Heavy metals are emitted in the atmosphere by industrial activities, transported through long distances, they deposit and accumulate in terrestrial ecosystems. The problem of Long-Range Transboundary Air Pollution of Terrestrial Ecosystems (LRTAP) includes cadmium (Cd), mercury (Hg) and lead (Pb) and are priority metals in the United Nations / Economic Commission for Europe (UN/ECE) Convention from 1998. Increased accumulation of Cd, Hg and Pb from anthropogenic and geogenic sources in soils especially of forest soils has led to exceedances of the current guide values defined by the environmental legislation. Especially, Hg as a global pollutant is of high ecotoxicological concern. However, little information is available on rates of atmospheric deposition, distribution, mobility of Hg compounds (methylmercury) in soils and their transfer functions in the biosphere (bioaccumulation). An impact of current Hg (Cd and Pb) concentrations on the soil ecosystem is possible but still unknown. Aims: This study is part of a comprehensive investigation to determine Hg (Cd and Pb) levels in the soil matrix, soil solution, fungi, earthworms and their food sources (soil, leaf and root litter) and to evaluate the ecotoxicological effects of Hg on the soil microbial communities. What is the current situation of Cd, Hg and Pb in Swiss forest soils? What are the transfer functions of Cd, Hg and Pb from soil to earthworms and mushrooms? Which microbial parameters (microbial activities and/or bacterial community structures) are most suitable to reveal effects of Cd, Hg and Pb on forest soils? Which heavy metal species in soil can be considered as appropriate predictors of Cd, Hg and Pb bioavailability to microbial communities in soils? Which soil bacterial groups are affected by Cd, Hg and Pb? Are the current critical limits for the total dissolved Cd, Hg and Pb, suggested by the UN/ECE, in accordance with the values estimated for Swiss forest soils? Methods: - Determination of reactive heavy metal pool in soil: Water-extractable HM; Heavy metal specific bacterial biosensors (quantification of lux-gene); Modeling of free ions (WHAM 6). - Determination of microbial activity: - Soil respiration; Nitrification; Phosphatase, beta-Glycosidase. - Changes of total bacterial communities: T-RFLP and DGGE fingerprinting of 16S rRNA gene; Cloning and sequencing; Design of specific primers for detecting HM tolerant bacterial groups.
MAGICPAH aims to explore, understand and exploit the catalytic activities of microbial communities involved in the degradation of persistent PAHs. It will integrate (meta-) genomic studies with in-situ activity assessment based on stable isotope probing particularly in complex matrices of different terrestrial and marine environments. PAH degradation under various conditions of bioavailability will be assessed as to improve rational exploitation of the catalytic properties of bacteria for the treatment and prevention of PAH pollution. We will generate a knowledge base not only on the microbial catabolome for biodegradation of PAHs in various impacted environmental settings based on genome gazing, retrieval and characterization of specific enzymes but also on systems related bioavailability of contaminant mixtures. MAGICPAH takes into account the tremendous undiscovered metagenomic resources by the direct retrieval from genome/metagenome libraries and consequent characterization of enzymes through activity screens. These screens will include a highend functional small-molecule fluorescence screening platform and will allow us to directly access novel metabolic reactions followed by their rational exploitation for biocatalysis and the re-construction of biodegradation networks. Results from (meta-) genomic approaches will be correlated with microbial in situ activity assessments, specifically dedicated to identifying key players and key reactions involved in anaerobic PAH metabolism. Key processes for PAH metabolism particularly in marine and composting environments and the kinetics of MAGICPAH aims to explore, understand and exploit the catalytic activities of microbial communities involved in the degradation of persistent PAHs. It will integrate (meta-) genomic studies with in-situ activity assessment based on stable isotope probing particularly in complex matrices of different terrestrial and marine environments. PAH degradation under various conditions of bioavailability will be assessed as to improve rational exploitation of the catalytic properties of bacteria for the treatment and prevention of PAH pollution. We will generate a knowledge base not only on the microbial catabolome for biodegradation of PAHs in various impacted environmental settings based on genome gazing, retrieval and characterization of specific enzymes but also on systems related bioavailability of contaminant mixtures. MAGICPAH takes into account the tremendous undiscovered metagenomic resources by the direct retrieval from genome/metagenome libraries and consequent characterization of enzymes through activity screens. These screens will include a high-end functional small-molecule fluorescence screening platform and will allow us to directly access novel metabolic reactions followed by their rational exploitation for biocatalysis and the re-construction of biodegradation networks. Results from (meta-) genomic approaches will be correlated with microbial in situ activity
Soil compaction caused by passage of logging machinery reduces the soil air capacity. Changed abiotic factors might induce a change in the soil microbial community and favour organisms capable of tolerating anoxic conditions. Aerated soils that are shifted to anoxia can produce the greenhouse gases methane and N2O. For example, methanogenesis is the dominating electron-accepting process during the anaerobic oxidation of organic matter. Thus, the prolonged compaction of forest soils might enhance greenhouse gas-producing microbial activities and lead to a gradual, quantitative shift in the occurrence and activities of associated prokaryotes. This shift might be of general importance, because heavy machinery is increasingly used for logging activities. Aims: The goals of this study were to resolve differences between soil microbial communities obtained from wheel-tracks (i.e. compacted) and their adjacent undisturbed sites, and to evaluate differences in potential anaerobic microbial activities of these contrasting soils. Special emphasis will be given to organisms which are responsible for the production of greenhouse gases (nitrous oxide, methane) after soil compaction. Methods: Characterization of microbial communities with molecular tools (T-RFLP fingerprinting, DGGE, cloning and sequencing); Quantification of functional genes (quantitative PCR); Soil Microbial Measurements (C-mineralization, respiration, microbial biomass C).
Hydrothermal activity at mid-oceanic ridges is an important factor for the heat and mass transfer between the mantle and the ocean. Little information is available on the life-span of hydrothermal systems, their temporal variability or changes of the chemistry of hydrothermal solutions with time. Based on age determinations of hydrothermal deposits by means of natural radionuclides, the duration and periodicity of hydrothermal activity shall be investigated in the Logatchev field and, for the first time, in hydrothermal fields at 15 degree N at the Mid-Atlantic Ridge, which are due to serpentinization of ultramafic rocks. Based on the geochemistry and the ages of the hydrothermal deposits information on the variability of the hydrothermal fluids during the geological past will be obtained. The importance of the residence time of hydrothermal fluids in the crust for their chemical composition will be investigated for the different fluids venting at the Logatchev field. These studies are based on sampling of fluids and hydrothermal precipitates which will be conducted during the FS Meteor cruise M60/3 along the Mid-Atlantic Ridge between 14 degree 45 N and 15 degree 05 N.
Lipophile endokrin wirksame Chemikalien, z.B. synthetische Kontrazeptiva, reichern sich im bei der Abwasserbehandlung entstehenden Klärschlamm an. Wird dieser Klärschlamm als Dünger landwirtschaftlich genutzter Flächen verwendet, besteht die Gefahr, dass die Fremdstoffe aus dem Boden durch Run-off ausgetragen oder von Pflanzen aufgenommen wird. Aufgrund der verschiedenen Aufarbeitungsschritte des Klärschlamms - Stabilisierung, Konditionierung, Entwässerung, Entpathogenisierung - entstehen Klärschlämme, die sich in ihren physikochemischen Eigenschaften (Mineralgehalt, pH, Fein- und Grobstruktur) und in ihrem Gehalt an Kontaminanten unterscheiden können. Bei der Verwendung dieser Schlämme als Dünger können sich die darin enthaltenen Kontaminanten bezüglich ihres Abbau- und Transpoirtverhaltens sowie der Bioverfügbarkeit unterschiedlich verhalten. In diesem Projekt wird das Umweltverhalten ausgewählter Umweltchemikalien in Klärschlämmen in Abhängigkeit von deren Prozessierung und Aufarbeitung untersucht.
In der Europäischen Union sind zurzeit ca. 100 000 unterschiedliche Chemikalien registriert. Eine Risikoabschätzung existiert dabei erst für ca. 2700 neu registrierte Chemikalien. Aufgrund der hohen Anzahl ist es nicht möglich, innerhalb vertretbarerer Zeit, alle Substanzen auf ihre ökotoxikologische Relevanz hin zu testen. Um eine möglichst gute Risiko-Analyse mit geringer Datenbasis durchzführen, müssen die Mechanismen, die hinter der Wirkung von Substanzen stehen, verstanden sein. In dieser Arbeit wurde anhand von sechs Nonylphenol-Isomeren, mit sehr ähnlicher chemische Struktur, untersucht inwieweit Struktur-Wirkungsbeziehung für unspezifische Toxizität und estrogene Potenz möglich sind. Im Daphnien-Immobilisations-Test und im Wasserlinsen-Wachstums-Hemmtest zeigten sich keine Unterschiede für die toxische Wirkung zwischen den untersuchten Isomeren. Für Daphnia magna wurde eine größenabhängige Sensitivität für Nonylphenol (p-NP) gefunden, wobei Neonate (unter 24 h) die höchste Sensitivität zeigten. Die estrogene Potenz der p-NP-Isomere wurde im MVLN-Reportergen-Assay untersucht. Es wurden große Unterschiede in der estrogenen Potenz der Isomere gefunden. Während p353-NP eine ähnliche estrogene Potenz wie das p-NP Gemisch aufwies, zeigten andere Isomere (p262-NP, p22-NP) keine estrogene Potenz im MVLN-Reportergen-Assay. Mischungen aus mehreren Isomeren und einzelnen Isomeren mit 17ß-Estradiol legen die Vermutung nahe, dass auch die inaktiven Isomere mit dem Estrogen-Rezeptor interagieren. In einem Estrogen-Rezeptor Bindungsassay konnte definitiv gezeigt werden, dass alle Isomere an die Liganden-Bindungsstelle des Estrogen-Rezeptors binden. Die Mischung p-NP zeigt also sowohl estrogene als auch antiestrogene Wirkungsarten. Es erscheint also sinnvoll bei der Betrachtung dieser speziellen Wirkungsart zwischen den einzelnen Isomeren zu unterscheiden. Um die größenabhängige Sensitivität für Daphnia magna zu erklären wurden Biokonzentrationsversuche mit radioaktiv markiertem p353-NP durchgeführt. Bei der Betrachtung der Gesamtradioaktivität wurde der Gleichgewichtszustand nach 48 h erreicht, wohingegen die Konzentration an p353-NP, gemessen mit Radio-HPLC, in den Daphnien bereits nach 12 h reduziert wurde. Für adulte Daphnien lag der BCF von p353-NP wesentlich niedriger, als die Abschätzung der Gesamtradioaktivität und die Vorhersage über QSAR vermuten ließ. Neonate Daphnien (unter 24 h) zeigten einen wesentlich höheren BCF bezogen auf die Gesamtradioaktivität. Die Biokonzentration von p353-NP korrelierte mit dem Gewicht der untersuchten Daphnien. Es wurde ein größenabhängiges Ein-Kompartiment-Modell für die Darstellung der Gesamtradioaktivität und der p353-NP Konzentration entwickelt. Mit diesem Modell ließ sich die Biokonzentration für alle Daphnien zu allen Zeitpunkten beschreiben. Ein Vergleich der Biokonzentration von ungefütterten und gefütterten Daphnien ergab keinen Unterschied. Biomagnifikationsversuche mit vorher kontaminierten Algen u.s.w.
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