4 Material und Umwelt
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Eingeladener Vortrag
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Zearalenone (ZEN) and its sulfate and glucoside conjugates have been detected in (a broad variety of) food and feed commodities1. Both conjugated derivatives are formed as part of fungal or plant secondary metabolism and thus, belong to the group of modified mycotoxins2. After consumption of contaminated foodstuff, the conjugates can be hydrolyzed by human intestinal microbiota leading to liberation of ZEN that implies an underestimation of the true ZEN exposure. In order to include ZEN conjugates in routine analysis, as well as for toxicological investigation reliable standards are needed.
The objective of the present study was to develop a simple and economic method for biosynthesis of ZEN conjugates. Preceding experiments on the biotransformation of ZEN by Rhizopus and Aspergillus species showed a mixed metabolite formation3. Therefore, these known ZEN conjugating fungal strains were screened for their potential to selectively synthesize the ZEN derivatives ZEN-14-sulfate (Z14S), ZEN-14-glucoside (Z14G) and ZEN-16-glucoside (Z16G). The screening was conducted by adding ZEN to liquid fungal cultures. Cultivation conditions and ZEN incubation time were varied. All media samples were analyzed for metabolite formation by HPLC-MS/MS. Z14S was exclusively formed by A. oryzae. Under optimized conditions a specific biosynthesis of Z14G by R. oryzae and Z16G by R. oligosporus was achieved. After liquid-liquid-extraction and preparative chromatographic cleanup 1H-NMR purities of ≥ 73% for Z14S, ≥ 82% for Z14G and ≥ 50% for Z16G were obtained. In addition, a consecutive biosynthesis was developed by first using Fusarium graminearum for ZEN biosynthesis on rice based liquid medium. After inactivation of Fusarium the subsequent conjugation reaction was conducted utilizing Aspergillus and Rhizopus species under the various optimized conditions.
In this study an easy and cost-efficient biosynthesis for Z14S, Z14G and Z16G was developed. The developed biosynthesis could be also used for other metabolites like ZEL conjugates. Our results of the in vitro screening indicate also the formation of a ZEL-glucoside and α ZEL-sulfate as major metabolites by R. oryzae. In sum, under optimized cultivation conditions fungi can be easily utilized for a targeted and stereospecific synthesis of ZEN conjugates.
Gegenstand der vorzustellenden Arbeiten ist die Prüfung der Umwelt-beständigkeit und -verträglichkeit von Materialien und Produkten hinsichtlich der Emission von potenziellen Schadstoffen in die Umwelt. Hierzu werden chemisch-physikalische Einflüsse (Bewitterung) und mikrobielle Beanspruchungen an Modellmaterialien evaluiert. So werden die Freisetzungsraten von Schadstoffen in Abhängigkeit der Beanspruchung beschrieben. Als Modellmaterialien kommen die Polymere Polystyrol (PS) und Polypropylen (PP) zum Einsatz. Synergistische Effekte der Bewitterungsparameter und der mikrobiologischen Beanspruchung sollen dabei ebenso betrachtet werden, wie die gezielte Alterung. Auch findet eine Beschreibung des Verhaltens der ausgetragenen Schadstoffe in den Umweltkompartimenten Boden oder Wasser statt. Hier sind mit Hilfe der zu entwickelnden Screening- und non-Target-Analyseverfahren die Transformation und der Metabolismus durch Mikroorganismen zu beschreiben. Aus den Ergebnissen sollen Korrelationen zwischen den künstlichen Alterungsverfahren und realen Szenarien abgeleitet werden.
Gegenstand der vorzustellenden Arbeiten ist die Prüfung der Umweltbeständigkeit und -verträglichkeit von Materialien und Produkten hinsichtlich der Emission von potenziellen Schadstoffen in die Umwelt. Hierzu werden chemisch-physikalische Einflüsse (Bewitterung) und mikrobielle Beanspruchungen an Modellmaterialien evaluiert. So werden die Freisetzungsraten von Schadstoffen in Abhängigkeit der Beanspruchung beschrieben. Als Modellmaterialien kommen die Polymere Polystyrol (PS) und Polypropylen (PP) zum Einsatz, die jeweils mit polybromierten Flammschutzmitteln (PBFSM) versehen sind. Synergistische Effekte der Bewitterungsparameter und der mikrobiologischen Beanspruchung sollen dabei ebenso betrachtet werden, wie die gezielte Alterung. Auch findet eine Beschreibung des Verhaltens der ausgetragenen Schadstoffe in den Umweltkompartimenten Boden oder Wasser statt. Hier sind mit Hilfe der zu entwickelnden Screening- und non-Target-Analyseverfahren die Transformation und der Metabolismus durch Mikroorganismen zu beschreiben. Auch soll mit Hilfe der RFA und der LA-ICP-MS die Abreicherung der PBFSM in den Modellmaterialien beschrieben werden. Aus den Ergebnissen sollen Korrelationen zwischen den künstlichen Alterungsverfahren und realen Szenarien abgeleitet werden.
Ammoniakemissionen in die Umwelt erfolgen insbesondere durch die Landwirtschaft (93,6 %), aber auch durch Verbrennungsprozesse in der die Abfallwirtschaft (2,3 %) und den Straßenverkehr (1,8 %). Dieser Stoff ist selbst in geringen Konzentrationen nicht nur eine Geruchsbelästigung, sondern auch eine Substanz mit ökologischer und klimatischer Relevanz.
Die Bestimmung von Ammoniak in relevanten Konzentrationen von kleiner 25 μg m-3 erfolgt im Allgemeinen über NH4+ als Analyten, spektralfotometrisch oder mit der Ionenchromatographie nach Überführung in die flüssige Phase. Wegen der niedrigen Konzentrationen an Ammoniak in der Außenluft wird meist eine gesammelte Probe verwendet oder die Bestimmung erfolgt nach einer aktiven, anreichernden Probenahme.
Die eigenen Arbeiten sollen dazu beitragen, die Ammoniak-Bestimmung in der Außenluft präziser, sowie schneller und kostengünstiger zu machen.
Die BAM prüfte daher kommerzielle elektrochemische und Metalloxid-basierte Sensoren, die für diesen Konzentrationsbereich aber nur bedingt geeignet sind. Deshalb wurden alternativ eigene Entwicklungen zum Nachweis von Ammoniak im Spurenbereich aufgenommen, wobei der Analyt über die Änderung der Fluoreszenz eines BODIPY-Farbstoffs bei 550 nm mittels eines portablen Fluoreszenz-Sensors direkt aus der Gasphase gemessen wird.
Zur Kalibrierung von Ammoniak-Sensoren und -Messgeräten steht ein stationäres System basierend auf der Mischung von zertifizierten Prüfgasen aus Druckflaschen mit kalibrierten Massendurchfluss-regler (MFC) zur Verfügung. Darüber hinaus erfolgt eine chemische Analyse der verwendeten Gasgemische mittels eines Massenspektrometers.
Für die Kalibrierung und Prüfung von Sensoren und Messgeräten vor Ort wurde ein mobiles Prüfsystem entwickelt. Die Generierung von Ammoniak-haltigen Gasen im Spurenbereich von 0,5 nmol/mol bis 500 nmol/mol erfolgt durch das Permeationsverfahren nach ISO 6145-10.
Für die Realisierung der Rückführbarkeit der Ammoniakbestimmung werden von den Nationalen Metrologischen Instituten sowie designierten Instituten Standards bereitgestellt und auch weiterentwickelt. Die primären metrologischen Standards beruhen auf SI-Einheiten und sind die Basis für eine Rückführbarkeit der Sensoren bzw. Analysengeräte.
Bacterial adhesion on surfaces of medical, water and food applications may lead to infections, water or food spoilage and human illness. In comparison to traditional static and macro flow chamber assays for biofilm formation studies, microfluidic chips allow in situ monitoring of biofilm formation under various flow regimes, have better environment control and smaller sample requirements.
In this work, a novel microfluidic platform is developed to investigate biofilm adhesion under precisely controlled bacteria concentration, temperature, and flow conditions. This platform central unit is a single-inlet microfluidic flow cell with a 5 mm wide chamber designed and tested to achieve ultra-homogenous flow in the central area of chamber. Within this area, defined microstructures are integrated that will disturb the homogeneity of the flow, thus changing bacterial adhesion pattern.
Here we present the monitoring of bacterial biofilm formation in a microfluidic chip equipped with a microstructure known as micro-trap. This feature is based on a 3D bacteria trap designed by Di Giacomo et al. and successfully used to sequester motile bacteria.
At first, fluorescent particles similar in size to Escherichia coli (E. coli) are used to simulate bacteria flow inside the flow cell and at the micro-trap. The turbulences induced by the trap are analyzed by imaging and particle tracking velocimetry (PTV). Secondly, the model strain E. coli TG1, ideal and well described for biofilm studies, is used to analyze biofilm formation in the micro-trap. Therefore, a stable fluorescent strain E. coli TG1-MRE-Tn7-141 is constructed by using Tn7 transposon mutagenesis according to the method described by Schlechter et al. Sequestering of E. coli cells within the micro-trap was followed using epifluorescence microscopy.
The novel microfluidic platform shows great potential for assessment of bacterial adhesion under various flow regimes. The performance of structural feature with respect to the generation of turbulences that promote or reduce bacterial adhesion can be systematically examined.
The combination of flow analysis and fluorescent strain injection into the microfluidic chip shows that the micro-trap is useful for capturing bacteria at defined positions and to study how flow conditions, especially micro-turbulences, can affect biofilm formation. It represents a powerful and versatile tool for studying the relation between topography and bacteria adhesion.
Here, we describe a fast and simple extraction method for the determination of per- and polyfluorinated alkyl substances (PFASs) utilizing extractable organic fluorine (EOF) sum parameter analysis and high resolution-continuum source-graphite furnace molecular absorption spectrometry (HR-CS-GFMAS) in soil samples. After extraction and separation of inorganic and organic fluorinated compounds, organically bound fluorinated compounds were indirectly determined via the molecular absorption of gallium mono-fluoride at 211.248 nm. The implementation of the decisions of the “Stockholm Convention on persistent organic pollutants” as well as the “Protocol on Persistent Organic Pollutants of the Convention on Long-Range Transboundary Air Pollution” of the UNECE include the reduction respectively the elimination of PFASs in the environment. Currently, regulations aim to target single compounds (mostly C8-PFAS). But the PFAS group includes over 4700 substances, which are potentially persistent and toxic, thus target analytical approaches are not suitable for a holistic approach investigating the PFAS pollutant situation. Furthermore, forbidden PFASs are substituted by short-chain PFASs, thus the number of unknow substances is steadily increasing. For this reason, sum parameter approaches are more suitable to investigate and assess the pollution situation as well as derive exposure limits. Our developed analytical method was successfully applied to determine PFASs in soil samples from a polluted site. In view of steadily increasing numbers of PFAS substances, our method will make an important contribution in assessing the pollution situation as well as support policy makers in deriving exposure limits for PFAS in the future.