Biodegradazione aerobica cometabolica di cloroformio: studio di fattibilità in reattori a biomassa adesa

Chlorinated Aliphatic Hydrocarbons (CAHs) are widespread wastewater and groundwater contaminants and represent a real danger for human health and environment. This research is related to the biodegradation technologies to treat chlorinated hydrocarbons. In particular the study of this thesis is focused on chloroform cometabolism by a butane-grown aerobic pure culture (Rhodococcus aetherovorans BCP1) in continuous-flow biofilm reactors, which are used for in-situ and on-site treatments. The work was divided in two parts: in the first one an experimental study has been conducted in two packed-bed reactors (PBRs) for a period of 370 days; in the second one a fluid dynamics and kinetic model has been developed in order to simulate the experimental data concerning a previous study made in a 2-m continuous-flow sand-filled reactor. The goals of the first study were to obtain preliminary information on the feasibility of chloroform biodegradation by BCP1 under attached-cell conditions and to evaluate the applicability of the pulsed injection of growth substrate and oxygen to biofilm reactors. The pulsed feeding represents a tool to control the clogging and to ensure a long bioreactive zone. The operational conditions implemented in the PBRs allowed the attainment of a 4-fold increase of the ratio of chloroform degraded to substrate consumed, in comparison with the phase of continuous substrate supply. The second study was aimed at identifying guidelines for optimizing the oxygen/substrate supply schedule, developing a reliable model of chloroform cometabolism in porous media. The tested model led to a suitable interpretation of the experimental data as long as the ratio of CF degraded to butane consumed was ≤ 0.27 mgchloroform /mgbutane. A long-term simulation of the best-performing schedule of pulsed oxygen/substrate supply indicated the attainment of a steady state condition characterized by unsatisfactory bioremediation performances, evidencing the need for a further optimization of the pulsed injection technique.

Pharmaceutical residues in aquatic systems: mode of action and effects on mussel physiology

Pharmaceutical residues contaminate aquatic ecosystems as a result of their widespread human and veterinary usage. Since continuously released and not efficiently removed, certain pharmaceuticals exhibit pseudo-persistence thus generating concerns for the health of aquatic wildlife. This work aimed at assessing on mussels Mytilus galloprovincialis, under laboratory conditions, the effects of three pharmaceuticals, carbamazepine (antiepileptic), propranolol (β-blocker) and oxytetracycline (antibiotic), to evaluate if the human-based mode of action of these molecules is conserved in invertebrates. Furthermore, in the framework of the European MEECE Programme, mussels were exposed to oxytetracycline and copper at increasing temperatures, simulating variations due to climate changes. The effects of these compounds were assessed evaluating a battery of biomarkers, the expression of HSP70 proteins and changes in cAMP-related parameters. A decrease in lysosomal membrane stability, induction of oxidative stress, alterations of cAMP-dependent pathway and the induction of defense mechanisms were observed indicating the development of a stress syndrome, and a worsening in mussels health status. Data obtained in MEECE Programme confirmed that the toxicity of substances can be enhanced following changes in temperature. The alterations observed were obtained after exposure to pharmaceuticals at concentrations sometimes lower than those detected in the aquatic environment. Hence, further research is advisable regarding subtle effects of pharmaceuticals on non-target organisms. Furthermore, results obtained during a research stay in the laboratories of Cádiz University (Spain) are presented. The project aimed at measuring possible effects of polluted sediments in Algeciras Bay (Spain) and in Cádiz Bay, by assessing different physiological parameters in caged crabs Carcinus maenas and clams Ruditapes decussatus exposed in situ for 28 days. The neutral red retention assay was adapted to these species and proved to be a sensitive screening tool for the assessment of sediment quality.

Neuroglobin, Cytoglobin und Myoglobin in der Blindmaus Spalax ehrenbergi: Adaptation an „unterirdische Verhältnisse“

Hypoxie ist ein Zustand des Sauerstoffmangels, hervorgerufen durch fehlende Verfügbarkeit von Sauerstoff in der Umgebung eines Organismus oder durch pathologisch bedingte unzureichende Nutzbarkeit des Sauerstoffs von Geweben. Die Sensitivität gegenüber Hypoxie variiert enorm im Tierreich zwischen verschiedenen Phyla und Spezies. Die meisten Säugetiere sind nur unzureichend an niedrige Sauerstoffkonzentrationen angepasst, wohingegen einige unterirdisch lebende Säuger sehr resistent gegen Hypoxiestress sind. Um die molekulare Basis der Hypoxietoleranz zu bestimmen, wurden in der vorliegenden Arbeit Globine untersucht, die potenziell in der Lage sind, als respiratorische Proteine zur Hypoxietoleranz von Tieren beizutragen. Dazu wurde die Expression der Globine in der hypoxieresistenten, in Israel lebenden Blindmaus Spalax ehrenbergi mit der Genexpression in der hypoxiesensitiven Ratte (Rattus norvegicus) verglichen. In der vorliegenden Arbeit wurden die erst vor wenigen Jahren entdeckten Globine Neuroglobin und Cytoglobin untersucht, deren exakte physiologische Rolle noch unklar ist, und mit Daten des viel detaillierter untersuchten Myoglobins verglichen. Beim Vergleich der Expression von Cytoglobin und Neuroglobin in Spalax versus Ratte fällt auf, dass Neuroglobin und Cytoglobin bereits unter normoxischen Bedingungen auf mRNA- und Proteinebene in der Blindmaus um einen Faktor von mindesten 2 bis 3 verstärkt exprimiert werden. Bei Myoglobin (als dem Kontrollgen mit bekannter Funktion) konnte auf mRNA-Ebene eine noch weitaus stärkere Expression in Spalax vs. Ratte gefunden werden. Das übergreifende Phänomen der verstärkten Genexpression von Globinen in Spalax kann im Sinne einer Präadaptation an das unterirdische, häufig hypoxische Leben der Blindmaus interpretiert werden. Einen weiteren Hinweis auf eine besondere, spezialisierte Funktion von Neuroglobin in Spalax geben immunhistochemische Daten, die zeigen, dass Neuroglobin im Gehirn von Spalax im Gegensatz zur Ratte nicht nur in Neuronen, sondern auch in Gliazellen exprimiert wird. Dies impliziert Änderungen des oxidativen Stoffwechsels im Nervensystem der hypoxietoleranten Spezies. Die zellulären Expressionsmuster von Cytoglobin erscheinen hingegen in beiden Säugerspezies weitgehend identisch. Es wurde der Frage nachgegangen, ob und wie experimentell induzierte Hypoxie die Genexpression der Globine verändert. Dabei zeigten sich für Neuroglobin und Cytoglobin unterschiedliche Expressionsmuster. Neuroglobin wird unter diversen Sauerstoffmangelbedingungen sowohl in der Ratte als auch in Spalax auf mRNA- und Proteinebene herunterreguliert. Ein ähnliches Regulationsverhalten wurde auch für Myoglobin beobachtet. Die verminderte Expression von Neuroglobin (und evtl. auch Myoglobin) unter Hypoxie ist mit einer gezielten Verringerung der Sauerstoff-Speicherkapazität in Abwesenheit von O2 zu erklären. Ein weiterer denkbarer Grund könnte auch die allgemeine Tendenz sein, unter Hypoxie aus Energiespargründen den Metabolismus herunter zu regulieren. Cytoglobin, das bei normalen Sauerstoffbedingungen nur im Gehirn von Spalax (nicht jedoch in Herz und Leber) ebenfalls um Faktor 2 bis 3 stärker exprimiert wird als in der Ratte, ist mit einiger Sicherheit ebenfalls von adaptivem Nutzen für die Anpassung von Spalax an niedrige Sauerstoffbedingungen, wenngleich seine Funktion unklar bleibt. Unter Hypoxie wird die Cytoglobin-mRNA sowohl in Spalax als auch in der Ratte hochreguliert. Es konnte in der vorliegenden Arbeit dargelegt werden, dass die Expression von Cygb höchstwahrscheinlich durch den Transkriptionsfaktor Hif-1 gesteuert wird, der die molekulare Hypoxieantwort vieler Tierarten zentral steuert. In der vorliegenden Arbeit wurde ebenfalls die Expression von Ngb und Cygb im Gehirn des Hausschweins (Sus scrofa) untersucht. Diese Spezies diente in der Arbeit als weiterer hypoxiesensitiver Organismus sowie als biomedizinisch relevantes Modell für eine Operation an Säuglingen mit angeborenen Herzkrankheiten. Die Versuche haben gezeigt, dass die Gabe bestimmter Medikamente wie dem Immunsuppressivum FK506 zu einer erhöhten Ngb-Konzentration auf mRNA-Ebene führen kann, was potenziell im Zusammenhang mit beobachteten protektiven Effekten der Medikamentengabe während und nach der Herzoperation steht.

Perfluorinated compounds in environmental matrices of Lake Victoria Gulf

ABSTRACT One of the major ecological challenges on Lake Victoria resources is the existence of “hot spots”, caused by human waste, urban runoff, and industrial effluents. The lake is tending towards eutrophication which is attributed to the increasing human population in its watershed. A report of the levels of perfluorooctane sulfonate and perfluorooctanoic acid in environmental matrices of Lake Victoria is presented, and the management implication of perfluorinated compounds and similar potential organic pollutants examined. Two widely consumed and economically important fish species namely Lates niloticus (Nile perch) and Oreochromis niloticus (Nile tilapia) were obtained from Winam gulf of Lake Victoria, Kenya, and analysed for perfluorooctane sulfonate and perfluorooctanoic acid in muscles and liver using liquid chromatography coupled with mass spectroscopy. Variability in the concentrations of perfluorooctanoic acid or perfluorooctane sulfonate in river waters (range perfluorooctanoic acid 0.4 – 96.4 ng/L and perfluorooctane sulfonate < 0.4 – 13.2 ng/L) was higher than for Lake waters (range perfluorooctanoic acid 0.4 – 11.7 ng/L and perfluorooctane sulfonate < 0.4 – 2.5 ng/L respectively). Significant correlations were tested between perfluorinated compounds levels in sediments, fish and water. Wastewater treatment plants and other anthropogenic sources have been identified as significant sources or pathways for the introduction of perfluoroalkyl compounds into Lake Victoria ecosystem. In this study, elevated concentrations of perfluorooctanoic acid and perfluorooctane sulfonate was found in two wastewater treatment plants (WWTPs) in Kisumu, City of Kenya. An alternative analytical method to liquid chromatography/ mass spectroscopy for analysis of perfluorocarboxylic acids in abiotic and biotic matrices where high concentrations are expected is also presented. Derivatisation of the acid group to form a suitable alkyl ester provided a suitable compound for mass spectroscopy detection coupled to gas chromatography instrumental analysis. The acid is esterified by an alkyl halide i.e benzyl bromide as the alkylating agent for Perfluorocarboxylic acids quantification. The study also involved degradability measurements of emerging perfluorinated surfactants substitutes. The stability of the substitutes of perfluorinated surfactants was tested by employing advanced oxidation processes, followed by conventional tests, among them an automated method based on the manometric respirometry test and standardized fix bed bioreactor [FBBR] on perfluorobutane sulfonate (PFBS), a fluoroethylene polymer, fluorosurfactant (Zonyl), two fluoraliphaticesters (NOVEC ™ FC4430 and NOVEC ™ FC4432) and 10-(trifluoromethoxy) decane-sulfonate. Most of these emmerging surfactants are well-established in the market and have been used in several applications as alternatives to PFOS and PFOA based surfactants. The results of this study can be used as pioneer information for further studies on the sources, behaviour and fate of PFOA and PFOS and other related compounds in both abiotic and biota compartments of Lake Victoria and other lakes. Further an overview in degradation of emerging perfluorinated compounds substitutes is presented. Contribution in method development especially for acid group based fluorosurfactants is presented. The data obtained in this study can particularly be considered when formulating policies and management measures for preservation and sustainability of Lake Victoria resources.

Analyse des anti-inflammatorischen Pilzmetaboliten S-Curvularin in verschiedenen Modellen der rheumatoiden Arthritis

An der Entwicklung und Aufrechterhaltung chronisch-inflammatorischer Erkrankungen wie der rheumatoiden Arthritis (RA) ist die Fehlregulation verschiedener pro-inflammatorischer Gene von entscheidender Bedeutung. Bei der RA führt unter anderem eine erhöhte Expression der induzierbaren NO-Synthase (iNOS) zu einer gesteigerten NO-Produktion, was schließlich zum Knochenabbau beiträgt. Für eine Therapie der RA werden häufig Glukokortikoide eingesetzt, die jedoch viele Nebenwirkungen zeigen. Um eine mögliche Therapiealternative zu identifizieren, sollten die Effekte des anti-inflammatorisch wirksamen Pilzmetaboliten S-Curvularin in verschiedenen Modellen der RA analysiert werden.rnIn humanen C-28/I2-Chondrozyten als in vitro-Modell der RA führte die Inkubation mit einem Zytokingemisch zu einer Induktion der iNOS-Expression, die vom chondrogenen Differenzierungsgrad der Zellen abhängig war. Entscheidend für die iNOS-Induktion in C-28/I2-Zellen ist hauptsächlich der p38-MAPK-, der JAK-STAT- und der NF-kappa B-Signaltransduktionsweg. Eine Inkubation der Zellen mit S-Curvularin führte zu einer deutlichen Hemmung der iNOS-Expression. Dexamethason hatte hingegen keinen Effekt auf die iNOS-Expression, was vermutlich auf die fehlende Expression der Glukokortikoidrezeptor-mRNA zurückgeführt werden kann. Daher können von S-Curvularin abgeleitete Pharmaka möglicherweise auch in Fällen einer Steroidresistenz zur Therapie von RA-Patienten zum Einsatz kommen.rnIm Tiermodell der Kollagen-induzierten Arthritis konnte die anti-inflammatorische Wirkung von S-Curvularin auf mehreren Ebenen bestätigt werden. Die Pilzsubstanz reduzierte sowohl die Schwellung der Pfoten als auch die Expression CII-induzierter pro-inflammatorischer Gene, wie z.B. S100A8, Defb6, Camp und Mpo. Dabei waren die Effekte von S-Curvularin meist deutlicher als in Dexamethason-behandelten Mäusen. Die Analyse von Zytokinen (z.B. TNF-alpha, IL-1beta) und Chemokinen (z.B. MCP-1, MIP-1alpha) zeigte, dass die CII-induzierte Expression dieser pro-inflammatorischen Mediatoren in den Pfoten der Mäuse durch eine Therapie mit S-Curvularin und Dexamethason wieder reduziert werden konnte, wobei Unterschiede zwischen den Behandlungen beobachtet werden konnte.rnAuch im Tiermodell der LPS-induzierten akuten Entzündung wurde die iNOS- und die S100A8-Expression in verschiedenen Geweben S-Curvularin reduziert. rnrnS-Curvularin ist also in der Lage, in verschiedenen Modellen der RA und im akuten Entzündungsmodell die pro-inflammatorische Genexpression effizient zu hemmen und könnte somit in Zukunft eine Rolle in der Therapie der RA einnehmen.rn

Untersuchung zum Beitrag des ON-Kanals zu zeitlichen und chromatischen Verarbeitungsmechanismen in der Retina

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, mithilfe von Dressurexperimenten in Kombination mit dem Einsatz von Neuropharmaka die Bedeutung des retinalen ON-Kanals für zwei visuelle Leistungen des Goldfisches – das kontrastabhängige zeitliche Auflösungsvermögen sowie die Wellenlängenunterscheidungsfähigkeit - zu untersuchen. Da die Tiere nach der pharmakologischen Blockade keinerlei verändertes Verhalten zeigten, kann davon ausgegangen werden, dass der retinale ON-Kanal weder für die Prozessierung des kontrastabhängigen zeitlichen Auflösungsvermögens noch für die Wellenlängenunterscheidungsfähigkeit eine maßgebliche Rolle spielt. Aus den Versuchen zur Wellenlängenunterscheidungsfähigkeit kann des Weiteren abgeleitet werden, dass der ON-Kanal auch für die spektrale Empfindlichkeit der Tiere bei der gegebenen Beleuchtungs- und Dressurbedingungen (L+-Dressur) keine Bedeutung zu haben scheint. Nach den Versuchen zum kontrastabhängigen zeitlichen Auflösungsvermögen kann festgehalten werden, dass das zeitliche Auflösungsvermögen des Goldfisches sich mit abnehmendem Stimuluskontrast verändert: Der für die Tiere wahrnehmbare Flickerfrequenzbereich wird mit abnehmendem Kontrast geringer. Die Flimmerfusionsfrequenz wird im oberen Frequenzbereich früher erreicht; im unteren Flickerfrequenzbereich tritt mit abnehmendem Kontrast auch eine untere Grenze des zeitlichen Auflösungsvermögens auf. Des Weiteren zeigen die Ergebnisse aus den Verhaltensversuchen zu den kontrastabhängigen zeitlichen Übertragungseigenschaften eine gute Vergleichbarkeit zu elektrophysiologisch gewonnenen Antworten von ON bzw. OFF-Bipolarzellen. Ebenso ähneln sich die Kurvenverläufe zum kontrastabhängigen zeitlichen Auflösungsvermögen und die aus den Versuchen zur kontrastabhängigen Ganzfeldbewegungswahrnehmung – einer visuellen Leistung, deren Prozessierung eines ON-Kanal-Beitrages bedarf. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das zeitliche Auflösungsvermögen wie auch die Ganzfeldbewegungswahrnehmung hauptsächlich von retinalen Verarbeitungsprozessen abhängen.

Use of bioassays and biomarkers in Daphnia magna to assess the effect of pharmaceutical residuals in freshwater ecosystems

Widespread occurrence of pharmaceuticals residues has been reported in aquatic ecosystems. However, their toxic effects on aquatic biota remain unclear. Generally, the acute toxicity has been assessed in laboratory experiments, while chronic toxicity studies have rarely been performed. Of importance appears also the assessment of mixture effects, since pharmaceuticals never occur in waters alone. The aim of the present work is to evaluate acute and chronic toxic response in the crustacean Daphnia magna exposed to single pharmaceuticals and mixtures. We tested fluoxetine, a SSRI widely prescribed as antidepressant, and propranolol, a non selective β-adrenergic receptor-blocking agent used to treat hypertension. Acute immobilization and chronic reproduction tests were performed according to OECD guidelines 202 and 211, respectively. Single chemicals were first tested separately. Toxicity of binary mixtures was then assessed using a fixed ratio experimental design with concentrations based on Toxic Units. The conceptual model of Concentration Addition was adopted in this study, as we assumed that the mixture effect mirrors the sum of the single substances for compounds having similar mode of action. The MixTox statistical method was applied to analyze the experimental results. Results showed a significant deviation from CA model that indicated antagonism between chemicals in both the acute and the chronic mixture tests. The study was integrated assessing the effects of fluoxetine on a battery of biomarkers. We wanted to evaluate the organism biological vulnerability caused by low concentrations of pharmaceutical occurring in the aquatic environment. We assessed the acetylcholinesterase and glutathione s-transferase enzymatic activities and the malondialdehyde production. No treatment induced significant alteration of biomarkers with respect to the control. Biological assays and the MixTox model application proved to be useful tools for pharmaceutical risk assessment. Although promising, the application of biomarkers in Daphnia magna needs further elucidation.

In vitro modulation of epileptiform activity in the hippocampal formation of immature rodents by GABAergic antagonists, dopamine and methylxanthines

Während des frühen Lebens stellen epileptische Anfälle schwere neurologische Zustände dar, weil sie ein großer Risikofaktor für die Manifestation der Epilepsie sind und eine hohe pharmakologische Resistenz zeigen. In meiner Doktorarbeit konzentrierte ich mich auf die Frage, wie verschiedene Neurotransmitter-Systeme und klinisch verwendete Medikamente epileptiforme Entladungen im perinatalen Hippocampus beeinflussen. rnIm ersten Teil meines Projektes untersuchte ich die Wirkung von GABA-Antagonisten und Modulatoren, die zwischen phasischen und tonischen GABAergen Strömen differenzieren, auf Feldpotentialaktivität in Hippocampusschnitten. Diese Experimente zeigten, dass im unreifen Hippocampus synaptische GABAerge Aktivität benötigt wird, um die Erregbarkeit zu begrenzen, während tonische GABAerge Ströme die Erregbarkeit verstärken können. Dies könnte darauf hinweisen, dass Antiepileptika mit einer höheren Spezifität für synaptische GABAA-Rezeptoren wirksamer zur Behandlung von epileptischen Anfällen bei Neugeborenen sein können. rnUm den Einfluss von Dopamin auf die Erregbarkeit des unreifen Hippocampus herauszufinden, untersuchte ich im zweiten Teil meiner Arbeit die Wirkung von verschiedenen Dopaminkonzentrationen und spezifische Agonisten und Antagonisten der Dopamin-Rezeptor-Subtypen auf epileptiforme Entladungen. Diese Experimente zeigten, dass niedrige Dopamin Konzentrationen eine antikonvulsive Wirkung haben, welche vom D2-ähnliche-Rezeptor-Agonisten Quinpirol nachgeahmt werden kann, während höhere Dopamin-Konzentrationen eine prokonvulsive Wirkung über Aktivierung von D1-ähnlichen Rezeptoren hervorrufen. Obwohl unsere Untersuchungen eine mögliche Verwendung von D2-ähnlichen Rezeptor-Agonisten zur Kontrolle epileptischer Anfälle in Neugeborenen nahelegen, müssen mögliche negative Auswirkungen von DAergen Agonisten und Antagonisten auf die neuronale Entwicklung berücksichtigt werden.rnIm dritten Teil meiner Arbeit untersuchte ich welche Konzentrationen von Methylxanthinen epileptische Anfälle in Hippocampuspreparationen auslösen die synaptische Übertragungen verändern können. Diese Experimente zeigten, dass sowohl Theophyllin als auch Koffein in höheren Konzentrationen die basale synaptische Übertragungen in der CA1-Region des Hippocampus modifizieren und epileptiforme Entladungen provozieren. Die Auswirkungen auf die postsynaptischen Antworten und spontanen epileptiformen Entladungen durch Koffein waren weniger ausgeprägt, was darauf hindeutet, dass diese Substanz potentiell vorteilhafter für therapeutische Anwendungen bei Frühgeborenen sein kann. rnZusammenfassend bereichern die Ergebnisse meiner Studie erheblich unser Wissen über die zugrunde liegenden Mechanismen epileptiformer Aktivität im unreifen Hippocampus und den therapeutischen Einsatz von Methylxanthinen und Pharmaka, die auf das GABAerge und DArge System einwirken.rnrn

Etablierung eines high content imaging-basierten in vitro Testsystems zur Evaluierung genotoxischer Substanzen

Zur Registrierung von Pharmazeutika ist eine umfassende Analyse ihres genotoxischen Potentials von Nöten. Aufgrund der Vielzahl genotoxischer Mechanismen und deren resultierenden Schäden wird ein gestaffeltes Testdesign durch die ICH-Richtlinie S2(R1) „Guidance on genotoxicity testing and data interpretation for pharmaceuticals intended for human use S2(R1)“ definiert, um alle genotoxischen Substanzen zu identifizieren. Die Standardtestbatterie ist in der frühen Phase der Arzneimittelentwicklung aufgrund des geringen Durchsatzes und des Mangels an verfügbarer Substanzmenge vermindert anwendbar. Darüber hinaus verfügen in vitro Genotoxizitätstests in Säugerzellen über eine relativ geringe Spezifität. Für eine vollständige Sicherheitsbeurteilung wird eine in vivo Testung auf Kanzerogenität benötigt. Allerdings sind diese Testsysteme kosten- und zeitintensiv. Aufgrund dessen zielen neue Forschungsansätze auf die Verbesserung der Prädiktivität und die Erfassung des genotoxischen Potentials bereits in der frühen Phase der Arzneimittelentwicklung ab. Die high content imaging (HCI)-Technologie offeriert einen Ansatz zur Verbesserung des Durchsatzes verglichen mit der Standardtestbatterie. Zusätzlich hat ein Zell-basiertes Modell den Vorteil Daten relativ schnell bei gleichzeitig geringem Bedarf an Substanzmenge zu generieren. Demzufolge ermöglichen HCI-basierte Testsysteme eine Prüfung in der frühen Phase der pharmazeutischen Arzneimittelentwicklung. Das Ziel dieser Studie ist die Entwicklung eines neuen, spezifischen und sensitiven HCI-basierten Testsytems für Genotoxine und Progenotoxine in vitro unter Verwendung von HepG2-Zellen gewesen. Aufgrund ihrer begrenzten metabolischen Kapazität wurde ein kombiniertes System bestehend aus HepG2-Zellen und einem metabolischen Aktivierungssystem zur Testung progenotoxischer Substanzen etabliert. Basierend auf einer vorherigen Genomexpressionsprofilierung (Boehme et al., 2011) und einer Literaturrecherche wurden die folgenden neun unterschiedlichen Proteine der DNA-Schadensantwort als putative Marker der Substanz-induzierten Genotoxizität ausgewählt: p-p53 (Ser15), p21, p-H2AX (Ser139), p-Chk1 (Ser345) p-ATM (Ser1981), p-ATR (Ser428), p-CDC2 (Thr14/Tyr15), GADD45A und p-Chk2 (Thr68). Die Expression bzw. Aktivierung dieser Proteine wurde 48 h nach Behandlung mit den (pro-) genotoxischen Substanzen (Cyclophosphamid, 7,12-Dimethylbenz[a]anthracen, Aflatoxin B1, 2-Acetylaminofluoren, Methylmethansulfonat, Actinomycin D, Etoposid) und den nicht-genotoxischen Substanzen (D-Mannitol, Phenforminhydrochlorid, Progesteron) unter Verwendung der HCI-Technologie ermittelt. Die beste Klassifizierung wurde bei Verwendung der folgenden fünf der ursprünglichen neun putativen Markerproteine erreicht: p-p53 (Ser15), p21, p-H2AX (Ser139), p-Chk1 (Ser345) und p-ATM (Ser1981). In einem zweiten Teil dieser Arbeit wurden die fünf ausgewählten Proteine mit Substanzen, welche von dem European Centre for the Validation of Alternative Methods (ECVAM) zur Beurteilung der Leistung neuer oder modifizierter in vitro Genotoxizitätstests empfohlen sind, getestet. Dieses neue Testsystem erzielte eine Sensitivität von 80 % und eine Spezifität von 86 %, was in einer Prädiktivität von 84 % resultierte. Der synergetische Effekt dieser fünf Proteine ermöglicht die Identifizierung von genotoxischen Substanzen, welche DNA-Schädigungen durch eine Vielzahl von unterschiedlichen Mechanismen induzieren, mit einem hohen Erfolg. Zusammenfassend konnte ein hochprädiktives Prüfungssystem mit metabolischer Aktivierung für ein breites Spektrum potenziell genotoxischer Substanzen generiert werden, welches sich aufgrund des hohen Durchsatzes, des geringen Zeitaufwandes und der geringen Menge benötigter Substanz zur Substanzpriorisierung und -selektion in der Phase der Leitstrukturoptimierung eignet und darüber hinaus mechanistische Hinweise auf die genotoxische Wirkung der Testsubstanz liefert.

Implementation of enhanced biological phosphorus removal (ebpr) wastewater treatment processes enriched with different microbial communities

The EBPR (Enhanced Biological Phosphorus Removal) is a type of secondary treatment in WWTPs (WasteWater Treatment Plants), quite largely used in full-scale plants worldwide. The phosphorus occurring in aquatic systems in high amounts can cause eutrophication and consequently the death of fauna and flora. A specific biomass is used in order to remove the phosphorus, the so-called PAOs (Polyphosphate Accumulating Organisms) that accumulate the phosphorus in form of polyphosphate in their cells. Some of these organisms, the so-called DPAO (Denitrifying Polyphosphate Accumulating Organisms) use as electron acceptor the nitrate or nitrite, contributing in this way also to the removal of these compounds from the wastewater, but there could be side reactions leading to the formation of nitrous oxides. The aim of this project was to simulate in laboratory scale a EBPR, acclimatizing and enriching the specialized biomass. Two bioreactors were operated as Sequencing Batch Reactors, one enriched in Accumulibacter, the other in Tetrasphaera (both PAOs): Tetrasphaera microorganisms are able to uptake aminoacids as carbon source, Accumulibacter uptake organic carbon (volatile fatty acids, VFA). In order to measure the removal of COD, phosphorus and nitrogen-derivate compounds, different analysis were performed: spectrophotometric measure of phosphorus, nitrate, nitrite and ammonia concentrations, TOC (Total Organic Carbon, measuring the carbon consumption), VFA via HPLC (High Performance Liquid Chromatography), total and volatile suspended solids following standard methods APHA, qualitative microorganism population via FISH (Fluorescence In Situ Hybridization). Batch test were also performed to monitor the NOx production. Both specialized populations accumulated as a result of SBR operations; however, Accumulibacter were found to uptake phosphates at higher extents. Both populations were able to remove efficiently nitrates and organic compounds occurring in the feeding. The experimental work was carried out at FCT of Universidade Nova de Lisboa (FCT-UNL) from February to July 2014.

Valorization of biorefinery wastewater to carboxylates

La tesi della ha come obiettivo la valorizzazione delle acque di scarto derivanti dalla produzione del bioetanolo da colture cerealicole dedicate. Nella prima parte si studia la produzione di VFA mediante digestione anaerobica. In seguito, sono eseguiti batch tests per valutare la conversione dei VFA in MCFA. Infine, si focalizza sul processo di dowstream per il recupero degli acidi carbossilici dal brodo di fermentazione attraverso reactive extraction e back extraction.

Effetto dei farmaci presenti in ambiente sulle larve di orata (Sparus aurata)

La presenza di residui dei farmaci ad uso umano e veterinario nelle acque superficiali è in costante aumento a causa del loro elevato consumo. L’impatto ambientale dei prodotti farmaceutici è riconosciuto in tutto il mondo ma attualmente ancora non sono presenti degli Standard di qualità ambientale per queste sostanze in ambiente acquatico. L’agenzia europea per i farmaci (EMEA) ha introdotto delle linee guida per la valutazione del rischio ambientale per tutti i nuovi farmaci prima di provvedere alla registrazione, ma in nessun caso la loro autorizzazione in commercio è vietata. Una volta assunti, i farmaci sono escreti dagli organismi in forma nativa o come metaboliti, e attraverso gli scarichi urbani raggiungono i depuratori che li rimuovono solo in parte. Di conseguenza, i residui dei farmaci vengono ritrovati nei fiumi, nei laghi, fino alle acque marine costiere. Anche se presenti a basse concentrazioni (ng-μg/L) nelle acque superficiali, i farmaci possono provocare effetti avversi negli organismi acquatici. Queste specie rappresentano involontari bersagli. Tuttavia molti di essi possiedono molecole target simili a quelle dell’uomo, con i quali i farmaci interagiscono per indurre gli effetti terapeutici; in questo caso i farmaci ambientali possono causare effetti specifici ma indesiderati sulla fisiologia degli animali acquatici. Le interazioni possono essere anche non specifiche perché dovute agli effetti collaterali dei farmaci, ad esempio effetti ossidativi, con potenziali conseguenze negative su vertebrati ed invertebrati. In questo lavoro sono stati valutati i potenziali effetti indotti nelle larve di orata da quattro classi di farmaci ovvero: carbamazepina (antiepilettico), ibuprofene (antinfiammatorio non steroideo), caffeina (stimolante) e novobiocina (antibiotico). In particolare, in questo lavoro si è valutato inizialmente il tasso di sopravvivenza delle larve di orata esposte ai farmaci, per verificare se l’esposizione determinasse effetti di tossicità acuta; successivamente si è passati alla valutazione di due biomarker : il danno al DNA e la perossidazione lipidica per verificare la presenza di effetti tossici sub-letali. Le larve sono state esposte per 96 ore alle concentrazioni di 0.1, 1 (MEC), 10 e 50 µg/L (>MEC) di carbamazepina e novobiocina, a 0.1, 5 (MEC),10 e 50 µg/L (> MEC) di ibuprofene ed a 0.1, 5 (MEC),15 e 50 µg/L (> MEC) di caffeina, rappresentative delle concentrazioni riscontrate in ambiente acquatico e al di sopra di quest’ultimo. L’analisi dei dati sulla sopravvivenza ha dimostrato che la carbamazepina, l’ibuprofene, la novobiocina e la caffeina non hanno effetti significativi alle concentrazioni testate. La valutazione dei biomarker ha evidenziato un generale decremento significativo dei livelli di danno primario al DNA e per la perossidazione lipidica è stato generalmente osservato un decremento alle dosi dei farmaci più basse, seguito da un aumento a quelle più elevate. Nell’insieme i dati indicano che alle concentrazioni testate, i farmaci carbamazepina, caffeina, ibuprofene e novobiocina non hanno prodotto alterazioni attribuibili alla comparsa di effetti avversi nelle larve di S. aurata dopo 96 ore di esposizione.

Geochemical Modeling and Analysis of the Frac Water Used in the Hydraulic Fracturing of the Marcellus Formation, Pennsylvania

The hydraulic fracturing of the Marcellus Formation creates a byproduct known as frac water. Five frac water samples were collected in Bradford County, PA. Inorganic chemical analysis, field parameters analysis, alkalinity titrations, total dissolved solids(TDS), total suspended solids (TSS), biological oxygen demand (BOD), and chemical oxygen demand (COD) were conducted on each sample to characterize frac water. A database of frac water chemistry results from across the state of Pennsylvania from multiple sources was compiled in order to provide the public and research communitywith an accurate characterization of frac water. Four geochemical models were created to model the reactions between frac water and the Marcellus Formation, Purcell Limestone, and the oil field brines presumed present in the formations. The average concentrations of chloride and TDS in the five frac water samples were 1.1 �± 0.5 x 105 mg/L (5.5X average seawater) and 140,000 mg/L (4X average seawater). BOD values for frac water immediately upon flow back were over 10X greater than the BOD of typical wastewater, but decreased into the range of typical wastewater after a short period of time. The COD of frac water decreases dramatically with an increase in elapsed time from flow back, but remain considerably higher than typicalwastewater. Different alkalinity calculation methods produced a range of alkalinity values for frac water: this result is most likely due to high concentrations of aliphatic acid anions present in the samples. Laboratory analyses indicate that the frac watercomposition is quite variable depending on the companies from which the water was collected, the geology of the local area, and number of fracturing jobs in which the frac water was used, but will require more treatment than typical wastewater regardless of theprecise composition of each sample. The geochemical models created suggest that the presence of organic complexes in an oil field brine and Marcellus Formation aid in the dissolution of ions such as bariumand strontium into the solution. Although equilibration reactions between the Marcellus Formation and the slickwater account for some of the final frac water composition, the predominant control of frac water composition appears to be the ratio of the mixture between the oil field brine and slickwater. The high concentration of barium in the frac water is likely due to the abundance of barite nodules in the Purcell Limestone, and the lack of sulfate in the frac water samples is due to the reducing, anoxic conditions in the earth's subsurface that allow for the degassing of H2S(g).

Strategies for evaluating the economic value of drugs in alcohol dependence treatment

To assess existing health economic strategies, which are used to evaluate the economic value of drugs to treat alcohol dependence (AD) such as acamprosate, naltrexone and any other pharmaceuticals.

Can Andean medicine coexist with biomedical healthcare? A comparison of two rural communities in Peru and Bolivia

Background It is commonly assumed that indigenous medical systems remain strong in developing countries because biomedicine is physically inaccessible or financially not affordable. This paper compares the health-seeking behavior of households from rural Andean communities at a Peruvian and a Bolivian study site. The main research question was whether the increased presence of biomedicine led to a displacement of Andean indigenous medical practices or to coexistence of the two healing traditions. Methodology Open-ended interviews and free listing exercises were conducted between June 2006 and December 2008 with 18 households at each study site. Qualitative identification of households’ therapeutic strategies and use of remedies was carried out by means of content analysis of interview transcriptions and inductive interference. Furthermore, a quantitative assessment of the incidence of culture-bound illnesses in local ethnobiological inventories was performed. Results Our findings indicate that the health-seeking behavior of the Andean households in this study is independent of the degree of availability of biomedical facilities in terms of quality of services provided, physical accessibility, and financial affordability, except for specific practices such as childbirth. Preference for natural remedies over pharmaceuticals coexists with biomedical healthcare that is both accessible and affordable. Furthermore, our results show that greater access to biomedicine does not lead to less prevalence of Andean indigenous medical knowledge, as represented by the levels of knowledge about culture-bound illnesses. Conclusions The take-home lesson for health policy-makers from this study is that the main obstacle to use of biomedicine in resource-poor rural areas might not be infrastructural or economic alone. Rather, it may lie in lack of sufficient recognition by biomedical practitioners of the value and importance of indigenous medical systems. We propose that the implementation of health care in indigenous communities be designed as a process of joint development of complementary knowledge and practices from indigenous and biomedical health traditions.