Marine Bioanalytische Chemie

Forschungsschwerpunkte

Die Erfassung und Bewertung von Schadstoffen und ihren Effekten

Mission: Charakterisierung von prioritären und neuen Problemstoffen, insbesondere von Schwermetallen und Elementverbindungen sowie ihrer potentiellen Effekte in der küstennahen und marinen Umwelt unter Einsatz von integrativen Probennahmetechniken.

Die Herausforderungen der heutigen Umweltanalytik liegen in der enormen Vielfalt an eingesetzten Chemikalien, ihrer hohen Wirksamkeit, möglichen additiven Effekte in undefinierten Mischungen sowie in ihrer Langlebigkeit. Hinzu kommt, dass viele der eingesetzten Stoffe derzeit keinen Regulatorien unterliegen, nicht überwacht werden und ihre toxischen Eigenschaften teilweise noch unbekannt sind.

Unsere Schwerpunkte liegen im Einsatz und der kontinuierlichen Entwicklung von Multielementmethoden und Kopplungstechniken, mit denen wir noch immer problematische Elemente und Elementspezies wie z.B. Zinn- und Arsenverbindungen und neue Stoffe wie metallhaltige Diagnostika (z.B. Gadoliniumverbindungen) erfassen. Das erhaltene breite Spektrum potentieller Schadstoffe wird zur Ermittlung signifikanter Stoffmuster (Fingerprints) herangezogen, die z.B. zur Charakterisierung von Sedimentprovinzen sowie bei Untersuchungen zur Verteilung, Herkunft und Verbleib von Schwebstoffen und Sedimenten genutzt werden.

Bild nach T. Prohaska, J. Irrgeher, A. ZItek and N. Jakubowski, eds., Sector Field Mass Spectrometry for Elemental and Isotopic Analysis, Royal Society of Chemistry, Cambridge (2015).

Seit den frühen 1990ern Jahren hat sich die Analyse sogenannter ‘nicht-traditioneller’ Isotopensysteme mittels MC ICP-MS (Multikollektor Induktiv gekoppelter Plasma Massenspektrometrie) zu einer vielseitigen und immer leistungsfähigeren Analysetechnik entwickelt. MC ICP-MS zeichnet sich durch Vorteile wie reduzierte Probenvorbereitung, hoher Probendurchsatz sowie die Möglichkeit ein sehr breites Spektrum an Elementen des Periodensystems zu ionisieren aus, was eine breite Anwendung ermöglicht (Klick zum Vergrößern der Abbildung) . Die Methode kann zur Analyse der natürlichen Isotopenvariation praktisches jedes Elements mit 2 der mehr Isotopen herangezogen werden. So ist es beispielsweise möglich, die Quellen eines Elements in Umweltkompartimenten zu bestimmen, da sich natürliche Quellen (z.B. Geologie) und anthropogene Quellen (z.B. Industrie) in ihrer Isotopensignatur unterscheiden. Außerdem ist es möglich, künstlich eingebrachte, stabile angreicherte Isotope zu analysieren, die als Tracer für biogeochemische Prozesse eingesetzt werden.
Am HZG (KBA) liegt der Fokus der Isotopenanalytik an der Entwicklung von neuartigen Tracer-Werkzeugen mittels hochpräziser Isotopenverhältnismessungen in marinen Kompartimenten. Eine Kombination von verschiedenen Isotopensystemen (u.a. Sr, Pb, Nd, Mo) wird für die räumlich strukturierte Beschreibung und Beurteilung der Schadstoffe und Nährstoffe im Deutschen Wattenmeer, unter Berücksichtigung der Flusseinzugsgebiete, herangezogen.

Unsere ersten Ergebnisse zu Isotopenverhältnissen in der Nordsee


Isotopenverhältnisse in der Nordsee

Im Zuge einer Pilotstudie wurden ausgewählte Sedimentproben aus der Wattenmeerkampagne 2014 wie auch aus den NOAH-Sedimentfeldern (North Sea Observation and Assessment of Habitats) der deutschen Bucht auf Strontium- und Blei- Isotopensignaturen und Sr- und Pb- Gehalten mittels (Multikollektor) – ICP-MS analysiert. Die mittels ArcGIS® erzeugte Multi-Layer-Grafik zeigt, dass sowohl Blei – (Pb-208/Pb-206), (Pb-207/Pb-206) als auch Sr – Isotopenverhältnisse (Sr-87/Sr-86) und δ(Sr-88/Sr-86 SRM987) signifikante Variation über die ausgewählten Sedimentproben aufweisen. Dies deutet auf mögliche Unterschiede in der Herkunft der Sedimente und damit auf verschiedene Einzugsgebiete hin. Im nächsten Schritt wird das Einzugsgebiet der deutschen Bucht näher charakterisiert, um mögliche Herkunftsorte zu determinieren und damit unter anderem Kontaminationsquellen zu bestimmen.
Detaillierte Informationen finden sich auf dem Poster, präsentiert auf der Goldschmidt Konferenz 2015 in Prag Publikationen Marine Bioanalytische Chemie -> Poster

Schadstoffe können Organismen auf unterschiedlichen Ebenen beeinflussen. Eine offensichtliche, hochgradige Schädigung z.B. morphologische Läsionen oder ein Populations-Rückgang kann unter Umständen bereits auf untergeordneten biologischen Ebenen frühzeitig erkannt werden. Die Ebene der Proteinexpression bietet hier ein großes Potential, um Veränderungen auf Molekülebene gezielt zu detektieren.

In diesem Zusammenhang setzen wir transplantierte Muscheln als Indikatororganismen ein. Zur Erfassung von Veränderungen auf Proteinebene werden bioanalytische Techniken und molekülspezifische massenspektrometrische Detektionsverfahren aus dem Bereich der Proteomics eingesetzt. Darüber hinaus betrachten wir mögliche Schadstoffeffekte anhand etablierter physiologischer Indizes, die etwas über die allgemeine Fitness der transplantierten Muscheln aussagen.

An derzeit zwei ausgewählten Stationen des COSYNA Messnetzes (Im Unterwasserexperimentierfeld "MarGate" bei Helgoland und auf der "Seebäderbrücke" in Cuxhaven) betreiben wir seit März 2011 eine neuartige Infrastruktur zur Entwicklung und Erprobung von integrativen Probennahmeverfahren (verschiedene Typen Passiv- und Aktivsammler). Für beide Standorte wurde die Logistik aufgebaut, um eine dauerhafte Ausbringung sowie regelmäßige Probennahme in einem mehrwöchigen Zeitintervall zu gewährleisten.

Begleitet werden die Messungen der integrierten, also zeitgemittelten Schadstoffkonzentrationen durch punktuelle Wasserproben und durch die kontinuierliche Sammlung von Schwebstoffproben, über sogenannte Sinkstofffallen. Auf diese Art werden alle relevanten Umweltkompartimente (Sediment, Wasser, Biota) abgedeckt.

Aktuell wird eine Durchflusskammer zur Integration von Passivsammlern in stationäre Ferry Box Systeme entwickelt und am Standort Cuxhaven erprobt. Die gleichzeitige Erfassung weiterer Parameter, wie z.B. Salzgehalt, Temperatur, usw. durch die dort installierte „Ferry Box“ liefern einen wichtigen Beitrag zur weitergehenden Interpretation der erfassten Schadstoff und Effektdaten.