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Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften

Sonderforschungsbereich 1357 Mikroplastik

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A-Projekte

​Biologische Effekte

A01: Effekte von Mikropartikeln auf aquatische Modellmakrofauna in Abhängigkeit von Partikeleigenschaften: Vergleich von Mikroplastik zu natürlichen Partikeln

In Teilprojekt A01 werden an den limnischen Organismen Wasserfloh (Daphnia) und der Zebramuschel (Dreissena polymorpha) Effekte von Mikroplastik (MP) mit unterschiedlichen physikalischen und chemischen Materialeigenschaften im Vergleich zu natürlich vorkommendem partikulärem Material untersucht. Die Organismen wurden gewählt, da Wasserflöhe und Muscheln eine wichtige Rolle im aquatischen Nahrungsnetz spielen und beide als Filtrierer einer steten partikulären Fracht ausgesetzt sind, und somit ein erhöhtes Risiko haben im Wasser befindliches MP unselektiv zu ingestieren. Bei Daphnia werden klassische Lebenszyklusmerkmale, wie Mortalitätsrate, Wachstum und Anzahl der Nachkommen, sowie bei D. polymorpha das Verhalten und Stressmarker gemessen. Um die biologischen und biochemischen Mechanismen der MP-Effekte auf diese Organismen zu verstehen, werden die Transkriptome und Darmmikrobiome MP-exponierter Tiere analysiert und mit entsprechenden Kontrollen verglichen. Da Proteine eine zentrale Rolle in essentiellen Stoffwechselwegen und Signalkaskaden spielen, werden im Modellorganismus Daphnia zusätzlich MP-Effekte in einem holistischen und einem gewebespezifischen Ansatz auf der Ebene des Proteoms detailliert untersucht. Die erhaltenen Daten werden erheblich zur Aufklärung der Mechanismen negativer MP-Effekte auf diese Organismen beitragen.


A02: Auswirkungen von Mikroplastik-Partikel auf bodenlebende terrestrische Modellmakrofauna und deren assoziierte Mikrobiota

Im Projekt A02 sollen die Auswirkungen der Ingestion von Mikroplastik (MP) -Partikeln an zwei terrestrischen Modellorganismen, dem im Boden lebenden und Substrat-fressenden Kompostwurm Eisenia fetida sowie der Boden-nistenden omnivoren Ameisenart Camponotus floridanus, untersucht werden. Ziel ist es eine systematische Untersuchung der Effekte von MP der am weitesten verbreiteten und damit umweltrelevanten Kunststoffsorten mit unterschiedlichen Morphologien, Größe und Konzentration der Partikel mit zwei terrestrischen Modellorganismen durchzuführen, um die Wirkmechanismen besser verstehen zu können. Sowohl für E. fetida als auch C. floridanus soll untersucht werden, inwieweit sich diese Modell-MP-Partikel mit ihren unterschiedlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften auf die Fitness der Modellorganismen auswirken, und zwar sowohl auf phänotypischer Ebene (Mortalitätsrate, Anzahl Nachkommen) als auch auf Transkriptom-, und Proteomebene untersucht werden, um sublethale Stress- oder Immunreaktionen charakterisieren zu können. Zudem sollen mögliche Effekte von MP auf die Aktivität und Diversität des Darmmikrobioms und der Bereitstellung mikrobiell produzierter Gärungsprodukte und anderer Metabolite für den Wirt untersucht werden, denn solche Veränderungen könnten den Wirt indirekt beeinflussen. Wir erwarten, dass die Wirkmechanismen und biologischen Effekte von den chemisch-physikalischen Eigenschaften sowie der Morphologie der MP-Partikel abhängen.


A03: Charakterisierung molekularer und histologischer Effekte von Mikroplastik in Gewebe (schnitten) aquatischer und terrestrischer Modellorganismen

Bisher ist nur unzureichend verstanden, ob Effekte durch MP-Partikel bereits während der Darmpassage oder erst nach Aufnahme ins Gewebe auftreten. Außerdem ist nicht geklärt, welche Charakteristika der MP-Partikel diese Effekte bedingen. In diesem Projekt sollen daher erstmals lokale histologische und molekulare Veränderungen im Gewebe direkt mit einzelnen MP-Partikeln korreliert werden. Dazu dient eine Kombination von bildgebenden Analyse-Verfahren (FTIR, Raman, Massenspektrometrie) und klassischer Histologie. Die Untersuchungen werden mit MP-Partikeln unterschiedlicher Zusammensetzung und Morphologie (sphärische Partikel, Fragmente, Fasern) an aquatischen und terrestrischen Modellorganismen durchgeführt. Durch Analyse desselben Gewebeschnitts mit komplementären Methoden können molekulare und histologische Veränderungen im Gewebe direkt auf einzelne (spezifizierte) MP-Partikel zurückgeführt werden und dadurch neue Erkenntnisse über die Wirkmechanismen erhalten werden.


A04: Zelluläre Aufnahme von Mikropartikeln in Abhängigkeit von elementaren Partikeleigenschaften

Verschiedene Modell-MP-Partikel sowie Modellpartikel für natürlich vorkommendes partikulares Material werden in Süßwasser und Boden inkubiert und daraus resultierende Oberflächenveränderungen werden biomolekular und physikalisch-chemisch charakterisiert. Daraufhin werden unterschiedliche Polyelektrolyt-Multilagen-beschichtete Modellpartikel hergestellt, welche in jeweils einer Eigenschaft (z.B. identische Mechanik oder Ladungsdichte) den inkubierten Partikeln gleichen. Durch einen Vergleich der verschiedenen Partikel wird daraufhin die Relevanz dieser Eigenschaft für die Adhäsion der Partikel an Zellen und die Internalisierung in Zellen quantitativ untersucht.


A05: Auswirkungen von Mikroplastik-Partikeln auf zellulärer Ebene

Teilprojekt A05 hat zum Ziel die Auswirkungen von Mikroplastik-Partikeln (1 bis 5 µm) auf zellulärer Ebene zu untersuchen. An vier Modell-Zelllinien sollen Aufnahme, intrazelluläre Verteilung, Abbau/Ausscheidung, sowie physiologische Effekte untersucht werden. Weitere Studien werden an einfachen Gewebeverbünden (2D- und 3D-Mikrogeweben) sowie an Primärzellen der Modellorganismen des SFB durchgeführt. Neben den Mikroplastik-Partikeln des SFB werden auch Tonmineralien und Celluloseacetat-Partikel vergleichbarer Größe und Oberflächenbeschichtung untersucht, um spezifische MP-Effekte von etwaigen generischen Effekten nach Kontakt mit µm-Partikeln abzugrenzen.


Verantwortlich für die Redaktion: Dr.rer.nat. Melanie Pöhlmann

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