Fallstudie B2: Einflüsse hochentwickelter Materialien auf Umweltorganismen

Fallstudie B2: Einflüsse hochentwickelter Materialien auf Umweltorganismen

Hochentwickelte Materialien aus einer Kombination von polymeren und anorganischen Bestandteilen (wie in den Beispielen der Nanopartikel-beladenen Hochleistungsfasern oder den Hybridclustern) können in die Umwelt gelangen und sich dort zersetzen. Die Auswirkungen der entstehenden Zerfallsprodukte auf Umwelt und Lebewesen wird in den bisherigen Herangehensweisen nicht berücksichtigt. Da die mehr und mehr hochentwickelter Materialien entwickelt werden, ist es wichtig die Entwicklung mit der Untersuchung von Umweltauswirkungen zu begleiten. Im Fallbeispiel B2 werden die Effekte der hochentwickelten Materialien mit denen „herkömmlicher“ Partikel wie Mikroplastik und natürlich vorkommender inorganische Partikel verglichen. Ziel ist es, die ökologishen Auswirkungen der hochentwickelten Materialien einschätzen zu können.

Auswirkungen hochentwickelter Materialien auf Land- und Wasserpflanzen am IPB

Unterschiedliche Auswirkungen der Zerfallsprodukte von hochentwickelten Werkstoffen sind denkbar. Sie können als Vektoren für Krankheitserreger dienen, Giftstoffe freisetzen, Gewebe mechanisch schädigen und/oder zu höherem Energiebedarf der Organismen führen. Am IPB wird die unmittelbare Reaktion von Bodenpflanzen auf die in den Fallbeispielen A1 und B1 entwickelten Materialien auf molekularer Ebene, mit Fokus auf sekundäre Pflanzenstoffe, untersucht.

Auswirkungen hochentwickelter Materialien auf marine kalkeinlagernde Organismen am ZMT

Für die Untersuchung der in den Fallbeispielen A1 und B1 entwickelten Materialien werden Korallen und Großforaminiferen sowie deren Symbionten (Algen) als Modellorganismen verwendet. Hierfür stehen die Aquarien des ZMT zur Verfügung. Es wird analysiert, wie die Partikel von den Organismen aufgenommen und wieder ausgeschieden werden, wie sie in die Organismen eindringen oder eingebaut werden und ob und welche Einflüsse sie auf den Stoffwechsel und das Skelettwachstum haben.

3 Beispiele aus der Arbeit mit marinen Organismen: 1. Aquarium an dessen Boden Korallen wachsen, 2. Nahaufnahme einer lebenden Koralle die mit Mikroplastik in Kontakt kommt. Das Wasser ist trübe, die Koralle nur verschwommen zu sehen, 3. Umrisse einer schneckenhausförmigen Foramifere die nur schemenhaft zu erkennen ist. Gefressenes Nanoplastik ist in der Schale eingebaut und leuchtet nun, aufgrund des verwendeten Fluoreszenzlichts, orange. Der Rest des Bildes ist schwarz.

Links: Aquariumexperiment an unterschiedlichen Korallen. Rechts oben: Koralle Seriatopora hystrix im Mikroplastik-Expositionsexperiment: Die Koralle reagiert mit energieaufwendiger vermehrter Schleimbildung und kann Plastik im Skelett einbauen.1 Rechts unten: Foraminifere Amphistegina sp. im Nanoplastik-Expositionsexperiment: Nanoplastik wird gefressen und ist nun fluoreszierend in der Schale sichtbar (Masterarbeit Marlena Joppien). Quelle: ZMT

Beteiligte Institute

Logo IPB
Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie (IPB) 18 Monate

Logo ZMT
Leibniz-Zentrum für Marine Tropenforschung (ZMT) 18 Monate

Logo IPF
Leibniz-Institut für Polymerwerkstoffe Dresden e.V. beteiligt

Logo DWI
DWI – Leibniz-Institut für Interaktive Materialien beteiligt
Referenzen und eigene Vorarbeiten
  1. Hierl F, Wu HC, Westphal H (2021) Scleractinian corals incorporate microplastic particles: Identification from a laboratory study. Environmental Science and Pollution Research 28 (2021) 37882. https://doi.org/10.1007/s11356-021-13240-x
  2. Humphreys AF, Halfar J, Ingle JC, Manzello D, Reymond CE, Westphal H, Riegl B, Shallow-water Benthic Foraminifera of the Galápagos Archipelago: Ecologically Sensitive Carbonate Producers in an Atypical Tropical Oceanographic Setting. Journal Foraminiferal Research 49 (2019) 29. https://doi.org/10.2113/gsjfr.49.1.29
  3. Halfar J, Humphreys AF, Ingle JC, Manzello D, Reymond CE, Westphal H, Riegl B, Effect of seawater temperature, pH, and nutrients on the character, distribution, and low abundance of shallow water benthic foraminifera in the Galápagos. PLOS One 13:9 (2018) e0202746. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0202746
  4. Farag M, Meyer A, Ali A, Salem M, Giavalisco P, Westphal H, Wessjohann L (2018) A comparative metabolomics approach detects stress-specific responses during coral bleaching in soft corals. Journal of Proteome Research 17 (2018) 2060. https://doi.org/10.1021/acs.jproteome.7b00929
  5. Herrán N, Narayan GR, Reymond CE, Westphal H, Calcium carbonate production, coral cover and diversity along a distance gradient from Stone Town: a case study from Zanzibar, Tanzania. Frontiers in Marine Science 4 (2017) 412. https://doi.org/10.3389/fmars.2017.00412IPB
  6. Farag MA, Westphal H, Eissa TF, Wessjohann LA, Meyer A, Effect of oxylipins, terpenoid precursors and wounding on soft corals‘ secondary metabolism as analyzed via UHPLC/MS and chemometrics. Molecules 22 (2017) 2195. https://doi.org/10.3390/molecules22122195
  7. Farag MA, Al-Mahdy DA, Meyer A, Westphal H, Wessjohann LA, Metabolomics reveals biotic and abiotic elicitor effects on the soft coral Sarcophyton ehrenbergi terpenoid content. Scientific Reports (Nature) 2017, 7 (2017) 648. https://doi.org/10.1038/s41598-017-00527-8
  8. Farag MA, Maamoun AA, Meyer A, Wessjohann LA, Salicylic acid and its derivatives elicit the production of diterpenes and sterols in corals and their algal symbionts: a metabolomics approach to elicitor SAR. Metabolomics 2018, 14 (2018) 127. https://doi.org/10.1007/s11306-018-1416-y
  9. Farag MA, Porzel A, Al-Hammady MA, Hegazy M-EF, Meyer A, Mohamed TA, Westphal H, Wessjohann LA, Soft Corals Biodiversity in the Egyptian Red Sea: A Comparative MS and NMR Metabolomics Approach of Wild and Aquarium Grown Species. Journal of Proteome Research 15 (2016) 1274. https://doi.org/10.1021/acs.jproteome.6b00002
  10. Farag MA, Mostafa I. Fekry MI, Al-Hammady MA, Khalil MN, El-Seedi HR, Meyer A, Porzel A, Westphal H, Wessjohann LA, Cytotoxic Effects of Sarcophyton sp. Soft Corals – Is There a Correlation to Their NMR Fingerprints? Marine Drugs 15:7 (2017) 211. https://doi.org/10.3390/md15070211

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