Existing models of soil organic matter (SOM) formation consider plant material as the main source of SOM. Recent results from nuclear magnetic resonance analyses of SOM and from own incubation studies, however, show that microbial residues also contribute to a large extent to SOM formation. Scanning electron microscopy showed that the soil mineral sur-faces are covered by numerous small patchy fragments (100 - 500 nm) deriving from microbial cell wall residues. We will study the formation and fate of these patchy fragments as continuously produced interfaces in artificial soil systems (quartz, montmorillonite, iron oxides, bacteria and carbon sources). We will quantify the relative contributions of different types of soil organisms to patchy fragment formation and elucidate the effect of redox con-ditions and iron mineralogy on the formation and turnover of patchy fragments. The develop-ment of patchy fragments during pedogenesis will be followed by studying soil samples from a chronosequence in the forefield of the retreating Damma glacier. We will characterize chemical and physical properties of the patchy fragments by nanothermal analysis and microscale condensation experiments in an environmental scanning electron microscope. The results will help understanding the processes at and characteristics of biogeochemical interfaces.
Arsenic-contaminated ground- and drinking water is a global environmental problem with about 1-2Prozent of the world's population being affected. The upper drinking water limit for arsenic (10 Micro g/l) recommended by the WHO is often exceeded, even in industrial nations in Europe and the USA. Chronic intake of arsenic causes severe health problems like skin diseases (e.g. blackfoot disease) and cancer. In addition to drinking water, seafood and rice are the main reservoirs for arsenic uptake. Arsenic is oftentimes of geogenic origin and in the environment it is mainly bound to iron(III) minerals. Iron(III)-reducing bacteria are able to dissolve these iron minerals and therefore release the arsenic to the environment. In turn, iron(II)-oxidizing bacteria have the potential to co-precipitate or sorb arsenic during iron(II)- oxidation at neutral pH followed by iron(III) mineral precipitation. This process may reduce arsenic concentrations in the environment drastically, lowering the potential risk for humans dramatically.The main goal of this study therefore is to quantify, identify and isolate anaerobic and aerobic Fe(II)-oxidizing microorganisms in arsenic-containing paddy soil. The co-precipitation and thus removal of arsenic by iron mineral producing bacteria will be determined in batch and microcosm experiments. Finally the influence of rhizosphere redox status on microbial Fe oxidation and arsenic uptake into rice plants will be evaluated in microcosm experiments. The long-term goal of this research is to better understand arsenic-co-precipitation and thus arsenic-immobilization by iron(II)-oxidizing bacteria in rice paddy soil. Potentially these results can lead to an improvement of living conditions in affected countries, e.g. in China or Bangladesh.
In der Arbeit wurden die Faelle des gehaeuften Auftretens von Crenothrix polyspora zusammengefasst, die morphologischen Untersuchungen erneut aufgenommen und durch elektronenmikroskopische Aufnahmen von dritter Seite ergaenzt. Ferner wurden weitere Beobachtungen zur Beschreibung des Mikroorganismus gegeben und letztlich wird auf die Moeglichkeit zur Kultur von Crenothrix eingegangen. Unter natuerlichen Bedingungen findet eine Massenvermehrung von Crenthrix polyspora dann statt, wenn sich ein durch das Eindringen von abbaubarer organischer Substanz sauerstofffrei gewordenes Grundwasser mit sauerstoffreichem und somit nitrathaltigen Wasser anderer Herkunft mischt. Diese Mischung tritt ein, wenn das Wasser fuer die Trinkwassergewinnung an die Oberflaeche gepumpt wird. Die sich insgesamt abspielenden chemischen und mikrobiologisch-chemischen Reaktionen sind in den Abbildungen 44a, b, c, zusammengefasst. Sie reichen insgesamt gesehen jedoch nicht aus, um die Bedingungen der Massenvermehrung von Crenothrix polyspora praezise zu definieren.
Seit 1964 werden im Auftrag von Wasserwerken mikrobiologische und chemische Untersuchungen zur Uferfiltration im Rahmen von Trinkwasserversorgungsanlagen durchgefuehrt. Wird ein Uferfiltrat infolge zu grosser Belastung mit organischer Substanz anaerob, so entstehen mikrobiologische und chemische Produkte, die ihrerseits nach Mischung dieses Wassers mit sauerstoffhaltigen Hangwasser wiederum oxydiert werden und zur Massenvermehrung von Mikroorganismen fuehren.
In freshwater sediments, iron oxidation is dominated by phototrophic and chemotrophic (aerobic and nitrate-reducing) Fe(ll)-oxidizing microorganisms. Although these biogeochemical processes have been investigated in detail in laboratory studies, not much is known about their spatial distribution, interactions (e.g. competition) amongst each other, as well as their response towards environmental perturbations (i.e. temperature, geochemical variations (nutrient, organic matter input)). This research proposal aims to investigate the activity, abundance and resource competition between different chemotrophic (aerobic and (autotrophic/mixotrophic) anaerobic nitrate-reducing) and phototrophic ironoxidizing microorganisms. In order to better understand the spatial distribution of nitrate-reducing iron oxidizing bacteria, microbial nitrate-producing and competing, nitrate-depletion processes will also be studied throughout the sedimentary redox gradient. In addition, the activity and abundance of the ironoxidizing processes will be quantified with (geo)microbiological, molecular and novel spectral imaging techniques. Using high resolution geochemical measurements (microsensors) we will characterize the environmental conditions these bacteria experience in order to determine the role of spatial and functional niche competition in microbial iron oxidation and the interconnection to the N-cycle. Iron mineral formation will be investigated as a function of the microbial spatial and temporal activity, depending on environmental perturbations. The proposed research study will strongly improve the understanding of iron cycling, the interconnection to the N-cycle, as well as interactions and competition between phototrophic and chemotrophic metabolisms in aquatic environments.
Despite the high production of the greenhouse gas methane in ocean and ocean sediments, only 2% of the gas finally reaches the atmosphere. Specialized bacteria in the ocean use methane as their source of carbon and energy and, hence, are thought to maintain nanomolar methane concentrations in the bulk of the ocean. The proposed project aims to investigate different chemical, biological, and physical factors that enhance or limit microbial methane oxidation as an important sink of methane in the ocean. For example, often low methane oxidation rates have been found in surface waters, which may be caused by copper and/or iron limitation or light inhibition of methane oxidizing bacteria. In addition, methane as substrate for the bacteria may be limited due to increased sea surface air gas exchange by increased wind speed. In contrast, high methane oxidation rates have been measured in bottom water of coastal basins with limited water exchange. These high oxidation rates often correlate with lower oxygen concentrations and/or increased suspended material content in the surrounding water. Field studies in different climatic zones (polar: Spitsbergen and Antarctica, subtropical: Santa Barbara Basin, tropical: Gulf of Mexico) in combination with laboratory experiments are planned to study factors enhancing and limiting microbial methane oxidation in the ocean. Mainly the process of methane oxidation will be investigated by using radioactive tracers and stable carbon isotopes. Thereby maximum uptake rates of in situ methane oxidizing bacterial communities will be measured at different conditions. Finally, the results of the field and laboratory studies will be combined to develop a box model that can be used to estimate and possibly predict aerobic methane oxidation, one of the important methane sinks in the ocean.
Iron reduction in subseafloor sulfate-depleted and methane-rich marine sediments is currently a subject of interest in subsurface geomicrobiology. While iron reduction and microorganisms involved have been well studied in marine surface sediments, little is known about microorganisms responsible for iron reduction in deep methanic sediments. Here, we used quantitative PCR (Q-PCR)-based 16S rRNA gene copy numbers and pyrosequencing-based relative abundances of bacteria and archaea to investigate covariance between distinct microbial populations and specific geochemical profiles in the top 5 m of sediment cores from the Helgoland mud area, North Sea. We found that gene copy numbers of bacteria and archaea were specifically higher around the peak of dissolved iron in the methanic zone (250-350 cm. The higher copy numbers at these depths were also reflected by the relative sequence abundances of members of the candidate division JS1, methanogenic and Methanohalobium/ANME-3 related archaea. The distribution of these populations was strongly correlated to the profile of pore-water Fe2+ while that of Desulfobacteraceae corresponded to the pore-water sulfate profile. Furthermore, specific JS1 populations also strongly co-varied with the distribution of Methanosaetaceae in the methanic zone. Our data suggest that the interplay among JS1 bacteria, methanogenic archaea and Methanohalobium/ANME-3-related archaea may be important for iron reduction and methane cycling in deep methanic sediments of the Helgoland mud area and perhaps in other methane-rich depositional environments. .
Arsenic-contaminated ground- and drinking water is a global environmental problem with about 1-2Prozent of the worlds population being affected. The upper drinking water limit for arsenic (10 ìg/L) is often exceeded, especially in Asian countries, such as Vietnam. Household sand filters are already used as one very simple and cost-efficient treatment to remove arsenic from water. Oxidation of dissolved iron (Fe(II)) present in the groundwater leads to the formation of sparsely soluble iron(hydr)oxide particles (Fe(III)OOH) in the sand filter, which bind negatively charged arsenic species and reduce arsenic concentrations in the water. Arsenite (As(III); H3AsO3) binds generally less strong to metal oxides than arsenate (As(V); H2AsO4 -/HAsO4 2-), therefore As(V) is removed much more effectively than As(III). This is why As(III) oxidation to As(V) is of special interest for arsenic removal from drinking water. Whether and how the activity of iron- and arsenite-oxidizing bacteria contributes to effective arsenic removal in household sand filters is currently not known. One of the goals of this study therefore is to isolate, identify, and quantify Fe(II)- and As(III)-oxidizing microorganisms from filters and to study their iron and arsenic redox activities. Cultivation-based work will be complemented by molecular, cultivation-independent techniques to characterize and quantify the microbial communities in samples from different filter locations taken at various time points during filter operation (both at field sites and in artificial laboratory filter systems). The isolated iron- and arsenite-oxidizing bacteria will be studied with respect to their abilities to precipitate iron minerals (in the presence or absence of arsenic) and oxidize arsenite. Biogenic and abiogenic iron minerals formed by the isolated strains in the lab, on the sand filter material in Vietnam and in artificial laboratory filter systems will be identified and characterized, also with respect to arsenic sorption. And we will determine how biotic and abiotic processes that contribute to arsenic mobilization from arsenic-loaded iron mineral phases affect filter performance over time. The long-term goal of this research is to better understand the microbial redox transformation processes that drive arsenic/iron mineral interactions in natural and engineered systems, such as household sand filters and to give recommendations for improved filter use and filter material disposal.
Inhaltlich ist TransRisk in die drei wissenschaftliche Arbeitspakete Risikocharakterisierung, Risikomanagement und Risikokommunikation unterteilt. Das Arbeitspaket Risikocharakterisierung setzt sich aus einem multidisziplinären Projektteam von Umweltchemikern, Mikrobiologen sowie Öko- und Humantoxikologen zusammen. Ziel ist es die Belastung des Wassers mit anthropogenen Spurenstoffen und Krankheitserregern zu erfassen und zu bewerten. Das Risiko von chemischen und mikrobiologischen Belastungen für Mensch um Umwelt wird in der Modellregion Donauried bei Ulm untersucht, wobei die Zu- und Abläufe von Kläranlagen, Oberflächen- sowie Grundwässer und Trinkwässer analysiert werden. Im Arbeitspaket Risikomanagement stehen neue Reinigungsverfahren und Verfahrenskombinationen zur Entfernung ökotoxikologisch relevanter Spurenstoffe im Vordergrund. Wichtig ist, dass die prozessbedingte Bildung von Transformationsprodukten vermieden bzw. minimiert wird. Die technischen Ansätze beinhalten Kombinationen mit Biofiltern, Aktivkohlefiltern und der Membranbioreaktor-Technologie. Darüber hinaus sollen Verfahrensparameter, wie z.B. Ozonkonzentration und Rücklaufverhältnis, unter prozesstechnischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten optimiert werden. Ein weiterer Ansatz ist die Entwicklung eines kostengünstigen biologischen Verfahrens zur Entfernung von Spurenstoffen mittels Eisenbakterien, dass in bestehende Kläranlagen integriert werden soll. Im Arbeitspaket Risikokommunikation liegt der Schwerpunkt auf der zielgruppengerechten Kommunikation der ermittelten Risiken. Das Wissen über anthropogene Spurenstoffe und die davon ausgehenden Risiken sollen hierzu in einer zielgruppenspezifischen Sprache übermittelt werden. So werden projektbegleitend Bildungskonzepte erarbeitet, die der Aus- und Weiterbildung von Akteuren im technischen Umweltschutz dienen. Eine weitere Ebene betrifft die Lehrenden in der Berufs- und Allgemeinbildung. Dazu ist geplant, Lehr- und Lernmaterial zu erstellen, um die Thematik bereits in die Ausbildung zu integrieren. Die Fachwelt, aber auch die Bürger sollen derart aufgeklärt werden und für die Thematik sensibilisiert werden, dass sie durch einen bewussten Umgang mit diesen Stoffen deren Eintrag vermindern bzw. sogar ganz vermeiden. Im Verbundprojekt stehen die Projektpartner in regelmäßigem Austausch mit Vertretern der lokalen Behörden, der Kläranlagenbetreiber sowie Experten aus der Wasserwirtschaft. Innerhalb dieser sog. Stakeholder-Gruppe werden potenzielle Maßnahmen zur Risikominimierung diskutiert und mit den Betroffenen sowie den Entscheidungsträgern der Region Donauried priorisiert.
TransRisk widmet sich der Charakterisierung, Kommunikation und Minimierung von Risiken, die von anthropogenen Spurenstoffen und Krankheitserregern im Wasserkreislauf ausgehen. Das daraus abgeleitete handlungsorientiertes Risikomanagementkonzept wird unter Berücksichtigung sozioökonomischer Erhebungen in der Beispielregion Donauried umgesetzt und in dem Projekt optimiert. Schadstoffwirkungen und das Auftreten toxikologisch relevanter Schadstoffgruppen werden über summarische Methoden der Ökotoxikologie und der Umweltchemie erfasst. Dieser integrative Ansatz erlaubt auch eine Bewertung der Transformationsprozesse anthropogener Schadstoffe im Wasserkreislauf. Unterstützt wird dies durch modellbasierte in silico-Toxikologie, in der zusätzlich toxikologisch relevante Zielelemente zur (öko)toxikologischen Bewertung definiert werden. Die schadstoffinduzierten Selektionsprozesse, die zum Auftreten multiresistenter Krankheitserreger führen, werden in die Risikocharakterisierung integriert. Zur Risikominimierung werden sowohl Maßnahmen an Eintragsquellen (AP 3) als auch unterschiedliche Verfahrenskombinationen der kommunalen Abwasserreinigung vergleichend bewertet. Hierbei werden innovative Ansätze wie die Kreislaufführung von Nitrifikation und Ozonung (BfG) oder die Verwendung von Eisenbakterien (TU Berlin) mit etablierten Verfahren wie der Aktivkohlefiltration (TU Darmstadt) verglichen. Ziel des AP4 ist es neue, innovative Verfahren zu entwickeln, die eine weitgehende Elimination von organischen Spurenstoffen und Krankheitserregern ermöglichen, gleichzeitig aber die Bildung stabiler und möglicherweise (öko)toxikologisch relevanter Transformations- bzw. Oxidationsprodukte verhindern bzw. minimieren. Die Versuche in Darmstadt-Eberstadt widmen sich der Dosierung von Ozon im Kläranlagenablauf und der (teilweisen) Rückführung dieses ozonierten Ablaufs in die Belebungsstufe, wodurch eine höhere Spurenstoffelimination angestrebt wird. Vergleichend werden Untersuchungen zum Abbau von Spurenstoffen ozonierter biologisch gereinigter Abwässer durch Biofiltrationsanlagen und Aktivkohlefilter durchgeführt. Abschließend wird in Zusammenarbeit mit dem ZVK Steinhäule das erarbeitete Konzept für die Verfahrenstechnik getestet und die Parameter optimiert, um sie den dortigen Bedingungen anzupassen.
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