Synthese von grenzflächenaktiven Monomeren zur Herstellung von funktionalen Metall-Chalkogenid,Polymer-Hybridnanopartikeln

In dieser Arbeit wurde gezeigt, wie oberflächenfunktionalisierte Polystyrolnanopartikel zur Herstellung von Metallchalkogenid/Polymer-Hybridnanopartikeln eingesetzt werden können. Dazu wurden zunächst phosphonsäure- und phosphorsäurefunktionalisierte Surfmere synthetisiert, die anschließend bei der Miniemulsionspolymerisation von Styrol verwendet wurden. Die Surfmere dienten dabei zugleich zur Stabilisierung und als Comonomer. Die oberflächenfunktionalisierten Polystyrolnanopartikel wurden anschließend als Trägerpartikel für die Kristallisation von Metalloxiden eingesetzt. Dabei wurden Metalloxid/Polymer-Hybridnanopartikel mit einer „himbeerartigen“ Morphologie erhalten. Um die vielseitige Modifizierbarkeit der phosphonat- und phosphat¬funktionalisierten Polystyrolpartikel zu demonstrieren, wurden Cer-, Eisen- sowie Zinkoxid auf der Partikeloberfläche kristallisiert. Dazu wurden sowohl wässrige als auch alkoholische Metalloxid-Präkursorlösungen eingesetzt. Die synthetisierten Metall¬oxid/Polymer-Hybridpartikel wurden detailliert mit REM, TEM und PXRD analysiert. Die Untersuchung des Kristallisationsmechanismus hatte erwiesen, dass die komplexierten Metallkationen auf der Partikeloberfläche als Nukleationszentren wirkten und die Zutropfrate des Fällungsreagenz entscheidend für die Oberflächenkristallisation ist. Durch Mischungsexperimente von Metalloxidnanopartikeln und den oberflächen¬funktionalisierten Polymerpartikeln konnte die Hybridpartikelbildung über Hetero¬koagulation ausgeschlossen werden. Außerdem wurde festgestellt, dass die Polarität der funktionellen Gruppe über die Stärke der Komplexierung der Metalloxid-Präkursor bestimmt. Darüber hinaus wurde ein Modell zur Erklärung der kolloidalen Stabilisierung der Metalloxid/Polymer-Hybridsysteme aufgestellt und ein Zusammenhang zwischen dem gemessenen Zeta-Potential und der Oberflächenbedeckung der Polymerpartikel durch Metalloxid gefunden. Mit der Methode der Oberflächenkristallisation konnten frühe Stadien der Nukleation auf der Partikeloberfläche fixiert werden. Weiterhin wurden die individuellen physikalisch-chemischen Eigenschaften der hergestellten Metall¬oxid/Polymer-Hybridnano¬partikel untersucht. Dabei zeigten die CeO2/Polymer-Hybridpartikel eine hohe katalytische Aktivität bezüglich der photokatalytischen Oxidation von Rhodamin B, die als Modellreaktion durchgeführt wurde. Des Weiteren wurde die Magnetisierung der Magnetit/Polymer-Hybridpartikel gemessen. Die Fe3O4-Hybrid¬partikelsysteme wiesen eine vergleichbare Sättigungsmagnetisierung auf. Die Zinkoxid/Polymer-Hybridsysteme zeigten eine starke Lumineszenz im sichtbaren Bereich bei Anregung mit UV-Licht. Die Metalloxid/Polymer-Hybridpartikel, die mit den phosphonat- oder phosphatfunktion¬alisierten Polystyrolpartikeln hergestellt wurden, zeigten keine signifikanten Unterschiede in ihren physikochemischen Eigenschaften. Im Allgemeinen lässt sich schlussfolgern, dass sowohl Phosphonat- als auch Phosphatgruppen gleichermaßen für die Oberflächenkristallisation von Metalloxiden geeignet sind. Die Zink¬oxid/Polymer-Hybridsysteme stellen eine Ausnahme dar. Die Verwendung der phosphonat¬funktionalisierten Polystyrolpartikel führte zur Entstehung einer Zinkhydroxidphase, die neben der Zinkoxidphase gebildet wurde. Aufgrund dessen zeigten die ZnO/RPO3H2-Hybridpartikel eine geringere Lumineszenz im sichtbaren Bereich als die ZnO/RPO4H2-Hybridsysteme.rnDie Erkenntnisse, die bei der Oberflächenkristallisation von Metalloxiden gewonnen wurden, konnten erfolgreich auf Cadmiumsulfid übertragen werden. Dabei konnte Cadmiumsulfid auf der Oberfläche von phosphonatfunktionalisierten Polystyrolpartikeln kristallisiert werden. Mit Hilfe des RPO3H2-Surfmers konnten phosphonatfunktion¬alisierte Polystyrolpartikel mit superparamagnetischem Kern synthetisiert werden, die zur Herstellung von multifunktionalen CdS/Polymer-Hybridpartikeln mit Magnetitkern verwendet wurden. Die Kristallphase und die Oberflächenbedeckung der multi¬funktionalen Hybridsysteme wurden mit den CdS/Polymer-Hybridsystemen ohne magnetischen Kern verglichen. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass in beiden Fällen Cadmiumsulfid in der Greenockit-Modifikation gebildet wurde. Die multifunktionalen CdS/Polymer-Hybridpartikel mit superparamagnetischem Kern konnten sowohl mit einem optischen als auch einem magnetischen Stimulus angeregt werden.rnrn

Detektion von Nickel- und Cobaltspezies in einzelnen lebenden Zellen mit hoher lateraler Auflösung

Übergangsmetallen wie Nickel und Cobalt kommt meist eine große Bedeutung als Cofaktor in Enzymen oder Metallkomplexen im Metabolismus von Lebewesen zu. Da eine sehr geringe Konzentration dieser Übergangsmetalle in einer Zelle für deren Funktionalität ausreicht, ist eine konstante Konzentration der Spurenelemente in einer Zelle angestrebt. Durch meist anthropogene Einflüsse sind Pflanzen und Menschen zunehmend hohen Konzentrationen von Übergangsmetallen ausgesetzt, die in Abhängigkeit von ihrer Spezies, der Konzentration und der Lokalisation unterschiedliche Toxizitäten aufweisen können. Die Speziation von Metallen wurde bisher mittels gängiger Analyseverfahren, wie der ICP-MS und ähnlicher Verfahren, anhand von bulk-Material durchgeführt. Durch die Entwicklung von optischen Sensoren für Metallionen war es möglich, diese Metalle auch in lebenden Zellen mittels Fluoreszenzmikroskopie zu lokalisieren. Ke und Kollegen (2006, 2007) nutzten einen solchen optischen Sensor - Newport Green DCF, um die Aufnahme von Nickel in humane A543 Lungenbronchialepithelzellen nach Inkubation mit dem wasserlöslichen NiCl2 (0,5 mM und 1 mM) sowie den wasserunlöslichen Verbindungen Ni3S2 (0,5 µg/cm2 und 1 µg/cm2) und NiS (2,5 µg/cm2) nachzuweisen und zu lokalisieren und konnten damit eine Akkumulation von Nickel im Zytoplasma und im Zellkern aufzeigen. Dabei war bei wasserlöslichen und wasserunlöslichen Nickelverbindungen Nickel nach 24 h im Zytoplasma und erst nach 48 h im Zellkern zu beobachten.rnrnDa Nickel und Cobalt keine detektierbare Eigenfluoreszenz unter den gegebenen Bedingungen zeigten, wurde für den optischen Nachweis von Nickel und Cobalt mit dem konfokalen Laser-Raster Mikroskop (CLSM) nach der Zugabe der verschiedenen wasserlöslichen und wasserunlöslichen Metallverbindungen NiCl2, NiSO4, Ni3S2 und CoCl2 in einzelnen lebenden humanen Gingiva-Fibroblasten, sowie in Pflanzenzellen in dieser Arbeit ebenfalls der optische Sensor Newport Green DCF genutzt. Korrespondierend zu den Ergebnissen früherer Arbeiten von Ke et al. (2006, 2007), in denen die Nickelaufnahme bei Konzentrationen von >0,5 mM NiCl2 bzw. >0,5 µg/cm2 Ni3S2 gezeigt wurde, wurde Nickel in Fibroblasten in Abhängigkeit von der Spezies mit steigender Metallkonzentration von 100 µM bis 500 µM nach 16 h im Zytoplasma und zunehmend nach 24 h bis 48 h im Zellkern detektiert. Bei der wasserunlöslichen Verbindung Ni3S2 war der Nachweis von Nickel im Zellkern bereits nach 16 h bis 24 h erfolgreich. Zusätzlich wurden weitere Strukturen wie das Endoplasmatische Retikulum, die Mitochondrien und die Nukleoli durch eine starke Fluoreszenz des optischen Sensors bei Colokalisationsexperimenten mit Organell-spezifischen Fluoreszenzfarbstoffen als target für die Nickelbindung vermutet. Die Lokalisation von Cobalt in den Fibroblasten entsprach weitgehend der Lokalisation von Nickel. Im Zellkern war die Cobaltlokalisation jedoch auf die Nukleoli beschränkt. Weiterführende Versuche an humanen Gingiva-Fibroblasten zeigten, dass die Aufnahme der Metalle in die Fibroblasten pH-Wert abhängig war. Niedrige pH-Werte im sauren pH-Bereich verringerten die Aufnahme der Metalle in die Zellen, wobei ein pH-Wert im basischen Bereich keinen bedeutenden Unterschied zum neutralen pH-Bereich aufwies. Im Vergleich zu den Fibroblasten war in Pflanzenzellen zu jedem Zeitpunkt, auch bei geringen Konzentrationen der Metallverbindungen sowie des optischen Sensors, Nickel und Cobalt in den Zellkernen detektierbar. Durch die Eigenschaft der Pflanzenzellen eine Vakuole zu besitzen, war Nickel und Cobalt hauptsächlich in den Vakuolen lokalisiert. Weitere Strukturen wie das Endoplasmatische Retikulum, die Mitochondrien oder auch die Zellwand kamen bei Pflanzenzellen als target in Frage.rnrnDie Fluoreszenz und Lokalisation der Metalle in den Fibroblasten waren unabhängig von der Spezies sehr ähnlich, sodass in den Zellen die Spezies anhand der fluoreszenzmikroskopischen Aufnahmen kaum unterschieden werden konnten. Lambda-Scans in verschiedenen regions of interest (ROI) wurden durchgeführt, um durch die Fluoreszenzspektren Hinweise auf eine charakteristische Beeinflussung der Bindungspartner von Nickel und Cobalt oder dieser Metalle selbst in den Zellen auf den optischen Sensor zu bekommen und diese dadurch identifizieren zu können. Das Ziel der parallelen Detektion bzw. Lokalisation und gleichzeitigen Speziation bestimmter Nickel- und Cobaltpezies in einzelnen lebenden Zellen konnte in dieser Arbeit durch den optischen Sensor Newport Green DCF nicht erreicht werden.

3D-ultrastructure, functions and stress responses of rhogocytes from the freshwater gastropods Biomphalaria glabrata and Lymnaea stagnalis

Rhogocytes, also termed ‘pore cells’, exist free in the hemolymph or embedded in the connective tissue of different body parts of molluscs, notably gastropods. These unique cells can be round, elongated or irregularly shaped, and up to 30 μm in diameter. Their hallmark is the so-called slit apparatus: i.e. pocket-like invaginations of the plasma membrane creating extracellular lacunae, bridged by cytoplasmic bars. These bars form distinctive slits of ca. 20 nm width. A slit diaphragm composed of proteins establishes a molecular sieve with holes of 20 x 20 nm. Different functions have been assigned to this special molluscan cell type, notably biosynthesis of the hemolymph respiratory protein hemocyanin. It has further been proposed, but not proven, that in the case of red-blooded snail species rhogocytes might synthesize the hemoglobin. However, the secretion pathway of these hemolymph proteins, and the functional role of the enigmatic slit apparatus remained unclear. Additionally proposed functions of rhogocytes, such as heavy metal detoxification or hemolymph protein degradation, are also not well studied. This work provides more detailed electron microscopical, histological and immunobiochemical information on the structure and function of rhogocytes of the freshwater snails Biomphalaria glabrata and Lymnaea stagnalis. By in situ hybridization on mantle tissues, it proves that B. glabrata rhogocytes synthesize hemoglobin and L. stagnalis rhogocytes synthesize hemocyanin. Hemocyanin is present, in endoplasmic reticulum lacunae and in vesicles, as individual molecules or pseudo-crystalline arrays. The first 3D reconstructions of rhogocytes are provided by means of electron tomography and show unprecedented details of the slit apparatus. A highly dense material in the cytoplasmic bars close to the diaphragmatic slits was shown, by immunogold labeling, to contain actin. By immunofluorescence microscopy, the protein nephrin was localized at the periphery of rhogocytes. The presence of both proteins in the slit apparatus supports the previous hypothesis, hitherto solely based on similarities of the ultrastructure, that the molluscan rhogocytes are phylogenetically related to mammalian podocytes and insect nephrocytes. A possible secretion pathway of respiratory proteins that includes a transfer mechanism of vesicles through the diaphragmatic slits is proposed and discussed. We also studied, by electron microscopy, the reaction of rhogocytes in situ to two forms of animal stress: deprivation of food and cadmium contamination of the tank water. Significant cellular reactions to both stressors were observed and documented. Notably, the slit apparatus surface and the number of electron-dense cytoplasmic vesicles increased in response to cadmium stress. Food deprivation led to an increase in hemocyanin production. These observations are also discussed in the framework of using such animals as potential environmental biomarkers.

Analysis of zinc oxide nanoparticles as a potential mutagen of respiratory epithelia

Metallische Nanopartikel und ihre Oxide (z.B. ZnO NP, TiO2 NP und Fe2O3 NP) werden aufgrund ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften häufig als Additive in der Reifenproduktion, in Katalysatoren, Lebensmitteln, Arzneimitteln und Kosmetikprodukten verwendet. Künftig wird ein kontinuierlicher Anstieg der industriellen Anwendung (~ 1663 Tonnen im Jahr 2025) mit gesteigerter Freisetzung in die Umwelt erwartet, was zwangsläufig zu einer vermehrten Aufnahme über das respiratorische Epithel führt. Metalldampffieber ist als gesundheitsschädigender Effekt von Metalloxid-haltigen Aerosolen (z.B. ZnO) nach Inhalation bekannt. Immunreaktionen, wie beispielsweise Entzündungen, werden häufig mit der Entstehung von Sauerstoffradikalen (ROS) in Verbindung gebracht, die wiederum zu DNA-Schäden führen können. Drei mögliche Ursachen der Genotoxität werden angenommen: direkte Interaktion von Nanopartikeln mit intrazellulären Strukturen, Interaktion von Ionen dissoziierter Partikel mit intrazellulären Strukturen sowie die Entstehung von ROS initiiert durch Partikel oder Ionen.rnDie vorliegende Studie befasst sich mit den Mechanismen der Genotoxizität von ZnO Nanopartikeln (ZnO NP), als Beispiel für metallische Nanopartikel, im respiratorischen Epithel. In der Studie wurde gezielt die intrazelluläre Aufnahme und Verteilung von ZnO NP, deren Toxizität, deren DNA schädigendes Potential sowie die Aktivierung der DNA damage response (DDR) analysiert.rnEs konnten kaum internalisierte ZnO NP mittels TEM detektiert werden. Innerhalb der ersten Sekunden nach Behandlung mit ZnO NP wurde spektrofluorometrisch ein starker Anstieg der intrazellulären Zn2+ Konzentration gemessen. In unbehandelten Zellen war Zn2+ in granulären Strukturen lokalisiert. Die Behandlung mit ZnO NP führte zu einer Akkumulation von Zn2+ in diesen Strukturen. Im zeitlichen Verlauf verlagerten sich die Zn2+-Ionen in das Zytoplasma, sowie in Zellkerne und Mitochondrien. Es wurde keine Kolokalisation von Zn2+ mit den frühen Endosomen und dem endoplasmatischen Retikulum beobachtet. Die Vorbehandlung der Zellen mit Diethylen-triaminpentaessigsäure (DTPA), als extrazellulärem Komplexbildner, verhinderte den intrazellulären Anstieg von Zn2+ nach Behandlung mit den Partikeln.rnDie Behandlung mit ZnO NP resultierte in einer zeit- und dosisabhängigen Reduktion der zellulären Viabilität, während die intrazelluläre ROS-Konzentrationen in den ersten 30 min leicht und anschließend kontinuierlich bis zum Ende der Messung anstiegen. Außerdem verringerte sich das mitochondriale Membranpotential, während sich die Anzahl der frühapoptotischen Zellen in einer zeitabhängigen Weise erhöhte. rnDNA Doppelstrangbrüche (DNA DSB) wurden mittels Immunfluoreszenz-Färbung der γH2A.X foci sichtbar gemacht und konnten nach Behandlung mit ZnO NP detektiert werden. Die Vorbehandlung mit dem Radikalfänger N-Acetyl-L-Cytein (NAC) resultierte in stark reduzierten intrazellulären ROS-Konzentrationen sowie wenigen DNA DSB. Die DNA Schädigung wurde durch Vorbehandlung mit DTPA ganz verhindert.rnDie Aktivierung der DDR wurde durch die Analyse von ATM, ATR, Chk1, Chk2, p53 und p21 mittels Western Blot und ELISA nach Behandlung mit ZnO NP überprüft. Der ATR/Chk1 Signalweg wurde durch ZnO NP nicht aktiviert. Die Komplexierung von Zn2+ resultierte in einer verminderten ATM/Chk2 Signalwegaktivierung. Es zeigte sich, dass das Abfangen von ROS keinen Effekt auf die ATM/Chk2 Signalwegaktivierung hatte.rnZusammengefasst wurde festgestellt, dass die Exposition mit ZnO NP in der Entstehung von ROS, reduzierter Viabilität und vermindertem mitochondrialem Membranpotential resultiert, sowie zeitabhängig eine frühe Apoptose initiiert. ZnO NP dissoziierten extrazellulär und wurden schnell als Zn2+ über unbekannte Mechanismen internalisiert. Die Zn2+-Ionen wurden im Zytoplasma, sowie besonders in den Mitochondrien und dem Zellkern, akkumuliert. Die DDR Signalgebung wurde durch ZnO NP aktiviert, jedoch nicht durch NAC inhibiert. Es wurde gezeigt, dass DTPA die DDR Aktivierung komplett inhibierte. Die Behandlung mit ZnO NP induzierte DNA DSB. Die Inhibition von ROS reduzierte die DNA DSB und die Komplexierung der Zn2+ verhinderte die Entstehung von DNA DSB.rnDiese Daten sprechen für die Dissoziation der Partikel und die hierbei freigesetzten Zn2+ als Hauptmediator der Genotoxizität metallischer Nanopartikel. rn

Reforming dell'etanolo con processo ciclico: studio della reattività di ossidi misti con struttura spinello

This work deals with a study on the feasibility of a new process, aimed at the production of hydrogen from water and ethanol (a compound obtained starting from biomasses), with inherent separation of hydrogen from C-containing products. The strategy of the process includes a first step, during which a metal oxide is contacted with ethanol at high temperature; during this step, the metal oxide is reduced and the corresponding metallic form develops. During the second step, the reduced metal compound is contacted at high temperature with water, to produce molecular hydrogen and with formation of the original metal oxide. In overall, the combination of the two steps within the cycle process corresponds to ethanol reforming, where however COx and H2 are produced separately. Various mixed metal oxides were used as electrons and ionic oxygen carriers, all of them being characterized by the spinel structure typical of M-modified non-stoichiometric ferrites: M0,6Fe2,4O4 (M = Co, Mn or Co/Mn). The first step was investigated in depth; it was found that besides the generation of the expected CO, CO2 and H2O, the products of ethanol anaerobic oxidation, also a large amount of H2 and coke were produced. The latter is highly undesired, since it affects the second step, during which water is fed over the pre-reduced spinel at high temperature. The behavior of the different spinels was affected by the nature of the divalent metal cation. The new materials were tested in terms of both redox proprieties and catalytic activity to generate hydrogen. Still the problem of coke formation remains the greater challenge to solve.

Solar thermal decoupled water electrolysis process I: Proof of concept

A new concept for a solar thermal electrolytic process was developed for the production of H-2 from water. A metal oxide is reduced to a lower oxidation state in air with concentrated solar energy. The reduced oxide is then used either as an anode or solute for the electrolytic production of H-2 in either an aqueous acid or base solution. The presence of the reduced metal oxide as part of the electrolytic cell decreases the potential required for water electrolysis below the ideal 1.23 V required when H-2 and O-2 evolve at 1 bar and 298 K. During electrolysis, H-2 evolves at the cathode at 1 bar while the reduced metal oxide is returned to its original oxidation state, thus completing the H-2 production cycle. Ideal sunlight-to-hydrogen thermal efficiencies were established for three oxide systems: Fe2O3-Fe3O4, Co3O4-CoO, and Mn2O3-Mn3O4. The ideal efficiencies that include radiation heat loss are as high or higher than corresponding ideal values reported in the solar thermal chemistry literature. An exploratory experimental study for the iron oxide system confirmed that the electrolytic and thermal reduction steps occur in a laboratory scale environment.

Monitoring pollution in river Mure , Romania, Part III: biochemical effect markers in fish and integrative reflection

Along a downstream stretch of River Mure , Romania, adult males of two feral fish species, European chub (Leuciscus cephalus) and sneep (Chondrostoma nasus) were sampled at four sites with different levels of contamination. Fish were analysed for the biochemical markers hsp70 (in liver and gills) and hepatic EROD activity, as well as several biometrical parameters (age, length, wet weight, condition factor). None of the biochemical markers correlated with any biometrical parameter, thus biomarker reactions were related to site-specific criteria. While the hepatic hsp70 level did not differ among the sites, significant elevation of the hsp70 level in the gills revealed proteotoxic damage in chub at the most upstream site, where we recorded the highest heavy metal contamination of the investigated stretch, and in both chub and sneep at the site right downstream of the city of Arad. In both species, significantly elevated hepatic EROD activity downstream of Arad indicated that fish from these sites are also exposed to organic chemicals. The results were indicative of impaired fish health at least at three of the four investigated sites. The approach to relate biomarker responses to analytical data on pollution was shown to fit well the recent EU demands on further enhanced efforts in the monitoring of Romanian water quality.

Impact of copper mine tailings (stamp sand) on survival and development of aquatic organisms near Gay, Michigan

Heavy metal-rich copper mine tailings, called stamp sands, were dumped by mining companies directly into streams and along the Lake Superior shoreline, degrading Keweenaw Peninsula waterways. One of the largest disposal sites is near Gay, Michigan, where tailings have been moved along the shoreline by currents since mining ceased. As a result, the smallest sand particles have been washed into deeper water and are filling the interstitial spaces of Buffalo Reef, a critical lake trout spawning site. This research is the first to investigate if stamp sand is detrimental to survival and early development of eggs and larvae of lake sturgeon, lake trout, and Northern leopard frogs, and also examines if the presence of stamp sands influences substrate selection of earthworms. This study found that stamp sand had significantly larger mean particle sizes and irregular shapes compared to natural sand, and earthworms show a strong preference for natural substrate over any combination that included stamp sand. Additionally, copper analysis (Cu2+) of surface water over stamp sand and natural sand showed concentrations were significantly higher in stamp sand surface water (100 μg/L) compared to natural sand surface water (10 μg/L). Frog embryos had similar hatch success over both types of sand, but tadpoles reared over natural sand grew faster and had higher survival rates. Eggs of lake sturgeon showed similar hatch success and development over natural vs. stamp sand over 17 days, while lake trout eggs hatched earlier and developed faster when incubated over stamp sand, yet showed similar development over a 163 day period. Copper from stamp sand appears to impact amphibians more than fish species in this study. These results will help determine what impact stamp sand has on organisms found throughout the Keweenaw Peninsula which encounter the material at some point in their life history.

Structural model of the CopA copper ATPase of Enterococcus hirae based on chemical cross-linking

The CopA copper ATPase of Enterococcus hirae belongs to the family of heavy metal pumping CPx-type ATPases and shares 43% sequence similarity with the human Menkes and Wilson copper ATPases. Due to a lack of suitable protein crystals, only partial three-dimensional structures have so far been obtained for this family of ion pumps. We present a structural model of CopA derived by combining topological information obtained by intramolecular cross-linking with molecular modeling. Purified CopA was cross-linked with different bivalent reagents, followed by tryptic digestion and identification of cross-linked peptides by mass spectrometry. The structural proximity of tryptic fragments provided information about the structural arrangement of the hydrophilic protein domains, which was integrated into a three-dimensional model of CopA. Comparative modeling of CopA was guided by the sequence similarity to the calcium ATPase of the sarcoplasmic reticulum, Serca1, for which detailed structures are available. In addition, known partial structures of CPx-ATPase homologous to CopA were used as modeling templates. A docking approach was used to predict the orientation of the heavy metal binding domain of CopA relative to the core structure, which was verified by distance constraints derived from cross-links. The overall structural model of CopA resembles the Serca1 structure, but reveals distinctive features of CPx-type ATPases. A prominent feature is the positioning of the heavy metal binding domain. It features an orientation of the Cu binding ligands which is appropriate for the interaction with Cu-loaded metallochaperones in solution. Moreover, a novel model of the architecture of the intramembranous Cu binding sites could be derived.

Efficient estimation of the total number of acini in adult rat lung

Pulmonary airways are subdivided into conducting and gas-exchanging airways. An acinus is defined as the small tree of gas-exchanging airways, which is fed by the most distal purely conducting airway. Until now a dissector of five consecutive sections or airway casts were used to count acini. We developed a faster method to estimate the number of acini in young adult rats. Right middle lung lobes were critical point dried or paraffin embedded after heavy metal staining and imaged by X-ray micro-CT or synchrotron radiation-based X-rays tomographic microscopy. The entrances of the acini were counted in three-dimensional (3D) stacks of images by scrolling through them and using morphological criteria (airway wall thickness and appearance of alveoli). Segmentation stopper were placed at the acinar entrances for 3D visualizations of the conducting airways. We observed that acinar airways start at various generations and that one transitional bronchiole may serve more than one acinus. A mean of 5612 (±547) acini per lung and a mean airspace volume of 0.907 (±0.108) μL per acinus were estimated. In 60-day-old rats neither the number of acini nor the mean acinar volume did correlate with the body weight or the lung volume.

Quantification of nanoparticles at the single-cell level: an overview about state-of-the-art techniques and their limitations.

With the increasing production and use of engineered nanoparticles it is crucial that their interaction with biological systems is understood. Due to the small size of nanoparticles, their identification and localization within single cells is extremely challenging. Therefore, various cutting-edge techniques are required to detect and to quantify metals, metal oxides, magnetic, fluorescent, as well as electron-dense nanoparticles. Several techniques will be discussed in detail, such as inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy, flow cytometry, laser scanning microscopy combined with digital image restoration, as well as quantitative analysis by means of stereology on transmission electron microscopy images. An overview will be given regarding the advantages of those visualization/quantification systems, including a thorough discussion about limitations and pitfalls.

Effects of PEG-Induced Water Deficit in Solanum nigrum on Zn and Ni Uptake and Translocation in Split Root Systems

Drought strongly influences root activities in crop plants and weeds. This paper is focused on the performance of the heavy metal accumulator Solanum nigrum, a plant which might be helpful for phytoremediation. The water potential in a split root system was decreased by the addition of polyethylene glycol (PEG 6000). Rubidium, strontium and radionuclides of heavy metals were used as markers to investigate the uptake into roots, the release to the shoot via the xylem, and finally the basipetal transport via the phloem to unlabeled roots. The uptake into the roots (total contents in the plant) was for most makers more severely decreased than the transport to the shoot or the export from the shoot to the unlabeled roots via the phloem. Regardless of the water potential in the labeling solution, 63Ni and 65Zn were selectively redistributed within the plant. From autoradiographs, it became evident that 65Zn accumulated in root tips, in the apical shoot meristem and in axillary buds, while 63Ni accumulated in young expanded leaves and roots but not in the meristems. Since both radionuclides are mobile in the phloem and are, therefore, well redistributed within the plant, the unequal transfer to shoot and root apical meristems is most likely caused by differences in the cell-to-cell transport in differentiation zones without functional phloem (immature sieve tubes).

Transcript levels of AtMRPs after cadmium treatment: induction of AtMRP3

In yeasts, the ABC-type transporters are involved in vacuolar sequestration of cadmium. In plants, transport experiments with isolated vacuoles indicate that this is also true. In order to know more about the response of AtMRPs, a subclass of Arabidopsis ABC transporters, to cadmium, their expression pattern was analysed using the microchip technology and semi-quantitative reverse transcriptase-polymerase chain reaction. From 15 putative sequences coding for AtMRPs, transcript levels were detected for 14. All were expressed in the roots as well as in the shoots, although at a different level. In 4-week-old Arabidopsis, transcript levels of four AtMRPs were up-regulated after cadmium treatment. In all cases up-regulation was exclusively observed in the roots. The increase of transcript levels was most pronounced for AtMRP3. A more detailed analysis revealed that induction of AtMRP3 could also be observed in the shoot when leaves were cut and cadmium allowed to be taken up in the shoot. In young plantlets, a far higher portion of Cd2+ was translocated in the aerial part compared with adult plants. Consequently, AtMRP3 transcript levels increased in both root and shoot of young plants. This suggests that 7-day-old seedlings do not exhibit such a strict root–shoot barrier as 4-week-old plants. Expression analysis with mutant plants for glutathione and phytochelatin synthesis as well as with compounds producing oxidative stress indicate that induction of AtMRP3 is likely due to the heavy metal itself.

Biochemical changes in barley plants after excessive supply of copper and manganese

The present study was undertaken to identify changes in some important proteins involved in CO2 fixation (Rubisco, Rubisco activase (RA), Rubisco binding protein (RBP)), NH4+ assimilation (glutamine synthetase (GS) and glutamate synthase (GOGAT)), using immunoblotting, and in the antioxidative defense as a result of Cu or Mn excess in barley leaves (Hordeum vulgare L. cv. Obzor). Activities and isoenzyme patterns of superoxide dismutase (SOD), ascorbate peroxidase (APX), guaiacol peroxidase (GPX) and catalase (CAT), as well as the levels of ascorbate (ASC), non-protein sulfhydryl groups, hydrogen peroxide and oxidative damage to proteins were determined. Data were correlated to the accumulation of Cu or Mn in the leaves after 5 days supply of heavy metal (HM) excess in the nutrient solution. In the highest Cu excess (1500 μM), Rubisco LS and SS were reduced considerably whereas under the highest Mn concentrations (18,300 μM) only minor changes in Rubisco subunits were detected. The RBP was diminished under the highest concentrations of both Cu or Mn. The bands of RA changed differently comparing Cu and Mn toxicity. GS decreased and GOGAT was absent under the highest concentration of Cu. At Mn excess Fd-GOGAT diminished whereas GS was not apparently changed. The development of toxicity symptoms corresponded to an accumulation of Cu or Mn in the leaves and to a gradual increase in protein carbonylation, a lower SOD activity and elevated CAT and GPX activities. APX activity was diminished under Mn toxicity and was not changed under Cu excess. Generally, changes in the isoenzyme profiles were similar under both toxicities. An accumulation of H2O2 was observed only at Mn excess. Contrasting changes in the low-molecular antioxidants were detected when comparing both toxicities. Cu excess affected mainly the non-protein SH groups, while Mn influenced the ASC content. Oxidative stress under Cu or Mn toxicity was most probably the consequence of depletion in low-molecular antioxidants as a result of their involvement in detoxification processes and disbalance in antioxidative enzymes. The link between heavy metal accumulation in leaves, leading to different display of oxidative stress, and changes in individual chloroplast proteins is discussed in the article.

Loss on ignition as a method for estimating organic and carbonate content in sediments: reproducibility and comparability of results

Five test runs were performed to assess possible bias when performing the loss on ignition (LOI) method to estimate organic matter and carbonate content of lake sediments. An accurate and stable weight loss was achieved after 2 h of burning pure CaCO3 at 950 °C, whereas LOI of pure graphite at 530 °C showed a direct relation to sample size and exposure time, with only 40-70% of the possible weight loss reached after 2 h of exposure and smaller samples losing weight faster than larger ones. Experiments with a standardised lake sediment revealed a strong initial weight loss at 550 °C, but samples continued to lose weight at a slow rate at exposure of up to 64 h, which was likely the effect of loss of volatile salts, structural water of clay minerals or metal oxides, or of inorganic carbon after the initial burning of organic matter. A further test-run revealed that at 550 °C samples in the centre of the furnace lost more weight than marginal samples. At 950 °C this pattern was still apparent but the differences became negligible. Again, LOI was dependent on sample size. An analytical LOI quality control experiment including ten different laboratories was carried out using each laboratory's own LOI procedure as well as a standardised LOI procedure to analyse three different sediments. The range of LOI values between laboratories measured at 550 °C was generally larger when each laboratory used its own method than when using the standard method. This was similar for 950 °C, although the range of values tended to be smaller. The within-laboratory range of LOI measurements for a given sediment was generally small. Comparisons of the results of the individual and the standardised method suggest that there is a laboratory-specific pattern in the results, probably due to differences in laboratory equipment and/or handling that could not be eliminated by standardising the LOI procedure. Factors such as sample size, exposure time, position of samples in the furnace and the laboratory measuring affected LOI results, with LOI at 550 °C being more susceptible to these factors than LOI at 950 °C. We, therefore, recommend analysts to be consistent in the LOI method used in relation to the ignition temperatures, exposure times, and the sample size and to include information on these three parameters when referring to the method.