Verbindung von Aufnahme, subzellulärer Partitionierung/Toxikokinetik und Toxikodynamik für die Modellierung von Cu²⁺ Toxizität bei der Zebramuschel unter Berücksichtigung der Wasserchemie

Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Laufzeit: Oktober 2016 bis Oktober 2019

Dieses Projekt zielt darauf ab, ein Modell für die Vorhersage der Cu²⁺ Toxizität bei der Zebramuschel zu entwickeln, welches die chemischen Interaktionen in der Umgebung, die Bioakkumulation sowie die Fähigkeit der Muschel zur Detoxifikation und Ausscheidung berücksichtigt. Das vorgeschlagene Modell beinhaltet die Kombination von Aufnahmekinetik und subzellulärer Partitionierungsdynamik und berücksichtigt gleichzeitig die relevanten der Umweltparameter. Die Toxizität wird auf die metallsensitive Fraktion bezogen, welche über Aufnahme, Elimination und Detoxifikation simuliert wird.

Die Toxizität von Metallen für Organismen beruht auf einer Vielzahl von Faktoren. So können abiotische Liganden in der Umwelt die Menge der für die Aufnahme verfügbaren Metalle beeinflussen. Gelöster organischer Kohlenstoff kann durch Komplexbildung die für Organismen verfügbare Metallkonzentration verringern, während häufige Ionen wie Na⁺ und Ca²⁺ mit toxischen Ionen um die Bindungsstellen an biologischen Oberflächen konkurrieren, was wiederum die Aufnahme von Metallen beeinflusst. Bioakkumulation ist nicht immer ein verlässlicher Prädiktor für Metalltoxizität, denn auch die subzelluläre Verteilung ist hierfür ein weiterer bestimmender Faktor. Außerdem hängt die Toxizität eines Metalls auch von der Fähigkeit des Organismus zur Elimination und Detoxifikation ab.

In bisherigen Untersuchungen wurden zum Beispiel die Effekte der Umweltchemie auf die Metallspeziierung sowie die Akkumulation von Metallen auf biologischen Oberflächen im „Biotic Ligand Model“ berücksichtig. Dabei wurde in biodynamischen Modellen die Akkumulation der Metalle in Organismen als Gleichgewicht der Aufnahme und Abgabe vorhergesagt und schließlich über den „Critical Body Residue“ mit toxischen Effekten in Verbindung gebracht. Des Weiteren wurde die Bedeutung der subzellulären Partitionierung von Metallen für die Toxizität durch die Untersuchung von Metallothionein-artigen Proteinen als Biomarker für Metallexposition untersucht. Jedoch wurden diese Faktoren in bisherigen Studien nie gleichzeitig untersucht.

In diesem Projekt werden die Untersuchung an der Zebramuschel Dreissena polymorpha durchgeführt. Diese Art wurde in großem Umfang in Biomonitoringprogrammen verwendet, vor allem wegen ihrer weiten Verbreitung und ihrer hohen Effizienz bei der Partikelfiltration. Das Verständnis der Metallakkumulation und der subzellulären Partitionierung bei der Zebramuschel wird die Interpretationsmöglichkeiten von Biomonitoringdaten verbessern. Zudem wird die Beschreibung der subzellulären Partitionierung von Metallen in Muscheln eine genauere Abschätzung der Biomagnifikation in anderen Taxa wie Fischen und Krebsen ermöglichen und letztlich auch genauere Vorhersagen für die Exposition des Menschen zulassen.

Erste Publikationen aus dem Projekt:

https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2019.124967

Kontakt: Dr. Yen Le, Prof. Bernd Sures