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.
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.
Gemische organischer Spurenstoffe, die durch menschliche Aktivität entstehen und in die Umwelt gelangen, sind ein großes ökologisches Risiko. Die biologische Abwasserbehandlung leistet einen wichtigen Beitrag, den Eintrag solcher Spurenverunreinigungen in die Umwelt zu verringern, doch variiert die Reinigungsleistung stark zwischen einzelnen Schadstoffen und Abwasserbehandlungsanlagen. Obwohl mikrobieller Abbau das Potenzial hat, Spurenstoffe aus der Umwelt zu entfernen, sind die schadstoffabbauenden mikrobiellen Stämme und Enzyme in komplexen biologischen Systemen wie Belebtschlamm meist unbekannt. Zudem gibt es klare Hinweise auf eine Auswirkung der behandelten Abwässer auf die Ökologie der stromabwärts gelegenen Biofilm-Gemeinschaften, die aber noch wenig untersucht sind. Ziel des geplanten Projektes ist es, die Biotransformation von Schadstoffen in der biologischen Abwasserbehandlung und in deren Vorflutern auf Ebene der mikrobiellen Gemeinschaften, Stämme und Enzyme besser zu verstehen. Wir gehen davon aus, dass die Zusammensetzung bakterieller Gemeinschaften und die chemischen Strukturen der Schadstoffe die beiden Hauptursachen für die beobachteten Unterschiede des Schadstoffabbaus zwischen bakteriellen Gemeinschaften sind. Als Folge davon erwarten wir, dass Bioindikatoren identifiziert werden können, welche die Variabilität der Biotransformation zwischen mikrobiellen Gemeinschaften auf molekularer Ebene erklären können. Um diese Hypothese zu testen, werden wir zunächst einen Feldversuch durchführen, um die Variabilität zwischen Kläranlagen und ihrer Umgebung in Bezug auf die mikrobielle Zusammensetzung und die Biotransformationskapazität systematisch zu quantifizieren. Danach werden wir sequenz- und aktivitätsgelenkte Laborexperimente durchführen, um Bakterienstämme und Enzyme zu identifizieren, die für die Biotransformation von Spurenstoffen im Belebtschlamm verantwortlich sind. Letztlich werden wir die durch die Laborexperimente gewonnenen Erkenntnisse dazu nutzen um Bioindikatoren zu identifizieren, welche die Biotransformation in natürlichen und technischen mikrobiellen Gemeinschaften erklären können. Die in diesem Projekt gewonnenen molekularen Erkenntnisse können dazu beitragen, das Entfernen von Spurenstoffen in Kläranlagen zu optimieren und so die Auswirkungen auf die nachgelagerten Umweltkompartimente zu minimieren, die Entwicklung besser abbaubarer Chemikalien zu unterstützen und die Methoden für die chemischen Risikobewertung zu verbessern. Darüber hinaus wird das Projekt eine Reihe von Ressourcen hervorbringen, darunter die erste bakterielle Stammsammlung aus Belebtschlamm, umfangreiche Daten zu Biotransformationsraten, sowie validierte Enzyme zur Biotransformation. Diese Ergebnisse und Ressourcen werden für weitere Forschungsprojekte zur Verfügung stehen, und insgesamt zu einem verbesserten Verständnis der Biotransformationsprozesse während der Abwasserreinigung und in der natürlichen Umwelt beitragen.
Ziel des Forschungsvorhabens P2Value ist die Entwicklung eines neuartigen, integrierten und nachhaltigen Technologiekonzepts für die enzymatische Phosphat-Rückgewinnung und die gekoppelte biotechnologische Herstellung von grünen Phosphaten aus Pflanzenschroten sowie biogenen Reststoffen. Im Erfolgsfalle stehen nachhaltige, biotechnologische Verfahren für die Phosphat-Herstellung aus nachwachsenden Rohstoffen zur Verfügung, die in der Lebensmittelherstellung (z.B. als Streichsalze, antibakteriostatische Stoffe, Emulgatoren, Textur) eingesetzt werden. Hervorzuheben ist, dass durch die im Forschungsvorhaben P2Value entwickelte Technologie das enzymatische aus biogenen Reststoffen gewonnene Phosphat frei von Kontamination ist und Umweltressourcen schonend (keine Säuren, keine hohen Temperaturen, keine langen Transportwege) hergestellt wird. Zusätzlich führt das Verfahren zu valorisiertem, Phytin abgereichertem Schrot, das deswegen in höheren Massenanteilen in Tierfutter eingesetzt werden kann (bisher auf 10% limitiert). Das P2Value Verfahren fördert die Unabhängigkeit vom Import und leistet somit einen Beitrag zur P-Kreislaufwirtschaft. Unter anderem wird die Reduktion des Phosphateintrags erreicht und die Umweltbelastung somit reduziert durch Vermeidung der Anreicherung des unverdauten Phytins oder Kontaminationen aus dem Mineraldünger im Boden und in Gewässern. Alleinstellungsmerkmal ist, dass die aus nachwachsenden Rohstoffen biotechnologisch hergestellten Phosphate für die Lebensmittelherstellung in ihren Eigenschaften denen der chemisch hergestellten überlegen sind und neue Möglichkeiten für die Valorisierung der Produkte bieten. Perspektivisch ermöglicht die im Forschungsvorhaben entwickelte Phytase/Hefe Toolbox eine größer als 80 % Gewinnung von Phosphat aus Phytin aus nachwachsenden Rohstoffen und ermöglicht im Pilotmaßstab die Herstellung von grünen Polyphosphaten.
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