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Institut für Bio- und Geowissenschaften

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Wirkungsbezogene Herbizid-Analytik

Aktuelle und globale Entwicklungen stellen die moderne Pflanzenzüchtung und Pflanzenproduktion vor neue Herausforderungen, die nur durch innovative Lösungswege und durch Bündelung von Expertisen auch außerhalb klassischer Kooperationsnetze angegangen werden können.

Bei der Sicherung der Nahrungsmittelsproduktion ist die intensive Landwirtschaft von der Anwendung der Herbizide nicht mehr zu trennen. Mit der globalen Energieverknappung und dem damit verbundenen gestiegenen Interesse an Pflanzen als nachwachsende Energieträger sind stets kürzere Generationszyklen der Kulturpflanze sowie höherer Ertrag angelegt, wodurch dies mit einem weiterhin steigenden Einsatz von Herbiziden zu rechnen ist. Seit 1960 ist es bekannt, dass die Wirkung der effizientesten und somit erfolgreichsten Herbizide auf die Beeinflussung der Photosynthese-II (PSII) zurückzuführen ist. Diese Hemmstoffe sind dann als PSII-Hemmer bekannt. Mit über 52 verschiedenen Derivaten bilden die PSII-Hemmstoffe heute immer noch die größte Herbizidklasse. Allerdings spiegelt sich der Erfolg dieser PSIIHerbizide nach Jahrzehnten intensiven Applikationen in den Akkumulationen in der Umwelt wieder.

Wirkungsbezogene Herbizid-AnalytikZusammenschluss der Substrukturen zu Photosynthese-II-Partikel
Quelle: Ferreira, K.N. et al. (2004) Science 303, p.1831-1838


Die zahlreichen Bemühungen, um eine nachhaltige Anwendung der Herbizide zu sichern, setzen Kenntnisse über ihre Belastungen in der Matrices und Umwelt voraus. Darauffolgend ist dann erst möglich, die Menge zu begrenzen, die Austragung zu steuern oder auszusetzen bzw. auch ganz zu verbieten. Die derzeitig eingesetzten Techniken, um Herbizide in Umweltproben und Lebensmitteln zu erfassen, basieren auf kostenintensiven und sehr aufwändigen chromatographischen und spektrometrischen Verfahren. Die Detektion ganzer Reihe von Schadstoffen bedarf dabei für jedes Analyt eines individuellen Standards (substanzbezogene Analytik).

Der Erkenntnis des Wirkungsprinzips der PSII-Herbizide auf die PSII-Prozesse bzw. PSII-Strukturen kann nun auch als bionisches Detektionsprinzip herangezogen werden. Deren Implementierung würde ein interaktives Detektionsverfahren darstellen, welche eine „single-batch“ Erfassung ganzer PSII-Herbizidklasse ermöglicht (wirkungsbezogene Analytik). Dadurch können die o.g. kostspieligen Untersuchungen nur auf diejenigen Matrices mit positivem Gefährdungspotenzial eingeschränkt werden. Ziel des Forschungsvorhabens ist folglich ein tieferes Verständnis über das molekulare Wechselwirkungsprinzip zwischen Substrukturen der pflanzlichen Photosynthese-II (PSII) und dessen Liganden unter extrazellulären Bedingungen zu gewinnen. Im Anschluss daran soll basierend auf dieser Wechselwirkung eine wirkungsbezogene „single-batch“ Detektion einer ganzen Klasse von PSII-Herbiziden entwickelt werden. Um solche molekulare Wechselwirkung markierungsfrei zu visualisieren und zu quantifizieren, wird eine hochempfindliche optische Biosensorplattform basierend auf mikrosystemisches, integriert optisches Mach-Zehnder-Interferometer (IO-MZI) herangezogen bzw. konzipiert. Durch bionische Implementierung von wirkungsidentischen Erkennungsstrukturen nach Vorbild der PSII-Cofaktoren und ihrer Bindetasche auf dem IO-MZI soll anschließend über das kompetitive Wirkungsprinzip die Erfassung von PSII-Herbiziden demonstriert werden.  

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