Mikrofluidisches System mit integrierter Multisensorik für mehrdimensionale Screenings in der miniaturisierten Umwelttoxikologie

摘要

Die globale Belastung der Umwelt mit Schadstoffen stellt ein Problem sowohlfür Mensch als auch für Ökosysteme dar. Schadstoffe kommen in der Umweltselten einzeln, sondern meist in komplexen Gemischen vor. Deshalb nimmt dieDiskussion über die Kombinationswirkung von Schadstoffen einen immergrößeren Stellenwert ein. Die Größe des mehrdimensionalen Parameterfeldeserschwert die Anwendung toxikologischer Standardmethoden und macht dieEinführungen neuer Screeningmethoden notwendig. Der Einsatz derMikrosystemtechnik im Bereich der Biotechnologie bietet erhebliche Vorteilebezüglich Miniaturisierung und Automatisierung verglichen mit herkömmlichenVerfahren. Das Ziel des Promotionsvorhabens bestand in der Entwicklungeines kompakten, automatisierten Fluidhandling- und Messsystems mitintegrierter Multisensorik unter Anwendung des Prinzips mikrosegmentierterFlüsse zur Charakterisierung hochaufgelöster Dosis-Wirkungs-Beziehungen fürdie Einzel- sowie Kombinationswirkung von Umweltschadstoffen.Mit denentwickelten Labor- und Kompaktsystemen konnten zwei-, drei- undfünfdimensionale Konzentrationsfelder in Mikrofluidsegmenten erzeugtwerden. Die Wirkungen verschiedener Schadstoffkombinationen aufDarmbakterium Escherichia coli, Grünalge Chlorella vulgaris, BodenbakterienStreptomyces tendae F4, Streptomyces acidiscabies E13, Psychrobacilluspsychrodurans UrPLO1 und Vertebraten-Zelllinien IPC-81 wurden erfolgreichuntersucht. Durch die Integration von pO2-sensitiven Nanobeads in dieMikrofluidsegmente gelang die interaktionsfreie Auslese des segmentinternenpO2-Wertes während der Zeit- sowie konzentrationsabhängigen Kultivierungder schwermetalltoleranten Bakterienstämmen Streptomyces acidiscabies E13und Psychrobacillus psychrodurans UrPLO1 in Mikrofluidsegmenten.Mit denentwickelten Systemen konnten zahlreiche binäre- und ternäre Gemische ausverschiedenen Organismen modellhaft untersucht werden. Es konntenDatensätze zu hochaufgelösten Einzelwirkungs- und Kombinationsscreeningsder Verbindungsklassen Phenole, ionische Flüssigkeiten, Schwermetalle,Antibiotika, Herbizide, Fungizide, Medikamente (ACE Hemmer und CSE Hemmer),Ernährungsbestandteile und Metallnanopartikel anhand der EndpunkteWachstum, Autofluoreszenz sowie der Änderung der Lumineszenzintensität vonpO2 sensitiven Nanobeads mittels eines 2 Kanal Mikrodurchflussfluorimetersund eines 4 Kanal Mikrodurchflussphotometers gewonnen werden. Sowohl aushochaufgelösten Einzelwirkungsscreenings als auch aus mehrdimensionalenScreenings der Mikrofluidsegmente konnten neue Erkenntnisse gewonnenwerden. Die Versuchsergebnisse demonstrieren bereits die Einsatzfähigkeitder Kompaktanordnung und das große Potential der tropfenbasiertenMikrofluidik für toxikologische Multiparameter-Screenings. Das entwickelteSystem bildet eine wichtige Grundlage für ein marktfähiges Kompaktgerät inder miniaturisierten Ökotoxikologie.