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Erschließung der Mikrofluidsegmenttechnik für die umwelttoxikologische Untersuchung der synergistischen Wirkung potentieller Schadstoffkombinationen auf Mikro- und Kleinstorganismen

Funfak, Anette - Technische Universität Ilmenau (2010)


Die weltweite Belastung der Umwelt mit Schadstoffen stellt ein Problem sowohl für Menschen als auch für Ökosysteme dar. Die Bewertung der Toxizität und die Risikoabschätzung von Umweltchemikalien beziehen sich in den meisten Studien nur auf die Wirkung einzelner Substanzen. Die Frage nach der Kombinationswirkung rückt aber verstärkt ins Blickfeld der Öffentlichkeit und erste Forderungen zur Berücksichtigung von Kombinationswirkungen bei der Risikobewertung werden laut. Die Komplexität des Problems macht wissenschaftliche Untersuchungen im Rahmen der konventionellen Laborpraxis kompliziert und stellt hohe Anforderungen an die bereits existierenden Standardmethoden.

Gegenstand der Dissertation ist die Anwendung der segment-basierten Mikrofluidik zur Untersuchung der Einzelwirkung und der Mischungstoxizität von potentiellen Umweltschadstoffen auf ausgewählte Modellorganismen. Dafür wurde die Einbringung und Kultivierbarkeit von Mehrzellern (Zebrafisch Danio rerio, Fadenwurm Caenorhabditis elegans), prokaryotischen (Darmbakterium Escherichia coli) und eukaryotischen Zellen (Hefe Saccharomyces cerevisiae), Humanzellen (HeLa-Zellen) sowie Grünalgen (Chlorella vulgaris) in den Mikro- bis Nanoliter großen Fluidsegmenten untersucht. Die Entwicklung semiautomatischer Screeningabläufe ermöglichte die Erzeugung und Adressierung von ein- und mehrdimensionalen Konzentrationsfeldern. Mit der Integration von optischen Mikro-Durchflusssensoren, polymerbasierten Mikrobeads sowie Bildanalyse konnte eine segmentinterne, simultane Analyse ausgewählter toxikologischer Endpunkte wie embryonale Entwicklung, Wachstum, Stoffwechselaktivität über Autofluoreszenz und den Stoffwechselparameter pH ermöglicht werden. Damit konnten Schlussfolgerungen über die Einzelwirkung und Kombinationswirkung von Modellsubstanzen der Verbindungsklassen Vinylpyrrolidon, Sulfoxide, Phenole, Schwermetalle, Tenside, Metallnanopartikel und einem antibakteriellen Decapeptid getroffen werden. Die Vorteile der Mikrofluidtechnik und der Methode des segmentierten Flusses bieten nicht nur gute Möglichkeiten für die Miniaturisierung von Ökotests und der Durchführung von hoch aufgelösten Hochdurchsatz-Screenings zur Untersuchung der Kombinationswirkung von Umweltschadstoffen, sondern sie liefern auch neue Einblicke in das Antwortverhalten von biologischen Systemen in stark volumenbeschränkten Umgebungen.


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