genehmigte Dissertation

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1 Biochemische und physiologische Untersuchungen zum Einsatz von Mikroalgen zur Entfernung des Antiepileptikums Carbamazepin aus Abwässern Von der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover zur Erlangung des Grades Doktorin der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) genehmigte Dissertation von Sandra Mareike Haase, M.Sc. geboren am in Göttingen 2017

2 Abstract Kurzfassung Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis VIII IX XVI XVIII XXII 1 Einleitung 1 2 Stand des Wissens 2.1 Pharmazeutische Wirkstoffe Begriffsbestimmung Eintrag in die aquatische Umwelt 2.1. Gefährdung der aquatischen Umwelt Gesetzesgrundlage 2.2 Carbamazepin (CBZ) Vorstellung von CBZ CBZMetabolismus 2.2. Therapeutische Wirkung von CBZ CBZKonzentration in der Umwelt Gesetzesrahmen für CBZ in der aquatischen Umwelt CBZHumantoxikologie Methoden zur Entfernung von CBZ aus Abwasser 2. Mikroalgen Überblick CBZÖkotoxikologie CBZGefahrenabschätzung CBZinduzierter oxidativer Stress Schutzmechanismen gegen oxidativen Stress 2.. CBZWirkung auf Mikroalgen 2.4 Untersuchungsgebiet Fluss Leine Pharmazeutische Belastung der Leine Zielsetzung XI

3 Material & Methoden Grundlegende Messungen Anzuchtbedingungen Wachstumsmessung 44_ 4.1. Zellaufschluss "45" 4.2 Mikroalgen aus der Leine Untersuchungsgebiet Isolierung der Mikroalgen Typisierung isolierter Mikroalgen Saisonale Häufigkeitsverteilung isolierter Mikroalgen 4. Messparameter 4..1 Pigmentbestimmung 4..2 Protein Aminosäuren 4..4 Zucker Chlorophyllfluoreszenz 4..6 Photosynthetische Aktivität 4..7 Lichtkompensationspunkt 4..8 Phasenverteilung Glutathion Reduziertes Glutathion Oxidiertes Glutathion GlutathionReduktase SuperoxidDismutase Katalase Lipidperoxidation Cytochrom P450Komplex Glutathion STransferase 4.4 Analytische Messverfahren Antikörperbasiertes Nachweisverfahren (ELISA) Chromatographisches Nachweisverfahren (HPLCESIMS/MS) 4.5 Datenauswertung Vergleichbarkeit der Ergebnisse Wachstumsraten 4.5. Statistische Auswertung XII

4 Ergebnisse Mikroalgen aus der Leine Typisierung isolierter Mikroalgen Saisonale Häufigkeitsverteilung isolierter Mikroalgen Klimatische Effekte auf die Zellteilung und die Photosynthese Wachstum unter saisonalen Bedingungen Pigmente der Photosynthese Energieverwertung während der Photosynthese Produkte der Photosynthese Algenauswahl Part I CBZKonzentration in der Leine 5. CBZEinfluss auf den Photosyntheseapparat 5..1 Wachstum unter CBZEinfluss 5..2 Pigmente der Photosynthese Chlorophyll a Chlorophyll b Carotinoide Messparameter zur Energieverwertung Nichtphotochemisches Quenching (NPQ) Apparente Elektronentransportrate (ETR) Produkte der Photosynthese Protein Aminosäuren Zucker Phasenverteilung 5.4 Schutzmechanismen gegen CBZinduzierte ROSBildung GlutathionSchutzsystem Reduziertes Glutathion Oxidiertes Glutathion GlutathionReduktase Enzymatisches Schutzsystem SuperoxidDismutase Katalase Lipidperoxidation Enzymatische CBZEntgiftungssysteme 100 XIII

5 6.4 Schutzmechanismen gegen CBZinduzierte ROSBildung Antioxidatives Schutzsystem (Glutathion, Carotinoide) Enzymatisches Schutzsystem Cytochrom P450Komplex Glutathion STransferase Algenauswahl Part II 5.6 Stressantwort ausgewählter Mikroalgen CBZMetabolisierungskapazität ausgewählter Mikroalgen CBZMetabolisierung unter simulierten Sommerbedingungen Antikörperbasiertes CBZNachweisverfahren Chromatographisches CBZNachweisverfahren CBZMetabolisierung unter simulierten Winterbedingungen Diskussion Mikroalgen aus der Leine Typisierung isolierter Mikroalgen Saisonale Häufigkeitsverteilung der isolierten Mikroalgen Klimatische Effekte auf die Zellteilung und die Photosynthese Wachstum unter saisonalen Bedingungen Pigmente der Photosynthese Produkte der Photosynthese Zwischenfazit zum Abschnitt Mikroalgen aus der Leine" CBZKonzentrationen in der Leine CBZEinfluss auf den Photosyntheseapparat Wachstum unter CBZEinfluss Pigmente der Photosynthese Chlorophyll a und b Carotinoide 6.. Messparameter zur Energieverwertung Produkte der Photosynthese Protein Aminosäuren Zucker Energieverwertung während der Photosynthese Phasenverteilung Zwischenfazit zum Abschnitt CBZEinfluss auf den Photosynthese apparat" 14 XIV

6 SuperoxidDismutase Katalase Lipidperoxidation Zwischenfazit zum Abschnitt Schutzmechanismen gegen CBZinduzierte ROSBildung" Enzymatische CBZEntgiftungssysteme Cytochrom P450Komplex Glutathion STransferase Zwischenfazit zum Abschnitt Enzymatische CBZEntgiftungs systeme" CBZStress, Schutzmechanismen und Metabolisierungsstrategien Stressantwort ausgewählter Mikroalgen CBZMetabolisierungskapazität ausgewählter Mikroalgen CBZMetabolisierung unter simulierten Sommerbedingungen Antikörperbasiertes CBZNachweisverfahren Chromatographisches CBZNachweisverfahren CBZMetabolisierung unter simulierten Winterbedingungen MikroalgenBakterien CoKultivierungen Zwischenfazit zum Abschnitt CBZMetabolisierungskapazität ausgewählter Mikroalgen" Zusammenfassung Schlussfolgerung Ausblick Literaturverzeichnis Anhang 204 XV