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Development of a Basic Biosensor System for Wood Degradation using Volatile Organic Compounds

dc.contributor.advisorSchütz, Stefan Prof. Dr.de
dc.contributor.authorThakeow, Prodprande
dc.date.accessioned2009-05-27T15:12:19Zde
dc.date.accessioned2013-01-18T10:57:24Zde
dc.date.available2013-01-30T23:51:26Zde
dc.date.issued2009-05-27de
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B11D-2de
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-2288
dc.description.abstractDie Prüfung von Holz und ein Test seiner Beständigkeit gegen Mikroorganismen wie Pilze spielen eine wichtige Rolle in der Forstwirtschaft und der holzverarbeitenden Industrie. Um solche Prüfungen zu erleichtern und präzise Bewertungen zu ermöglichen, ist eine effiziente Testmethode erforderlich. Flüchtige organische Verbindungen (volatile organic compounds VOCs), die vom Holzsubstrat und vom pilzlichen Metabolismus erzeugt werden, sind Marker für den Zustand des Holzes, d.h. sie zeigen Art und Stadium einer Pilzinfektion an. Insektenantennen, die für ihre hohe Sensitivität und Selektivität in der Duftwahrnehmung bekannt sind, stellen eine alternative Methode zur Holzprüfung dar. Ein Biosensor auf der Basis intakter Insektenantennen ermöglicht es, vom Holz freigesetzte VOCs mit hoher Selektivität nachzuweisen. Diese Methode kann eine Ergänzung zu den traditionellen Prüfverfahren darstellen und bietet einen hohen Probendurchsatz sowie ein zerstörungsfreies Verfahren. Als Beginn dieser Arbeit wurden die VOCs verschiedener Proben mit Gaschromatographie-Massenspektroskopie untersucht. Zuerst wurden die VOCs von Buchenholz (Fagus sylvatica) analysiert, das mit drei holzzersetzenden Pilzen (Trametes versicolor, Poria placenta und Gloeophyllum trabeum) infiziert war. Diese Pilze werden häufig verwendet, um die Beständigkeit von Holz gegen Mikroorganismen zu testen. Die vom pilzinfizierten Buchenholz freigesetzten VOCs zeigten artspezifische Muster. Die Volatile lassen sich gruppieren in Stoffe mit fünf bis acht Kohlenstoffen (C5-C8) sowie Terpenoide. 1-Octen-3-ol, 3-Octanon und 3-Octanol (C8-Verbindungen) waren allgemein in allen Proben enthalten, während Terpenoide artspezifisch auftraten. α- und β-Barbaten waren charakteristisch für eine Infektion mit T. versicolor, Protuillud-6-en war charakteristisch für G. trabeum und Daucen war charakteristisch für P. placenta. Als Zweites wurden VOCs identifiziert, die von verschiedenen Stadien von Trametes gibbosa mit schwacher bis vollständiger Kolonisierung durch den Käfer Cis boleti freigesetzt wurden. Die schwach besiedelten Fruchtkörper setzten den typischen Pilzduftstoff 1-Octen-3-ol in fast zwanzigfach höherer Menge frei als vollständig besiedelte Fruchtkörper. Als Drittes wurden die VOCs untersucht, die während der Fruchtkörperentwicklung vom Stadium des Myceliums bis zur Autolyse von Coprinopsis cinerea freigesetzt werden. Die VOC-Muster von C. cinerea änderten sich spezifisch mit den Entwicklungsstadien. 1-Octen-3-ol und 3-Octanon zeigten während der Bildung der Primodia eine starke Freisetzung, die in späteren Stadien abnahm. Die Terpenoide β-Himachalen und Cuparen wurden während Wachstum und Reifung des Stängels von C. cinerea drastisch erhöht. Zum Abschluss wurden die autolytischen Fruchtkörper der Tintlinge Coprinus comatus, Coprinopsis atramentaria und C. cinerea untersucht. Als zusätzliche Stoffe wurden hier stickstoff- und schwefelhaltige Verbindungen freigesetzt. Der fungivore Käfer Cis boleti (Coloptera: Ciidae) und die pilzassoziierte Fliege Suillia mikii (Diptera: Heleomizydae) wurden ausgewählt, um ihre geruchliche Wahrnehmung zu untersuchen, da ihre Lebenszyklen einen starken Bezug zu Pilzen haben. Zum Beispiel kolonisiert C. boleti vorzugsweise Pilze der Gattung Trametes und S. mikii landen gezielt auf Tintlingen in spezifischen Entwicklungsstadien. Gaschromatographie-Massenspektrometrie mit paralleler elektroantennographischer Detektion (EAD) wurde eingesetzt, um zu demonstrieren, dass beide Insektenarten in der Lage sind, den typischen Pilzgeruchsstoff 1-Octen-3-ol mit hoher Selektivität und Sensitivität nachzuweisen. Zusätzlich zeigten Verhaltenstests, dass C. boleti in der Lage ist, die Enantiomere von 1-Octen-3-ol zu unterscheiden, wobei weibliche Käfer signifikant stärker vom (S)-(+)-Enantiomer angelockt wurden und dies schon bei geringeren Konzentrationen als die männlichen Käfer. Die Fliege S. mikii reagierte in EAD-Tests reproduzierbar auf die VOCs 1-Undecene, 2-Butanon und Dimethyl-Trisulfid, die bei der Autolyse der Fruchtkörper von Tintlingen freigesetzt werden. Die Antennen von C. boleti detektierten den typischen Pilzgeruch 1-Octen-3-ol mit hoher Selektivität und Sensitivität bis zu einer Konzentration von 5 ng ml-1 in Luft. Die Lebensdauer der Antennen betrug bis zu ein Tag. Als grundlegender Test wurden Antennen von C. boleti als Biokomponenten eines Biosensorsystems benutzt, um Buchenholzproben mit Infektion durch T. versicolor zu untersuchen. Dazu diente ein Biosensorsystem, das auf der Überlagerungsmethode in Verbindung mit einem Rekalibrierungssystem basiert. In dieser Konfiguration lieferten die Antennen von C. boleti reproduzierbare Reaktionen auf die pilzlichen Markerstoffe, die von pilzinfiziertem Buchenholz freigesetzt werden. Zusammengefasst führen diese Ergebnisse zu einer aussichtsreichen Möglichkeit, einen Biosensor auf Basis von intakten Antennen als hoch empfindliche und selektive Testmethode für die Holzbeständigkeit gegen zersetzende Pilze zu entwickeln.de
dc.format.mimetypeapplication/pdfde
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/2.0/de/de
dc.titleDevelopment of a Basic Biosensor System for Wood Degradation using Volatile Organic Compoundsde
dc.typedoctoralThesisde
dc.title.translatedDevelopment of a Basic Biosensor System for Wood Degradation using Volatile Organic Compoundsde
dc.contributor.refereeKües, Ursula Prof. Dr.de
dc.date.examination2008-03-13de
dc.subject.dnb500 Naturwissenschaftende
dc.description.abstractengWood inspection and durability testing of wood against microorganisms, as fungi, play an important role in forestry and wood-related material industries. An efficient testing method is required in order to facilitate inspections and to provide the accurate and precise assessment process. Monitoring volatile organic compounds (VOCs) released from wood substrates and from fungal metabolisms are marker compounds of the wood condition, i.e., indicating the type and stage of fungal infection. Insect antennae, which are recognised for their high sensitivity and selectivity in odour perception, are an alternative method for wood testing. On the basis of intact insect antenna biosensor it is possible to monitor wood released VOCs with high selectivity. This technique can be a complement to the traditional wood testing methods, providing a high throughput and non-destructive method. This work was begun with the investigation of VOCs released from four different types of samples with gas chromatography-mass spectrometry. Firstly, VOCs from beech wood (Fagus sylvatica) infected with three wood rotting fungi; Trametes versicolor, Poria placenta, and Gloeophyllum trabeum were analysed. These fungi are commonly used in the durability testing of wood against microorganisms. The VOCs released from the fungal-infected beech showed species specific volatile patterns. The volatiles were grouped to five- and to eight- carbon (C5-C8) containing compounds and terpenoids. 1-Octen-3-ol, 3-octanone, and 3-octanol (C8-compounds) were commonly present in all samples, while terpenoids were species specific. α- and β-Barbatene were characteristic of T. versicolor-infected beech, protuillud-6-ene was characteristic of G. trabeum-infected beech, and daucene was characteristic of P. placenta-infected beech. Secondly, VOCs released from the minimally insect-colonised fruiting body (<10%) and fully insect-colonised fruiting body (~100%) of Trametes gibbosa were identified. The minimally insect-colonised fruiting body released 1-octen-3-ol, the typical fungal odour, at almost 20 times higher than in fully insect-colonised fruiting body. Thirdly, VOCs released during the fruiting body development of the ink-cap Coprinopsis cinerea, from the stage of mycelium to fruiting body autolysis, were studied. VOCs patterns of C. cinerea were specifically altered by the developmental stages. 1-Octen-3-ol and 3-octanone were largely released during primodia formation and were gradually reduced in amount in later developmental stages. The terpenoids β-himachalene and cuparene drastically increased when the C. cinerea stipe elongated and became mature. Finally, the volatiles released during fruiting bodies autolysis of C. cinerea and other two ink-cap decomposing fungi (Coprinus comatus, Coprinopsis atramentaria), were investigated. In all three cases, N-containing and S-containing compounds were additionally released during the autolytic stage. The fungivorous beetle Cis boleti (Coloptera: Ciidae) and the fungal associated fly Suillia mikii (Diptera: Heleomizydae) were chosen for examining their olfactory perception since their life cycles are strongly related to fungi. For instance, C. boleti preferentially colonises fungi from the genus Trametes and S. mikii purposely land on the ink-cap fungi at a specific developmental stage. Gas chromatography-mass spectrometry with parallel electroantennographic detection was employed to demonstrate that both insect species are able to perceive the typical fungal odour 1-octen-3-ol with high selectivity and sensitivity. In addition, behavioural tests of C. boleti showed that this insect is able to discriminate the enantiomers of 1-octen-3-ol, where the female beetles were significantly more attracted to the (S)-(+) enantiomer at lower doses than male beetles. The fly S. mikii reproducibly responded to the VOCs 1-undecene, 2-butanone, and dimethyl trisulfide, released from the autolysis fruiting bodies of the ink-cap fungi. The C. boleti antenna perceived the typical fungal odour, 1-octen-3-ol, with high selectivity and sensitivity of down to 5 ng ml-1 in air. The antenna life time lasted up to one day. Consequently, as a proof of principle C. boleti antenna was used as a biocomponent in a biosensor system for testing beech wood samples infected by T. versicolor. The biosensor system using the superposition method in combination with a recalibration system was adopted. In this configuration C. boleti antenna yielded reproducible responses to the fungal marker volatile compound released from fungal-infected beech wood. Altogether these results lead to a promising possibility to set up a biosensor based on intact antenna as a highly sensitive and selective testing method for wood durability against decay fungi.de
dc.contributor.coRefereeFinkeldey, Reiner Prof. Dr.de
dc.subject.topicForest Sciences and Forest Ecologyde
dc.subject.gerbiosensorde
dc.subject.gerwood rotde
dc.subject.gerfungide
dc.subject.gerGC-MSde
dc.subject.gerVOCsde
dc.subject.gerCis boletide
dc.subject.gerEAGde
dc.subject.gerGC-MS/EADde
dc.subject.engbiosensorde
dc.subject.engwood rotde
dc.subject.engfungide
dc.subject.engGC-MSde
dc.subject.engVOCsde
dc.subject.engCis boletide
dc.subject.engEAGde
dc.subject.engGC-MS/EADde
dc.subject.bk48de
dc.subject.bk48.03de
dc.subject.bk48.46de
dc.subject.bk58de
dc.subject.bk58.99de
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-webdoc-2117-4de
dc.identifier.purlwebdoc-2117de
dc.affiliation.instituteFakultät für Forstwissenschaften und Waldökologiede
dc.subject.gokfullBBF4de
dc.identifier.ppn611762943de


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