Dissertation
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Despite the significant presence of neuroactive substances in the environment, bioassays that allow to detect diverse groups of neuroactive mechanisms of action are not well developed and not properly integrated into environmental monitoring and chemical regulation. Therefore, there is a need to develop testing methods which are amenable for fast and high-throughput neurotoxicity testing. The overall goal of this thesis work is to develop a test method for the toxicological characterization and screening of neuroactive substances and their mixtures which could be used for prospective and diagnostic hazard assessment.
In this thesis, the behavior of zebrafish embryos was explored as a promising tool to distinguish between different neuroactive mechanisms of action. Recently, new behavioral tests have been developed including photomotor response (PMR), locomotor response (LMR) and spontaneous tail coiling (STC) tests. However, the experimental parameters of these tests lack consistency in protocols such as exposure time, imaging time, age of exposure, endpoint parameter etc. To understand how experimental parameters may influence the toxicological interpretation of behavior tests, a systematic review of existing behavioral assays was conducted in Chapter 2. Results show that exposure concentration and exposure duration highly influenced the comparability between different test methods and the spontaneous tail coiling (STC) test was selected for further testing based on its relative higher sensitivity and capacity to detect neuroactive substances (Chapter 2).
STC is the first observable motor activity generated by the developing neural network of the embryo which is assumed to occur as a result of the innervation of the muscle by the primary motor neurons. Therefore, STC could be a useful endpoint to detect effect on the muscle innervation and also the on the whole nervous system. Consequently, important parameters of the STC test were optimized and an automated workflow to evaluate the STC with the open access software KNIME® was developed (Chapter 3).
To appropriately interpret the observed effect of a single chemical and especially mixture effects, requires the understanding of toxicokinetics and biotransformation. Most importantly, the biotransformation capacity of zebrafish embryos might be limited and this could be a challenge for assessment of chemicals such as organophosphates which require a bioactivation step to effectively inhibit the acetylcholinesterase (AChE) enzyme. Therefore, the influence of the potential limited biotransformation on the toxicity pathway of a typical organophosphate, chlorpyrifos, was investigated in Chapter 5. Chlorpyrifos could not inhibit AChE and this was attributed to possible lack of biotransformation in 24 hpf embryos (Chapter 5).
Since neuroactive substances occur in the environment as mixtures, it is therefore more realistic to assess their combined effect rather than individually. Therefore, mixture toxicity was predicted using the concentration addition and independent action models. Result shows that mixtures of neuroactive substances with different mechanisms of action but similar effects can be predicted with concentration addition and independent action (Chapter 4). Apart
from being able to predict the combined effect of neuroactive substances for prospective risk assessment, it is also important to assess in retrospect the combined neurotoxic effect of environmental samples since neuroactive substances are the largest group of chemicals occurring in the environment. In Chapter 6, the STC test was found to be capable of detecting neurotoxic effects of a wastewater effluent sample. Hence, the STC test is proposed as an effect based tool for monitoring environmental acute and neurotoxic effects.
Overall, this thesis shows the utility and versatility of zebrafish embryo behavior testing for screening neuroactive substances and this allows to propose its use for prospective and diagnostic hazard assessment. This will enhance the move away from expensive and demanding animal testing. The information contained in this thesis is of great potential to provide precautionary solutions, not only for the exposure of humans to neuroactive chemicals but for the environment at large.
In vielen Teilen der Welt, vor allem in Subsahara-Afrika, ist Wasserknappheit bereits ein allgegenwärtiges Problem. Doch die Trockenjahre 2018 und 2019 zeigten, dass auch in Deutschland die Wasserressourcen endlich sind. Projektionen und Vorhersagen für die nächsten Jahrzehnte weisen zudem darauf hin, dass durch den steigenden Einfluss des Klimawandels die Erneuerungsraten der bestehenden Wasserressourcen zurückgehen, die Entnahmemengen aber aufgrund von Populationswachstum steigen werden. Es ist demnach an der Zeit, alternative und nachhaltige Methoden zu finden, die derzeit vorhandenen Wasserressourcen optimal zu nutzen. Daher rückte in den vergangenen Jahren die Wiederverwendung von geklärtem Abwasser zur Bewässerung landwirtschaftlicher Flächen und/oder der Grundwasseranreicherung in den Fokus der Wissenschaft. Dabei ist aber zu berücksichtigen, dass in geklärtem Abwasser sogenannte Spurenstoffe zu finden sind, d.h. Substanzen, die durch anthropogenen Einfluss in den Wasserkreislauf gelangen. Dabei handelt es sich z.B. um Pharmazeutika, Pestizide und Industriechemikalien, aber auch um Metabolite, die im menschlichen Körper gebildet werden und in das Abwasser gelangen. Durch die Wasseraufbereitungsschritte in den Kläranlagen als auch durch biologische, chemische und physikalische Prozesse in der Bodenpassage bei der Wiederverwendung des geklärten Abwassers werden diese Spurenstoffe zu anderen Substanzen, den Transformationsprodukten (TPs), umgewandelt, die das Spektrum der Spurenstffe zusätzlich erweitern.
Trotz der Tatsache, dass das Vorhandensein von Human-Metaboliten und TPs in ungeklärtem und geklärten Abwasser seit langem bekannt ist, werden sie in gängigen Routine-Messmethoden nur selten berücksichtigt. Daher war es ein erstes Ziel dieser Dissertation eine Analyse-Methode zu erstellen, basierend auf Flüssigchromatographie-Tandem Massenspektrometrie (LC-MS/MS), die ein möglichst breites Spektrum an Spurenstoffen inklusive bekannter Metabolite und TPs enthält. Die entwickelte Multi-Analyt-Methode umfasst insgesamt 80 Ausgangssubstanzen und 74 Metabolite und TPs verschiedener Substanzklassen und ist für die Anwendung in verschiedenen Wassermatrices (Zu- und Ablauf von Kläranlagen, Oberflächenwasser und Grundwasser aus einer Uferfiltrationsanlage) validiert. Dabei wurde auch der Einfluss der MS-Parameter auf die Qualität der Analysedaten untersucht. Trotz der hohen Anzahl an Substanzen konnte eine ausreichende Anzahl an Datenpunkten je Peak generiert werden, wodurch eine hohe Empfindlichkeit und Präzision sowie eine gute Wiederfindung für alle Matrices erreicht wurden. Die Auswahl der Analyten erwies sich als relevant für die Untersuchung von Umweltmatrices, da 95% der Substanzliste in mindestens einer Probe nachgewiesen wurden. Mehrere Spurenstoffe, die bisher nicht im Fokus der gegenwärtigen Multi-Analyt-Methoden standen, wurden bei erhöhten Konzentrationen im Wasserkreislauf quantifiziert (z.B. Oxypurinol). Die Relevanz der Untersuchung von Metaboliten und TPs zeigte sich durch den Nachweis von z.B. Clopidogrel-Säure und Valsartansäure mit deutlich höheren Konzentrationen als ihre Ausgangssubstanzen. Valsartansäure konnte zudem sogar im Uferfiltrat detektiert werden.
Durch die Einbindung der Metabolite, die durch biologische Prozesse im Körper entstehen, und den biologischen und chemischen TPs, eignet sich die Multi-Analyt-Methode auch zur Aufklärung von Abbaumechanismen in natürlichen Behandlungssystemen zur Wasserwiederverwendung, wozu es in der Literatur bisher nur wenige Angaben gibt. Im Rahmen der Dissertation wurden Proben aus zwei Systemen analysiert, einem im Pilotmaßstab entwickelten oberirdischen sequenziellen Biofiltrationssystem (SBF) und einem großmaßstäblichen Bodenpassagen-System (SAT). Im SBF-System konnten hauptsächlich biologische Abbaumechanismen beobachtet werden, was durch die Entstehung biologischer TPs deutlich gezeigt wurde. Die Effizienz des Abbaus wurde dabei durch eine Zwischenbelüftung erhöht, die oxische Bedingungen hervorrief. Im SAT-System kam es zu einer Kombination von Bioabbau- und Sorptionsprozessen. Es wurde beobachtet, dass bei einigen biologisch abbaubaren Spurenstoffen ein geringerer Abbau erreicht wurde als im SBF-System, was auf unterschiedliche Redox-Bedingungen und eine andere mikrobielle Gemeinschaft zurückzuführen war. Als Vorteil des SAT-Systems gegenüber des SBF erwies sich die Sorptionsfähigkeit des natürlichen Bodens. Vor allem positiv geladene Spurenstoffe zeigten eine Entfernung aufgrund von ionischen Wechselwirkungen mit negativ geladenen Bodenpartikeln. Auf der Grundlage ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften bei Umgebungs-pH, ihres Entfernungsgrades in den untersuchten Systemen und ihres Vorkommens im einfließenden Wasser konnte eine Auswahl von prozessbasierten Indikatorsubstanzen vorgeschlagen werden.
In den vorherigen Arbeiten wurde in Kläranlagenabläufen häufig ein Spurenstoff in erhöhten Konzentrationen nachgewiesen, der bisher wenig im Fokus der Umweltforschung stand: das Antidiabetikum Sitagliptin (STG). STG zeigt nur eine geringe Abbaubarkeit in biologischen Systemen. Daher wurde untersucht, inwieweit eine chemische Aufbereitung mittels Ozonung einen Abbau gewährleisten kann. STG weist in seiner Struktur ein aliphatisches primäres Amin als entscheidende Angriffsstelle für das Ozonmolekül auf. In der Literatur finden sich kaum Informationen zum Verhalten dieser funktionellen Gruppe während der Ozonung. Die in dieser Dissertation erzielten Ergebnisse können daher exemplarisch für andere Spurenstoffe mit Amingruppen herangezogen werden. Es zeigte sich eine pH-abhängige Abbaukinetik aufgrund der Protonierung des primären Amins bei niedrigen pH-Werten. Bei für die Umwelt und Kläranlagen typischen pH-Werten im Bereich 6 – 8 wies STG Abbaukinetiken mittels Ozon im Bereich 103 M-1s-1 auf, mit einem vollständigen Abbau kann allerdings erst bei deutlich höheren pH-Werten > 9 gerechnet werden. Die Transformation des primären Amins zu einer Nitro-Gruppe wurde als Hauptabbaumechanismus in der Ozonung identifiziert. Ebenfalls wurde die Entstehung weiterer TPs wie z.B. eines Diketons und Trifluoressigsäure (TFA) beobachtet. Untersuchungen an einer Pilotanlage, bei der die Ozonung unter realen Bedingungen mit dem Ablauf einer konventionellen Kläranlage durchgeführt wurde, bestätigte die Ergebnisse der Laboruntersuchungen: STG wurde auch bei einer hohen Ozondosis nicht vollständig entfernt und die Nitro-Verbindung erwies sich als Haupt-TP, das weder bei weiterer Ozonung noch in einer nachgeschalteten biologischen Behandlung abgebaut wurde. Es ist daher davon auszugehen, dass unter realen Bedingungen sowohl eine Restkonzentration an STG als auch das Haupt-TP sowie weitere TPs wie TFA im Ablauf einer Kläranlage bestehend aus konventioneller biologischer Aufreinigung, Ozonung und nachgeschalteter biologischer Aufreinigung auffindbar sind.
Graph-based data formats are flexible in representing data. In particular semantic data models, where the schema is part of the data, gained traction and commercial success in recent years. Semantic data models are also the basis for the Semantic Web - a Web of data governed by open standards in which computer programs can freely access the provided data. This thesis is concerned with the correctness of programs that access semantic data. While the flexibility of semantic data models is one of their biggest strengths, it can easily lead to programmers accidentally not accounting for unintuitive edge cases. Often, such exceptions surface during program execution as run-time errors or unintended side-effects. Depending on the exact condition, a program may run for a long time before the error occurs and the program crashes.
This thesis defines type systems that can detect and avoid such run-time errors based on schema languages available for the Semantic Web. In particular, this thesis uses the Web Ontology Language (OWL) and its theoretic underpinnings, i.e., description logics, as well as the Shapes Constraint Language (SHACL) to define type systems that provide type-safe data access to semantic data graphs. Providing a safe type system is an established methodology for proving the absence of run-time errors in programs without requiring execution. Both schema languages are based on possible world semantics but differ in the treatment of incomplete knowledge. While OWL allows for modelling incomplete knowledge through an open-world semantics, SHACL relies on a fixed domain and closed-world semantics. We provide the formal underpinnings for type systems based on each of the two schema languages. In particular, we base our notion of types on sets of values which allows us to specify a subtype relation based on subset semantics. In case of description logics, subsumption is a routine problem. For
the type system based on SHACL, we are able to translate it into a description
logic subsumption problem.
Die bisherige Forschung zur Diagnosekompetenz hat trotz langjähriger Forschungstraditionen für die Praxis kaum relevante Befunde erbracht. Dies wurde in der vorliegenden Arbeit als Anlass für den Vorschlag genommen, diagnostische Kompetenz als reine Urteilsgenauigkeit, gemäß der Komponentenanalyse nach Cronbach (1955), zu erweitern. Mit der Einführung der Beobachtungskompetenz als einer weiteren Facette diagnostischer Kompetenz knüpft die vorliegende Studie zudem an der Forschung zu formativem Assessment an.
Die zentralen Fragen der Arbeit beziehen sich darauf, wie die beiden Facetten der diagnostischen Kompetenz Urteilsgenauigkeit und Beobachtungskompetenz von pädagogischen Fachkräften im Elementarbereich ausgeprägt sind, ob diese Facetten zusammenhängen und wie sie durch bereichsspezifische Fortbildungen und explizit durch verschiedene Fortbildungsansätze (Lehrgangs- vs. Lernwegsorientierung) verändert werden können. Untersucht wurden insgesamt 103 Erzieherinnen aus 21 Einrichtungen mit eigens für die Arbeit entwickelten Instrumenten (Fragebögen, Filmvignetten).
Zur Beantwortung der ersten Forschungsfrage, wie die bereichsspezifische diagnostische Kompetenz von Erzieherinnen hinsichtlich der Facetten Urteilsgenauigkeit und Beobachtungskompetenz ausgeprägt ist, zeigt sich, dass Erzieherinnen das Niveau ihrer Gruppe im Vergleich der Urteilsgenauigkeits-Komponenten am besten einschätzen können (Niveaukomponente), mit Tendenz zur Überschätzung. Auch die Wahrnehmung von Unterschieden zwischen den Kindern ihrer Gruppe gelingt ihnen gut (Personenkomponente), dabei neigen sie eher zu einer Überschätzung der Heterogenität. Wesentlich schwerer fällt es ihnen, spezifische Aufgabenschwierigkeiten im mathematischen Bereich korrekt einzuschätzen (Merkmalskomponente) und Unterschiede zwischen den Kindern im Hinblick auf einzelne Aufgaben (Wechselwirkungskomponente) zu beurteilen. Die Erzieherinnen sind jedoch sehr gut in der Lage, die Kinder entsprechend ihrer Leistungen in eine Rangreihenfolge zu bringen, wie es die Korrelationskomponente der Personenkomponente zeigt. Die Beobachtungskompetenz von Erzieherinnen zeigt sich in der Anzahl erkannter Fähigkeiten von Kindern während verschiedener Tätigkeiten mit mathematischem Bezug. Dabei wurde der Schwierigkeitsgrad der Beobachtung mittels Expertinneneinschätzung berücksichtigt. Die Erzieherinnen erkennen durchschnittlich die Hälfte der mathematischen Fähigkeiten von Kindern in verschiedenen komplexen Alltagssituationen bei mathematischen Tätigkeiten. Die zweite Forschungsfrage, ob es einen Zusammenhang zwischen der Urteilsgenauigkeit und der Beobachtungskompetenz gibt, kann klar beantwortet werden. Erwartungswidrig zeigt die vorliegende Untersuchung, dass die Facetten Urteilsgenauigkeit und Beobachtungskompetenz voneinander unabhängig sind. Damit konnte die Annahme, dass auf der einen Seite eine genaue summative Beurteilung auf einer Vielzahl kompetenter Einzelbeobachtungen beruht, auf der anderen Seite aber häufige gezielte Einzelbeobachtungen in ihrer Summe zu einem genaueren Gesamturteil führen, nicht bestätigt werden. Die dritte Forschungsfrage, ob eine bereichsspezifische Fortbildung von Erzieherinnen zur Verbesserung ihrer Urteilsgenauigkeit führt, muss verneint werden. Dagegen beeinflusst der Faktor Zeit (neun Monate zwischen Prä- und Posttest) die Fähigkeit der Erzieherinnen, Unterschiede zwischen den Kindern signifikant besser wahrzunehmen (Personenkomponente) und spezifische Aufgabenschwierigkeiten signifikant besser einzuschätzen (Merkmalskomponente). Damit verbessert sich auch die globale Urteilsgenauigkeit über die Zeit signifikant. Auf die Einschätzung des Leistungsniveaus der Gruppe (Niveaukomponente) sowie von Unterschieden zwischen den Kindern für einzelne Items (Wechselwirkungskomponente) hat jedoch auch der Faktor Zeit keinen signifikanten Einfluss.
Die vierte Forschungsfrage, ob die Unterschiede in der Veränderung der Urteilsgenauigkeit von Erzieherinnen davon abhängig sind, nach welchem Ansatz sie Kinder bereichsspezifisch fördern, lässt sich zusammenfassend verneinen. Die Art und Weise der bereichsspezifischen Förderung spielt keine Rolle für die Variabilität der Urteilsgenauigkeit von Erzieherinnen. Auch die Unterschiedlichkeit in den einzelnen Urteilsgenauigkeitskomponenten lässt sich nicht auf die Art der Fortbildung zurückführen.
Die fünfte Forschungsfrage, ob sich die Beobachtungskompetenz von Erzieherinnen durch eine bereichsspezifische Fortbildung beeinflussen lässt, kann aufgrund einer signifikanten Zunahme der Beobachtungskompetenz nach nur zwei Fortbildungstagen bejaht werden. Damit wird die These gestützt, dass eine Fortbildung zur bereichsspezifischen Förderung für eine gezielte und damit fokussiertere Wahrnehmung früher bereichsspezifischer Kompetenzen bedeutsam ist, selbst wenn sie nicht explizit auf diagnostische Kompetenz, sondern allgemein auf Förderung ausgerichtet ist
Die sechste Forschungsfrage zielt auf Veränderungen der Beobachtungskompetenz von Erzieherinnen in Abhängigkeit von Fortbildungen in verschiedenen bereichsspezifischen Förderansätzen ab. Für eine Zunahme der Beobachtungskompetenz, so zeigt sich, spielt der bereichsspezifische Ansatz, welcher der Fortbildung zugrunde gelegt ist, keine Rolle.
Die vorliegende Studie ist die erste Arbeit, die sowohl Beobachtungskompetenz (Forschung zu formativem Assessment) als auch Urteilsgenauigkeit (Accuracy-Forschung) anhand derselben Stichprobe untersucht. Trotz des im Ergebnis nicht nachgewiesenen Zusammenhangs zwischen Urteilsgenauigkeit und Beobachtungskompetenz stellt die Studie für die zukünftige Forschung bedeutsame Hinweise für die weitere Untersuchung der Facetten diagnostischer Kompetenz bereit.
Im Hinblick auf den frühpädagogischen Kontext zeigt die vorliegende Arbeit zum einen, dass ein ökologisch valides Treatment (Fortbildung) in einem Umfang von zwei Tagen implizit zu einer Verbesserung diagnostischer Kompetenzen führen kann. Zum anderen wird hier erstmalig im deutschsprachigen Raum die Messung der Urteilsgenauigkeit unter vollumfänglicher Erfüllung eines auf Hoge und Coladarci (1989) beruhenden Anforderungsprofils durchgeführt. Ein weiteres Alleinstellungsmerkmal dieser Studie ist die erstmals mit einer Mindestanzahl von vier Einschätzungen pro Erzieherin unter Berücksichtigung der Kontaktzeiten zwischen Erzieherinnen und Bezugskindern erfolgte Erhebung der Urteilsgenauigkeit von Erzieherinnen.