Hintergrund: Dieses Projekt begleitet die Umgestaltung eines Fichtenwald-Reinbestandes im Nationalpark Eifel vom derzeitigen Ist-Zustand über eine Baumentnahme hin zu einem standortgerechten Laubmischwald. Der Stoffhaushalt (Kohlenstoff, Lösungsfracht, Schwebfracht, Bachgeschiebe und Wasser) sowie die ihn beeinflussenden Faktoren (Klima, Boden, Vegetation, Landnutzung) werden genauer untersucht. Erstmalig werden für dieses Gebiet im Rahmen dieses Projektes CO2-Kreisläufe quantifiziert und Maßnahmen zur Kohlenstoffreduktion beschrieben (durch das Institut für Chemie und Dynamik der Geosphäre - Institut 4: Agrosphäre (ICG-4)). Zudem sollen zu erwartende Veränderungen auf Stoff- und Wasserkreisläufe erfasst werden. Bestehende Datenlücken für die Mittelgebirge werden damit geschlossen (durch den Lehrstuhl für Physische Geographie und Geoökologie (PGG)). Fragestellungen: Aufgabe des Projektes wird sein, präzise Informationen zum Stoff- (u.a. Kohlendioxid, Nitrat, Phosphat, Ammonium) und Wasserkreislauf zu erhalten sowie die Bedeutung standortrelevanter Parameter (Klima, Boden, Vegetation, Landnutzung) bei der Entstehung eines standorttypischen Laubmischwaldes zu erfassen. Während der Umwandlung eines Fichtenreinbestandes zu einem Laubwald - mit Vergleichsuntersuchungen im Freiland (Wiese) - sollen verschiedene Stadien der Umwandlung untersucht werden. Die Ergebnisse werden neue und vor allem quantifizierbare Erkenntnisse zum CO2-Haushalt sowie zum Wasser- und Stoffkreislauf im Ökosystem Wald liefern; Grundbausteine für eine nachhaltige Landnutzung und der Reduzierung atmosphärischen CO2. Von der Arbeitsgruppe PGG und dem ICG-4 bearbeitete Fragestellungen: - Wie wirken sich Landnutzungsänderungen auf Stoff- und Wasserhaushalt aus? - Welche Auswirkungen hat der Klimawandel auf Wasser, Boden und Vegetation? - Wie wirken sich Rückkopplungsprozesse auf terrestrische Systeme aus? - Wie wirken sich großräumige Eingriffe aus? Ziele: Ziele des Lehrstuhls für Physische Geographie und Geoökologie sind insbesondere, in Kooperation mit dem ICG-4 Veränderungen des Kohlenstoff- und Wasserhaushaltes sowie der Nährstoffkreisläufe in Erwartung des absehbaren Klimawandels und der Maßnahmen zur CO2-Reduktion zu erfassen. Gesicherte Erkenntnisse in Bezug auf den Wasserhaushalt und die ihn beeinflussenden Größen in Mittelgebirgsräumen liegen bisher kaum vor. Hier schließt das Projekt eine Datenlücke. Die Rolle der Vegetation sowie der Böden (insbesondere die bodenbildenden periglazialen Deckschichten) sind hier von Bedeutung, da Prozesse der Stoffakkumulation, -umwandlung und -transport von diesen Parametern stark abhängig sind. Deckschichten haben mit ihren Mächtigkeiten und Ausprägungen einen starken Einfluss auf Sickerwasser, Grundwasserneubildung, Retention und Oberflächenabfluss. Zudem ist für die Kooperation mit dem ICG-4 die Betrachtung des Bodenwasserhaushaltes unerlässlich, um den CO2-Vorrat im Boden zu analysieren. Die Retentionskapazitäten der Böden werden präzi
Pharmakokinetische Eigenschaften, Verteilung und Ausmass der Biotransformation von 2,2',4,5'-Tetrachlorbiphenyl im Huhn wurden bestimmt. Das die Metaboliten dieses Chlorbiphenyls ueber Kot und Eier ausgeschieden werden, soll nach einer Neusynthese der 14C-markierten Substanz ((14C)-TCB) diese wiederum an Huehner verabreicht werden. Es ist geplant, ihre Metaboliten aus Kot und Eiern zu isolieren und ihre Struktur aufzuklaeren. Weiterhin soll geprueft werden, ob das mikrosomale Enzymsystem der Huehnerleber sowie isolierte Huehnerhepatocyten (14C)-TCB biotransformieren und welche Metaboliten gebildet werden. Im Rahmen dieser Experimente soll auch geklaert werden, ob (14C)-TCB an DNA und RNA der Huehnerleber bindet. Kann dies im in-vitro Experiment gezeigt werden, soll der entsprechende in-vivo Versuch durchgefuehrt werden, indem DNA und RNA aus der Leber von Huehnern isoliert werden, denen (14C)-TCB oral verabreicht wurde.
Beim mikrobiellen Umsatz von organischen Verbindungen wird ein beträchtlicher Anteil des Kohlenstoffs zunächst zum Aufbau von Biomasse durch Bakterien genutzt. Diese Biomasse unterliegt nach ihrem Absterben wieder einem Abbau durch andere Mikroorganismen. In diesem Prozess werden Fragmente der abgestorbenen Zellen entweder selbst wieder zum Substrat für andere Organismen oder direkt in der Bodenmatrix festgelegt. Damit tragen sie substanziell zur Bildung der organischen Bodensubstanz (SOM) bei. Im Rahmen der geplanten Arbeiten sollen vorwiegend durch Markierungsexperimente mit stabilen und radioaktiven Isotopen die mikrobiellen Umsatzraten und die Bildung von Huminstoffen aus bakterieller Biomasse und fraktionierten Zellbestandteilen wie auch aus mikrobiellen Mineralisationsprodukten wie CO2 und NH4 in Modellböden des Schwerpunktprogrammes detailliert untersucht werden. Dazu wird die Transformation isotopisch markierter Biomassebestandteile (14C; 13C; 15N) in Bodenbioreaktoren untersucht. Die festgelegten und umgewandelten Produkte der markierten Biomasse sollen in den verschiedenen Partikel- und Huminstofffraktionen des Bodens bilanziert und mit isotopenchemischen und strukturchemischen Methoden charakterisiert werden. Damit können der stoffliche Beitrag der Biomasse an der Bildung von Huminstoffen im Boden bilanziert und Konversionsfaktoren sowie Raten für die Stoffverteilung abgeschätzt werden. Ergebnisse aus ersten Versuchen lassen zudem auf einen signifikanten Einbau von Kohlenstoff aus CO2 in die SOM schließen. Daraus könnte sich eine Neubewertung von Tracerexperimenten zur Bildung von gebundene Resten aus Xenobiotika ergeben. Im zweiten Schritt sollen Methoden zur Ermittlung der Struktur und Funktionalität der festgelegten Biopolymere entwickelt werden. Besonderes Augenmerk wird auf die Festlegung von Zellwandbestandteilen, Strukturproteinen und Nukleinsäuren gelegt.
Wasserlösliche Polymere (WSPs) werden in großen Mengen produziert (1.000-1.000.000 Tonnen pro Jahr, je nach Polymer) und haben zahlreiche Anwendungen, die einen Eintrag in die aquatische Umwelt zur Folge haben können. In den wenigen Fällen in denen Konzentrationen zumindest abgeschätzt werden konnten wurde je nach Polymer und Nähe zu einer Quelle von Konzentrationen im µg/L bis mg/L Bereich berichtet. Dennoch sind zu wenige Informationen zu ihrem Vorkommen und Verhalten in der aquatischen Umwelt verfügbar, um eine Bewertung ihrer Umweltrelevanz vornehmen zu können. Dies liegt zum einen daran, dass spurenanalytische Methoden für WSPs in komplexen Umweltmatrizes noch nicht etabliert sind und zum anderen daran, dass die in Studien zum Abbau verwendeten analytischen Methoden oft nur die Betrachtung eines Primärabbaus oder des Grades der Mineralisierung zuließen. In vielen Fällen fanden Transformationsprodukte wenig oder keine Beachtung. Für andere WSPs fehlen solche Studien noch komplett. Auf Basis des Literaturstandes untersucht PolyAqua das Umweltvorkommen und Umweltverhalten (Biotransformation, gebildete Transformationsprodukte und Sorption) von 5 ausgewählten Polymeren (Polyethyleneoxid - PEO, Polyvinylpyrrolidone - PVP, Polydiallyldimethylammonium chlorid - PolyDADMAC, Polyacrylsäure - PAA und Polyacrylamid - PAM) in drei Arbeitspaketen. Im Arbeitspaket 1 werden spurenanalytische Methoden für WSPs entwickelt und somit der Grundstein für die weitere Untersuchung gelegt. Es werden verschiedene analytische Methoden betrachtet, die bereits vereinzelt für WSPs angewendet wurden oder auf die Übertragbarkeit von Mikro- oder Nanoplastik auf WSPs schließen lassen. In Arbeitspaket 2 werden die Biotransformation und das Sorptionsverhalten der ausgewählten WSPs in Laborstudien untersucht. Die vorrausgegangenen Arbeiten werden in Arbeitspaket 3 auf reale Systeme übertragen (Oberflächenwässer und potentielle Quellen wie kommunale Kläranlagen). In diesem Arbeitspaket wird ein Umweltmonitoring für die ausgewählten WSPs und deren in Arbeitspaket 2 identifizierten Transformationsprodukte durchgeführt das nicht nur die wässrige Phase, sondern auch feste Phasen wie Sediment, Schwebstoffe und Klärschlamm untersucht. Dieses Monitoring dient zur Bestätigung der in Arbeitspaket 2 erzielten Ergebnisse in realen Systemen. Die kombinierten Ergebnisse zeigen, in welchen Mengen WSPs in die aquatische Umwelt eingeleitet werden. Zudem verdeutlichen sie, wie sich die WSPs zwischen verschiedenen Phasen verteilen und welche Rolle Transformationsprozesse für ihr Umweltverhalten spielen.
Mykotoxine sind toxische Stoffwechselprodukte, die von Schimmelpilzen in verschiedenen Umweltmatrices, auch im Boden, produziert werden. Obwohl Mykotoxine reguliert sind und Strategien zur Vermeidung, Reduktion und Minderung entwickelt wurden und kontinuierlich angewendet werden, kommen Mykotoxine immer noch in Lebensmitteln vor, so dass der Mensch täglich gegenüber Mykotoxine exponiert ist. Deoxynivalenol (DON) ist ein Fusarium-Mykotoxin, das in Lebensmitteln weit verbreitet ist und auch in Biomonitoring-Studien häufig beobachtet wird. Die Biosynthese von DON in verschiedenen Matrices wird durch Umwelt- und chemische Faktoren bestimmt. Es wurde postuliert, dass die DON-Produktion die Folge einer stressvermittelten Reaktion ist, um die Anpassung von Fusaria an ungünstigen Bedingungen zu unterstutzen. Bisher ist bekannt, dass der Boden ist das Haupthabitat des Fusarieninokulum ist und dass DON und ähnliche Moleküle in landwirtschaftlichen Böden nachgewiesen worden sind. Ein Zusammenhang zwischen den Bodeneigenschaften und der Mykotoxinproduktion in situ ist jedoch noch nicht bekannt, obwohl es derzeit Hinweise darauf gibt, dass das Vorkommen von DON im Boden eine Reaktion auf ungünstige Bedingungen für das Wachstum von Fusarien darstellt, z. B. durch die Wirkung von Fungiziden. Ein weiterer zu berücksichtigender Aspekt ist, dass die in landwirtschaftlich genutzten Böden beobachteten Konzentrationen keine Informationen über die Entstehung und die Bedingungen für die Mykotoxinproduktion sowie über zusätzliche Prozesse, die die Restkonzentrationen beeinflussen können, liefern. In diesem Zusammenhang wurde auch noch nicht untersucht, ob die beobachteten Konzentrationen eine biologische Auswirkung auf Böden haben können. Um den Beitrag des Bodens zu den Mykotoxin-Vorkommen, -Restkonzentrationen und -Effekte zu verstehen, ist ein tieferes Verständnis der Mykotoxin-Boden-Interaktion erforderlich. Dies beinhaltet die Untersuchung von 1) Faktoren, die die Mykotoxin-Biosynthese fördern, z. B. Szenarien in der intensiven Landwirtschaft, 2) die Bestimmung von Rückstandskonzentrationen nach Prozessen der Biotransformation und Mobilität. Schließlich 3) DON hemmt das Wachstum von ausgewählten Bakterien und Pilzen, was eine biologische Reaktion des Mikrobioms (Abundanz, Struktur und Funktionen) vermuten lässt. Das Ziel dieses Antrags ist es, das Verständnis über Mykotoxin-Boden Interaktionen zu vertiefen, auf den Ebenen der Biosynthese in Abhängigkeit von Stressoren, des Verbleibs, d.h. der Sorption und Biotransformation, und der Auswirkungen auf Bodenmikroorganismen. Dieses Wissen wird dazu beitragen, die Faktoren, die die Produktion im Boden auslösen, und die Prozesse, die die effektiven Konzentrationen steuern, aufzuklären, und ist für weitere Präventionsstrategien, die den Boden bei der Einschätzung von Mykotoxinrisiken in der Zeit vor der Ernte berücksichtigen, unerlässlich.
Die Messung von Substanz-spezifischer Stabilisotopenfraktionierung in Grundwasserschadstoffen (Compound-Specific Isotope Analysis, CSIA) ist ein etablierter Indikator für Abbau stromabwärts von Kontaminationsquellen in Altlasten. Laufende Forschungsarbeiten konzentrieren sich darauf, diesen Ansatz nun auch für diffuse (d.h. nicht Punktquellen) Kontaminanten wie das Pestizid Atrazin im niedrigen µg/L bis sub-µg/L Konzentrationsbereich vorzuspuren. Hier bietet CSIA einen machtvollen Ansatz, Abbau sogar über Zeitskalen sichtbar zu machen, die sonst Untersuchungen gar nicht zugänglich wären, oder wenn fluktuierende Konzentrationen eine Abschätzung erschweren. Der Ansatz beruht auf der Beobachtung, dass sich Isotopenwerte von Atrazin während Biotransformation ändern und somit ein Konzentrations-unabhängiges Indiz für Abbau liefern. Für einen Durchbruch von Spurenschadstoff CSIA im Feld sind jedoch kritische methodologische Fortschritte nötig. (1) Niedrige Schadstoffkonzentrationen (sub-µg/L) in Grundwasser treten in Gegenwart viel höherer Konzentrationen (mg/L) von gelöstem organischen Kohlenstoff (DOC) auf, was selektive und sensitive Spurenschadstoff CSIA stark limitiert. Mit Bakkours Expertise in selektiven Anreicherungs- und Aufreinigungstechniken zielen wir auf entscheidende Verbesserungen für empfindliche CSIA von Spurenschadstoffen in Grundwasserproben. (2) Isotopenfraktionierung in Laborexperimenten wird typischerweise bei viel höheren Konzentrationen (mg/L) als im Grundwasser (sub-µg/L) bestimmt. Mit Elsners Expertise in Chemostat und Fed-Batch Experimenten werden wir Isotopenfraktionierung von Atrazin im niedrigen Konzentrationsregime hinterfragen, als belastbare Basis für Feldinterpretationen. (3) Um als Indikator für Spurenschadstoffabbau zu dienen, müssen die Abbau-induzierten Änderungen in Isotopenwerten größer sein als die Bandbreite in kommerziellen Produkten. In Israel, wo Atrazin noch routinemäßig eingesetzt wird, werden wir daher in einer gemeinsamen Anstrengung Atrazinisotopenwerte (d13C, d15N) im Küstenaquifer analysieren und mit kommerziellen Atrazinprodukten vergleichen. (4) Um solche Isotopen-basierten Feldergebnisse kritisch zu hinterfragen, nutzen wir Bernsteins Expertise in mikrobiologischen Methoden der Hydrologie. Die vereinten Fortschritte werden es uns ermöglichen, die Anwendbarkeit von Spurenschadstoff CSIA für niedrige Konzentrationen im Grundwasser grundlegend zu erforschen.
Die Kenntnisse ueber die Effektorwirkungen von Lactonen und Reduktionen bei der enzymatischen Cellulolyse sollen auf die Herstellung technischer Cellulosepraeparate angewendet werden. Letztere werden zur Verzuckerung cellulosehaltiger Abfaelle (u.a. Stroh, Altpapier, Obst- und Gemueseabfaelle) zwecks Gewinnung von Energietraegern (Methan, Aethanol) oder Biomasse (Protein) benoetigt.
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