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| 024 | 7 | _ | |2 datacite_doi |a 10.18154/RWTH-2016-11987 |
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| 100 | 1 | _ | |0 P:(DE-82)IDM01360 |a Schiwy, Andreas Herbert |b 0 |u rwth |
| 245 | _ | _ | |a The nanotoxicology of a newly developed zero-valent iron nanomaterial for groundwater remediation and its remediation efficiency assessment combined with in vitro bioassays for detection of dioxin-like environmental pollutants |c vorgelegt von Diplom-Biologe Andreas Herbert Schiwy |h online |
| 246 | _ | 3 | |a Die Nanotoxikologie eines neuentwickelten nullwertigen Eisen-Nanomaterials zur Grundwasserremediation und dessen Remediationsleistungsuntersuchung kombiniert mit in vitro Bioassays zur Detektion dioxin-ähnlich wirksamer Umweltschadstoffe |y German |
| 260 | _ | _ | |a Aachen |c 2016 |
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| 300 | _ | _ | |a 1 Online-Ressource (200 Seiten) : Illustrationen, Diagramme |
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| 336 | 7 | _ | |0 PUB:(DE-HGF)11 |2 PUB:(DE-HGF) |a Dissertation / PhD Thesis |b phd |m phd |
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| 500 | _ | _ | |a Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2017 |
| 502 | _ | _ | |a Dissertation, RWTH Aachen University, 2016 |b Dissertation |c RWTH Aachen University |d 2016 |g Fak01 |o 2016-07-28 |
| 520 | 3 | _ | |a Die Bewertung von Chemikalien und neuen Substanzen ist eine wichtige Aufgabe der Ökotoxikologie. Thema dieser Dissertation ist die Bewertung eines neu entwickelten eisenbasierten Nanomaterials zur Remediation von Grundwasserschadensfällen und die Entwicklung von bioanalytischen In vitro–Verfahren, um die Toxizität von Substanzen im Hochdurchsatz zu untersuchen. Diese beiden Untersuchungsschwerpunkte wurden in der vorliegenden Arbeit kombiniert. Anschließend sollte mit Hilfe des Schadstoffs Acridin die Anwendung von Bioassays zur Bewertung der Remediationsleistung erprobt werden.Das im NAPASAN Projekt neuentwickelte nullwertige Eisennanomaterial zeigte das Potential organische und anorganische Umweltgifte auf eine kostengünstige Art zu beseitigen. Dies wurde am Beispiel einer Nanoremediationsanwendung an einem Modellfeldstandort gezeigt. Die ökotoxikologische Untersuchung des Materials wurde mit unterschiedlichen ökotoxikologischen Tests in der reduzierten und oxidierten Form durchgeführt. Als Testorganismen für die Untersuchung des reduzierten Materials wurden Vertreter ausgewählt, die im Feldstandort heimisch sind. Zu diesen gehören die dechlorierenden Mikroorganismen Dehalococcoides sp., Desulfitobacterium sp., Desulfomonile tiedjei, Dehalobacter sp. und Desulfuromonas sp.. Diese wurden in Batch- und Säulenversuchen untersucht. Darüber hinaus wurden Modellorganismen wie Desmodesmus subspicatus, Daphnia magna, Danio rerio und Salmonella typhimurium zur ökotoxikologischen Bewertung des oxidierten Eisennanomaterials verwendet. Die Ergebnisse zeigten eine kurzzeitige Toxizität des reduzierten Nanomaterials gegenüber den Mikroorganismen. Jedoch wurde in Langzeitstudien über einen Zeitraum von 300 Tagen keine chronische Toxizität des Nanomaterials gegenüber den dechlorierenden Mikroorganismen beobachtet. Das oxidierte Material zeigte eine Toxizität nur bei Konzentrationen >100 mg/L. Die empfindlichsten Organismen waren die Daphnien mit einem EC50-Wert von 163 mg/L. Alle weiteren Testsysteme zeigten eine geringere Toxizität des oxidierten Nanomaterials. Aus diesem Grund kann das Nanomaterial ohne große Einschränkungen angewendet werden, besonders da solche erhöhten Konzentrationen nur in Rahmen einer gezielten Remediationsanwendung vorkommen und nur sehr lokal auftreten. Ein Transport des Materials in ökotoxikologisch relevanten Konzentrationen ist nicht wahrscheinlich.Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit lag der Fokus auf der Entwicklung eines In vitro-Verfahrens. Dazu wurde der Micro-EROD Bioassay zur Bewertung des CYP1A-Induktionspotentials entwickelt. Das in Nature Protocols veröffentlichte Protokoll des Mikro-EROD Bioassays bietet eine detaillierte Beschreibung der Methode. Mit dieser neu entwickelten Methode kann eine Vielzahl von Probentypen (Lebensmittel, Chemikalien, Sedimente etc.) untersucht werden. Zusätzlich bietet die Methode den Vorteil einer hohen Sensitivität und leichten Zugänglichkeit selbst für Personal mit wenigen Erfahrungen im Bereich der zellbasierten Analytik. Aufbauend auf diesem Bioassay wurden neue Zelllinien entwickelt, die in einem serumfreien chemisch definierten Medium in Suspension kultiviert werden. Die Untersuchungen mit Standardsubstanzen wie TCDD zeigten für die neuentwickelten Zelllinien eine hohe Vergleichbarkeit zu den etablierten Zelllinien. Der ermittelte EC50-Wert gegenüber TCDD betrug mit der neu entwickelten H4IIE-S Zelllinie 11 pM und war damit vergleichbar mit adhärenten H4IIE Zellen für die in der Literatur ein EC50-Werte zwischen 5 pM und 47 pM publiziert wurde. Dabei überwiegen die ökonomischen Vorteile des neu entwickelten Systems, da die Kultivierung der Zellen in Suspension effizienter und kostengünstiger ist. In diesem Modus kann das gesamte Volumen eines Kulturgefäßes für die Kultur der Zellen verwendet werden, während bei adhärenten Zellen nur die Grundfläche zur Verfügung steht.Als Synthese wurde der Effekt des neuentwickelten Nanomaterials mit dem Schadstoff Acridin in Ko-exposition untersucht. Da Acridin in bereits publizierten Studien eine Mechanismus-spezifische Aktivität zeigte, wurde es als Modellschadstoff ausgewählt, um mit diesem Schadstoff die Anwendung von In vitro-Testverfahren bei Ko-exposition des Acridins mit dem Nanomaterial zu untersuchen. Zunächst wurde die Ko-exposition des Eisennanomaterials mit Acridin im Fischembryotoxizitätsassay mit dem Zebrafisch Danio rerio mit begleitender instrumenteller Analytik untersucht. Die Ergebnisse zeigten eine Toxizität von Acridin gegenüber Fischembryonen mit einem ermittelten EC50-Wert von 1 mg/L, was mit bereits publizierten Daten übereinstimmte. Das neu entwickelte Eisennanomaterial zeigte weder im Fischembryotoxizitätstest noch bei den Ergebnissen der instrumentellen Analytik einen Effekt auf den Modelschadstoff. Zusätzlich zeigte die Untersuchung im Mikro-EROD Bioassay keine dioxin-ähnliche Wirksamkeit für Acridin. Diese Ergebnisse entsprachen nicht den Erwartungen, da Acridin als dioxin-ähnlich wirksam und nanoskaliges Eisen als geeignet für die Remediation von heterozyklischen polyaromatischen Kohlenwasserstoffen in der Literatur beschrieben wurden. Diverse Faktoren wie eine Passivierung des Nanomaterials oder zu hohe Stabilität des Modelschadstoffs könnten hierbei eine Rolle gespielt haben. Für die In vitro-Untersuchung zur dioxin-ähnlichen Aktivität von Acridin könnte eine Substrathemmung oder eine speziesabhängige Rezeptoraffinität zu den Ergebnissen geführt haben. Beide Elemente sollten in Folgestudien untersucht werden.Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Kombination von In vitro-Bioassays zur Bewertung der Remediationsleistung noch nicht vollständig ausgereift ist. Es besteht noch dringender Forschungsbedarf in diese Richtung. Außerdem sollte die Modelsubstanz noch mal angepasst werden und die Studie mit z.B. einem PAH oder Substanzen wie β-Naphthoflavon oder TCDD wiederholt werden. Erst dann kann abschließend beurteilt werden inwieweit sich In-vitro Bioassays eignen, um die Remediationsleistung zu untersuchen. Die Anwendung der neu entwickelten Zelllinien in Suspension ist jedoch für die Bewertung von unbekannten Altlastenstandorten vielversprechend und sollte in Folgestudien weiterentwickelt werden. Besonders in der Kombination mit instrumenteller Fraktionierung und Analytik können die neu entwickelten Suspensions-Zelllinien helfen im Hochdurchsatz eine effektdirigierte Analytik zur Identifikation der für die Effekte verantwortlichen Schadstoffe durchzuführen. |l ger |
| 520 | _ | _ | |a The assessment of chemicals and new compounds is an important task of ecotoxicology. In this thesis a newly developed zero-valent iron material for nanoremediation of groundwater contaminations was investigated and in vitro bioassays for high throughput screening were developed. These two elements of the thesis were combined to assess the remediation efficiency of the nanomaterial on the groundwater contaminant acridine. The developed in vitro bioassays were evaluated for quantification of the remediation efficiency.Within the NAPASAN project developed iron based nanomaterial showed in a model field application its nanoremediation capabilities to reduce organic contaminants in a cost effective way. The ecotoxicological evaluation of the nanomaterial in its reduced and oxidized form was conducted with various ecotoxicological test systems. The effects of the reduced nanomaterial with field site resident dechlorinating microorganisms like Dehalococcoides sp., Desulfitobacterium sp., Desulfomonile tiedjei, Dehalobacter sp., Desulfuromonas sp. have been investigated in batch und column experiments. A short-term toxicity of the reduced nanomaterial was shown. However, in a prolonged investigation the NZVI did not show any chronic toxic effects to dechlorinating microorganisms in a time-frame up to 300 days. The contribution of this thesis was the toxicological assessment of the oxidized nanomaterial with ecotoxicological model organisms like Desmodesmus subspicatus, Daphnia magna, Danio rerio and Salmonella typhimurium. The oxidized NZVI showed a toxicity at elevated concentrations of >100 mg/L. The most sensitive test system was the Daphnia acute toxicity test with an EC50 value of 163 mg/L. All other test systems showed a lower or no toxicity of the nanomaterial. Therefore, the nanomaterial can be applied in nanoremediation applications without comprehensive constrains. Especially, as these elevated concentrations will only occur at the contaminated hot spots during the application of this technology as it has been shown that a transport away from the remediation site is not probable.As a second element of this thesis the development of in vitro bioassays to elucidate toxicity in high throughput applications have been conducted. Therefore, the micro-EROD bioassay to determine the CYP1A-inducing potential of samples was developed. Recently, its protocol to investigate environmental sample was presented in Nature protocols in detail. This protocol can be applied to a multitude of samples types (feed and food, chemicals, sediments etc.) und has the advantage of sensitivity and ready to use methodology. Evolving this bioassay new cell lines in a serum-free animal component-free chemically defined medium and suspension culturing conditions have been developed. The investigations with reference compounds like TCDD showed that these newly developed cell lines were highly comparable to the established adherent cell lines. The EC50 value for the newly developed H4IIE-S cell lines was 11 pM, which was comparable to the adherent H4IIE cell line. The adherent cell line was presented in literature with EC50 values ranging from 5 pM to 47 pM. The newly developed system showed the feasibility of high throughput with clear financial benefits in comparison to the established technology, as the cultivation in suspension is more cost efficient. In this cultivation mode the whole volume is used for cultivation compared to adherent cell lines for which only the surface of a culturing vessel can be used.As synthesis the effect of the newly developed NZVI on a model compound in co-exposure has been investigated. The heterocyclic polyaromatic hydrocarbon acridine was applied as a model contaminant as it showed in literature mechanism specific toxicity. It was selected to evaluate the application of bioassays for the assessment of the remediation efficiency of the newly developed nanomaterial. At first the co-exposure of the iron nanomaterial with acridine was evaluated in the fish embryo toxicity test with accompanying instrumental analysis. The results showed a toxicity of acridine with an EC50 value of 1 mg/L, which was comparable to results obtained in literature. The newly developed NZVI did not show any effects on acridine in the fish embryo toxicity test and the instrumental analysis. Additionally, the micro-EROD bioassay did not indicate any dioxin-like potential for this compound. These results were not expected as acridine showed dioxin-like activity and NZVI were applied for remediation of heterocyclic polyaromatic hydrocarbons like acridine in literature. Various factors like passivation of the nanomaterial or a high stability of the model compound could have influenced the outcome of the investigations. For the in vitro investigations of the dioxin-like potential of acridine a substrate inhibition or a species related low receptor affinity could have caused this results. Both elements should be investigated in follow-up studies. The application of a dioxin-like activity monitoring in vitro bioassay to elucidate the remediation efficiency was not successful. Therefore, another compound should be applied as the model groundwater pollutant. Possible candidate substances are PAHs or β-naphthoflavone or TCDD as they are more potent CYP1-inducer. Nevertheless, in vitro bioassays can be applied as monitoring tools for remediation applications. Especially, for effect directed analysis in vitro bioassays are suitable to elucidate the fraction with a specific toxicity. For this application the newly developed cell lines in suspension are especially beneficial. They can be used to investigate extracts of environmental samples with reduced handling effort and thus improve the analytical throughput significantly. |l eng |
| 591 | _ | _ | |a Germany |
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