordergrund stehen dabei die Untersuchungen ueber den Einfluss von Fremdstoffen und Strahlenschaeden auf die Tritium-Diffusion in Zirkon und Zirkon-Legierungen.

Ausbreitungsverhalten synthetischer organischer Umweltchemikalien (Xenobiotika)

Die Dispersionstendenz und Persistenz von Umweltchemikalien werden einschliesslich der Umwandlungsprodukte und unter Einbeziehung von Abfallbeseitigungsverfahren bestimmt. Ziel ist es, eine bessere Abschaetzung und Voraussage des ueberregionalen Umweltrisikos zu ermoeglichen.

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