Applikation des Chloroplasten-Thylakoid-Biosensors auf nitroaromatische Verbindungen am Beispiel von Rüstungsaltlasten

Abstract

Für die menschliche Gesundheit bedeutet eine Exposition zu nitroaromatischen Verbindungen ein hohes Risiko, da bereits deutliche Gefährdungen für aquatische und terrestrische Systeme, inklusive Säugern, festgestellt werden konnten. Nitroaromaten sind akut und chronisch toxisch, zeigen mutagene und kanzerogene Wirkungen, die sich besonders in Schädigungen von Leber, Lunge und Hoden manifestieren und unter anderem Anämien, Leberfehlfunktionen, Dermatitis, Leukozytose, neurologische Schäden und Impotenz auslösen können. Nach Angaben des Umweltbundesamtes geht man in Deutschland von ca. 3.500 Flächen aus, die mit Rüstungsaltlasten belastet sind, von denen durch Produktion und Abfüllung von Sprengstoff 70 Standorte als „stark kontaminiert“ gelten. <br /> Aufgrund dieses Gefährdungspotenzials wurde in der vorliegenden Arbeit erstmals die Eignung des Chloroplasten-Thylakoid-Biosensors (CT-Biosensor) als schnelles „Screening“-System zum Nachweis von nitroaromatischen Verbindungen, unter besonderer Berücksichtigung von 2,4,6-Trinitrotoluol (TNT), in Böden untersucht. Der Einfluss der nitroaromatischen Verbindungen auf den CT-Biosensor wurde anhand der Hemmung des photosynthetischen Elektronentransports von Chloroplasten-Thylakoiden, mittels der physikalischen Messgröße Fluoreszenz durch die Puls-Amplituden-Modulationstechnik (PAM), erfasst. Das verwendete Messgeräte erlaubte dabei die simultane Messung von Probe und Kontrolle, was die Möglichkeit zur einfachen und schnellen Anwendung dieses Systems im Feld unterstreicht.<br /> Parallel zu diesen Untersuchungen diente die in der Analytik zum Nachweis von Nitroaromaten standardmäßig angewendete High-Performance-Liquid-Chromatographie (HPLC) als chemisches Referenz-System, um eine Einschätzung der mittels CT-Biosensor erhaltenen Ergebnisse zu gewährleisten. Als ein biosensorisches Referenz-Verfahren wurde ein TNT-Antikörper-Assay, gekoppelt mit der Surface-Plasmon-Resonance (SPR) Technik, verwendet.<br /> In den Messungen mit dem CT-Biosensor wurde eine Verminderung der Aktivität der photosynthetischen Elektronentransportkette im Vergleich zur Kontrolle festgestellt. Mit 0,65 mg TNT/l Wasser lag dabei die für den CT-Biosensor ermittelte Nachweisgrenzen zwar deutlich über der Nachweisgrenze der hier verwendeten HPLC (4,8 µg/l), sie liegt jedoch auch deutlich unterhalb der Richtwerte des Umweltbundesamtes, um, in Bezug auf den Nachweis von TNT-Konzentrationen in Böden, den Anforderungen zu genügen. Diese fordern je nach Art der Nutzung Prüfwerte zwischen 5–20 mg TNT/kg Boden sowie einen Vorsorgewert von 1 mg TNT/kg Boden. <br /> Durch das verwendete Extraktionsverfahren in wässriger Lösung war es möglich den ökotoxikologisch relevanten Anteil an nitroaromatischer Kontamination in Böden abzuschätzen und diesen biosensorisch verfügbar zu machen, wobei ja nach Bodenart unterschiedliche Extraktionsraten erzielt wurden. Im Vergleich der gemessenen TNT-Konzentrationen in Extrakten kontaminierter Böden konnten zwischen CT-Biosensor und HPLC keine signifikanten Unterschiede festgestellt werden. Im Vergleich der beiden biosensorischen Mess-Systeme, CT-Biosensor und Anti-TNT-Antikörper-Assay mittels SPR, zeigte sich der CT-Biosensor für den Nachweis von TNT als besser geeignet, was sich über den Vergleich mit der HPLC aufzeigen ließ. Darüber hinaus erweis sich der CT-Biosensor im Vergleich zur SPR als kostengünstiger und in einem breiteren Konzentrationsbereich anwendbar. <br /> Zur Beurteilung des Einflusses der Bodenmatrix in den kontaminierten Bodenproben auf die TNT-Wiederfindungsrate diente die Untersuchung des Kohlenstoff- und Stickstoffgehaltes wie auch des realen und potenziellen pH-Wertes der verwendeten Böden. Die in der Literatur beschriebenen Eigenschaften der Bodenmatrix auf die Beeinflussung der TNT-Wiederfindungsraten konnten in der vorliegenden Arbeit großteils bestätigt werden. Bei der Beurteilung der Böden in Bezug auf die Bodenmatrix zeigten sich die Wiederfindungsraten stark abhängig vom Humusgehalt der Böden. Weiter zeigte sich, dass der Alterungsprozess der Böden, in der Unterscheidung von dotierten zu realkontaminierten Böden, erheblichen Einfluss auf die Wiederfindungsraten hatte.