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Biological Decontamination of Heavy Metal Polluted Soils Using Hyperaccumulator Plants: Influencing the Uptake of Heavy Metals in the Root Zone

Remediation of heavy-metal polluted agricultural soils requires gentle methods, i.e. methods by which the fertility of the soil is fully restored. This means that harsh methods such as the extraction of metals by strong acids or soil washing are not applicable as they do not only remove the pollutants, but also destroy the physical and chemical basis of soil fertility, e.g. soil structure and cation exchange sites. As soil cleaning by metal harvesting through accumulator plants had shown to be a promising, but not yet sufficiently effective technique for the gentle remediation of heavy metal contaminated soils, we investigated possibilities to increase the efficiency of phytoextraction by enhancing the phytoavailability of the metals cadmium, zinc and copper for various metal-polluted agricultural soils of Switzerland. We focussed on two innovative approaches. In the first approach we evaluated the possibility to enhance metal phytoavailability by the addition of elemental sulphur to the soil. The other approach started out from the completely innovative idea to exploit natural siderophores as agents to enhance metal availability. Elemental sulphur application was very effective in solubilizing Zn and Cd in calcareous soil and even more in acidic soil. Unfortunately, however, the effect on plant uptake was much weaker than on the solubility of the metals in the soil. Still, metal uptake in plants grown on calcareous soil under field conditions was increased up a factor of 8. Additional field trials performed at other locations in Switzerland showed that the conditions at Dornach were particularly difficult for phytoremediation. At the current state-of-the-art, clean-up of metal-polluted soils by phytoextraction would require still several decades also the other investigated sites, however. The siderophore studies were performed with model systems consisting of soil mineral suspensions, addressing the lack of a fundamental study of the interactions between siderophore, metals and soil constituents. Desferrioxamine B (DFOB) was used as a model siderophore. For comparison, analogous experiments were performed with citrate and NTA. The results show that the effect of such ligands can be mobilizing as well as immobilizing, depending on soil conditions. While the effects in the model system could be under-stood in terms of chemical speciation modelling, it was found that they did not fully explain the effects observed with field soil samples, suggesting that the model system did not fully represent the dominant features of the real soil. However, the experiments opened up new perspectives for the use of siderophores worth to be further investigated.

Pflanze-Boden-Mikroben-Interaktionen in Agrarsystemen: Einfluss von Cadmium und Stickstoff auf mikrobielle Gemeinschaften in der Rhizosphäre sowie auf das Wachstum einheimischer Pflanzenspezies in Landwirtschaftssystemen

Pflanzenmanagement- und Agrarsysteme erlangen international eine steigende Bedeutung. In der vorliegenden Studie werden Pappeln und Weiden mit einheimischen Pflanzenspezies kombiniert, um Agrarsysteme weiter zu verbessern. Zwei in landwirtschaftlichen Systemen relevante Schadstoffe (Cadmium und Stickstoff) wurden ausgewählt, um die Pflanzen bezüglich Phytoremediation und Effizienz von Schadstoffanreicherung in Pflanzenteilen zu untersuchen. Pflanzen-Mikroben-Interaktionen spielen eine Hauptrolle in Agrarsystemen, weshalb mikrobielle Veränderungen in der Rhizosphäre durch Schadstoffeintrag in Böden einen wichtigen Schwerpunkt darstellen. Um solche Veränderungen in einer pflanzenspezifischen, mikrobiellen Gemeinschaft zu detektieren werden Phospholipidfettsäuren (PLFA) im Boden bestimmt, da diese in allen lebenden Zellen vorkommen und nach Zelltod rasch abgebaut werden. Die erzielten Ergebnisse werden mit DNA-basierten Methoden zur Bestimmung mikrobieller Gemeinschaften verglichen. Weiterhin soll die Analytik von Terpenen, Flavonoiden und Fettsäuren im Pflanzenmaterial Auskunft über pysiologische Veränderungen von Pflanzen geben, welche durch die verschiedenen Schadstoffe ausgelöst werden. Ein 13CO2 Puls, welcher vor der Ernte appliziert wird, ermöglicht eine genaue Untersuchung, wie Pflanzenstoffwechsel und Kohlenstofftranslokation in die Rhizosphäre durch Schadstoffe verändert werden. In diesem Zusammenhang wird die Stabilisotopenanalytik von PLFA und DNA verglichen, sowie weitere 13C-Analysen des Pflanzenmaterials durchgeführt. Um den Schwerpunkt von Pflanzenmanagement Systemen zu vertiefen werden weitere Analysen von Pflanzenteilen (Wurzeln, Stamm, Blätter, Früchte, Samen) bezüglich Cadmium und Stickstoff durchgeführt. Massiv kontaminiertes Pflanzenmaterial kann für die Biogasproduktion verbrannt und anschließend zum Recycling kompostiert werden. Pflanzenteile mit hohem Stickstoffgehalt und fehlender Akkumulation von Cadmium kann als Tierfutter in Wintermonaten verwendet werden; eine Verwendung für kommerzielle Produkte ist ebenfalls denkbar und soll im Rahmen des Forschungsantrags untersucht werden.

Grundlagen der Phytoremediation von Mikroplastik aus Böden und Sedimenten

Forschungsthema: Die Beschreibung der Anreicherungen von Mikroplastik (MP) an und in Pflanzenwurzeln lässt hoffen, dass das für Umweltschadstoffe etablierte Prinzip der Phytoremediation zur Entfernung von MP aus der Umwelt genutzt werden kann. Jedoch sind die zur Gestaltung der Technologie notwendigen Grundlagen nur ansatzweise untersucht und verstanden. Daher wollen wir als Voraussetzung für die Entwicklung von Phytoremediationsverfahren die Grundlagen der Wirkung von MP auf Bodenqualität und -prozesse an der Schnittstelle von Vegetation und Gewässerdynamik am Beispiel von Flussauen untersuchen. Ziel des Projekts ist ein Verständnis von Prozessen in Böden und Sedimenten, die durch Anreicherung von MP an und in Vegetationsbeständen verändert werden. Dies umfasst am Beispiel ausgewählter Flussauen einer stark anthropogen beeinflussten Bundeswasserstraße (Elbe) im Vergleich zum einzigen erhaltenen Wildflusssystem Europas, der Vjosa, die Einflüsse von MP auf Kohlenstoffumsatz, räumliche und zeitliche Verteilung und Verhaltensdynamik von MP in Flussauen sowie die Bedeutung von Pflanzen für eine Entfernung von MP, einschließlich der dafür notwendigen Adaption, Entwicklung und Optimierung erforderlicher Analysemethoden.

Rooting Strategy and Heavy Metal Uptake of Metal-Accumulating Plants for Phytoremediation of Contaminated Agricultural Sites

Extraction of metals from polluted agricultural soils by means of plants is in general limited either by low growth of hyper accumulating plants or low metal-uptake of plants with high biomass production. Moreover, metal-uptake is often much less efficient under field conditions than in pot experiments using the same soils. Rooting strategy was suspected as an important factor for the differences in metal uptake efficiency of different plants and under different conditions of soil structure and heterogeneity. In this project we compared the root growth and metal uptake of hyper accumulators with non- or low-accumulating plants, using agar, model soil and real soil systems.

Nachhaltiges und klimaangepasstes Wassermanagement im Bergbau der Region des südlichen Afrikas, Teilprojekt 2

Nachhaltiges und klimaangepasstes Wassermanagement im Bergbau der Region des südlichen Afrikas, Teilprojekt 1

Michael Hauer: „Vielversprechender Forschungsansatz zur Verbesserung des Raumklimas in Büroräumen“

Besseres Raumklima durch Pflanzen? – MKUEM-Büros als „Versuchslabor“ – Klimaschutzministerium fördert PhytoSan-Projekt der Hochschule Trier mit rund 90.000 Euro „Das Thema Hitzebelastung und Arbeitsschutz ist allgegenwärtig. Denn der Klimawandel beschert uns vermehrt heiße und schwüle Tage, die eine körperliche Belastung auch bei der Arbeit in Büroräumen darstellen. Mit dem Projekt PhytoSan der Hochschule Trier fördern wir ein innovatives und spannendes Experiment im Bereich der Phytosanierung. In den Räumlichkeiten des Klimaschutzministeriums in Mainz als Forschungsstätte wird dabei der Frage nachgegangen, ob es gelingen kann, durch geeignete Pflanzen das Raumklima in den Büros nachhaltig zu verbessern“, sagte Klimaschutzstaatssekretär Michael Hauer heute in Trier. Dort überreichte er einen Förderbescheid des Ministeriums über 90.565 Euro an Prof. Dr. Georg Rock, Projektleiter und Prodekan am Fachbereich Informatik an der Hochschule Trier. Phytosanierung bezeichnet allgemein eine Methode zur Reinigung verschmutzter Böden, Gewässer und Luft mithilfe von Pflanzen, die Schadstoffe aufnehmen, abbauen und speichern können. Um den Effekt messen zu können, den die Pflanzen auf die Raumluft haben, werden bei dem anstehenden zwölfmonatigen PhytoSan-Projekt im Klimaschutzministerium insgesamt acht „Zwillingsbüros“ – zwei gleichgroße Büros in unmittelbarer Nähe und auf der gleichen Fensterseite – mit einer Sensortechnik ausgestattet. Ein „Zwillingsbüro“ wird mit ausgewählten Pflanzen ausgestattet, das zweite „Zwillingsbüro“ muss zur Vergleichsmessung pflanzenfrei sein. Nach einem halben Jahr werden die Pflanzen in den beiden Zwillingsbüros getauscht, sodass der Effekt der Phytosanierung analysiert werden kann. Die vom Fachbereich Informatik eigens entwickelten und eingesetzten Sensorboxen, die auch Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit und Feinstaub messen, zeigen mittels LED-Licht an, wann die CO2-Konzentration im Büro steigt und zur Verbesserung des Raumklimas und der Konzentrationsfähigkeit gelüftet werden sollte. „Durch den sicheren Einsatz unserer Sensorboxen werden kontinuierlich Daten zur Luftqualität erfasst und visualisiert. Gleichzeitig besteht die Möglichkeit die subjektiven Eindrücke der Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter hinsichtlich ihres Wohlbefindens zu dokumentieren. Das Zusammenführen dieser Daten in der abschließend geplanten Datenanalyse könnte zeigen, wie einfach und kostengünstig Pflanzen zur Verbesserung des Raumklimas beitragen können. Die Ergebnisse dieses Projekts werden wertvolle Erkenntnisse liefern, die sowohl für die Gestaltung zukünftiger Arbeitsumgebungen als auch für nachhaltige Praktiken von Bedeutung sein könnten“, erläuterte Projektleiter Prof. Dr. Georg Rock. „Wir haben eine Fürsorgepflicht gegenüber unseren Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern, damit diese sich in den Büros wohlfühlen und motiviert ihre Arbeit wahrnehmen können. Wir alle haben die Hoffnung, dass das Projekt PhytoSan dazu beitragen wird, eine kostengünstige, energieeffiziente und nachhaltige Lösung für die Verbesserung des Raumklimas in den Arbeitsräumen zu entwickeln. Lösungen, die über kurz oder lang auch allen anderen Beschäftigten in Büros zugutekommen“, so Michael Hauer.

NanoSuppe - Verhalten von synthetischen Nanopartikeln im Wirkungspfad Abwasser - Klärschlamm, Pflanze am Beispiel TiO2, CeO2, MWCNT und Quantum dots

In den letzten Jahren beschäftigten sich eine Vielzahl von Veröffentlichungen mit der Thematik 'Nanopartikel' und deren Auswirkungen auf die Umwelt. Nanopartikel, freigesetzt aus industriellen bzw. im Haushalt genutzten Nanomaterialien, gelangen durch Anwendung, Verschleiß bzw. Abfallentsorgung in die Abwässer und Klärschlämme der Wasseraufbereitung. Ziel des Projektes ist es, den Verbleib von Nanopartikeln in Abwasserkläranlagen zu untersuchen und explizit die mögliche Aufnahme von Nanopartikeln aus Klärschlammen über den Bodenpfad in die Pflanze zu untersuchen. Vita 34 übernimmt vorwiegend die Entwicklung, Planung und Durchführung der Laborversuche mit Pflanzen. Insgesamt werden jeweils vier Pflanzenarten aus dem Bereich der Nahrungsmittel- und Nutzpflanzen untersucht. Dazu zählen Radieschen, Feldsalat, Sonnenblume und das deutsche Weidelgras. Für die Untersuchungen werden zwei Testsysteme verwendet. Im ersten Ansatz wird die Aufnahme von radiomarkierten Nanopartikel (TiO2 und CeO2) über die wässrige Phase (Leitungswasser, synthetisches und vorgeklärtes Abwasser) betrachtet. Die Radiomarkierung erlaubt es in geringen (umweltrelevanten) Konzentrationen zu arbeiten. In der Pflanze können so die Aufnahmewege und die Ort der Ablagerung besser verdeutlicht werden. Die wässrige Phase erlaubt es außerdem die Aufnahme ohne Wechselwirkung mit Bodenpartikeln abzubilden. Im zweiten Ansatz wird die Aufnahme aus natürlichen Bodenmatrizes nachgebildet. Topfversuche zeigen die Aufnahme der Nanopartikel aus dem Boden bzw. Bodenporenwasser in die Pflanze. Als Kontrolle wird der Ansatz vorerst ohne Klärschlamm untersucht. Anschließend wird Nanopartikel dotierter Klärschlamm beigefügt. In beiden Ansätzen werden ausgewählte Parameter (pH, Zeta-Potential, Leitfähigkeit, Partikelgröße, org. Gehalt, u.a.) ermittelt, um die Agglomerationseigenschaften der Nanopartikel abbilden und verstehen zu können. Die Synthese von radiomarkierten Nanopartikeln und der Nachweis in den verschiedenen Matrizes wird bei unserem Partner, dem HZDR, realisiert und unter Strahlenschutzbedingungen statt finden. Aus den Ergebnissen wird eine systematische Bewertung von möglichen Umweltgefährdungen ausgehend von Nanopartikel entlang des Wirkungspfades Klärschlamm - Boden - Pflanze erstellt. Standartarbeitsanweisungen, Richtlinien bzw. Konzepte sowohl für die landwirtschaftliche Praxis als auch Vorschläge für eine potentielle Phytosanierung werden ausgearbeitet.

Innovatives Wasserinfrastrukturmanagement zur Erhöhung der Wassersicherheit für Zivilbevölkerung, Wirtschaft und Landwirtschaft im südlichen Afrika, Teilvorhaben: Neuerungen im Wassermanagement für die Nahrungs- und Futtermittelproduktion im peri-urbanen und ländlichen Raum: Brauchwassernutzung für Bewässerung, Phytoremediation, constructed wetlands und closed environment farming

Von der Zelle zum Baum - Wirkungsanalyse der Bodentoxizität auf Zell-, Organ-, Organismus- und Ökosystemebene im Hinblick auf die Phytoremediation belasteter Böden mit Holzpflanzen

Das Grossprojekt Von der Zell zum Baum besteht zurzeit aus 33 Projekten, die Forschungsthemen von der molekularen Ebene via Zellen, Organe und Organismen bis hin zur Ökosystem-Ebene umfassen. Fragestellung: Müllablagerungen in Deponien, Emissionen aus Produktionsstätten und landwirtschaftliche Praktiken mitsamt der Anwendung von Klärschlamm (reglementiert in der Schweiz seit 1981) haben dazu geführt, dass heute in ganz Europa viele Böden mit Schwermetallen belastet sind. Es handelt sich dabei nicht nur um Altlasten aus früheren 'Umweltsünden' mit entsprechend grossem Sanierungsbedarf - chronische Schwermetalleinträge über grosse Gebiete stellen langfristig ein mindestens ebenso grosses Problem dar. Die Verdachtsflächen, welche die Richtwerte an Schwermetallen und organischen Schadstoffen übersteigen, werden in der Schweiz auf 4 Prozent (Verursacher Landwirtschaft), 12 Prozent (Industrie), 11 Prozent (Verbrennungsanlagen) und 9 Prozent (Verkehr) der gesamten landwirtschaftlichen Nutzfläche (Keller & Desaules, Schriftenreihe FAL 23, 1997). Europaweit müssen Lösungen gefunden werden, wie mässig belastete Böden stabilisiert bzw. dekontaminiert und nachhaltig genutzt ('Energy Farming', Erholungsgebiet) werden können. Dazu werden dringend Daten benötigt über Flüsse, Allokation und Metabolismus der Schadstoffe in Abhängigkeit von der Bepflanzung, des Bodentyps und der Azidität der Niederschläge. Das Grossprojekt Von der Zelle zum Baum berücksichtigt im ökosystemaren Ansatz, dass die Reaktionen der Pflanzen auf die Schadstoffe durch die Konkurrenz zwischen verschiedenen Pflanzen um Licht, Wasser und Nährstoffe und durch assoziierte Organismen (Schädlinge, Pathogene, Mycorrhiza, Bakterien) stark beeinflusst werden. Damit schliesst das Grossprojekt eine Lücke in der Forschung, denn bisherige Kenntnisse basieren auf Nutzpflanzen (Monokulturen), Topfpflanzen und Laboruntersuchungen. Ziele für Wissensgewinn: Verfügbarkeit der Schwermetalle (Zn, CD, Cu, Pb) für die Pflanzen und die Gemeinschaft der Organismen im Modellökosystem; Einfluss des sauren Regens und der Azidität des Bodens; Transport / Immobilisierung der Schwermetalle; Stress Physiologie (Wachstum, Barrieren, Abwehrmechanismen, Schädigung); Analyse der Beziehungen unter Stress zwischen den Pflanzen (Konkurrenzverhalten) und den assoziierten Organismen (Bakterien, Pilze, Insekten). Ziele für Umsetzung: Abschätzung von Gewinn und Risiko bei Begrünung / Aufforstung moderat belasteter Standorte; Phytoremediation von Deponien u.a.

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