Abschlussbericht des Graduiertenkollegs (pdf) - Zentrum für ...
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verfolgt. Der aus dem innerhalb von drei Monaten abgewickelten Experiment gewonnene Datensatz sowie die zuvor gewonnenen Ergebnisse wurden für eine Veröffentlichung aufbereitet. 8.2.7 Publikationen im Zusammenhang mit Projekten im Graduiertenkolleg Hilse, C., Wilhelm, C., Kesselmeier, J., Johnston, A.M. and Raven, J.A. (2000): DMSP production of the nanoalga Prymnesium parvum dependent on environmental factors and the photosynthetic activity of the cells. In preparation. Kesselmeier, J., Bartell, U., Blezinger, S., Conze, W., Gries, C., Hilse, C., Hofmann, R., Hofmann, U., Hubert, A., Kuhn, U., Meixner, F., Merk, L., Nash, T.H. III, Protoschill-Krebs, G., Velmecke, F., Wilhelm, C., Andreae, M.O. (1997): Exchange of reduced sulfur compounds between the biosphere and the atmosphere. In: Transport and Chemical Transformation of Pollutants in the Troposphere (P. Borrell, P.M. Borrell, T. Cvitas, K. Kelly and W. Seiler, eds.) Vol 4, Biosphere-Atmosphere Exchange of Pollutants and Trace Substances ( J. Slanina, ed.) pp 320-326, Springer Verlag, Heidelberg. Wilhelm, C., Bida, J., Domin,A., Hilse, C., Kaiser, B., Kesselmeier, J., Lohr, M. and Müller, A.M. (1997): Interaction between global climate change and the physiological responses of algae. Photosynthetica 33, 491-503. 8.3 Ökotoxikologie Univ.-Prof. Dr. R. Nagel und Mitarbeiter (Institut für Zoologie) 8.3.1 Bioakkumulation und Metabolismus von γ-1,2,3,4,5,6-Hexachlorcyclohexan (Lindan) und 2-(2,4-Dichlorphenoxy)-propionsäure (Dichlorprop) beim Regenwurm Lumbricus rubellus (Oligochaeta, Lunbricidea). Bearbeiterin: Dipl.-Biol. Christine Füll Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. R. Nagel Regenwürmer präsentieren einen quantitativ und qualitativ sehr bedeutenden Teil der Bodenfauna und sind in ihrem Lebensraum einer Vielzahl an Umweltchemikalien ausgesetzt. In der vorliegenden Arbeit wurde ein geeignetes Testsystem zur Untersuchung der Bioakkumulation und des Metabolismus bei terrestrischen Organismen entwickelt. Die Regenwürmer der Art L. rubellus wurden dabei mit kontaminierter OECD-Erde exponiert. Die Untersuchungen wurden mit Hilfe der Tracertechnik und Hochleistungsflüssigkeitschromatographie durchgeführt. Bei den Versuchen zur Aufnahmekinetik von 14 C-Lindan und 14 C-Dichlorpop wurden jeweils zwei verschiedene Konzentrationen eingesetzt. Die 14 C-Aktivität im Boden blieb während der gesamten Versuchszeit konstant. Wird im Verlauf einer Aufnahmekinetik ein Gleichgewicht zwischen Aufnahme und Elimination erreicht, so läßt sich aus dem Quotienten der Konzentrationen im Tier und der Umgebung ein sogenannter Biokonzentrationsfaktor (BCF) berechnen. Dieser ist bei Fischen in einem log Pow-Bereich von 0-6 linear mit der Lipophilie der Substanz korreliert. Ein Gleichgewichtszustand wurde weder im Falle von Lindan, noch von Dichlorpop erreicht. Es konnten daher nur Anreicherungsfaktoren (AF) ermittelt werden. Bezogen auf die jeweiligen Frischgewichte (FG) von Tier und Erde ergab sich ein AF für 14 C-Lindan von ca. 6 (43 d). Die Ermittlung der AF kann aber nur unter Verwendung verschiedener Bezugsgrößen erfolgen. So ergeben sich beispielsweise bei Normierung auf Wurm-FG und Bodenwasser-Konzentration AF von bis zu 3000, die in ihrer Größenordnung durchaus vergleichbar sind mit AF (bzw. BCF) aquatischer Organismen. Bezogen auf FG/FG ergaben sich für 14 C-Dichlorpop ein AF von ca. 15 (56 d). Vergleicht man die jeweiligen AF bezogen auf Konzentrationen von FG/FG, so liegen die Werte für 14 C-Dichlorpop um ca. 64
Faktor zwei über denen des lipophileren 14 C-Lindans; bei Bezug auf FG- und Bodenwasserkonzentration sind sie jedoch 20 - 30 mal niedriger. Lindan wird also, obgleich lipophiler, je nach Bezugssystem weniger stark angereichert. Untersuchungen zur Elimination ergaben, daß bei beiden Substanzen die zuvor aufgenommene 14 C-Aktivität vollständig in den Würmern verblieb. Ein Fütterungsversuch mit 14 C-Dichlorpop zeigte, daß eine intestinale Aufnahme des Fremdstoffes stattfand, wenngleich ihr Anteil an der gesamten Bioakkumulation gering war. Mit Hilfe der Metabolismus-Untersuchungen konnte eine Differenzierung der in der OECD-Erde und den Regenwürmern gemessenen Radioaktivität in Ursubstanz und gebildete Metabolite erfolgen. Im Versuch mit Lindan konnten in der Erde zu keinem Zeitpunkt Metbolite nachgewiesen werden, während sich in den Wurmextrakten Metabolite fanden, die polarer als Lindan sind. Aufgrund dieser Ergebnisse konnte eine AF für die Ursubstanz von Lindan von ca. 1,4 berechnet werden. Im Versuch mit Dichlorpop konnte in der Erde der Hauptmetabolit des Dichlorpops, 2,4-Dichlorphenol nachgewiesen werden. In den Regenwürmern war der prozentuale Anteil an Dichlorpop und 2,4-DCP vergleichsweise gering. Den Hauptanteil an der extrahierten 14 C-Aktivität stellte ein polarer Metabolit. Enzymatische und saure Hydrolysen der Wurmextrakte deuten darauf hin, daß es sich dabei um mindestens zwei verschiedene Konjugate handelt. Anhand dieser Ergebnisse wurde für die Ursubstanz Dichlorpop ein AF (14 d) von 0,4 berechnet. Insgesamt konnte gezeigt werden, daß Lumbricus rubellus sowohl das lipophile Lindan als auch das weniger lipophile Dichlorpop aufnehmen, anreichern und metabolisieren kann. Aufgrund der fehlenden Elimination von Ursubstanz und deren Metaboliten wird eine einmal erfolgte Belastung mehr oder weniger konserviert. Die entwickelte Methode ist als Testsystem für die Prüfung der Bioakkumulation von Umweltchemikalien bei Regenwürmern gut geeignet. 8.3.2 Toxikokinetik von Umweltchemikalien mit unterschiedlichen Wirkmechanismen bei der Regenbogenforelle (Oncorhynchus mykiss) Bearbeiterin: Dipl.-Biol. Renate Hryk Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. R. Nagel Zum besseren Verständnis der Beziehungen zwischen Toxikokinetik und Toxikodynamik von Umweltchemikalien bei Fischen wurden Aufnahme, Verteilung, Anreicherung, Metabolismus und Elimination von drei Substanzen mit unterschiedlichen Wirkmechanismen untersucht. Die Versuche zum Metabolismus der 14C-markierten Testsubstanzen erfolgten mit Hilfe der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie. Zum Nachweis der Ursubstanzen und der gebildeten Metabolite im Haltungswasser und in den Fischen wurden Extraktionsmethoden und Trennbedingungen erarbeitet, die eine quantitative und qualitative Erfassung ermöglichen. Für das polare Narkotikum 3,4-Dichloranilin betrug der Biokonzentrationsfaktor (BCF) 23. Die Biotransformation erfolgte überwiegend durch Konjugation in Form einer N-Acetylierung zu 3,4-Dichloracetanilid. Ferner wurde ein weiterer metabolit detektiert, dessen Identifizierung noch aussteht. Es liegen Anhaltspunkte vor, daß es sich um das Phase I-Produkt 3,4-Dichlorphenylhydroxylamin handelt. Bis auf die dreifache Anreicherung des 3,4-Dichloracetanilid im Gehirn der Fische traten keine Unterschiede in der Verteilung von Ursubstanz und Metaboliten auf. Die stärkste Akkumulation erfolgte in der Galle, der Leber und im Darm der Fische. 3,4-Dichloanilin und die gebildeten Metabolite wurden innerhalb von 48 h in unbelastetem Wasser nahezu vollständig ausgeschieden. 2,4-Dinitrophenol, ein Entkoppler der oxidativen Phosphorylierung, lag bei dem gegebenen pH-Wert des Haltungswassers in dissoziierter Form vor. Daher wurde diese Substanz sehr langsam aufgenommen und der BCF betrug lediglich 0.9. Die überwiegende Akkumulation in der Galle deutet auf eine biliäre Elimination hin. Bedingt durch den hohen Ionisationsgrad fand keine Metabolisierung von 2,4-Dinitrophenol statt. Innerhalb von 48 h wurden 95 % der ursprünglich aufgenommenen Substanzmenge wieder ausge- schieden. 65
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Faktor zwei über denen <strong>des</strong> lipophileren 14 C-Lindans; bei Bezug auf FG- und Bodenwasserkonzentration<br />
sind sie jedoch 20 - 30 mal niedriger. Lindan wird also, obgleich lipophiler, je nach Bezugssystem weniger<br />
stark angereichert. Untersuchungen zur Elimination ergaben, daß bei beiden Substanzen die zuvor aufgenommene<br />
14 C-Aktivität vollständig in den Würmern verblieb. Ein Fütterungsversuch mit 14 C-Dichlorpop<br />
zeigte, daß eine intestinale Aufnahme <strong>des</strong> Fremdstoffes stattfand, wenngleich ihr Anteil an der gesamten<br />
Bioakkumulation gering war.<br />
Mit Hilfe der Metabolismus-Untersuchungen konnte eine Differenzierung der in der OECD-Erde und den<br />
Regenwürmern gemessenen Radioaktivität in Ursubstanz und gebildete Metabolite erfolgen. Im Versuch<br />
mit Lindan konnten in der Erde zu keinem Zeitpunkt Metbolite nachgewiesen werden, während sich in den<br />
Wurmextrakten Metabolite fanden, die polarer als Lindan sind. Aufgrund dieser Ergebnisse konnte eine AF<br />
<strong>für</strong> die Ursubstanz von Lindan von ca. 1,4 berechnet werden. Im Versuch mit Dichlorpop konnte in der<br />
Erde der Hauptmetabolit <strong>des</strong> Dichlorpops, 2,4-Dichlorphenol nachgewiesen werden. In den Regenwürmern<br />
war der prozentuale Anteil an Dichlorpop und 2,4-DCP vergleichsweise gering. Den Hauptanteil an der<br />
extrahierten 14 C-Aktivität stellte ein polarer Metabolit. Enzymatische und saure Hydrolysen der Wurmextrakte<br />
deuten darauf hin, daß es sich dabei um min<strong>des</strong>tens zwei verschiedene Konjugate handelt. Anhand<br />
dieser Ergebnisse wurde <strong>für</strong> die Ursubstanz Dichlorpop ein AF (14 d) von 0,4 berechnet.<br />
Insgesamt konnte gezeigt werden, daß Lumbricus rubellus sowohl das lipophile Lindan als auch das weniger<br />
lipophile Dichlorpop aufnehmen, anreichern und metabolisieren kann. Aufgrund der fehlenden Elimination<br />
von Ursubstanz und deren Metaboliten wird eine einmal erfolgte Belastung mehr oder weniger konserviert.<br />
Die entwickelte Methode ist als Testsystem <strong>für</strong> die Prüfung der Bioakkumulation von Umweltchemikalien<br />
bei Regenwürmern gut geeignet.<br />
8.3.2 Toxikokinetik von Umweltchemikalien mit unterschiedlichen Wirkmechanismen bei der Regenbogenforelle<br />
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Bearbeiterin: Dipl.-Biol. Renate Hryk<br />
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. R. Nagel<br />
Zum besseren Verständnis der Beziehungen zwischen Toxikokinetik und Toxikodynamik von Umweltchemikalien<br />
bei Fischen wurden Aufnahme, Verteilung, Anreicherung, Metabolismus und Elimination von<br />
drei Substanzen mit unterschiedlichen Wirkmechanismen untersucht. Die Versuche zum Metabolismus<br />
der 14C-markierten Testsubstanzen erfolgten mit Hilfe der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie. Zum<br />
Nachweis der Ursubstanzen und der gebildeten Metabolite im Haltungswasser und in den Fischen wurden<br />
Extraktionsmethoden und Trennbedingungen erarbeitet, die eine quantitative und qualitative Erfassung<br />
ermöglichen.<br />
Für das polare Narkotikum 3,4-Dichloranilin betrug der Biokonzentrationsfaktor (BCF) 23. Die Biotransformation<br />
erfolgte überwiegend durch Konjugation in Form einer N-Acetylierung zu 3,4-Dichloracetanilid.<br />
Ferner wurde ein weiterer metabolit detektiert, <strong>des</strong>sen Identifizierung noch aussteht. Es liegen Anhaltspunkte<br />
vor, daß es sich um das Phase I-Produkt 3,4-Dichlorphenylhydroxylamin handelt. Bis auf die dreifache<br />
Anreicherung <strong>des</strong> 3,4-Dichloracetanilid im Gehirn der Fische traten keine Unterschiede in der Verteilung von<br />
Ursubstanz und Metaboliten auf. Die stärkste Akkumulation erfolgte in der Galle, der Leber und im Darm<br />
der Fische. 3,4-Dichloanilin und die gebildeten Metabolite wurden innerhalb von 48 h in unbelastetem<br />
Wasser nahezu vollständig ausgeschieden.<br />
2,4-Dinitrophenol, ein Entkoppler der oxidativen Phosphorylierung, lag bei dem gegebenen pH-Wert <strong>des</strong><br />
Haltungswassers in dissoziierter Form vor. Daher wurde diese Substanz sehr langsam aufgenommen und der<br />
BCF betrug lediglich 0.9. Die überwiegende Akkumulation in der Galle deutet auf eine biliäre Elimination<br />
hin. Bedingt durch den hohen Ionisationsgrad fand keine Metabolisierung von 2,4-Dinitrophenol statt.<br />
Innerhalb von 48 h wurden 95 % der ursprünglich aufgenommenen Substanzmenge wieder ausge- schieden.<br />
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