Die Kontamination von Trinkwasser mit Arzneimitteln stellt eine ernste Gesundheitsgefahr dar. Um die Trinkwasserqualität kontinuierlich überwachen und im Falle einer Verunreinigung zeitnah reagieren zu können, sind neuartige Sensoren erforderlich. Hier können immunanalytische Methoden, die auf der Bindung des Analyten an hochselektive Antikörper beruhen, hilfreich sein. In dieser Arbeit wurden magnetpartikelbasierte Immunoassays (MBBAs) für zwei relevante Kontaminanten des Trinkwassers entwickelt: Diclofenac (DCF) und Amoxicillin (AMX). Bei letzterem erwiesen sich neben der Ausgangsverbindung auch dessen Hydrolyseprodukte (HPs) als relevant für die Gefährdungsbeurteilung. In einer umfassenden Studie wurde der Einfluss von externen Faktoren und intrinsischen Eigenschaften des Wassers auf die Hydrolysegeschwindigkeit untersucht. Da die Hydrolyse von AMX auch die Erkennung durch den Antikörper beeinflusst, wurde eine Strategie zur Analyse von Proben mit unbekanntem Hydrolysegrad von AMX unter Verwendung des Enzyms β-Lactamase in der Probenvorbereitung entwickelt. Für beide Analyten ermöglichen die MBBAs eine schnelle Quantifizierung mit Ergebnissen in weniger als einer Stunde, was eine wesentliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen Immunoassays wie dem Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA) darstellt. Im Vergleich zu den entsprechenden ELISAs mit denselben Antikörpern weisen die MBBAs zudem verbesserte analytische Parameter auf, wie einen breiteren Messbereich und niedrigere Nachweisgrenzen. Aufgrund der magnetischen Eigenschaften der Partikel, die als Plattform für die Assays dienen, eignen sie sich für den mobilen und automatisierten Einsatz vor Ort. Ein integriertes Diagnosesystem, bei dem die elektrochemische Detektion mittels Chronoamperometrie auf einem mikrofluidischen Chip eine weitere Miniaturisierung des Systems ermöglicht, wurde entworfen, um die Überwachung der Trinkwasserqualität online in Wasserwerken zu ermöglichen. / The contamination of drinking water with pharmaceuticals represents a severe health risk. In order to monitor the drinking water quality continuously and enable quick countermeasures in case of contamination, novel sensors are required. Here, immunoanalytical methods based on the binding of the analyte to highly selective antibodies can be helpful. In this work, magnetic bead-based immunoassays (MBBAs) have been developed for the detection of two relevant contaminants of drinking water: diclofenac (DCF) and amoxicillin (AMX). In case of the latter, not only the parent drug is of interest in the risk assessment but also its hydrolysis products (HPs). In a comprehensive study, the influence of external factors and intrinsic properties of the water on the rate of hydrolysis was investigated. As the hydrolysis of AMX further impacts the recognition by the antibody, a strategy to analyze samples with unknown hydrolysis degree of AMX was established employing the enzyme β-lactamase in sample preparation. For both analytes, the MBBAs enable the fast quantification with results obtained in less than one hour which represents a major improvement over conventional immunoassays like the enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). Compared to the respective ELISAs with the same antibodies, the MBBAs further exhibit improved analytical parameters such as a broader measurement range and lower limits of detection. Due to the magnetic properties of the beads that serve as a platform for the assays, they are suitable for the mobile and automated detection at the point-of-care. An integrated diagnostic system was designed in which electrochemical detection with chronoamperometry on a microfluidic chip allows for further miniaturization of the system to enable monitoring of the drinking water quality online in water supply pipes at waterworks.

In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, inwieweit die Reproduktionsbiologie von aquatischen Lebewesen durch die Gewässerbelastung mit endokrin wirksamen Substanzen (endocrine disruptors, ED) beeinflusst wird. Mit dem Amphib Xenopus laevis steht ein etabliertes Studienmodell zur Untersuchung der Wirkungen von ED auf die Reproduktionsbiologie zur Verfügung, das für die vorliegenden Studien modifiziert und erweitert sowie mit gewässeranalytischen Methoden verknüpft wurde. Die Gefährdung wasserlebender Tiere durch Gewässerbelastung mit ED kann erfasst werden, indem die Wirkung einer ausgewählten Einzelsubstanz auf die Reproduktionsbiologie untersucht wird. Anschließend erfolgt ein Nachweis der Substanz in Umweltproben. Durch Expositionsversuche, histologische Untersuchungen und Expressionsnachweis eines molekularen östrogenen Biomarkers konnte festgestellt werden, dass Bisphenol A (BPA) in Kaulquappen von Xenopus laevis verweiblichend wirkt und seine Effekte über eine Bindung an den Östrogenrezeptor vermittelt. Chemische Analysen während der Expositionsversuche zeigten, dass BPA von den Kaulquappen aufgenommen wird und dass eine geringe Abbaubarkeit der Substanz während eines Zeitraums von 48 Stunden besteht. Die Analyse von BPA in Wasserproben, die aus dem Fluss Alb oder aus Kläranlagenausläufen stammten, zeigte, dass BPA im Gewässer in relevanten Konzentrationen vorhanden ist und hauptsächlich durch eine Kläranlage in den Fluss eingeleitet wird. In einem Gewässer liegt allerdings ein Gemisch aus unterschiedlichen ED mit verschiedenen Wirkmechanismen vor. Die Gewässerbelastung mit endokrin wirksamen Substanzen kann weiterhin untersucht werden, indem Gewässerextrakte fraktioniert und in in vitro-Screeningmethoden getestet werden. Als Screeningmethoden dienten Rezeptorbindungsstudien an Östrogen- und Androgenrezeptoren sowie die Behandlung von Leberzellkulturen mit den Gewässerextrakten aus der Alb, um eine Regulation der Expression bestimmter Biomarkergene durch potenzielle ED nachzuweisen. Dazu wurde als neuer (anti)androgener und (anti)östrogener Biomarker das Retinol-binding Protein eingeführt. Die Untersuchung der Gewässerextrakte mit diesen Methoden zeigte, dass die Alb eine Belastung mit endokrin wirksamen Substanzen aufweist und dass hauptsächlich östrogen wirksame Substanzen vorkommen. Die Proben aus den Kläranlagenausläufen weisen die höchste endokrine Aktivität auf. / The present study examined the influence of endocrine active compounds (endocrine disruptors, ED), which are present in surface waters, on reproductive biology of aquatic organisms. The amphibian Xenopus laevis is a well-established model organism for the study of effects of ED on reproduction. It has been modified and broadened for the purpose of this study, and it was combined with chemical methods for water analyses. It is possible to assess water pollution with ED by detecting effects on repro-ductive biology of one particular substance, and then by looking for this substance in environmental water samples. We showed the feminizing potency of Bisphenol A (BPA) in conducting exposure experiments with tadpoles, in examining histological samples of gonads and in detecting the induction of the expression of a molecular estrogenic biomarker. BPA was recognized to mediate its effects via binding to the estrogen receptor. Moreover, analysis of BPA during exposure experiments revealed that BPA is taken up by tadpoles and is not readily degradable during a time period of 48 hours. Chemical analyses of environmental water samples from the river Alb or samples from sewage treatment works (STW) showed that BPA is released into the environment by STW effluents. In surface waters, there are different kinds of ED with different modes of action. Thus, it is another possibility to assess water pollution with ED by fractionating environmental water samples and by testing these fractions in rapid in vitro-screening methods. In the present work, receptor binding assays were carried out, both examining the binding to estrogen and androgen receptors. Furthermore, Xenopus laevis hepatocyte cultures were treated with fractions of environmental samples and biomarker expression was detected. A new biomarker to assess (anti)androgenic or (anti)estrogenic modes of action, respectively, was established. This new biomarker was the Retinol-binding Protein. The results obtained by these methods revealed that the river Alb is mainly polluted with estrogenic ED. Samples from STW effluents possessed the highest endocrine activity.

Die salzhaltigen Abwässer des Kalibergbaues führen in natürlichen Süßwassersystemen zu Ionenimbalanzen und einer sekundären Versalzung der Werra in Deutschland. Die Auswirkungen dieser Ionenungleichgewichte auf die Reproduktion von Süßwasserfischen wurden unter Verwendung der Modellfischart Danio rerio untersucht. Angepasst an die aktuellen Grenzwerte für die Einleitung der Abwässer aus dem Kalibergbau wurden fünf verschiedene Kombinationen erhöhter Ionenkonzentrationen getestet. Während eines partiellen Lebenszyklustests wurden adulte Fische 35 Tage lang in den Salzkombinationen exponiert. Anschließend wurden die Nachkommen dieser Fische bis zum 8. Tag nach der Befruchtung den gleichen Salzkonzentrationen ausgesetzt. Zusätzlich wurden Early-Life-Stage-Tests (ELST) mit den Nachkommen von nicht exponierten Eltern durchgeführt. Im Vergleich zu natürlich vorkommenden Ionenkonzentrationen und -verhältnissen in Süßwassersystemen war die Befruchtungsrate der Eier für alle Ionenkombinationen signifikant niedriger, die Koagulations- und Deformationsrate jedoch signifikant höher. Die ELST ergaben bei den Embryonen und Larven u.a. vorzeitige und verlängerte Schlupfzeiten, verringerte Überlebensraten, erhöhte Deformationsraten und Herzschlagfrequenzen sowie Unregelmäßigkeiten des Ganzkörpergehalts von K, Mg, Na und Ca und des Ganzkörper-Ionenverhältnisses von Ca:Mg bei erhöhten Ionenkonzentrationen und Ionenimbalanzen. Im Vergleich zu den Effekten auf die Fortpflanzung und Entwicklung der Nachkommen waren die Effekte auf die adulten Tiere moderat. Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigen, dass Teillebenszyklus-Tests besser als Fischeitests oder ELST geeignet sind, die Effekte von durch Abwasser verursachten Ionenimbalanzen, auf die Fortpflanzung und frühe Entwicklung von Süßwasserfischen, zu untersuchen. Weder die momentan gültigen noch die zukünftig herabgesetzten Grenzwerte bis 2027 sind danach als unschädlich, für die Reproduktion von Süßwasserfischen, zu betrachten. / The potash mining industry discharges saline effluents which generate ion imbalances in natural freshwater systems and cause severe secondary salinization in the river Werra in Germany. The effects of these ion imbalances on reproduction of freshwater fish were investigated using the fish model species Danio rerio. Five different combinations of elevated ion concentrations adjusted to the current threshold values for the discharge of potash mining effluents in Germany were tested. During a partial life cycle test, adult fish were exposed to the salt combinations for 35 days. Subsequently, the offspring were exposed to the same concentrations until hatch, and the larvae were further reared at the exposure concentrations from hatch until the 8th day post fertilization. Additionally, a standard early life stage test with offspring from unexposed parents was performed. Compared to naturally occurring ion concentrations and ratios in freshwater systems, the fertilization rate of the eggs was significantly lower for all ion combinations, while coagulation and deformation rates were significantly higher. Early life stage tests on embryos and larvae revealed premature and prolonged hatching times, reduced survival rates, increased deformation and heart rates and irregularities in whole body content of K, Mg, Na and Ca and whole body Ca:Mg ratios at elevated ion concentrations and imbalances of ion ratios. Compared to effects on reproduction and development of the offspring, effects on the parental generation were moderate. The results of this dissertation indicate that partial life cycle tests instead of fish egg tests or ELST are needed to examine most sensitively the effects of ion imbalances caused by potash mining effluents on reproduction and early development of freshwater fish. Neither the recent German threshold values nor the future reduced values until 2027 are safe for the reproduction of freshwater fish.