Ziel unserer Arbeiten ist der Schutz der Wasserressource Grundwasser. Dazu wollen wir die ökologischen Prozesse aufklären, die zu Schadstoffabbau führen oder auch Abbau von organischen Schadstoffen limitieren. Das Ramanmikroskop wird benötigt um Stoffumsätze und metabolische Prozesse von Mikroorganismen auf der Einzelzellebene untersuchen und abbilden zu können. Damit soll eine neue Ebene von ökologischen Studien ermöglicht werden, bei der die phylogenetische Klassifizierung von Mikroorganismen mit Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) mit der Aktivitätsanalyse durch Einbau stabiler Isotope (13C, 2H) in Biomasse kombiniert werden kann. Mit diesen innovativen Methoden sollen Kohlenstoffflüsse durch mikrobielle Gemeinschaften auf der Einzelzellebene analysiert werden. Weiterhin kann allgemeine metabolische Aktivität gemessen werden. Damit sollen z.B. in Biofilmen oder sonstigen mikrobiellen Gemeinschaften aktive Zellen identifiziert werden. Dieses kann unspezifisch über den Einbau von deuteriertem Wasser oder spezifisch durch Einbau von 13C in die Biomasse nach Abbau von 13C-markierten Substanzen erfolgen. Bisher wurden Abbauprozesse hauptsächlich in größeren Skalen untersucht, wobei aber wichtige Schlüsselprozesse und Limitationen zwangsläufig übersehen wurden. Wir wollen diese Lücke mit neuen Einzelzelluntersuchungen füllen und Gesetzmäßigkeiten für den mikrobiellen Schadstoffabbau ableiten.
Veranlassung
Im regulatorisch ausgerichteten Monitoring können Extremereignisse häufig nicht sicher erfasst werden und eine Bewertung des Gewässerzustandes ist nur eingeschränkt möglich. Viele anthropogene Stoffe sind derzeit nicht reguliert und werden im Rahmen der gängigen Monitoringpraxis nicht berücksichtigt. Ein weiteres Defizit ist die meist vorhandene zeitliche Entkopplung von Probenahme, Messung und Datenauswertung, die zur Folge hat, dass eine sofortige Reaktion auf Systemveränderungen nicht möglich ist.
In MONDE 1 wird daher eine Monitoring-Station aufgebaut, in der ein breites Spektrum an chemischen Gewässerparametern kontinuierlich analysiert werden kann. Seit 2019 werden kommerziell erhältliche Online-Methoden angewendet, schon etablierte Offline-Methoden auf einen Online-Betrieb übertragen und neue Analysemethoden entwickelt.
Im anorganischen Bereich wurde eine Methode erarbeitet, mit der 68 Elemente in einem einzigen Analysenlauf erfasst werden können. Seitens der organischen Chemie wird eine Quantifizierungsmethode für rund 150 physikochemisch diverse Spurenstoffe entwickelt.
Ziele
- Aufbau einer automatisierten Monitoring-Station zur zeitlich hochaufgelösten Messung chemischer Gewässerparameter in Koblenz am Rhein
- Vergleich verschiedener Online-Methoden
- Erfassung unbekannter chemischer organischer Spezies
- Entwicklung einer Multi-Element-Methode zur Analyse von Spuren- und Mengenelementen mittels Triple-Quadrupol-Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma
- Entwicklung einer Quantifizierungsmethode mittels überkritischer Fluidchromatografie und massenspektrometrischer Detektion für ein physikochemisch diverses Spektrum an organischen Spurenstoffen
- Etablierung einer einheitlichen Datenverwaltung
Aufgrund einer intensiven anthropogenen Nutzung sind viele Oberflächengewässer stark belastet und ein umfassendes Monitoring ist essenziell, um Informationen zu dem chemischen und ökologischen Zustand dieser Gewässer zu erlangen. Ziel dabei ist nicht nur die Bewertung des Ist-Zustands oder das Aufzeigen von langfristigen Trends, sondern auch die konkrete Bestimmung von Ursache-Wirkungs-Zusammenhängen oder die Identifizierung von Eintragsquellen. Dies hilft, Belastungen zu reduzieren und gezielte Maßnahmen, beispielsweise zum Schutz von Trinkwasserressourcen, zu ergreifen.
Mit der Monitoring-Station der Zukunft wird der Grundstein für ein automatisiertes Gewässermonitoring gelegt, das eine zeitlich hochaufgelöste Überwachung und zeitnahe Bewertung des Gewässerzustandes möglich macht.
Trifluoracetat (TFA; CF3COO-) ist ein sehr persistenter und sehr mobiler Stoff, der sich in be-stimmten Umweltkompartimenten anreichern kann. Mit herkömmlichen Wasseraufberei-tungsmethoden ist TFA nicht zu entfernen. Daher stellt TFA eine Herausforderung für den Ge-wässerschutz im Allgemeinen und den Schutz von Trinkwasserressourcen im Speziellen dar. Obwohl nach bisherigem Kenntnisstand die akute Toxizität von TFA gering ist, sollten Einträge von TFA in Gewässer daher möglichst vermieden werden.
Die Herkunft von TFA in der Umwelt ist seit langem ein kontrovers diskutiertes Thema: Der Nachweis von TFA in vorindustriellen Wasserproben in Studien, die Ende der 1990er bis Anfang der 2000er Jahre durchgeführt wurden, deutet darauf hin, dass TFA in geringem Umfang auch auf natürliche Weise entstehen kann. Bislang hat die Forschung jedoch keine ausreichenden wissen-schaftlichen Beweise für diese Hypothese erbracht. Im Gegensatz dazu haben beispielsweise Eis-bohrkerne aus der Arktis und archivierte Biota-Proben aus Deutschland bewiesen, dass zumin-dest die überwiegende Menge an TFA in der nicht-marinen Umwelt auf anthropogene Quellen zurückzuführen ist. Aufgrund der Vielzahl möglicher Quellen und Vorläufersubstanzen, zu denen häufig nur unzureichende Informationen vorliegen, ist es jedoch oft schwierig, TFA-Belastungen auf eine bestimmte Eintragsquelle zurückzuführen.
In diesem Projekt wurden deutschlandweit TFA-Belastungen sowie deren Quellen räumlich und mengenmäßig analysiert, um so den Beitrag der verschiedenen, möglichen Eintragspfade abzu-schätzen. Auf diese Weise wurde eine fachlich fundierte Basis für koordinierte, effektive und konsistente Minderungsmaßnahmen abgeleitet.
Im Projektverlauf bestätigte sich, dass die Datenlage – sowohl die TFA-Belastungen als auch die TFA-Emissionen betreffend – mangelhaft ist, wodurch teilweise Unsicherheiten bei den Projekt-ergebnissen nicht ausgeräumt werden können. Es kann davon ausgegangen werden, dass flä-chenhaft bedeutende Einträge vor allem durch die Anwendung von Pflanzenschutzmitteln und leichtflüchtigen TFA-Vorläufersubstanzen (z. B. Kältemittel) erfolgen, während Industriebetriebe teilweise lokal sehr hohe Belastungen verursachen.
Minimierungsstrategien, die unter anderem im Rahmen eines Workshops diskutiert wurden, um-fassen:
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Auftrag an Politik und Behörden, sich verstärkt für die Aufnahme von TFA und anderen sehr persistenten und sehr mobilen Substanzen in rechtliche Regelwerke, sowohl auf nationaler wie auch auf EU-Ebene, einzusetzen – insbesondere, wenn diese Stoffe zudem noch toxische Effekte beim Menschen oder Umweltorganismen bereits bei niedrigen Konzentrationen her-vorrufen.
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Stärkung bestehender Ansätze zur Minimierung von Belastungen durch Pflanzenschutzmit-tel, wie z. B. der Fundaufklärung mit Unterstützung der Hersteller,
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Weiterführung und Ausweitung der Monitoringprogramme auf Länderebene, um Ursachen und Trends zu erkennen und ggf. konkrete Maßnahmen einleiten und überprüfen zu können.
Informationen zu TFA sowie ausgewählte Projektergebnisse wurden in Form einer interaktiven Karte (https://gis.uba.de/maps/TFA-Herkunft-und-Belastungen) sowie einer StoryMap für die interessierte Öffentlichkeit aufbereitet und online zur Verfügung gestellt (https://gis.uba.de/maps/Trifluoracetat).
Persistente und mobile Stoffe (PM-Stoffe) sind in teilweise geschlossenen Wasserkreisläufen besonders schwierig zu entfernen. Zugleich sind sie bisher nur unvollständig analytisch erfassbar. Während PM-Stoffe also einerseits ein Risiko für die Trinkwasserversorgung darstellen, sind andererseits die Kenntnisse darüber, welche PM-Stoffe wirklich aus Abwässern bis in Rohwässer der Trinkwasserversorgung oder sogar bis ins Trinkwasser vorzudringen, sehr beschränkt. Ein Konsortium aus fünf Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft wird mit diesem Vorhaben diese Situation verbessern. Grundlegende Ziele des Vorhabens sind (a) das Ausmaß der Belastung von Rohwässern für die Trinkwasserversorgung durch PM-Stoffe genauer zu erfassen und (b) Technologien und Maßnahmen zu entwickeln, die den Schutz der Wasserressourcen und des Trinkwassers vor PM-Stoffen verbessern. Durch Anwendung neuer analytischer Methoden, die speziell auf mobile Stoffe zugeschnitten sind, wird das Konsortium das Ausmaß des Auftretens von PM-Stoffen im Wasserkreislauf und die Wirksamkeit natürlicher und technischer Barrieren (Kläranlagen, Untergrundpassage, Trinkwasseraufbereitung) zum Rückhalt von PM-Stoffen erfassen. Auffällige Stoffe werden hinsichtlich ihrer gesundheitlichen Bedeutung priorisiert. Zugleich werden Technologien für den Rückhalt von PM-Stoffen verbessert und entwickelt; dabei werden stofftrennende und stoffumwandelnde Prozesse betrachtet. Die Betrachtung des gesamten Wasserkreislaufes unter Beachtung innovativer wassertechnologischer Verfahren wird es dem Konsortium ermöglichen, abschließend geeignete Minderungs-Maßnahmen aufzeigen, mit denen der Gefährdung der Wasserressourcen durch PM-Stoffe begegnet werden kann.
Maßnahmen sollen etabliert und umgesetzt werden, die den Schutz der Wasserressourcen im grenzübergreifenden Einzugsgebiet der Lausitzer Neiße optimieren und verbessern. Das Projekt soll zur Erhaltung der natürlichen Ressourcen bei sich verändernden Klimabedingungen, insbesondere verbunden mit Trockenperioden, beitragen. Ein weiteres Ziel des Projektes besteht in einer umfassenden und grenzüberschreitenden Bewertung der Wasserressourcen, was zu einem einheitlichen Bewirtschaftungsplan mit abgestimmten Maßnahmen im Grenzgebiet beitragen wird. Das Projekt bezweckt ebenfalls die Stärkung und Unterstützung der öffentlichen Institutionen auf dem Gebiet der nachhaltigen Bewirtschaftung von Wasserressourcen in Übereinstimmung mit den Anforderungen der Wasserrahmenrichtlinie (WRRL).