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Forschergruppe (FOR) 5095: Interaktionen von Schadstoffen, Antibiotikaresistenz und Pathogenen in einem sich ändernden Abwasserbewässerungssystem, Teilprojekt: Bedeutung von natürlichen Nanopartikeln und Kolloiden für die Mobilität und Bioverfügbarkeit von Antibiotika im Boden

Natürliche Kolloide, einschließlich Nanopartikel, sind in der Umwelt ubiquitär und wichtige Sorptionspartner für Arzneimittel wie Antibiotika. Es ist jedoch fast nichts darüber bekannt wie Abwasserbehandlung sowie Bodentyp die Prävalenz von Kolloiden und kolloidassoziierter Antibiotika modulieren. Auch Auswirkungen von Kolloiden auf die Bioverfügbarkeit von Antibiotika im Boden sind unklar. Wir stellen die Hypothese auf, dass i) große Teile der Antibiotika im Abwasser, im Boden und im Sickerwasser an Kolloide gebunden sind, und dass ii) eine Veränderung der Abwasserqualität sowie iii) verschiedene Bodentypen die Zusammensetzung der Kolloide sowie den Anteil der daran gebundenen Antibiotika verändern. Wir gehen davon aus, dass iv) die Bindung von Antibiotika an Kolloide deren Bioverfügbarkeit und die Selektion von Antibiotikaresistenzgenen verringert, während die Pflanzenaufnahme von Antibiotika nicht durch Abwasserbehandlung beeinflusst wird, da dadurch zwar geringere Gesamtkonzentrationen verglichen zum unbehandelten Abwasser erreicht werden, diese jedoch besser verfügbar sind. Um diese Hypothesen zu testen, werden wir i) Antibiotika in der kolloidalen und echt gelösten Phase von unbehandeltem Abwasser, Boden und Sickerwasser des Säulen- und Feldexperiments im Phaeozem analysieren. Um Veränderungen in der Kolloid-Antibiotika Assoziation aufzuklären, die ii) durch Veränderungen der Abwasserqualität und iii) des Bodentyps verursacht werden, werden wir Antibiotika in gelöster und kolloidaler Form in mit behandeltem und unbehandeltem Abwasser bewässerten Leptosolen und Vertisolen analysieren (Säulen- und Feldexperiment). Die Auswirkungen von iv) Kolloiden auf Bioverfügbarkeit und Selektion von Antibiotikaresistenzgenen, wird durch ein Satellitenexperiment zusammen mit SP 3 bewertet, in dem minimale Hemmkonzentrationen und Wachstumskurven für Bakterien in Lösungen in An- und Abwesenheit von Bodenkolloiden bestimmen werden. Um reale Böden mit unterschiedlichen Kolloidzusammensetzungen aus verschiedenen Bodentypen einzubeziehen, werden wir dort zusätzlich Antibiotikakonzentrationen sowie minimale selektive Konzentrationen unter Verwendung isogenresistenter und anfälliger Stämme in der echt gelösten und kolloidalen Fraktion des zentralen Inkubationsexperiments bestimmen. Die v) Pflanzenaufnahme von Antibiotika wird im zentralen Säulen- und Feldversuch quantifiziert. Zum besseren Verständnis der an der Antibiotikabindung beteiligten Kolloidphasen erfassen wir die kolloidale Größenverteilung sowie ihre Zusammensetzung mittels Feldflussfraktionierung für alle Abwasser- und Bodenproben. Die Verknüpfung der Informationen über Kolloid-Antibiotikum-Wechselwirkungen mit den Gesamtkonzentrationen (SP 2) und mikrobiologischen Parametern aus den anderen Teilprojekten liefert eine einmalige Chance, erstmalig ein tieferes Verständnis zu erhalten, welche Rolle Kolloide für die Mobilität und Bioverfügbarkeit von Antibiotika in Böden unter Abwasserbewässerung spielen.

Der Einfluss von Kolloiden auf Wasserfluss und Stofftransport in Böden - Randaspekt oder Schlüsselprozess?

Bodenkolloide können die Wechselwirkung gelöster Stoffe mit der immobilen Festphase beeinflussen. Über die Prozesse der Sedimentation, Flockung, Filtration und Deposition ist auch eine Rückkopplung in den Fluidtransport möglich. Ziel dieses Forschungsprojektes ist es, mit dem Werkzeug der systematischen prognostischen Simulation wesentliche Aspekte der kolloidbeeinflussten Stoff- und Fluiddynamik qualitativ und quantitativ zu untersuchen. Im Einzelnen sollen (i) die Freisetzung/Festlegung von Bodenkolloiden unter Berücksichtigung der Grenzfläche Bodenluft-Bodenwasser, (ii) die Veränderung des Porenraumes und die sich daraus ergebende Kopplung in den Bodenwasserfluss, sowie (iii) die Veränderung der Oberflächeneigenschaften der Festphase und die sich daraus ergebende Kopplung in den Stofftransport untersucht werden. Die Haupthypothese dieses Antrages ist, dass diese in die Modellvorstellung aufgenommenen Kopplungen sich nicht nur qualitativ, sondern in quantitativ signifikanter Weise in praxisrelevanten Situationen auswirken. Die Modellierung führt unter deterministischer Beschreibung der physikochemischen Mechanismen und auf der Basis der Massen-, Impuls- und Energieerhaltung auf Systeme zeitabhängiger nichtlinearer partieller Differentialgleichungen. Um das Modell für die Fragestellungen operationell zu machen, muss durch numerische Verfahren approximiert und diese in ein Softwarewerkzeug umgesetzt werden. Für jede der zu erreichenden Komplexitätsstufen ist ein Vergleich mit bestehenden experimentellen Datensätzen durchzuführen. Insbesondere sollen diese Datensätze genutzt werden, um durch inverse Modellierung eine realistische Parametrisierung des Modells zu erreichen.

Charakterisierung von Schwefel-Bindungsformen in anhydromorphen und hydromorphen Böden und Bodenpartikeln mittels Spektromikroskopie

Für humose Oberbodenhorizonte einer Boden-Toposequenz mit zunehmender Hydromorphie (Podsol-Gley = Niedermoor) sollen mittels neuentwickelter röntgenspektromikroskopischer Methoden (Sulfur K edge Near Edge X-Ray Absorption Fluorescence Spectroscopy; NEXAFS) sowie nasschemischer Verfahren die SchwefelBindungsformen erfasst und ihre jeweiligen Anteile am GesamtS-Pool der Böden quantifiziert werden. Die mikroskalige Heterogenität der S-Ausstattung der untersuchten Böden wird durch Gegenüberstellung der S-Ausstattung einzelner Bodenkolloide bzw. -mikroaggregate mit jener von homogenisiertem Bodenmaterial ('bulk soil') herausgearbeitet. Untersuchungsgegenstand ist eine Bodentoposequenz im Einzugsgebiet des Lehstenbaches im Fichtelgebirge. Der biogeochemische S-Umsatz in diesem Einzugsgebiet wird seit über einem Jahrzehnt vom Bayreuther Institut für Terrestrische Ökosystemforschung (BITÖK) intensiv untersucht; eine Differenzierung organischer S-Bindungsformen im Boden erfolgte mangels analytischer Möglichkeiten bislang nicht. Die geplanten Untersuchungen liefern daher nicht nur einen grundsätzlichen Erkenntniszuwachs zur S-Ausstattung von Böden unterschiedlicher Hydromorphie; sie schließen darüber hinaus eine Lücke bei der Beschreibung des biogeochemischen S-Kreislaufs in diesem Einzugsgebiet.

Entwicklung und Validierung eines Modells zur Abschätzung der Stoffkonzentration am Beurteilungsort - Teil 4: Untersuchung der Bedeutung des mikrobiellen Abbaus für den Transport persistenter organischer Schadstoffe in der ungesättigten Zone^Modell zur Abschätzung der Stoffkonzentration am Ort der Beurteilung^Modelloptimierung und Bestimmung der Retardation unter Nichtgleichgewichtsbedingungent^Quellstärkenermittlung und Parametrisierung des partikelgebundenen Schadstoffaustrags aus anthropogenen Schüttungen/ Ablagerungen^Bedeutung des mikrobiellen Abbaus für den Transport persistenter organischer Schadstoffe in der ungesättigten Bodenzone^Entwicklung und Validierung eines Modells zur Abschätzung der Stoffkonzentration am Beurteilungsort - Teil 2: Quellstärkenermittlung und Parametrisierung des partikel-gebundenen Schadstoffaustrags aus anthropogenen Schüttungen/Ablagerungen, Entwicklung und Validierung eines Modells zur Abschätzung der Stoffkonzentration am Beurteilungsort - Teil 3: Bewertung der Mobilisierung des Transports und der Rückhaltung von kolloidalen und suspendierten Partikeln in der Bodenzone

Nanomobil - Synthetische Silber-Nanopartikel im System Boden-Grundwasser - Mobilität, Wirkungen auf die Lebensgemeinschaft und Wechselwirkung zwischen Hydro-, Pedo- und Biosphäre^Nanomobil - Synthetische Silber-Nanopartikel im System Boden-Grundwasser - Mobilität, Wirkungen auf die Lebensgemeinschaft und Wechselwirkung zwischen Hydro-, Pedo- und Biosphäre, Nanomobil - Synthetische Silber-Nanopartikel im System Boden-Grundwasser - Mobilität, Wirkungen auf die Lebensgemeinschaft und Wechselwirkung zwischen Hydro-, Pedo- und Biosphäre

Untersuchungen ueber Abbau, Einwaschung und Adsorption von Metribuzin, Methazol und Metobromuron in sorptionsstarken Boeden

a) Die Nahrungsmittelversorgung und Gesunderhaltung der Kulturboeden ist von allgemeinem Interesse. Das Verhalten der Herbiziden (hier: Kartoffelherbizide) im Boden und in der Kulturpflanze zu kennen ist wichtig, um eventuellen Schaedigungen der Gesundheit und Umwelt vorzubeugen. b) Die Wirkungsdauer der genannten Herbizide, ihre Akkumulation im Boden und aufgrund der Adsorption an Bodenkolloide, ihre eventuelle Anreicherung in der Kulturpflanze und ein moegliches Auftreten toxischer Abbauprodukte soll beantwortet werden. c) Labor-, Gewaechshaus- und Freilanduntersuchungen.

Bodenstruktur - Ausarbeitung der Methode Roentgenmikroskopie zur Beurteilung der Qualitaet von Boeden

Die Zielstellung dieses Projektes ist es, die Kolloidfraktion der Boeden und den Einfluss dieser Fraktion auf die Qualitaet von Boeden zu analysieren. Es sollen insbesondere Aussagen ueber die Struktur des sich aus den Bodenkolloiden aufbauenden Mikrogefueges, die Form und Groesse des Porenraumes, die Groesse und Gestalt der inneren und aeusseren Oberflaeche der Aggregate getroffen werden. Hierzu werden zum eine anthropogen wenig beeinflusste, ungestoerte Boeden sowie deren Bestandteile herangezogen, zum anderen wird der Einfluss aeusserer Stoerungen stofflicher und energetischer Natur gemessen. Des weiteren wird die Kolloidfraktion von Schadstoff-kontaminierten und dekontaminierten Boeden und verwandten Substraten untersucht.

Untersuchungen von Bodenkolloiden im Hinblick auf die Bindung von Schad- und Naehrstoffen

Aus bodenchemischer Sicht muss die Untersuchung der organischen und anorganischen Bodenkolloide hauptsaechlich bezueglich ihrer Struktur und Oberflaecheneigenschften als Daueraufgabe angesehen werden, weshalb dafuer ein eigenes Projekt formuliert werden soll. Was die organischen Bodenkolloide anbetrifft, interessieren vor allem folgende Fragen: - Mobilisierung und Immobilisierung von Schwermetallen (Bildung loeslicher und unloeslicher Komplexe) wird geprueft in Modell- , Labor- und Feldversuchen. - Abbaubarkeit der organischen Substanz. Untersuchungen werden durchgefuehrt in Modell-, Labor- und Feldversuchen. Im Zusammenhang mit den anorganischen Bodenkolloiden stellt sich folgendes Problem: - Bedeutung von Tonmineralen und Sesquioxiden bei der Bindung von Schwermetallen. - Wie und wo sind die natuerlich im Boden vorkommenden Schwermetalle gebunden?

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