Insect olfaction as an information filter for chemo-analytical applications
by Sebastian Paczkowski
Date of Examination:2013-05-29
Date of issue:2014-04-17
Advisor:Prof. Dr. Stefan Schütz
Referee:Prof. Dr. Ursula Kües
Referee:Prof. Dr. Edmone Roffael
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Name:Doctoral Thesis Sebastian Paczkowsk + Curric...pdf
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Format:PDF
Abstract
English
The olfaction of insect species is adapted to the requirements of the specific ecosystem they are living in. Volatiles perceived by insects can transport information on the location of an oviposition place or the physiological status of a host plant. As the olfaction of insects has adapted to the perception of distinct volatiles since millions of years, these volatiles can be regarded as marker compounds, which enable a reliable assessment of an ecological status. The identification of such marker compounds and the evaluation of their usefulness for trace analytical applications is the aim of this thesis. Three topics were selected to evaluate the utilization of insect olfaction for sensor applications: Meat spoilage, post mortem interval (PMI) estimation, and the volatile based detection of wood fire before ignition. Trace analysis (GC-MS), electrophysiology (EAG, GC-MS/EAD), behavioral studies and field tests were used to understand the volatile based interaction of the blowfly Calliphora vicina and the fire beetles Melanophila cuspidata, Merimna atrata, and Acanthocnemus nigricans with their environment. The results gained by these methods allowed the selection of volatile marker compounds that fulfilled three criteria: high abundance, reliable emission, and unique emission from the substrate and not from any other sources. These criteria should ensure that the marker compounds`s emission is not only reliably correlated to a physiological state of the substrate, e.g. an increasing spoilage of meat, a time point after death of a vertebrate, or a distinct temperature of wood prior to ignition, but that the marker compound can be sensed by technical sensor systems, as well. In case of meat aging, the predominant emission of nonanal under warm conditions was an indicator for the correct maturation of the meat to ham. Dimethyl trisulfide, phenol, and indole indicated moisture induced spoilage under warm conditions. Under cold conditions, increasing 2,3 butanediol emission and decreasing nonanal emission was a spoilage indicator for both the dry and the wet samples. However, 2,3 butanediol was not perceived by the fly, because its activity is restricted to the warm vegetation period, where dimethyl trisulfide, phenol, and indole are emitted. Nonanal, hexanal, dimethyl disulfide, dimethyl trisulide, butan-1-ol, and phenol are useful volatiles to estimate the PMI of vertebrates. The aldehydes are emitted in the early stages of vertebrate decay, followed by butan-1-ol and the sulfur compounds. Phenol is predominantly emitted in the later stages of decay. However, butan-1-ol and phenol are not perceived by the fly, which is a generalist among carrion visitors and does not differentiate between the early stage, the bloated stage, and the active stage of decay. The olfaction of other necrophagous insects, which prefer a distinct stage of decay, might lead to new insights into the time dependent volatile emission during vertebrate decay. The results gained by the investigation of the odor profile of decaying vertrebrates allowed a correlation between PMI and volatile profile that can be used by police forces as an additional indicator of the PMI. Terpenes, aliphatic aldehydes, furfural, and methoxyphenols are emitted from heated wood flakes. All of these compounds are perceived by M. cuspidata and M. atrata, as they can be used to assess the heating stage of a stem in order to find appropriate oviposition places. A. nigricans predominantly prefers methoxyphenols, while furfural is perceived by M. acuminata and M. atrata. These results complement the knowledge on the behavior of these beetles in their ecosystem, as A. nigricans oviposits on smoldering logs, which emit high abundances of different methoxyphenols, and M. atrata and M. cuspidata oviposit on heated but unburned stems, which emit, among other compounds, furfural. Semi conductor gas sensors perceiving furfural with a sufficient selectivity can predict a wood fire before it ignites. This would enable a new generation of early fire warning systems that can be used in the wood processing industry, wood land fire warning, or households. These three examples show that insect olfaction can be utilized for the development of concepts for technical sensor applications, but that the ecological background of the insects has to be considered when selecting marker compounds. The restricted selectivity and sensitivity of technical sensors in comparison to the highly selective and sensititve biochemical perception mechanisms of insects have to be considered, as well. Therefore, the direct transfer from insect olfaction to technical solutions is not always possible.
Keywords: forensic science; forensic chemo-ecology; post mortem interval; Calliphora vicina; vertebrate decomposition; VOC; volatile organic compounds; electrophysiology; GC-MS; GC-MS/EAD; fire ecology; Melanophila cuspidata; Merimna atrata; Acanthocnemus nigricans; thermal oxidation; wood; wood combustion
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Die Geruchswahrnehmung von Insekten ist an die spezifischen Anforderungen der Ökosysteme angepasst, in denen sie leben. Von Insekten wahrgenommene Volatile können Informationen über den Ort eines geeigneten Ovipositionsplatzes oder den physiologischen Zustand einer Wirtspflanze geben. Da der Geruchssinn der Insekten sich seit Millionen von Jahren an die Wahrnehmung bestimmter Volatile angepasst hat, können die wahrgenommenen Volatile als Markerstoffe angesehen werden, die zuverlässig einen Ökosystemzustand angeben können. Die Identifikation dieser Markerzustände und die Evaluation ihrer Nützlichkeit für spurenanalytische Anwendungen ist das Ziel dieser Arbeit.
Es wurden drei Themen ausgewählt um die Verwendungsmöglichkeit des Insektengeruchssinns für Sensoranwendungen zu überprüfen: Fleischfrische, Todeszeitbestimmung (post mortem Intervall, PMI) und frühzeitige Feuererkennung. Spurenanalytik (GC-MS), Elektrophysiologie (EAG, GC-MS/EAD), Verhaltensversuche und Feldtests wurden angewandt, um die chemoökologische Interaktion der Schmeißfliege Calliphora vicina und der „Feuerkäfer“ Melanophila cuspidata, Merimna atrata and Acanthocnemus nigricans mit ihrer natürlichen Umgebung zu untersuchen. Die Resultate aus diesen Methoden erlaubten die Selektion von Volatilen, die drei Kriteria erfüllen: hohe Quantität, zuverlässige Emission und die ausschliessliche Emission von der untersuchten und keiner anderen Quelle. Diese drei Auswahlkriterien wurden aufgestellt um zu gewährleisten, dass die ausgewählten Markervolatile nicht nur zuverlässig mit dem physiologischen Status der Substrate (Alter von verderbendem Fleisch, PMI, Temperatur von erhitzten Spänen) korrelieren, sondern auch den Ansprüchen technischen Sensorsysteme genügen.
Im Falle des alternden Fleisches unter warmen und trockenen Bedingungen ist Nonanal ein Zeiger für die korrekte Reifung des Fleisches zu Schinken. Dimethyl Trisulfid, Phenol und Indol zeigen das Verderben des Fleisches unter warmen und feuchten Bedingungen an. Bei niedrigen Temperaturen sind zunehmende 2,3 Butandiol Emission und abnehmende Nonanal Emission ein Zeiger für zunehmendes Verderben des Fleisches, sowohl unter trockenen als auch feuchten Bedingungen. Allerdings wurde 2,3 Butandiol nicht von C. vicina wahrgenommen, da die Fliege während der Vegetationszeit aktiv ist und unter diesen Bedingungen Dimethyl Trisulfid, Phenol und Indol emittiert werden.
Nonanal, Hexanal, Dimethyl Disulfid, Dimethyl Trisulfid, Butan-1-ol und Phenol wurden als nützliche Volatile zur Eingrenzung der Leichenliegezeit ausgewählt. Die genannten Aldehyde sind typisch für die frühen Stadien der Verwesung, gefolgt von Butan-1-ol und den Schwefelsulfiden. Phenol wird hauptsächlich in den späteren Verwesungsstadien emittiert. Allerdings werden Phenol und 1-Butanol nicht von der Fliege wahrgenommen, da diese ein Generalist ist und nicht zwischen dem geblähten und aktivem Stadium der Verwesung unterscheiden muss. Daher wird zusätzlich die Geruchswahrnehmung des Speckkäfers Dermestes maculans betrachtet. Die Untersuchung anderer necrophager Insekten können weitere Einblicke in die Zeitabhängigkeit der Volatilemissionen während der Vertebratenverwesung geben. Die im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse erlauben eine Korrelation zwischen Emissionen und Leichenliegezeit und können eine Grundlage für eine volatilenbasierte post mortem Zeitbestimmung für Polizeikräfte sein.
Terpene, aliphatische Aldehyde, Furfural und Methoxyphenole werden von erhitztem Holz emittiert. Komponenten aus all diesen Stoffklassen werden von M. cuspidata und M. atrata wahrgenommen, da diese Käfer den Erhitzungszustand von Baumstämmen nach einem Feuer erkennen können, um einen geeigneten Ovipositionsplatz zu finden. A. nigricans nimmt vor allem Methoxyphenole wahr, wohingegen M. atrata und M. acuminata Furfural zur Orientierung verwenden. Diese Unterschiede komplementieren das bekannte Verhalten dieser Käfer in ihrer natürlichen Umgebung, da A. nigricans auf verkohlten Stämmen, die große Mengen von Methoxyphenolen emittieren, seine Eier ablegt, und M. atrata und M. cuspidata auf Stämmen ihre Eier ablegen, die vom Feuer zwar äußerlich verkohlt, aber innerlich nur erhitzt wurden und daher Furfural emittieren. Halbleitergassensoren, die Furfural mit einer ausreichenden Selektivität vermessen können, können Holzbrände schon während ansteigender Temperatur und damit vor der Entzündung detektieren. Derartige Sensoren können sowohl als neuartige Frühwarnsysteme für die holzverarbeitende Industrie als auch für Waldbrandwarnsysteme oder den Haushalt dienen.