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Bilanzierung des Beitrags mikrobieller Biomasse zur Bildung refraktärer organischer Substanz im Boden mittels Isotopentracertechniken (Zellen, Zellbestandteile, CO2 und NH4)

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.

Forschergruppe (FOR) 409: Systemverständnis: Wasser- und Stoffdynamik urbaner Standorte; System Comprehension: Dynamics of Water and Materials at Urban Locations, Teilprojekt FAUNA: Einfluß der Bodenfauna auf die Transformation der organischen Bodensubstanz und auf ausgewählte Strukturparameter urbaner Böden

Das Projekt hat zum Ziel, den Einfluss der Aktivität von Bodentieren auf Umsetzungsprozesse in urbanen Böden zu untersuchen. Neben der Quantifizierung des Beitrages, den die Bodentiere bei der Dekomposition von organischem Material und der Verlagerung von Nähr- und Fremdstoffen leisten, soll insbesondere auf die Wechselwirkungen mit der mikrobiellen Flora eingegangen werden. Da anthropogen geprägte Böden eine in ihrer Vielfalt - gegenüber natürlichen Systemen - reduzierte Bodentiergemeinschaft aufweisen, möchte das Projekt zugleich einen Beitrag zu der Frage leisten, welchen Einfluss jeweils funktionelle Zusammensetzung und Artendiversität der Biozönose auf die bodenbiologisch gesteuerten Prozesse diese Standorte ausüben. Ein weiteres Ziel des Projektes ist die Charakterisierung von Veränderungen in den strukturellen Eigenschaften der untersuchten Böden, die auf Ausscheidungen und auf die Vermengungs- und Grabaktivität der Bodentiere zurückzuführen sind. In der ersten Projektphase wird die Steuerungsfunktion der Bodentiere bei Umsetzungsprozessen, die maßgeblich durch die Aktivität von Mikroorganismen getragen werden, in Mikrokosmen unterschiedlicher Komplexität untersucht. Diese sollen mit standorttypischen Tierarten und Substraten bestückt werden und dynamische, bodenbiologische Prozesse modellhaft beschreiben. Die Übertragung der im Labor gewonnenen Erkenntnisse auf das Freiland erfolgt in einer späteren Projektphase. Zusammenhänge zwischen Besatz von speziellen Tierarten und ... (Text gekürzt)

Muttermilch-Untersuchungsprogramm des Landes Niedersachsen

Die Untersuchungen geben Informationen über die allgemeine Belastung mit Schadstoffen, insbesondere mit Organochlorverbindungen. Sie können z. B. regionale Unterschiede (Stadt-Land) im Gehalt an Fremdstoffen aufzeigen. Die Messungen geben an, ob sich Fremdstoffe in ihrer Konzentration geändert haben oder ob sogar neue Fremdstoffe nachweisbar sind. Die Ergebnisse der Fremdstoffmessungen könnten zu Änderungen der Stillempfehlungen führen.

Entschlüsselung des metabolischen Zusammenspiels zwischen der Darmmikrobiota der Honigbiene und einer umfassenden Pestizidbibliothek

Bienen sind wichtige Bestäuber in der Landwirtschaft und in natürlichen Ökosystemen, deren Bestände stark rückläufig sind. Neben der Verkleinerung des Lebensraums und Krankheitserregern sind Pestizide einer der wichtigsten Stressfaktoren für die Bienengesundheit. Während das Bienensterben im Zusammenhang mit akuter Pestizidexposition gut untersucht ist, wurde inzwischen nachgewiesen, dass eine chronische, subletale Pestizidexposition die Immunkompetenz, die Resistenz gegen Krankheitserreger und das Futtersuchverhalten beeinträchtigt. Dieselben Eigenschaften werden durch das Darmmikrobiota sozialer Bienen moduliert. Daher ist das Verständnis des Zusammenspiels zwischen Pestiziden, Bienen und ihrem Mikrobiota von entscheidender Bedeutung, um die Auswirkungen einer chronischen, subletalen Pestizidexposition abschätzen zu können. Neue Erkenntnisse deuten darauf hin, dass das Darmmikrobiota von Honigbienen sowohl durch bestimmte Pestizide gestört wird als auch Pestizide biochemisch verändert kann. Wir schlagen ein innovatives Forschungsvorhaben vor um die Wechselwirkungen zwischen Pestiziden, der Darmmikrobiota und der Bienengesundheit zu erforschen. Unsere Hypothese ist, dass das Darmmikrobiota von Bienen mit vielen Pestiziden interagieren kann. Ein erheblicher Teil der Pestizide verursacht eine Dysbiose, während die Mikroben Pestizide auch verstoffwechseln können. Diese Wechselwirkungen prägen die Gesundheit der Bienen und erzeugen einen langfristigen evolutionären Druck in Richtung Resistenz gegen Pestizide, was möglicherweise zu Kreuzresistenz oder Kreuzsensibilisierung gegenüber anderen Xenobiotika führen kann. In drei komplementären Arbeitspaketen werden wir i) die Wechselwirkungen zwischen 1054 Pestiziden, Antibiotika und anderen Xenobiotika und der Bienenmikrobiota systematisch untersuchen, ii) ermitteln, wie sich diese Interaktionen auf die Bienengesundheit auswirken, und iii) testen, ob eine langfristige Pestizidexposition zu einer Kreuzresistenz mit anderen Pestiziden und Antibiotika führen kann. Die einzigartigen und komplementären Fähigkeiten der Engel und der Zimmermann Arbeitsgruppe ermöglichen es uns, in vitro Screens mit einer Vielzahl von Bakterien und Pestiziden zu entwickeln, sowie unsere Ergebnisse mittels in vivo Experimenten zu validieren. Dies ist dank etablierter Protokolle, Robotics, Hochdurchsatz-Massenspektrometrie, einer etablierten Imkerei und einem Bienenlabor, sowie umfangreiche Sammlungen mit Bienendarmisolaten und Pestizidstandards möglich. Unsere Ergebnisse haben das Potenzial, i) das Verständnis der durch die Mikrobiota vermittelten Auswirkungen von Pestiziden auf die Bienengesundheit zu verbessern, ii) neue Mechanismen der Pestizidresistenz und Biotransformation zu identifizieren, iii) das Ausmaß der entwickelten Kreuzresistenz infolge der Exposition gegenüber xenobiotischen Verbindungen zu verstehen und iv) neue Regulierungen zur Verwendung von Pestiziden zu unterstützen.

Forschungsprojekt Klaerschlamm

Klaerschlamm ist das wichtigste Nebenprodukt der Abwasserreinigung. Man hatte lange gehofft, den ausgefaulten Klaerschlamm als Duenger verwenden und die Schlamminhaltsstoffe so wieder in die Naturkreislaeufe zurueckfuehren zu koennen. Die Schadstoffe, die der Schlamm enthaelt, Schwermetalle und xenobiotische organ. Verbindungen stellen jedoch die landwirtschaftl. Wiederverwertung des Schlamms immer mehr in Frage. Es gibt keine Rezepte fuer die Verwertung oder 'Beseitigung' des Schlammes. Die anaerobe Ausfaulung hat sich fast ueberall durchgesetzt. Fuer die meisten Beseitigungsarten braucht es zusaetzliche Behandlungsverfahren. Sowohl die Verbrennung als auch die Deponierung des Schlammes sind mit signifikanten Umweltbelastungen (Belastung der Atmosphaere mit Schwermetallen, Verbrennungsprodukten; Infiltration von Schadstoffen in Grundwasser und Gewaessern) verbunden. Die Verfahrenstechnik Schlamm (biol. Stabilisierung, Flockung, Elutriation, Hygienisierung, Entwaesserungs- und Filterungsprozesse) ist sehr vielseitig. Leider fehlen der EAWAG bisher die Mittel zur Aneignung einer umfassenden Kompetenz in diesen Techniken.

Biologische Behandlung von Metallspaenen und -schlaemmen, die mit Kuehlschmierstoffen verunreinigt sind

Bei der Fertigung von Autoteilen im Mercedes Benz Werk fallen Metallspaene und Metallschlaemme an, die mit Kuehlschmierstoffen verunreinigt sind. Im Arbeitsbereich Abfallwirtschaft sollen Untersuchungen zur biologischen Reinigung dieser Problemstoffe durchgefuehrt werden. Zeitgleich werden Reaktoren zur Behandlung dieser Problemstoffe konzipiert und angefertigt. Wegen der meist nicht festen Konsistenz, des zumeist hohen Fremdstoffgehaltes und der unterschiedlichen und oft problematischen Zusammensetzung ist die Verwertung oder Entsorgung der oelhaltigen Spaene und Schlaemme schwierig und kostspielig. Eine Moeglichkeit, einen Teil der Verunreinigung abzutrennen, ist das Zentrifugieren der Problemstoffe. Dabei kann ein Teil der Kuehlschmierstoffe (KSS) zurueckgewonnen werden, und der Transport der Abfallstoffe wird vereinfacht. Ausserdem ist eine thermische Entfeuchtung bzw. Wiederverwertung moeglich. Bei diesen Verfahren fuehrt die meist unvollstaendige Verbrennung zu Problemen in der Abluft und zur Zerstoerung von Elektrofiltern durch Glimmbraende. Eine Abgasnachverbrennung koennte hier die Probleme minimieren. Mit Wasch- und Extraktionsverfahren, bei denen mit Waschwasser und Tensiden gearbeitet wird, ist ebenfalls eine Trennung moeglich. Von Huettenwerken werden nur Metallspaene angenommen, wenn diese eine trocknende Vorbehandlung, mindestens in Form eines Zentrifugierens, erfahren haben. Ordnungsgemaess aufbereitete, fuer die schmelztechnische Verarbeitung vorgesehene Spaene sollten Restfeuchten von kleiner 0,3 Prozent aufweisen. Ein Recycling ohne vorherige Reinigung ist daher nicht moeglich. Erste Voruntersuchungen zur biologischen Reinigung der oelhaltigen Schlaemme bzw. Spaene haben gezeigt, dass die Verunreinigungen verringert werden koennen. Bei diesen anaeroben Versuchen wurde den oelhaltigen Abfallstoffen anaerobes organisches Material zum Animpfen zugegeben. Weitere Versuche mit unterschiedlichen Zuschlagsstoffen und veraenderten Milieubedingungen werden folgen.

Ecotoxicology of Organotin compounds

Organotin and especially butyltin compounds are used for a variety of applications, e.g. as biocides, stabilizers, catalysts and intermediates in chemical syntheses. Tributyltin (TBT) compounds exhibit the greatest toxicity of all organotins and have even been characterized as one of the most toxic groups of xenobiotics ever produced and deliberately introduced into the environment. TBT is not only used as an active biocidal compound in antifouling paints, which are designed to prevent marine and freshwater biota from settlement on ship hulls, harbour and offshore installations, but also as a biocide in wood preservatives, textiles, dispersion paints and agricultural pesticides. Additionally, it occurs as a by-product of mono- (MBT) and dibutyltin (DBT) compounds, which are used as UV stabilizer in many plastics and for other applications. Triphenyltin (TPT) compounds are also used as the active biocide in antifouling paints outside Europe and furthermore as an agricultural fungicide since the early 1960s to combat a range of fungal diseases in various crops, particularly potato blight, leaf spot and powdery mildew on sugar beet, peanuts and celery, other fungi on hop, brown rust on beans, grey moulds on onions, rice blast and coffee leaf rust. Although the use of TBT and TPT was regulated in many countries world-wide from restrictions for certain applications to a total ban, these compounds are still present in the environment. In the early 1970s the impact of TBT on nontarget organisms became apparent. Among the broad variety of malformations caused by TBT in aquatic animals, molluscs have been found to be an extremely sensitive group of invertebrates and no other pathological condition produced by TBT at relative low concentrations rivals that of the imposex phenomenon in prosobranch gastropods speaking in terms of sensitivity. TBT induces imposex in marine prosobranchs at concentrations as low as 0,5 ng TBT-Sn/L. Since 1993, for the littorinid snail Littorina littorea a second virilisation phenomenon, termed intersex, is known. In female specimens affected by intersex the pallial oviduct is transformed of towards a male morphology with a final supplanting of female organs by the corresponding male formations. Imposex and intersex are morphological alterations caused by a chronic exposure to ultra-trace concentrations of TBT. A biological effect monitoring offers the possibility to determine the degree of contamination with organotin compounds in the aquatic environment and especially in coastal waters without using any expensive analytical methods. Furthermore, the biological effect monitoring allows an assessment of the existing TBT pollution on the basis of biological effects. Such results are normally more relevant for the ecosystem than pure analytical data. usw.

Membranwirkungen koerperfremder Substanzen (insbesondere geladener und ungeladener amphiphiler Stoffe)

Es sollen Aussagen moeglich werden ueber die Beeinflussung membrangebundener Steuerungsvorgaenge durch Fremdstoffe.

Einfluss natuerlicher organischer Substanzen auf die Mobilitaet von hydrophoben Umweltchemikalien

Die Wechselwirkung mit natuerlichen organischen Substanzen (z.B. Huminstoffe) kann die Mobilitaet von hydrophoben Xenobiotika in zweierlei Weise beeinflussen: zum einen kann durch Sorption eine Immobilisierung bzw. eine stark verringerte Migration bewirkt werden, zum anderen koennen geloeste Verbindungen auch eine Loesungsvermittlung und damit eine erhoehte Mobilitaet bewirken. Fuer Polycyclische Aromatische Kohlenwasserstoffe, Polychlorierte Biphenyle und Hexachlorcyclohexan Isomere konnte ein unterschiedliches Verhalten bei der Anwesenheit von geloesten und/oder fixierten Huminstoffen nachgewiesen werden, das vor allem von der Aromatizitaet der Verbindungen abhaengt. Weitere Untersuchungen sollen klaeren wann der beschleunigende Effekt von geloesten Huminstoffen den sorbierenden Effekt von fixierten Huminstoffen ueberwiegt und welchen Einfluss Biofilme auf das System haben.

Ausarbeitung eines Systems zur Codierung chemischer Strukturen, einschliesslich eines Retrieval-Systems fuer Substrukturen, Vorhersage von Folgeprodukten von Chemikalien in der Umwelt

Pilotstudie zur Erstellung von Programmsystemen zur Registrierung und Wiedergabe von chemischen Strukturen auf der Basis des mathematischen-logischen Modells der Chemie unter besonderer Betonung des Einsatzes von graphischen Sicht- und Zeichengeraeten. Programmsystem zur Untersuchung von abiotischen Reaktionsmoeglichkeiten von Xenobiotika in der Umwelt und zur Vorhersage von Folgeprodukten und zu deren Bereitstellung als Abfrageobjekte des Datenbanksystems.

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