Press commentaries
Pressemitteilung der Universität Tübingen:
Umweltforscher entwickeln neue Biosensoren für Gewässerkontrolle
Tübinger Biologen beteiligt: Sensoren weisen Medikamente und deren Wirkung im Wasser schneller und in geringen Mengen nach
Das Prinzip der neuartigen Biosensoren: Die Rezeptorbindung der Pharmazeutika generiert unmittelbar ein Fluoreszenzsignal in den exponierten Zellen, dessen Intensität gemessen wird. Fotos: M. Frey
In einem interdisziplinären Wissenschaftlerteam haben Naturwissenschaftler neuartige Biosensoren entwickelt, mit denen sich Pharmazeutika im Wasser effektiver als bisher erfassen lassen. Biologen der Universität Tübingen waren an der Studie beteiligt. Zwei pharmazeutische Wirkstoffklassen ‒ Beta-Blocker und Nicht-steroidale Entzündungshemmer (NSAIDs) ‒ können damit in Echtzeit und bereits in geringen Konzentrationen gemessen werden. Die Studie wurde in der Zeitschrift Water Research publiziert.
Mit dem demographischen Wandel steigt der Verbrauch von Medikamenten in den Industrienationen. Bereits heute gelangen große Mengen pharmakologisch wirksamer Substanzen über das Abwasser in Kläranlagen. Weil sie nur unzureichend wieder entfernt werden können, sind Organismen in Oberflächengewässern einem „Cocktail“ aus Arzneimitteln ausgesetzt. Die Anzahl der eingetragenen Medikamente nimmt dabei ständig zu. So können beispielsweise Schmerzmittel auch bei Fischen schädliche Nebenwirkungen verursachen, schon bei Konzentrationen von wenigen Mikrogramm pro Liter Wasser. Ökotoxikologen und Umweltchemiker sind herausgefordert, das immer vielfältigere Vorkommen von Arzneimitteln zu quantifizieren und deren schädigende Wirkung auf die Umwelt abzuschätzen.
Im Verbundprojekt „EffPharm“ arbeiten Biologen, Biochemiker und analytische Chemiker verschiedener Institutionen gemeinsam an diesem Thema. Das Projekt wird vom Umweltbundesamt gefördert und von der Tübinger Ökotoxikologin Professorin Rita Triebskorn koordiniert. So gelang es der Arbeitsgruppe um Dr. Manfred Frey vom Steinbeis-Innovationszentrum Zellkulturtechnik an der Hochschule Mannheim, für die zwei genannten pharmazeutische Wirkstoffklassen zellbasierte Biosensoren zu entwickeln. Diese erlauben es, die Bindung dieser Substanzen an ihre Zielmoleküle (Rezeptoren) in „gereinigtem“ Abwasser in Echtzeit zu bestimmen. An der Universität Tübingen wiesen Professorin Rita Triebskorn und Professor Heinz Köhler von der Arbeitsgruppe „Physiologische Ökologie der Tiere“ nach, wie sensitiv die Biosensoren sind: Sie erfassen schon geringe Konzentrationen der Medikamente, in denen erste Schäden bei Wasserorganismen auftreten. Dr. Marco Scheurer vom Technologiezentrum Wasser in Karlsruhe zeigte, dass die neuen Biosensoren einen großen Teil der Verbindungen erfassen, die bisher durch aufwändige und zeitintensive chemische Analysen nachgewiesen werden mussten. Zusätzlich schließen die Testsysteme die Effekte von Abbauprodukten der Wirkstoffe und unbekannten Verbindungen mit ein, was für die ökologische Bedeutung der Umweltbelastungen entscheidend ist.
Wie die Autoren der Studie darlegen, vereinigen die neuen Biosensoren viele Vorteilen gegenüber bisherigen Ansätzen. Nachdem die Biosensor-Zelllinien Kontakt mit Pharmazeutika in Umweltproben hatten, erscheint innerhalb von Sekunden ein Fluoreszenzsignal. Im Gegensatz zu herkömmlichen Sensoren erfassen sie so die Wirkung von Chemikalien in der Zelle in Echtzeit und vermeiden Falschinformationen, wie sie in Systemen auftreten können, die erst nach Stunden Signale erzeugen. Dadurch besitzen die Testsysteme eine extrem hohe Sensitivität im Nanomolarbereich (ein Millionstel Promille), die vergleichbar mit der chemischen Analytik ist.
Durch ihre Funktionsweise können die Biosensoren zudem die Wirkung künftiger Beta-Blocker oder NSAIDs aufspüren, obwohl deren chemische Struktur noch gar nicht bekannt ist. „Es wäre wünschenswert, dass die hier entwickelte Technik künftig in Monitoring-Programmen zur Bestimmung von Wasserqualität und Reinigungsleistung von Kläranlagen eingesetzt wird“, sagt Professorin Rita Triebskorn. „Damit wäre eine wichtige Lücke in der Plausibilitätskette zwischen dem Auftreten von Arzneimitteln in Gewässern und den bei betroffenen Organismen auftretenden Gesundheitsschäden geschlossen.“
Publikation:
Kevin Bernhard, Cordula Stahl, Regina Martens, Heinz-R. Köhler, Rita Triebskorn, Marco Scheurer, Manfred Frey (2017): Two novel real time cell-based assays quantify beta-blocker and NSAID specific effects in effluents of municipal wastewater treatment plants. Water Research 115, 74-83. http://dx.doi.org/10.1016/j.watres.2017.02.036
Kontakt:
Prof. Dr. Rita Triebskorn
Universität Tübingen
Institut für Evolution und Ökologie
Physiologische Ökologie der Tiere
Telefon +49 7071 29-78892
rita.triebskorn[at]uni-tuebingen.de
Pressemitteilung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung zu RiSKWA-SchussenAktivplus
Die Lebensgrundlage Wasser schützen
Wie Altmedikamente richtig entsorgt und Abwässer wirksam gereinigt werden /
Wanka: „Lösungen sind sehr praxisnah“
Die Versorgung mit sauberem Wasser ist Grundlage unseres Lebens. Es gelangen aber eine Vielzahl von Stoffen in unsere Gewässer, zum Beispiel Rückstände von Medikamenten und Kosmetika oder auch Krankheitserreger. Ziel muss es sein, diese Wasserbelastung zu vermeiden und zu verringern. Deshalb hat das BMBF die Fördermaßnahme „Risikomanagement von neuen Schadstoffen und Krankheitserregern im Wasserkreislauf“ (RiSKWa) gestartet. Nach drei Jahren Arbeit stellen die geförderten zwölf Verbundprojekte mit insgesamt 90 Partnern heute und morgen in Berlin ihre Ergebnisse vor.
„Wasser ist eine der wichtigsten Lebensgrundlagen überhaupt. Umso wichtiger ist es, das Wasser vor Verschmutzung zu schützen oder wirksam zu reinigen. Die Projekte leisten dazu einen wertvollen Beitrag“, sagte Bundesforschungsministerin Johanna Wanka. „Die entwickelten Lösungen sind sehr praxisnah. Es hat sich als gut erwiesen, dass verschiedene Akteure aus Forschung und Wirtschaft, Wasserversorgung und Abwasserentsorgung in den Projekten eng zusammengearbeitet haben. So kann es uns auch gelingen, das gewonnene Wissen auch international zum Schutz des Wassers einzusetzen.“
Ein Themenschwerpunkt ist die Vorbeugung. So hat eines der geförderten Projekte festgestellt, dass 47 Prozent aller Bundesbürger Altmedikamente über das Waschbecken oder die Toilette entsorgen. Deshalb wurde eine Internetplattform entwickelt, die heute online geht und Verbraucher darüber informiert, wo sie Arzneimittel abgeben können. Bei diesem 2 und anderen Projekten haben Forscher direkt mit Anwendern aus der Praxis zusammengearbeitet. Dabei ist zum Beispiel ein Bildungsportal für den Schulunterricht entstanden. Um schädliche Stoffe gar nicht erst in das Grundwasser und Oberflächengewässer gelangen zu lassen, haben mehrere Verbundprojekte zudem ein Informationssystem aufgebaut, das anhand der urbanen und landwirtschaftlichen Nutzung analysiert, auf welche Stoffe in der jeweiligen Region besonders zu achten ist.
Neben der Prävention liegt ein Schwerpunkt bei der Nachsorge. So haben verschiedene Projekte untersucht, wie bereits ins Wasser gelangte Spurenstoffe durch zusätzliche Reinigungsschritte in Kläranlagen entfernt werden können. Vielversprechende Verfahren wie die Behandlung mit Aktivkohle oder Ozon wurden für verschiedene Einsatzszenarien optimiert. Am Beispiel des Bodensee-Zuflusses Schussen untersuchte ein Projekt die Auswirkungen der verschiedenen Reinigungsmethoden auf im Wasser lebendende Tiere und Pflanzen. Das Verbundprojekt Sichere Ruhr trägt dazu bei, dass Menschen demnächst wieder in der Ruhr baden können.
Forschern aus dem Projekt Sauber+ gelang es, Verfahren zu entwickeln, die Abwässer aus Pflegeheimen und Krankenhäusern direkt vor Ort behandeln und Arzneimittel-Reststoffe entfernen. Neben den technischen Verfahren haben sie auch Materialien für die Schulung des Personals entwickelt. Das Verbundprojekt ANTI-Resist, das ein Messsystem für Antibiotika im Abwasser der Stadt Dresden entwickelt hat, erarbeitete darüber hinaus ein Fortbildungsprogramm für Ärzte, das zum sparsamen Einsatz von Antibiotika anregen soll.
Für das Programm RiSKWa hat das BMBF von 2011 bis 2015 31 Millionen Euro zur Verfügung gestellt.
Nähere Information zu RiSKWa und der Abschlussveranstaltung:
www.bmbf.riskwa.de
http://www.bmbf.de/de/17810.php
Bildungsportal: www.bayceer.uni-bayreuth.de/primat/
Internetplattform zur Medikamentenentsorgung: www.arzneimittelentsorgung.de
Förderschwerpunkt Nachhaltiges Wassermanagement mit E-Book zur Wasserforschung: www.fona.de/de/9847
Response of the press to the pesticide review paper in Science 341
BIOPRO Baden-Württemberg
Pesticides and their effect on the environment
Ecotoxicologists from Tübingen are calling for new interdisciplinary approaches in order to improve investigations into the effect of pesticides on the living environment. They expect that a more effective and more frequent combination of field work and laboratory analyses will provide them with a clearer picture of the overall situation. This knowledge will enable all stakeholders involved in solving environmental issues to draw the right conclusions and take action accordingly.
Prof. Dr. Heinz-R. Köhler is the head
of Animal Physiological Ecology at
the University of Tübingen; Prof. Dr.
Rita Triebskorn heads up a research
group in the same department and is
the head of the Steinbeis Transfer
Centre for Ecotoxicology and
Ecophysiology. (© Lehmann, BIOPRO)
Being invited by the renowned scientific journal Science to write an article is already a distinction in itself and confirms the international reputation of the researchers who receive the invitation. Prof. Dr. Heinz-R. Köhler and Prof. Dr. Rita Triebskorn, ecotoxicology experts from the University of Tübingen’s Institute of Ecology and Evolution, accepted the invitation and have published a review on how pesticides alter ecosystems. “We were tasked with presenting the current state of research as well as highlighting perspectives for the future. The study also included information about our own research into the effect pesticides have on animals,” Köhler said.
The Science paper has a clear message: only a few connections have been recognised between studies focussing on the effects of pesticides in individuals and studies assessing the ecological changes in biological communities and ecosystems. Köhler expresses his criticism of individual investigations through the following example: “The investigation of individual fish embryos of which as many as 80 percent die under natural conditions before they reach reproductive age should not necessarily lead us to believe that the effects of pesticides in individuals have an effect on the entire population. When we look at the potential effects of chemicals, it is therefore of crucial importance to recognise connections between the effects of pesticides in individuals and changes in ecosystems.”
Plausible and causal links provide the whole picture
Pesticides being applied to
strawberry fields in the Lake
Constance region. (© Triebskorn,
Universität Tübingen)
The researchers are very well aware that is difficult to establish seamless cause-effect chains in all cases; field conditions are just too complex and unforeseeable, which makes it rather difficult to reliably determine the parameters that might have an effect on the life and coexistence of species. The situation is further aggravated by the relatively long periods of time over which field observations need to be carried out in order to obtain a representative database. “Reliable causalities can only be determined in the laboratory. This is why we are looking for plausibilities of causal relationships. We are working on establishing a plausibility chain that covers everything from the molecular effects of pesticides on individuals to the effects on the ecosystem,” Dr. Triebskorn explains.
She is coordinating a large, BMBF-funded cooperative research project entitled “SchussenAktivplus”, a project that shows that it is possible to establish such plausibility chains. The project brings together 20 partners for a period of three years with the objective of investigating the environmental effect of micropollutants, including pesticides, in the river Schussen in a highly populated catchment area in the Lake Constance area. “The project is particularly focussed on animals, but the investigations also include bacteria,” says Triebskorn. Köhler adds: “Our work predominantly involves invertebrates such as snails and amphipods as, in contrast to vertebrates, these groups of animals are not associated with ethical constraints. We use fish to represent vertebrate animals.”
“SchussenAktivplus” involves samples taken from various points and locations in the catchment area of the river Schussen between Lake Constance and the city of Ravensburg. Chemical and physical parameters such as temperature and oxygen content are determined in samples obtained from five locations. In addition, fish, water and sediment samples are investigated for the presence of micropollutants and pathogens. The researchers compare samples taken before and after application of different sewage and rainwater treatment technologies as well as before and after the implementation of innovative cleaning technologies. Passive and active monitoring experiments are carried out in the field in order to assess fish health. Active biomonitoring takes place under controlled conditions in bypass systems where river water is guided through aquaria. The aquaria contain brook and rainbow trout, their eggs and newly hatched fish. Hatchlings are particularly sensitive to pollutants. “Our investigations related to the effect of toxic substances on the development of fish are specifically focussed on potential delays in development, oedemas and crippled spinal columns,” Triebskorn says.
Laboratory investigations focussing on the molecular level involve the use of biomarkers. “As far as organs are concerned, we examine the animals for potential kidney, gill and liver damage and then use biomarkers for in-depth investigations. Detoxification systems such as the cytochrome P450 system are activated when compounds with effects similar to those of dioxin enter the animals’ metabolism. This is why cytochrome P450 is an important biomarker for us,” says Triebskorn. Köhler adds: “Certain stress proteins are found in all organisms. This has the advantage that we can use one and the same antibody for all species under investigation.” The induction of vitellogenin, an egg yolk precursor protein expressed in the females of nearly all oviparous species, is another interesting biomarker. Vitellogenin is normally expressed in response to an ovarian stimulus in the liver of female fish during oocyte development. The accumulation of yolk is important for proper embryonic development after fertilisation. “Environmental substances with an oestrogenic effect might also trigger vitellogenin expression in juvenile and male fish. This uses up energy and might potentially reduce the fertility of the fish,” Triebskorn explains.
Hand in hand: laboratory analyses complement the researchers’ work in the field
Moreover, the researchers use a vast range of other laboratory investigations, including in vitro tests where cell cultures are exposed to river and sewage waters. These tests enable the researchers to determine the potential toxic and hormonal effects of the water. The SchussenAktivplus project uses the river Argen, another Lake Constance tributary, which is far cleaner than the river Schussen, as a control.
In addition to scientists, the cooperative project also involves engineers, government bodies and fishermen. “Interdisciplinary cooperation is key to elucidating a complex issue. The project involves a total of 150 people,” Triebskorn says. Triebskorn and Köhler have also been involved in interdisciplinary EU-funded projects. In one such project, the researchers from Tübingen investigated the potential toxicity of specific compound mixtures on zebra fish (Danio rerio). Another international project dealt with ecotoxicological investigations in the Danube area where the team from Tübingen put its expertise on the transfer of know-how to good use, thereby enabling research groups in other European countries to avoid having to start from scratch. “Pesticides are only one group of micropollutants that are harmful to the environment; there are many more, including household and industry chemicals such as drugs – in general all substances that occur in the micro- to nanogramme range in the environment,” Köhler says.
The researchers from Tübingen are calling for the application of in silico methods in addition to the in vivo and in vitro examinations used. Modelling approaches with which natural population fluctuations can be simulated already exist and can be used to make predictions on the development of populations. “Such models can in principle also be used for ecotoxicological investigations,” Köhler said. However, the models are only as good as the data used, and this is still rather a big problem. Let’s hope that an increase in interdisciplinary research projects will soon provide a reliable database.
Originally published at www.bio-pro.de<span style="font-family: Arial, sans-serif; font-size: 12px; ">,</span><span style="font-family: Arial, sans-serif; font-size: 12px; "> © BIOPRO Baden-Württemberg.</span>
Not Enough Known Regarding Effect of Pesticides on Environment, Researchers Argue
By Tamarra Kemsley
With the rise in global human population has, naturally, come a rise in global food production. As a result, the use of pesticides has increased worldwide as desperate farmers fight to protect their crops from opportunistic scavengers.
However, despite their skyrocketing usage throughout the world, little is known regarding exactly how these pesticides affect not only the plants they were developed to protect but humans and animals as well. And with growing evidence that the chemicals found in pesticides can harm organisms they were never meant to affect in addition to a growing link between intensive farming and a collapse in populations of wild animals, some scientists are growing increasingly concerned regarding their use.
In a new study published in the journal Science, Heinz Köhler and Professor Rita Triebskorn from the University point to deficits in research as the reason behind a clearer understanding and recognition of the biochemical pesticides on surrounding ecosystems.
"Although there are many indications of animal populations and ecosystems changing because of pesticides, there are few studies proving the connection without a doubt," Köhler and Triebskorn say.
The researchers go on to stress that this is not due to a lack of existing mathematical and experimental approaches available to researchers, pointing to several in their study.
One area, they write, that has already played an important role in regards to the subject are those rare studies that combine both fieldwork and research on sections of ecosystems in addition to a broad range of chemical and biological analyses. Such a holistic approach, they argue, has the capacity to uncover both direct and indirect links in regards to the chemicals and their effects.
Furthermore, the duo argues a likely relationship climate change and pesticides, whether it be through changes in population levels, ecosystems and food chains. However, to what degree these two may be related is a subject that, they argue, should be explored.
Ultimately, whatever the approach or specific subject, Köhler and Triebskorn said, "The links to the effect of pesticides at every level of increasing biological complexity require more thorough research."
We’ve covered the world in pesticides. Is that a problem?
By Brad Plumer
… A notable paper from Heinz-R. Köhler and Rita Triebskorn points out that researchers still don’t understand the full impact of many chemicals on broader ecosystems. “Although we often know a pesticide′s mode of action in the target species,” they write, “we still largely do not understand the full impact of unintended side effects on wildlife.”…
Do Herbicides Alter Ecosystems Around the World? Scant Research Makes It Hard to Prove
Aug. 16, 2013 — The number of humans on the planet has almost doubled in the past 50 years ‒ and so has global food production. As a result, the use of pesticides and their effect on humans, animals and plants have become more important. Many laboratory studies have shown that pesticides can harm organisms which they were not meant to affect. Intensive farming is also linked to collapsing populations of wild animals and the endangerment of species such as amphibians. Can the biochemical effects of pesticides upset entire ecosystems?
Professor Heinz Köhler and Professor Rita Triebskorn from the University of Tübingen's Institute of Evolution and Ecology (EvE) have published a study on the link between pesticides and changing ecological systems in the latest edition of Science. The two ecotoxicologists cite deficits in the research which have prevented recognition of the consequences of biochemical pesticide effects on a species population or on the composition of biological communities. "Although there are many indications of animal populations and ecosystems changing because of pesticides, there are few studies proving the connection without a doubt," Köhler and Triebskorn say. The researchers point to mathematical and experimental approaches which can be used to recognize links between the effects of pesticides in individuals and ecological changes in biological communities and ecosystems in regions where intensive farming is practiced.
An important role is played by number of rare studies combining experimental fieldwork and research on sections of ecosystems, as well as a broad selection of chemical and biological analyses. An interdisciplinary approach can plausibly demonstrate connections between the effects of chemicals in humans and animals and the often indirect consequences on the population, community and ecosystem levels.
Köhler and Triebskorn also postulate interdependent effects between pesticides and global warming. The researchers forecast changes to "natural" selection, the spread of infections, and the sexual development and fertility of wild animals. This in turn could have a knock-on effect on populations, ecosystems and food chains. The researchers say it is a further challenge for science to show how strongly the effects of pesticides are influenced by climate change -- and to find out which ecological processes are especially sensitive to this interdependence. "The links to the effect of pesticides at every level of increasing biological complexity require more thorough research," say Köhler and Triebskorn.
Environement Vendredi 16 août 2013
Les pesticides, un défi pour la science
Par Denis Delbecq
Chaque année, entre 1 et 2,5 millions de tonnes de produits seraient déversées dans l’environnement. Il est très difficile d’évaluer leur impact global
Au printemps dernier, après des années de bagarre entre industriels et écologistes, l’Union européenne (UE) a suspendu, pour deux ans, trois insecticides dérivés de la nicotine. Ils sont soupçonnés d’avoir joué un rôle dans l’effondrement des populations d’abeilles. Une décision qui a conduit la revue Science à consacrer un long dossier, publié aujourd’hui, aux défis scientifiques posés par les pesticides, notamment en ce qui concerne leur suivi dans l’environnement.
Pour protéger les récoltes ou lutter contre des fléaux sanitaires, l’homme dispose de centaines de molécules capables d’éradiquer les insectes (insecticides), la végétation (herbicides) et les champignons (fongicides). Un catalogue enrichi d’année en année pour accompagner la croissance démographique: la production alimentaire mondiale a presque doublé en cinquante ans, tandis que les surfaces cultivables ne se sont accrues que de 10%. Chaque année, entre 1 et 2,5 millions de tonnes de pesticides seraient ainsi déversées dans l’environnement, une quantité appelée à croître. De quoi susciter un effort scientifique croissant, constate Heinz Köhler, écotoxicologue à l’Université de Tübingen (Allemagne), qui cosigne un article dans Science.
Pour l’occasion, le chercheur a passé en revue l’ensemble des études sur les pesticides publiées depuis 1985 et observe, depuis 1990, une croissance exponentielle du nombre de celles consacrées à leurs effets. «C’est la conséquence d’un durcissement du cadre réglementaire imposé aux industriels
en Europe et aux Etats-Unis à partir de 1993», justifie Heinz Köhler.
Déterminer l’impact d’un pesticide sur un écosystème est une tâche ardue. A l’échelle d’un individu, un insecte ou un poisson par exemple, le mode d’action d’une substance est souvent connu. «Dans la nature, les conséquences sont difficilement prévisibles, prévient Heinz Köhler. Chaque substance interagit avec de multiples facteurs – d’autres substances chimiques, des virus, des paramètres climatiques, etc.» Une interaction dont les effets sont démultipliés. «Des travaux danois publiés en 2010 constatent que 80% des études sur le sujet observent un impact total plus élevé que la somme des effets de chaque facteur.»
C’est par exemple le cas pour l’huître, dont la sensibilité à certains parasites est accrue en présence de traces de DDT, un insecticide interdit dans les pays occidentaux depuis les années 1970 mais toujours utilisé dans les pays en voie de développement pour lutter contre les moustiques vecteurs de maladie.
Les travaux de laboratoire et les modèles sont encore peu représentatifs de la réalité environnementale concernant l’influence des pesticides. «On sait par exemple modéliser l’impact d’un mélange de deux ou trois substances. Mais dans un champ, il y en a bien plus que cela.» Pour progresser, les chercheurs recréent des écosystèmes à échelle réduite dont l’environnement est contrôlé, des mésocosmes. «Cela coûte très cher, il y a donc peu d’études de ce genre.» Sur le terrain, en conditions réelles, les recherches sont encore plus rares. «Nous avons une étude en cours sur une durée de huit ans: quatre pour étudier le site avant utilisation de pesticides, puis quatre pour mesurer les conséquences. C’est une durée minimale car les produits restent parfois longtemps dans l’environnement.»
Cette persistance se mesure parfois en décennies. Près de quarante ans après son interdiction, on trouve toujours du DDT dans l’environnement des pays développés. De même, l’atrazine reste un problème majeur de pollution des eaux; cet herbicide a pourtant été interdit en 2003 dans l’UE, et en 2007 en Suisse (son utilisation n’y a totalement cessé qu’en 2011, une fois les stocks écoulés). «La persistance de certains produits est mal comprise», explique Kathrin Fenner, de l’institut de recherches sur l’eau Eawag, à Dübendorf, qui cosigne dans Science un article sur la dégradation des pesticides. «On trouve, dans les eaux souterraines et les sols, des concentrations résiduelles de l’ordre du milliardième de gramme par litre (ng/l) alors que les micro-organismes présents auraient dû les éliminer.» Une persistance relativement fréquente, selon la scientifique. «Dans les nappes phréatiques de pays industrialisés, on relève entre 10 et 20 substances présentes à plus de 100 ng/l, dont la moitié ne sont plus utilisées.»
De nombreux mécanismes sont impliqués dans la dégradation des molécules. «Il y a des mécanismes biologiques, qui passent par l’intermédiaire de micro-organismes ou de plantes, et des mécanismes chimiques», explique Kathrin Fenner. Des interactions qui s’étudient en éprouvette ou à l’aide de mésocosmes, mais qui sont là aussi difficilement extrapolables à l’environnement. Pourtant, les progrès dans le suivi sur le terrain sont importants: «Grâce à la spectrométrie de masse à haute résolution, méthode que nous utilisons depuis huit ans, nous pouvons en théorie connaître la totalité des substances présentes dans un prélèvement. Auparavant, nous étions limités à une cinquantaine de molécules.» De même, les chercheurs développent des techniques isotopiques, qui mesurent la proportion de différentes formes du carbone ou de l’azote pour suivre la dégradation des produits.
Ces progrès techniques permettent d’observer un nombre grandissant de pesticides, mais aussi de leurs produits de dégradation. «Certains n’ont pas d’effet direct sur l’environnement, précise Kathrin Fenner. Mais on s’est par exemple aperçu qu’une molécule inoffensive issue de la dégradation d’un fongicide se transforme en substance cancérigène par un traitement de l’eau à l’ozone.»
Depuis l’interdiction des substances les plus dangereuses, les industriels tentent de mettre au point des molécules plus efficaces et plus ciblées. «C’est un vrai défi car il y a, par exemple, très peu de différence biologique entre un papillon néfaste et un papillon inoffensif pour les cultures», prévient Heinz Köhler. D’autres espèces sont aussi touchées, comme les abeilles avec des néonicotinoïdes dont l’effet sur les individus est connu, mais dont le rôle dans le syndrome d’effondrement des colonies d’abeilles n’est pas clairement établi.
«Les preuves d’un impact des pesticides sur l’environnement sont de plus en plus nombreuses, et pourtant on imagine mal pouvoir s’en passer, affirme Kathrin Fenner. C’est à la société de fixer les limites et les règles.»
© 2013 Le Temps SA
Response of the press to the "Hot Snail Project"
12.09.2011
Wie Schnecken der Hitze trotzen
Hohe Temperaturen und Trockenheit zählen nicht unbedingt zu den bevorzugten Umweltbedingungen von Schnecken. Dennoch gibt es einige Arten, die sogar in der Wüste überleben können. Wie es den Tieren auf molekularer, zellulärer und physiologischer Ebene gelingt, sich an extreme klimatische Situationen anzupassen, untersuchen jetzt die Tübinger Zoologen Professor Dr. Heinz-R. Köhler und Professor Dr. Rita Triebskorn mit ihrer Arbeitsgruppe zusammen mit Kooperationspartnern aus Avignon, Esslingen, Gießen und Le Havre. Ihr von der DFG gefördertes Hot-Snail-Projekt soll insbesondere klären, ob die Reaktionen auf hitzebedingten Stress Einfluss auf die phänotypische Vielfalt der Tiere haben.
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Der Tübinger Zoologe |
Schnecken stammen ursprünglich aus dem Meer, und die überwiegende Zahl der mehr als 60.000 verschiedenen Arten lebt auch heute noch im Wasser. Diejenigen, die an Land gezogen sind, mussten im Laufe der Evolution eine Vielzahl von Anpassungsstrategien an die neuen Lebensbedingungen entwickeln. „Hitze ist für Schnecken aber immer noch ein großes Problem“, berichtet Professor Dr. Heinz-R. Köhler vom Institut für Evolution und Ökologie an der Universität Tübingen. Schuld ist die feuchte und unverhornte Körperoberfläche der Tiere, die diese nur unzureichend vor Austrocknung schützt. Dennoch gibt es Schneckenarten, die auch in heißen Klimazonen ihren Lebensraum gefunden haben.
Die physiologischen und biochemischen Grundlagen dieser Hitzetoleranz untersuchen die Tübinger Biologen jetzt im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Hot-Snail-Projektes. Eine zentrale Rolle spielen dabei die sogenannten Hitzeschockproteine (HSPs), die erstmals bei der Fruchtfliege Drosophila melanogaster als zelluläre Antwort auf eine Temperaturerhöhung nachgewiesen wurden. „Inzwischen weiß man, dass HSPs bei allen Organismen vorkommen - von Bakterien bis zu Säugetierzellen – und viele von ihnen in der Evolution stark konserviert geblieben sind“, so Köhler. Ein Umstand, der auf die enorme Bedeutung dieser Eiweiße für den Zellstoffwechsel schließen lässt.
Kritische Proteinfaltung
„Auch Schnecken reagieren auf Hitze mit der Bildung von Hitzeschockproteinen“, berichtet der Biologe. Die HSPs zweier bedeutender Klassen, HSP70 und HSP60, werden dabei als sogenannte ‚Chaperone’ bezeichnet. Vor dem Hintergrund, dass Proteine bestimmte räumliche Strukturen einnehmen müssen, um ihre biologische Funktion ausüben zu können, leisten diese Hitzeschockproteine einen wichtigen Beitrag zur Stabilisierung der Zellfunktion.
Die Proteinfaltung ist nämlich ein sehr störanfälliger Prozess, der in lebenden Zellen von verschiedenen Chaperonen überwacht wird. „Die Hitzeschockproteine besitzen die außergewöhnliche Fähigkeit, durch Hitze oder andere Faktoren geschädigte Proteine bis zu einem gewissen Grad wieder in ihren natürlichen Zustand zurückfalten zu können“, so Köhler. Ein Mechanismus, der den Zellen – und damit dem gesamten Organismus – das Überleben sichert.
Allerdings kann die Pufferkapazität der Hitzeschockproteine in extremen Stresssituationen auch rasch erschöpft sein. Schnecken verfügen deshalb noch über weitere Mechanismen, um auf Hitzestress zu reagieren. „Einige Arten können zum Beispiel durch höhere Verdunstungsraten die Körpertemperatur niedrig halten“, so Köhler. Gemeinsam mit Ingenieuren der Hochschule Esslingen untersuchen die Tübinger Zoologen zudem die thermodynamischen Verhältnisse in der Umgebung und im Inneren der Schneckenhäuser. „Wir wollen zum Beispiel die Frage klären, ob Individuen mit dunklen Schalen sich tatsächlich schneller aufheizen als solche mit hellen Gehäusen.“
Maskierte Mutationen
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Die Heideschnecke Xeropicta derbentina |
Die Hitzeschockproteine besitzen neben ihrer hitzeprotektiven Wirkung auf den Zellstoffwechsel aber noch weitere Fähigkeiten, die die Tübinger Arbeitsgruppe faszinieren. Denn offensichtlich können HSPs das Auftreten von genetischen Mutationen im Erbgut bis zu einem bestimmten Grad maskieren. „Eine Mutation, die zu einem Aminosäure-Austausch führt, sollte üblicherweise auch die Struktur des dazugehörigen Proteins beeinflussen“, so Köhler, „es wird jedoch angenommen, dass Hitzeschockproteine kleine Abweichungen von der Idealstruktur erkennen können und dafür sorgen, dass die entsprechenden Proteine dennoch ‚korrekt’ gefaltet werden.“
So könnte verhindert werden, dass jede genetische Mutation sofort Auswirkungen auf den Phänotyp hat. „Dadurch könnte die Evolution im Stillen Mutationen akkumulieren, die jede für sich gar nicht auf ihren evolutiven Erfolg überprüft wird“, so der Wissenschaftler. Dies geschieht offensichtlich erst ab einer kritischen Zahl von Mutationen. „Es ist nämlich durchaus denkbar, dass mehrere verschiedene Mutationen in einem Protein, von denen jede für sich eine ungünstige Wirkung hätte, in ihrer Summe plötzlich eine Funktionsverbesserung bewirken und so doch noch eine Chance erhalten, sich in der Evolution durchzusetzen“, erklärt Köhler. Dieses Denkmodell wird in der Wissenschaft aktuell im Rahmen der ‚Capacitor-Hypothese’ diskutiert.
Spielmasse für die Evolution
In der Theorie bedeutet dies, dass in Populationen mit einem hohen HSP-Level die phänotypische Variation der Tiere in Relation zu anderen Populationen deutlich geringer sein sollte, weil potenziell mehr Mutationen maskiert werden können. „In den Schneckenpopulationen, die wir bisher untersucht haben, sprechen die Ergebnisse deutlich für die Capacitor-Hypothese“, so Köhler. Unter großem Stress hingegen – wenn sich beispielsweise die Umweltbedingungen sprunghaft ändern – könnte dieses Capacitoring-System schlagartig zusammenbrechen, weil die Hitzeschockproteine in den Zellen dann vermehrt für Reparaturaufgaben benötigt werden.
„Als Konsequenz würde die Variation in der Population nach einem Stressereignis deutlich ansteigen, weil der Pool an genetischer Vielfalt, der sich im Laufe der Zeit angesammelt hat, plötzlich zum Tragen käme“, so Köhler. Ein Phänomen, das bei Modellorganismen wie der Fruchtfliege Drosophila oder dem Kreuzblütler Arabidopsis unter Laborbedingungen bereits beschrieben wurde. „Die Evolution hätte auf diese Weise eine größere Spielmasse zur
Verfügung, weil neue Phänotypen auftreten könnten, die an die veränderten Umweltbedingungen sehr viel besser angepasst sein können als die bisherigen“, erklärt der Zoologe. Mit dem Hot-Snail-Projekt will die Arbeitsgruppe um Köhler und Triebskorn jetzt erstmals auch bei frei lebenden Tierpopulationen mediterraner Heideschnecken Belege für die Capacitor-Hypothese liefern.
Ein Beitrag von:
sb (12.08.2011) - 12.09.2011
© BIOPRO Baden-Württemberg GmbH
Response of the press to the "artificial slug" story published in Evol. Ecol. (2010)
Pressemitteilung
Erstmals künstliche Nacktschnecken erzeugt
Tübinger Biologen formen die Körpergestalt von Schnecken um – durch Einwirkung von Platin wird die Schale im Innern angelegt
Nur ein bis zwei Tage entscheiden während der Embryonalentwicklung der Süßwasserschnecke Marisa cornuarietis darüber, ob die Tiere während ihres Lebens ein Gehäuse tragen oder nicht. Wird während dieser Zeit die Wachstumsrichtung des schalenbildenden Gewebes „umprogrammiert“, so entwickeln diese Weichtiere keine äußere gewundene Schneckenschale. Stattdessen wächst ein kleiner Hohlkegel im Körperinneren – eine ähnliche Entwicklung nehmen die ebenfalls zu den Weichtieren gehörenden Tintenfische. Die Umprogrammierung hat bei der Schnecke auch Konsequenzen für die Lage anderer Organe: So liegt die Kieme nicht, wie üblich, über dem Kopf in einer Mantelhöhle sondern erstreckt sich stattdessen am Hinterende des Tieres frei ins Wasser. Die vom Team um Prof. Heinz Köhler und Prof. Rita Triebskorn vom Institut für Evolution und Ökologie der Universität Tübingen in der Zeitschrift Evolution & Development vorgestellten Befunde unterstützen die Ansicht, dass sich die Körpergestalt von Organismen im Laufe der Evolution durch vergleichsweise geringfügige Modifikationen von Signalwegen sprunghaft verändert haben könnte.
Dass sich die Körperform von Schnecken künstlich umgestalten lässt, entdeckte Raphaela Osterauer, Doktorandin am Institut für Evolution und Ökologie der Universität Tübingen, bei Studien zur Giftwirkung von Metallionen. Die Forschungsgruppe von Heinz Köhler erarbeitete hierzu vor einigen Jahren einen Biotest auf der Basis von sich entwickelnden Schneckeneiern, der sich als sehr empfindlich erwiesen hat. Als die Biologin die Toxizität des in Kfz-Abgaskatalysatoren eingesetzten Edelmetalls Platin überprüfen wollte, stellte sie bei hohen Konzentrationen zweiwertiger Platin-Ionen fest, dass die in den Eiern heranwachsenden Embryonen kein Gehäuse ausbildeten. Weitere Experimente zeigten, dass die Umprogrammierung nur in einer gewissen Zeitspanne von ein bis zwei Tagen während der Embryonalentwicklung möglich war. In dieser Zeit wird die Wachstumsrichtung der Schalendrüse festgelegt. Sie bestimmt darüber, ob der Eingeweidesack der Tiere von einem normalen Mantel, der die äußere Schale bildet, überwachsen wird oder ob sich das schalenbildende Gewebe stattdessen in den Körper einstülpt.
Es ist somit möglich, nur mit einer kurzzeitigen Platingabe während dieser entscheidenden Entwicklungsphase die Wachstumsrichtung dieses Gewebes mit all seinen Konsequenzen für die Schalenbildung, die Ausprägung des Mantels und die Lage der Kiemen unumkehrbar zu beeinflussen. Nach Absetzen von Platin entwickeln sich die Schnecken entsprechend ihres neuen Entwicklungsprogramms, schlüpfen aus den Eiern, nehmen wie üblich Nahrung auf und ändern ihre neu definierte Körpergestalt auch während des weiteren Wachstums nicht. Sie erreichen ein Alter von mehr als einem halben Jahr. In dieser Zeit wächst in den Tieren eine innere, ebenfalls kalkige Schale in der Form eines leicht gebogenen Hohlkegels heran, die nach dem Tod der Schnecken zurückbleibt. Da auch natürlich vorkommende Nacktschnecken und Tintenfische in der Größe reduzierte innere Schalen ausbilden, könnte die künstlich modifizierte Marisa-Schnecke als entwicklungsbiologisches Modell für die Erklärung der Evolution innerer Schalen bei Weichtieren dienen. So wurde in jüngsten Studien der Forschergruppe das Fehlen eines Gehäuses nach Platinbehandlung auch bei zwei nur entfernt verwandten Lungenschneckenarten beobachtet.
Durch die Wirkung von Platin werden die Schnecken genetisch nicht verändert, sie sind keine „Mutanten“. Die Forscher nehmen jedoch an, dass die Regulation der Aktivität, das heißt das An- und Abschalten von Genen, modifiziert wird, und dass derartige Modifikationen auch während der Evolution von Körperformen der Weichtiere bedeutsam waren. Aus diesem Grund plant die Forschergruppe, sich zusammen mit Kollegen verstärkt auf die Analyse von durch Platin-Ionen beeinflussten Genaktivitäten während der frühen Entwicklung der Schnecken zu konzentrieren.
Die Tübinger Biologen gehen davon aus, dass künstlich “schalenlose“ Schnecken im Freiland nicht auftreten. Durch Abnutzung von Abgaskatalysatoren wird zwar Platin in die Umwelt eingetragen, doch solch hohe Platinkonzentrationen wie in den Experimenten mit Schnecken werden bisher nicht erreicht.
Die Originalpublikation
Raphaela Osterauer, Leonie Marschner, Oliver Betz, Matthias Gerberding, Banthita Sawasdee, Peter Cloetens, Nadine Haus, Bernd Sures, Rita Triebskorn und Heinz-R. Köhler: “Turning snails into slugs: induced body plan changes and formation of an internal shell” in der Ausgabe der Zeitschrift Evolution & Development, Band 12, Seiten 474 bis 483 von September 2010.
Für Nachfragen:
Prof. Dr. Heinz-R. Köhler
Universität Tübingen
Institut für Evolution und Ökologie
Physiologische Ökologie der Tiere
Konrad-Adenauer-Str. 20
72072 Tübingen
Telefon +49 7071 757 3559
Telefax +49 7071 757 3560
heinz-r.koehler [at] uni-tuebingen.de
Press release
Artificial slugs raised for the first time
Biologists from Tübingen University re-shape the body design of snails – exposure to platinum results in the formation of an internal shell
During embryogenesis of the freshwater snail, Marisa cornuarietis, a time slot of just one or two days determines whether the animals form an outer shell or not. Reprogramming of the direction of growth of the molluscs´ shell-generating tissue during this sensitive phase prevents the development of the usual convoluted shell. In lieu thereof a small hollow cone grows inside the body – similar to the situation in squids. This new program has implications also for other organs: the gill is not located in a mantle cavity over the head, as usual, but rather no mantle cavity is formed at all and the gill remains at the posterior end of the visceral sac and floats freely in the water. These results which recently have been published in Evolution & Development by the group of Prof. Heinz Köhler and Prof. Rita Triebskorn from the Institute for Evolution and Ecology of Tübingen University, Germany, support the theory of 'macromutation'-based radical developmental shifts caused by modifications of signal transduction pathways which may have led to sudden body plan alterations during evolution.
Initially, the phenomenon of snail-slug conversion was discovered by Raphaela Osterauer, PhD candidate supervised by Heinz Köhler, while studying the toxicity of metal ions. Some years ago, the group had established a comparatively sensitive embryo toxicity test on the basis of developing Marisa eggs. When testing the noble metal platinum, which is released into the environment by abrasion from automobile catalytic converters, she found the embryos lacking a shell when being exposed to high concentrations of bivalent platinum ions. Further experiments revealed crucial relevance of exactly that small time slot in which the direction of growth of the shell gland´s tissue is defined. During one or two days only, this tissue is either programmed to evaginate and to form a shell-secreting mantle covering the dorsal part of the snail´s body or, alternatively in the presence of platinum, to invaginate into the gastropod´s body.
It is thus possible to spatially re-direct the shell-forming tissue with all irreversible consequences for the formation of the mantle and the shell and the position of the gill simply by a temporary exposure to platinum ions. After removal of platinum, the artificial slug embryos proceed with their development according to the new developmental program, hatch from their eggs, feed as usual, and do not change their new body plan anymore. They reach an age of more than half a year. During his time, an internal calcareous shell in the shape of a slightly bend, hollow cone grows inside of the body of these animals which remains after their death. Since also extant slugs, sea-slugs, and cephalopods bear small internal shells, the artificial Marisa slugs may serve as a model organisms to investigate the evolution of shell internalization. In recent studies, the Köhler and Triebskorn group was able to raise artificial slugs also in two only distantly related lung snail species.
The molluscs are not genetically modified by platinum – they are no mutants. However, the scientists expect gene activity regulation to be modified. Similar, mutation-based modifications of gene regulation may have contributed to the evolution of different mollusc body plans and, consequently, the Tübingen research group now plans to concentrate on the analysis of platinum-sensitive gene activity during the early embryogenesis of gastropods.
The biologists assume that the artificial slugs do not occur in the field, since platinum pollution in the environment does not yet reach the concentrations necessary for snail-slug conversion.
Original publication:
Raphaela Osterauer, Leonie Marschner, Oliver Betz, Matthias Gerberding, Banthita Sawasdee, Peter Cloetens, Nadine Haus, Bernd Sures, Rita Triebskorn and Heinz-R. Köhler: “Turning snails into slugs: induced body plan changes and formation of an internal shell”. Evolution & Development 12, pages 474 – 483, September 2010.
Communication to:
Prof. Dr. Heinz-R. Köhler
University of Tübingen
Institute for Evolution and Ecology
Animal Physiological Ecology
Konrad-Adenauer-Str. 20
D-72072 Tübingen, Germany
Phone +49 7071 757 3559
Facsimile +49 7071 757 3560
heinz-r.koehler [at] uni-tuebingen.de
“Erstmals künstliche Nacktschnecken erzeugt“
(Universität Tübingen, Pressemitteilung, 11. Okt. 2010)
“Artificial slugs raised for the first time”
(University of Tübingen, press release, 11. Oct 2010)
“One small step for a snail, one giant leap for snailkind”
(Rachel Ehrenberg, Science News Online, Washington DC, 8. Oct 2010)
“It really demonstrates that development is modular, that you can have quite drastic modifications of the development of one component of the body plan but not others.”
(Louise Page, University of Victoria, British Columbia in “Science News Online” 8. Oct 2010)
“This shows that you can get really dramatic changes that could be similar to the genetic mutations that drive evolution, without worrying about doing everything in small incremental steps. (…) This is a very concrete demonstration, a very clear demonstration of a large-scale change in body plan.”
(Roger Croll, Dalhousie University, Halifax, Nova Scotia in “Science News Online” 8. Oct 2010)
“Edelmetall stülpt Schneckenhaus um“
(Scienceticker Umwelt, 11. Okt. 2010)
“Harter Kern. Schnecke mit Haus im Körper“
(Süddeutsche Zeitung, 13.10.2010)
“Scientists Turn Snails Into Slug-Like Creatures”
(Science Daily Online, 12.Oct 2010)
“Science Fiction Becomes Reality”
(Nano Patents and Innovations Online, 11. Oct 2010)
"frankensnails"
(“dang” (blogger) in www.badmanstropicalfish.com/forum/, 13. Oct 2010)
Book on evolution edited by Betz and Köhler (2008)
Die Evolution des Lebendigen
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Grundlagen und Aktualtität der Evolutionslehre
"Nichts in der Biologie macht Sinn, außer man betrachtet es im Licht der Evolution", so formulierte im 20. Jahrhundert der ukrainisch-amerikanische Genetiker und Zoologe Theodosius Dobzhansky den zentralen Anspruch der Evolutionsbiologie. Tatsächlich kann die im Verlauf der Erdgeschichte zu beobachtende Veränderung und Diversifizierung der Organismen seit Darwin auf der Grundlage einer umfassenden Theorie der Evolution erklärt werden. Demnach ist die Mannigfaltigkeit der Organismen das Produkt eines historischen Entwicklungsprozesses, so dass alle Arten in einem mehr oder weniger engen Verwandtschaftsverhältnis zueinander stehen. Aber noch heute bestehen große Missverständnisse darüber, wie Evolution eigentlich funktioniert. Zum Teil wird die Evolutionsbiologie sogar als Bedrohung empfunden, da sie scheinbar im Widerspruch zu einer religiös geprägten Weltsicht steht. Die Beiträge des Buches beleuchten alle wesentlichen Aspekte der Evolution, bis hin zur biologischen und kulturellen Entwicklung des Menschen, und tragen dazu bei, das allgemeine Verständnis für das Thema, die Kenntnis ihrer Prinzipien und Methoden zu verbessern.
Betz O, Köhler H-R (Hrsg.) (2008):
Die Evolution des Lebendigen.
Attempto-Verlag, Tübingen.
ISBN: 3893083995ISBN-13: 9783893083992
Stimmen zum Buch
aus http://www.uni-online.de/:
"Der Leser erhält mit diesem Buch einen einmaligen Überblick über das interdisziplinäre Gebiet der Evolutionsbiologie, aktuell und kompetent aus dem Blickwinkel der jeweiligen renommierten Wissenschaftler; die Begeisterung der Forscher für ihre speziellen Fragestellungen ist spürbar. Das gelungene Buch (...) wird im harten Selektionsprozess des Marktes bestimmt zahlreiche, zufriedene Leser finden." (Dr. A. Schmetz)
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Laborjournal 7-8/2008, 23. Juli 2008:
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Biologie in unserer Zeit (38) 6/2008, Dezember 2008:
"Der Schwerpunkt liegt auf der Darstellung der Mechanismen der Evolution. Die sechzehn Autoren spannen einen weiten Bogen von der molekularen Evolution bis zur Evolution von Religionen. (...) Wer das Buch zur Hand nimmt, wird darin Anregungen finden, sollte jedoch über Grundkenntnisse der Disziplinen verfügen." (Prof. Dr. Dr. h.c. V. Storch)