Cyanobacterial Microcystins and Human Health : First Steps Towards A
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Cyanobacterial microcystins and human health – First steps towards a congener dependent risk assessment of microcystins Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften (Dr.rer.nat.) vorgelegt von Altaner, Stefan an der Mathematisch-Naturwissenschaftliche Sektion Fachbereich Biologie Konstanz, 2019 Konstanzer Online-Publikations-System (KOPS) URL: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:352-2-uajiqfo13z2m0 Tag der mündlichen Prüfung: 19.07.2019 1. Referent: Prof. Dr. Daniel R. Dietrich 2. Referent: Prof. Dr. Valentin Wittmann Für meine Familie. Angela, Bruno, Bernhard, Manuela und Marie. Wer immer liegen bleibt, liegt falsch. (Broilers – Stoßen wir an) Danksagung Danksagung Mein Dank gilt Daniel Dietrich für die Bereitstellung des Promotionsthemas, für die Unterstützung beim Schreiben verschiedener Stipendienanträge, für die fachlichen Diskussionen und für das Möglich-Machen meines Forschungsaufenthalts am Cawthron Institute in Neuseeland. Mein weiterer Dank gilt Valentin Wittmann für die Übernahme des Zweitgutachtens, aber auch für die Betreuung und Mitarbeit an mehreren Manuskripten. Danke auch an Aswin Mangerich für die Bereitschaft als Prüfungsvorsitzender bereit zu stehen und die Möglichkeit, meine UPLC-MS/MS-Arbeiten in der AG für Molekulare Toxikologie durchführen zu können. Besonderer Dank gilt der ganzen AG Dietrich! Danke an meine ‚Laborfrau‘ Heinke für all die fachlichen und nichtfachlichen Unterhaltungen, die mir die Zeit kurzweilig gemacht haben. Danke an Marci für die besten Protokolle. Ich habe mich immer gefreut, wenn ich etwas gemacht habe, dass du vor mir schon mal gemacht hast. Danke an Barbara und Phil für viele Stunden sportlicher Ertüchtigung und sonstiger Ablenkung vom Laboralltag. Danke an Kevin, Nadja, Feli und Lisanne für eine immer gute Atmosphäre in der AG. Danke an Sascha, Pia, Karin, Sabine und Alex für die ganze Arbeit im „Hintergrund“, die gemacht hat, dass die AG funktioniert. Weiterer Dank gilt allen Studenten, die ich betreuen durfte und die mir tatkräftig bei dieser Arbeit geholfen haben: Jahn, Felix, Regina, Eva, Kevin, Helena, Julia, Lisa, Michail. Ein spezielles Dankeschön soll hierbei Regina für die unzähligen Phosphatase-Assays gelten, Jahn für seine unglaubliche Eigeninitiative in einem Projekt, von dem ich eigentlich keine Ahnung hatte und Eva für all das Klonieren der widerspenstigen Phosphatasen. Auch möchte in den Mitarbeitern des Cawthron Instituts für die schöne Arbeitsatmosphäre im Institut danken und ganz speziell Jonathan Puddick, der sich die Zeit genommen hat, mich zu betreuen und mich in die Geheimnisse der UPLC-MS/MS-Analytik einzuweihen. Danke an Tabea Zubel, die in Konstanz immer für meine Fragen bezüglich UPLC- MS/MS ein offenes Ohr hatte. Darüber hinaus möchte ich allen Ko-Autoren der Paper und Manuskripte danken, die alle dazu beigetragen haben, diese Werke zu verbessern. Speziell sei hier Sabrina Jaeger erwähnt, die sich immer die Zeit nahm, um nochmal eine Berechnung laufen zu lassen. Ein weiterer spezieller Dank gilt der Arthur-und-Aenne-Feindt-Stiftung und all ihren Mitarbeitern für die finanzielle Unterstützung meinerseits und des ganzen Projektes. Ich bin I Danksagung sehr dankbar über die unkomplizierte Art und Weise und die Verlängerungen der Stipendienzeit! Zuletzt möchte ich den wichtigsten und herzlichsten Dank an meine Familie aussprechen, denen ich diese Arbeit widmen möchte. Danke Mama und Papa für die bedingungslose Unterstützung, nicht nur während des Studiums, sondern auch allem was davor war und noch kommen wird. Danke an Bernhard für alle Gespräche über Wissenschaft oder sonstiges. Du warst und bist mir ein Vorbild, wissenschaftlich, wie auch im „richtigen Leben“. Danke an Manu, ohne dich wäre ich nicht, was ich bin und nicht komplett. Danke für deine Liebe und deine Unterstützung, für das Ertragen meiner Launen, für die Motivation in jeder Lebenslage, für wunderschöne zwölfeinhalb Jahre (es mögen noch ganz, ganz, ganz, (…) ganz viele weitere folgen) und vor allem Danke dafür, dass du mir die kleine Marie geschenkt hast! „You are my lighthouse in the dark. I can see you from a thousand miles” (In Flames – Here until forever). Danke auch an Marie, die mich immer wieder motiviert hat, wenn ich mal wieder die Schnauze voll hatte vom Schreiben . II Table of content Table of content DANKSAGUNG I TABLE OF CONTENT III LIST OF FIGURES VII LIST OF TABLES VIII LIST OF SUPPLEMENTARY FIGURES IX LIST OF SUPPLEMENTARY TABLES IX ABBREVIATIONS XI ABSTRACT XVI ZUSAMMENFASSUNG XVIII 1. GENERAL INTRODUCTION 1 1.1 Cyanobacteria .............................................................................................................. 1 1.1.1 Ecology of cyanobacteria .............................................................................................. 1 1.1.2 Cyanotoxins ................................................................................................................... 2 1.2 Microcystin ................................................................................................................... 4 1.2.1 Chemical structure ......................................................................................................... 4 1.2.2 Biosynthesis of microcystins and ecological role .......................................................... 5 1.3 Toxicokinetics of microcystins .................................................................................... 7 1.4 Toxicodynamics of microcystins ............................................................................... 10 1.4.1 Excursus: The ser/thr-PPP family in mammals ........................................................... 10 1.4.2 Consequences of microcystin exposure ....................................................................... 12 1.4.3 Proposed interaction sites of PPPs and MCs and mechanism of inhibition ................ 14 1.5 Risk assessment for microcystins and case reports of (human) intoxications ...... 15 1.5.1 Risk assessment ........................................................................................................... 15 1.5.2 Case reports ................................................................................................................. 17 1.6 Detection methods for microcystins ......................................................................... 19 2. AIM OF THE THESIS 21 3. MANUSCRIPT I (MICROCYSTIN ADSORPTION TO LAB-WARE) 23 3.1 Abstract ...................................................................................................................... 23 3.2 Introduction ............................................................................................................... 24 3.3 Material and Methods ............................................................................................... 26 3.3.1 Reagents and Laboratory-Ware ................................................................................... 26 III Table of content 3.3.2 Production of Microcystin Congener Stock Solution .................................................. 26 3.3.3 Adsorption of Microcystins to Common Pipetting Laboratory-Ware in Non-Acidified and Acidified Solvents ................................................................................................. 27 3.3.4 Short-Term Storage in Glass or Polypropylene Vials ................................................. 27 3.3.5 Ultra-performance liquid Chromatography-Tandem Mass Spectrometry (UPLC- MS/MS) Detection of Microcystins ............................................................................. 27 3.3.6 Outlier Analysis ........................................................................................................... 28 3.3.7 Data Handling and Statistical Analyses ....................................................................... 28 3.4 Results ......................................................................................................................... 29 3.4.1 Adsorption of Microcystin Congeners to Polypropylene Pipette Tips in Aqueous and High-Percentage Methanol Solutions .......................................................................... 29 3.4.2 Effect of Methanol Concentration on the Adsorption of Selected Microcystins to Polypropylene Pipette Tips .......................................................................................... 31 3.4.3 Effect of Acidified Methanol Concentration on the Adsorption of Selected Microcystins (MC) to Polypropylene Pipette Tips ...................................................... 32 3.4.4 Adsorption of Selected Microcystins (MC) in Acidified and Non-Acidified Aqueous Solutions to Glass-Ware (Pasteur Pipettes) ................................................................. 33 3.4.5 Effect of Acidified Methanol Concentration on the Adsorption of Selected Microcystins to Glass-Ware (Pasteur Pipettes) ........................................................... 34 3.4.6 Short Term Storage of MC Solutions in Glass or Polypropylene Vials ...................... 35 3.5 Discussion ................................................................................................................... 36 3.6 Conclusions ................................................................................................................. 39 3.7 Supplementary material ............................................................................................ 41 3.8 Acknowledgements ...................................................................................................