Structure-activity relationships for an ecotoxicological hazard assessment of selected isothiazol-3-one biocides and ionic liquids [Elektronische Ressource] : a mode-of-action-based strategy / von Jürgen Arning

Jã¼Rgen Arning

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• Biologie

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• Publié par: universitat_bremen
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 61
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 2 Mo

Extrait

STRUCTURE-ACTIVITY RELATIONSHIPS FOR AN
ECOTOXICOLOGICAL HAZARD ASSESSMENT OF
SELECTED ISOTHIAZOL-3-ONE BIOCIDES AND IONIC
LIQUIDS
A MODE-OF-ACTION-BASED STRATEGY



Dissertation
Zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften
- Dr. rer. nat. -




vorgelegt im Fachbereich Biologie/Chemie
der Universität Bremen
von

Dipl. Chem. Jürgen Arning







November, 2007














Diese Arbeit wurde in der Zeit von Juni 2004 bis November 2007 im
Fachbereich 2 Biologie/Chemie der Universität Bremen in der Abteilung
für Bioorganische Chemie unter der Leitung von Prof. Dr. rer. nat. Bernd
Jastorff angefertigt.
Diese Arbeit wurde gefördert durch das Stipendienprogramm der
Deutschen Bundesstiftung Umwelt.

Dem Fachbereich vorgelegt: November 2007

Gutachter: Prof. Dr. rer. nat. Bernd Jastorff
Prof. Dr. rer. nat. Detmar Beyersmann







“Lord Curryfin:...We ought to have more wisdom, as we have clearly more
science.
The Rev. Dr. Opimian: Science is one thing and wisdom is another...”


Thomas Love Peacock, Gryll Grange, chapter 19
DANKSAGUNG

Das Wertvollste dieser Arbeit für mich sind nicht die wissenschaftlichen Ergebnisse
und Erkenntnisse der letzten drei Jahre, sondern die Erkenntnis, dass diese nur in einer
freundschaftlichen, vertrauensvollen und interdisziplinären Zusammenarbeit gewonnen
werden konnten.
Wenn man wie ich das große Glück hatte, von so vielen großartigen, interessanten
und hilfsbereiten Menschen begleitet zu werden, kann eine solche Danksagung nicht
vollständig sein und schon gar nicht alles in angemessene Worte fassen. Trotzdem
sollen hier einige Personen und Institutionen genannt werden, die maßgeblich zum
Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben.

Von ganzem Herzen danken möchte ich daher...

...Herrn Prof. Dr. rer. nat. Bernd Jastorff für die ausgezeichnete wissenschaftliche
Betreuung dieser Arbeit, vor allem aber für sein Vertrauen, seine stetige Unterstützung
und für den Freiraum, diese Arbeit nach meinen Ideen und Vorstellungen gestalten zu
können, was nicht selbstverständlich ist.
...Herrn Prof. Dr. rer. nat. Detmar Beyersmann für die vielen wertvollen
Diskussionen, seine große fachliche Hilfe besonders am Ende dieser Arbeit und vor
allem für seine stete Begleitung, die mir sehr viel bedeutet, meiner wissenschaftlichen
Arbeit schon seit der Diplomarbeit, und natürlich für die vielen schönen Gespräche
über das Wichtige neben der Wissenschaft - über Berge und Italien.
...der Deutschen Bundesstiftung Umwelt für die Finanzierung meiner Arbeit über ein
Promotionsstipendium und vor allem Herrn Dr. rer. nat. Maximilian Hempel und Frau
Dr. rer. nat. Hedda Schlegel-Starmann für die exzellente Betreuung, die motivierenden
und hoch interessanten Stipendiatenseminare, die mir die Möglichkeit gaben, so viele
nette und faszinierende Menschen aus unterschiedlichen Fachbereichen kennen zu
lernen und so meine Zeit als Doktorand weit über den fachlichen Rahmen hinaus
bereichert haben.
...Johannes Ranke für die Anregungen, Unterstützung und Ideen zu Beginn dieser
Arbeit, für die Erstellung der Datenbanken, ohne die eine Verarbeitung der
gesammelten Daten kaum möglich gewesen wäre, für die vielen interessanten
Diskussionen und für die netten Abende mit Zwiebelkuchen und Federweißem.
...Stefan Stolte, Marianne Matzke, Ioana Stan und Tanja Juffernholz für ihre
Freundschaft und Unterstützung, ohne die diese Arbeit nicht gelungen wäre! Für
zahllose hilfreiche Gespräche und die hervorragende Atmosphäre, vor allem während
der vielen gemeinsam verbrachten Stunden außerhalb der Arbeit.

...Thorsten Könekamp für seine Ideen und Ratschläge in allen Lagen, für die vielen
gemeinsamen Runden im Blockland, Bürgerpark und Uni-Bad, kurz – dafür, dass er
einfach immer da war.
...Ulrike Bottin-Weber, Andrea Böschen, Peter Behrend, Anja Müller, Antje
Matthews und Falko Berger für ihre unentbehrliche Hilfe, ihren unermüdlichen Einsatz
und ihre nicht zu ersetzende Erfahrung mit Zelle, Alge, Analytik, Verwaltung und
Computern.
...Frauke Nehen, Birgit Caesar-Geertz, Tanja Schaffran, Daniela Schrigten, Salha
Abdulkarim, Miriam Hermann und Svea Fahrenholz, die mit ihren Diplom- und
Forschungsarbeiten, ihren Ideen und ihrem Einsatz wesentlich zum Gelingen dieser
Arbeit beigetragen haben.
...Frauke Stock und Matthias Dünne für die fachliche Unterstützung gerade zu
Beginn der Arbeit.
...Prof. Dr. rer. nat. Ralf Dringen und allen Mitgliedern seiner Arbeitsgruppe für die
freundschaftliche Aufnahme und großartige fachliche und technische Unterstützung bei
den Glutathion-Messungen.
...Frank Dietz und Nadia Keddig für ihre Unterstützung und stete Hilfsbereitschaft.
...Rainer Dornfeld, der mit seiner Begeisterung für die Chemie die entscheidende
Grundlage für mein Studium geschaffen hat.
...der Merck KgaA und der Rohm&Haas Company für die großzügige Bereitstellung
der Ionischen Flüssigkeiten und der Isothiazol-3-on-Biozide. Weiterhin Prof. Dr. rer.
nat. Irene Witte für die Spende der Hep G2 Zellen.
...allen meinen Freunden, die immer für mich da waren und sind, und so großen
Anteil am Gelingen dieser Arbeit haben, auch wenn sie sich dessen vielleicht nicht
bewusst sind!
...meinen beiden Schwestern Esther und Kattrin sowie meinen Eltern Hannelore und
Friedhelm ohne deren Rückhalt und fortwährende Unterstützung diese Arbeit und
vieles mehr unmöglich gewesen wären!
...Karen für die „erkenntnistheoretischen“ Diskussionen am Frühstückstisch, ihre
wertvollen und kritischen Fragen, ihren großen Einsatz beim Korrekturlesen der Arbeit
und ihre Liebe! TABLE OF CONTENTS

List of Abbreviations...................................................................................III
Summary ...............................................................IV
Zusammenfassung................... VIII
PART I: Rationale and Scientific Background of the Thesis......................1
1 Introduction ............................................................................................. 2
1.1 Sustainable chemistry and the need for ecotoxicology ........................................ 2
1.2 Risk and hazard assessment of chemical substances............ 7
1.3 Mode of action based testing strategies for analysing the hazard
potential of chemicals.................................................................................................. 8
1.4 Objective and structure of the thesis..... 11
2 Theory ................................................................................................13
2.1 The T-SAR approach and the concept of a flexible test battery......................13
2.2 Selection and T-SAR analysis of the test substances.......... 14
2.2.1 Isothiazol-3-one biocides.......................................................................... 14
2.2.2 Ionic liquids.................................. 17
2.3 Selection and characterisation of the test systems..............18
2.3.1 Cellular test systems....................................................................................18
2.3.2 Molecular test systems...............22
PART II: Case Studies – Assessment of Isothiazol-3-one
Biocides and Ionic Liquids with Cellular and
Molecular Methods ................................................................27
Paper No. 1: Analysing Cytotoxic Effects of Selected Isothiazol-
3-one Biocides Using the “Toxic Ratio” Concept
and the “T-SAR” Approach...................................................28
Paper No. 2: Structure-Activity Relationships for the Impact of
Selected Isothiazol-3-one Biocides on Glutathione
Metabolism and Glutathione Reductase of the
Human Liver Cell Line Hep G2............................................50
Paper No. 3: Effects of Different Head Groups and
Functionalised Side Chains on the Cytotoxicity of
Ionic Liquids..........................................71
I Paper No. 4: Qualitative and Quantitative Structure Activity
Relationships for the Inhibitory Effects of Cationic
Head Groups, Functionalised Side Chains and
Anions of Ionic Liquids on Acetylcholinesterase..................87
PART III: Findings of the Case Studies and Outlook............................. 109
1 Discussion................................................................ 110
1.1 Isothiazol-3-ones......................................................................110
1.1.1 Cellular test systems..................110
1.1.2 Molecular test systems .............................................112
1.1.3 Implications for the hazard assessme