Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) sind eine komplexe Gruppe von künstlich hergestellten Chemikalien mit einzigartigen wasser- und ölabweisenden Eigenschaften. Sie werden seit Jahrzehnten für die Herstellung zahlreicher Verbraucherprodukte verwendet, z. B. für antihaftbeschichtete Kochgeschirre, atmungsaktive Textilien oder Lebensmittelverpackungen. Die Aufnahme über Lebensmittel und Trinkwasser ist der Hauptexpositionsweg des Menschen. Aufgrund der beobachteten Assoziationen zwischen der Konzentration von PFAS im Blut und den Blutfettwerten (besonders LDL-Cholesterin) wird vermutet, dass PFAS eine Rolle für das Risiko von Herz-Kreislauf- Erkrankungen spielen könnten. Auch der Zusammenhang mit dem Risiko von Typ 2 Diabetes wird diskutiert. Der Bekanntheitsgrad von PFAS in der Öffentlichkeit und ihre Untersuchung in wissenschaftlichen Studien hat erst in den letzten Jahren zugenommen. Aus diesem Grund gibt es bis heute nur sehr wenige Studien, die den Zusammenhang zwischen PFAS und der Inzidenz von Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Typ 2 Diabetes untersucht haben. Daher hat diese Studie zum Ziel, die Zusammenhänge zwischen den Baseline-Konzentrationen von PFOS/PFOA und anderen perfluorierten Verbindungen im Blut und dem Risiko für Entstehung eines Herzinfarkts, Schlaganfalls und / oder einer Herzinsuffizienz und Typ 2 Diabetes während der Nachbeobachtung in einer Fall-Kohortenstudie der European Prospective Investigation into Cancer and Nutrition (EPIC)-Potsdam Studie zu untersuchen. Zudem sollen Assoziationen im Querschnitt zwischen Konzentrationen von PFOS, PFOA und anderen perfluorierten Verbindungen im Blut und Biomarkern des Lipidmetablismus (Gesamtcholesterin, LDL-Cholesterin, HDL-Cholesterin, Triglyceride), des Glucosemetabolismus (Glucose und HbA1c), des Leberstoffwechsels (GGT, GPT), der Harnsäure und des hsCRP in der repräsentativen Subkohorte untersucht werden. Zudem sollen auch die Zusammenhänge zwischen PFAS und bestimmten Lebensmitteln oder Lebensmittelgruppen (z.B. Fleisch, Fisch) zu untersuchen werden.
Vier Experimente bilden ein konsekutives Programm zum Aufklären der Rolle von EPS (extrazelluläre polymere Substanzen) in landwirtschaftlichen Böden auf der Basis von folgenden beiden zentralen Hypothesen: (1) EPS sind ein wichtiger Bestandteil von mikrobieller Nekromasse, die sich aus Böden mit Kationen-Austausch-Harzen (CER) extrahieren lässt. (2) GalN (Galaktosamin) ist ein Indikator für mikrobielle EPS in Böden. Im ersten Experiment wird die mikrobielle EPS-Bildung durch das Kultivieren von Bodenbakterien und Bodenpilze untersucht. Dabei dienen Glycerol und Stärke als C-Quelle und die Mikroorganismen werden in Abwesenheit oder Gegenwart von organische Substanz (OS) freiem sterilen Sand angezogen. Im zweiten Experiment, werden einfache (Glycerol oder mais-bürtige Stärke) und komplexe (mais-bürtige Cellulose oder Maisstroh) 13C-markierte Substrate auf ihre Fähigkeit getestet, bakterielle und pilzliche EPS in vier Böden zu bilden, die sich im Pilz/Bakterien-Verhältnis aufgrund des Boden-pH-Werts oder aufgrund der Düngungsgeschichte unterscheiden. Im dritten Experiment werden Glucose- und Cellulose-Abbau gemessen, um die Kohlenstoff-Nutzungs-Effizienz (CUE) und thermodynamische Effizienz in zwei Böden zu erfassen, die sich im Pilz/Bakterien-Verhältnis aufgrund der Düngungsgeschichte oder aufgrund der Abwesenheit oder Gegenwart von EPS unterscheiden. Im vierten Experiment wird die mikrobielle EPS-Bildung durch die Zugabe eines einfachen und leicht verfügbaren Substrats (mais-bürtige Stärke), welches die bakterielle EPS-Bildung fördert sowie eines mehr abbau-resistenten Substrats (mais-bürtige Cellulose), welches die pilzliche EPS-Bildung fördert. Beständigkeit und aggregat-stabilisierende Effekte von frisch gebildeten EPS wird dann für 70 Tage verfolgt. Das C/N-Verhältnis der Substrate wird generell auf 40 eingestellt, in Experiment 1 mit (NH4)2SO4 und in den Experiment 2, 3 und 4 mit (15NH4)2SO4. In allen Experimenten werden die mit CER extrahierten EPS auf ihre Aminozucker-Konzentration untersucht, kombiniert mit deren komponenten-spezifischer d13C- and d13N-Analyse. EPS Extrakte werden zusätzlich auf 13C und d15N in organischer Substanz, Gesamt-Kohlenhydrate, Gesamt-Protein und Gesamt-DNA geprüft. Im Boden werden 13C in organischer Substanz und mikrobieller Biomasse (MB), total 15N und MB15N sowie Enzym-Aktivität (N-Acetyl-?-D-Glucosaminidase und Tyrosin-Peptidase) gemessen. Weiterhin werden Aminozucker bestimmt, kombiniert mit deren komponenten-spezifische d13C- und d13N-Analyse. In der Bodenatmosphäre wird die Produktion von Gesamt-CO2 und 13CO2 gemessen. In Experiment 3 wird zusätzlich die Wärmeproduktion mit Hilfe der Mikrokalorimetrie gemessen.
Die Sorptionsstärke organischer Moleküle an Mineralien und die Stabilität von Aggregaten, die organische Substrate schützen, gehören zu den Randbedingungen, die „die Energie- und Stoffdynamik der Bodenbiota prägen“ (Gesamthypothese C des SPP 2322). Obwohl die Stabilisierung organischer Substanz gegen mikrobielle Nutzung und Mineralisierung im Boden mit Sorption in Verbindung gebracht wurde, ist ihr Zusammenhang mit der Thermodynamik von Sorptionsprozessen weiterhin Gegenstand laufender Forschung. In der ersten Förderphase fanden wir heraus, dass die Sorptionsenergie von Carbonsäuren an Eisenoxidoberflächen wahrscheinlich ein dominierender Faktor für die mikrobielle Verarbeitung und damit die Bindung von Kohlenstoff ist. Bei Zuckern und Aminosäuren überlagerten biochemische Kreisläufe und andere Randbedingungen wie Nährstoffverfügbarkeit, Feuchtigkeitsgehalt oder pH-Wert die Effekte der Sorption und beeinflussten das Verhältnis mineralisierter/assimilierter Substrate (Kohlenstoffnutzungseffizienz). Um die Reaktion auf komplexe Randbedingungen zu analysieren, die die Energie- und Stoffnutzung beeinflussen, da sie von der Sorptionsthermodynamik abhängen, werden wir die folgenden Hypothesen testen: (HI) Die Gibbs-Freienergie der Sorption kleiner organischer Säuren und die thermodynamische Hysterese steigen mit der Nichtkristallinität des Minerals und den Hydroxylgruppen an der Oberfläche der sorbierenden Oxidmineralien. (HII) Die Kohlenstoffnutzungseffizienz (CUE) wird hauptsächlich durch Assimilation bestimmt und durch eine komplexe Kombination von Randbedingungen (Desorbierbarkeit, Nährstoffverfügbarkeit, Feuchtigkeit und pH-Wert) und nicht durch die Sorptionsstärke allein gesteuert. (HIII) Die mikrobielle Nutzung sorbierter Substrate steigt mit zunehmender funktioneller Vielfalt und Komplexität der mikrobiellen Gemeinschaft des Bodens bei konstanter N-, P- und Energieverfügbarkeit. Und (HIV) die Stabilität mineralischer Aggregate steigt mit sinkendem osmotischem Potenzial und Mikroben produzieren extrazelluläre polymere Substanzen, wodurch die Zugänglichkeit von Substanzen zur mikrobiellen Verarbeitung in wasserstabilen Aggregaten sinkt. Wir werden diese Hypothesen in sechs Arbeitspaketen (AP) anhand gespiegelter mineral- und aggregatbasierter Ansätze in Bochum/Gießen und Freiburg testen. Der mineralbasierte Ansatz skaliert von Oberflächen-Molekül-Interaktionen bis hin zur mikrobiellen Nutzung von an Mineralen sorbierten Substraten mit zunehmender Komplexität der Mineraloberflächen (Anzahl der OH-Gruppen, Kristallinität). Der aggregatbasierte Ansatz skaliert vom Wasserpotenzial von Bodensäulen bis hin zu einzelnen wasserstabilen Aggregaten, die aus komplexen Wechselwirkungen zwischen Wasser, Wärme und Mikroorganismen entstehen. Beide verwenden einen gemeinsamen Satz von Mineralen und Substraten: Goethit, Gibbsit, Kaolinit, Glucose*, Zitronensäure und teilweise Phenol* (*C6-Verbindungen aus dem Kernexperiment). Das Bodenmaterial stammt aus Thyrow (Projektstandard) sowie einer Auswahl der Zeitschritte und aller Bodenmischungen aus den jeweiligen gemeinsamen Batterie- und Komplexitätsexperimenten des SPP. Durch die Kombination der erwarteten Ergebnisse aus komplexen Randbedingungen wird unser Projekt wesentliche Erkenntnisse für die Integration thermodynamischer Konzepte in die Funktionsweise von Bodenökosystemen liefern.