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

摘要

Die weltweite Belastung der Umwelt mit Schadstoffen stellt ein Problemsowohl für Menschen als auch für Ökosysteme dar. Die Bewertung derToxizität und die Risikoabschätzung von Umweltchemikalien beziehen sich inden meisten Studien nur auf die Wirkung einzelner Substanzen. Die Fragenach der Kombinationswirkung rückt aber verstärkt ins Blickfeld derÖffentlichkeit und erste Forderungen zur Berücksichtigung vonKombinationswirkungen bei der Risikobewertung werden laut. Die Komplexitätdes Problems macht wissenschaftliche Untersuchungen im Rahmen derkonventionellen Laborpraxis kompliziert und stellt hohe Anforderungen andie bereits existierenden Standardmethoden. Gegenstand der Dissertationist die Anwendung der segment-basierten Mikrofluidik zur Untersuchung derEinzelwirkung und der Mischungstoxizität von potentiellenUmweltschadstoffen auf ausgewählte Modellorganismen. Dafür wurde dieEinbringung und Kultivierbarkeit von Mehrzellern (Zebrafisch Danio rerio,Fadenwurm Caenorhabditis elegans), prokaryotischen (DarmbakteriumEscherichia coli) und eukaryotischen Zellen (HefeSaccharomyces cerevisiae), Humanzellen (HeLa-Zellen) sowie Grünalgen(Chlorella vulgaris) in den Mikro- bis Nanoliter großen Fluidsegmentenuntersucht. Die Entwicklung semiautomatischer Screeningabläufeermöglichte die Erzeugung und Adressierung von ein- und mehrdimensionalenKonzentrationsfeldern. Mit der Integration von optischenMikro-Durchflusssensoren, polymerbasierten Mikrobeads sowie Bildanalysekonnte eine segmentinterne, simultane Analyse ausgewählter toxikologischerEndpunkte wie embryonale Entwicklung, Wachstum, Stoffwechselaktivität überAutofluoreszenz und den Stoffwechselparameter pH ermöglicht werden. Damitkonnten Schlussfolgerungen über die Einzelwirkung und Kombinationswirkungvon Modellsubstanzen der Verbindungsklassen Vinylpyrrolidon, Sulfoxide,Phenole, Schwermetalle, Tenside, Metallnanopartikel und einemantibakteriellen Decapeptid getroffen werden.Die Vorteile derMikrofluidtechnik und der Methode des segmentierten Flusses bieten nichtnur gute Möglichkeiten für die Miniaturisierung von Ökotests und derDurchführung von hoch aufgelösten Hochdurchsatz-Screenings zur Untersuchungder Kombinationswirkung von Umweltschadstoffen, sondern sie liefern auchneue Einblicke in das Antwortverhalten von biologischen Systemen in starkvolumenbeschränkten Umgebungen