Bakterielle Resistenzen in Klärschlamm Bei der Abwasserbehandlung entsteht Klärschlamm, der neben überschüssigen Nährstoffen auch viele Schadstoffe und Bakterien enthält (Kläranlage Pirmasens). Klärschlamm enthält eine Vielzahl an Stoffen, die in der Umwelt unerwünscht sind. Sie werden bei der Abwasserbehandlung in den Klärschlamm überführt. Die Qualität des Schlamms hängt u.a. von ortsabhängigen Faktoren ab. Die neue Studie zeigt, dass die Ausbaugröße einer Kläranlage keinen Einfluss auf das Vorkommen von Resistenzgenen oder resistenten Bakterien sowie Schadstoffen im Klärschlamm hat. Ergebnisübersicht Die Kläranlagengröße hat keinen entscheidenden Einfluss auf die Belastung von Klärschlamm mit bakteriellen Resistenzen und Schadstoffen (Schwermetalle, Antibiotika, Desinfektionsmittel). Die Erarbeitung allgemeiner umweltverträglicher Anforderungen für eine mittelfristige Fortführung der bodenbezogenen Verwertung von Klärschlämmen aus Kläranlagen < 50.000 EW ist schwierig. Ein weitergehendes Verbot der bodenbezogenen Nutzung von Klärschlamm reduziert den Eintrag von Resistenzgenen, mobilen genetischen Elementen und anderen unerwünschter Stoffe in die Umwelt. Abwasserbehandlungsanlagen gelten aufgrund der dortigen Bedingungen als „hotspot“ für die Entwicklung, Anreicherung und Verbreitung resistenter Bakterien. Neben guter Nährstoffverfügbarkeit liegen in Abwasser und Faulschlamm Antibiotika und eine hohe Bakteriendichte vor. Die resistenten Bakterien lassen sich auch im Klärschlamm nachweisen, der über die bodenbzogene Verwertung, d. h. über Landwirtschaft oder Landschaftsbau, in die terrestrische Umwelt eingebracht wird. Im Oktober 2017 trat die novellierte Klärschlammverordnung in Kraft. Diese gibt vor, dass ab 2029 nur noch Abwasserbehandlungsanlagen <100.000 bzw. ab 2032 < 50.000 Einwohnerwerten (EW) Klärschlämme bodenbezogen verwerten dürfen. Vor dem Hintergrund, dass in Klärschlämmen bakterielle Resistenzen und eine Vielzahl weiterer bedenklicher Stoffe aus der Abwasserbehandlung zu finden sind, war Ziel des Vorhabens herauszufinden, ob sinnvolle Standards für die mittelfristige Fortführung der bodenbezogenen Klärschlammverwertung aus kleineren Anlagen erarbeitet werden können. In der vorliegenden Studie des Julius-Kühn-Instituts wurden Schwermetalle, ausgewählte Antibiotika und Desinfektionsmittel in Klärschlämmen aus 12 Kläranlagen zwischen < 10.000 EW und > 100.000 EW (10 Anlagen < 50.000 EW) analysiert und bakterielle Resistenzen untersucht. Dazu wurde die Häufigkeit von Resistenzgenen sowie von mobilen genetischen Elementen (als wichtiger Indikator für potentiellen horizontalen Gentransfer) in Klärschlämmen aus Kläranlagen verschiedener Ausbaugröße und Böden nach Klärschlammverwertung quantitativ erfasst. Die meisten der untersuchten Zielgene wurden gleichermaßen in Klärschlämmen verschiedener Kläranlagen detektiert. In allen untersuchten Klärschlämmen waren multiresistente Bakterien und Colistin-resistente coliforme Bakterien enthalten. Die Bestimmung erfolgte mittels qPCR. Die-Ergebnisse zeigen, dass in den Klärschlämme aus den kleineren Kläranlagen Resistenzgene und mobilen genetischen Elemente in gleicher Größenordnung vorhanden waren, als in Klärschlämmen aus den größeren Anlagen. In allen Klärschlämmen konnten Antibiotika nachgewiesen werden. Vor allem die Konzentrationen an Fluorochinolonen war besonders hoch (212 µg bis 2,49 mg pro kg Trockenmasse (TM) für Levofloxacin und 576 µg bis 6,75 mg pro kg TM für Ciprofloxacin). Fluorochinolone, Doxycylin, Triclosan, Kupfer und Zink korrelierten in den durchgeführten Untersuchungen positiv mit der Abundanz vieler der untersuchten Resistenz -Zielgene. Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens zeigen, dass Klärschlämme aus kleineren Abwasserbehandlungsanlagen eine ähnlich hohe Belastung an bakteriellen Resistenzen und Schadstoffen (Schwermetalle, Antibiotika, Desinfektionsmittel) aufweisen, als solche aus großen Anlagen. Die Erarbeitung allgemeiner umweltverträglicher Anforderungen für eine mittelfristige Fortführung der bodenbezogenen Verwertung von Klärschlämmen aus Abwasserbehandlungsanlagen < 50.000 EGW erscheint daher nicht möglich. Die Qualität von Klärschlämmen wird von einer Vielzahl ortsabhängiger und aufeinander wirkenden Faktoren (u. a. Einzugsgebiet , Einleiterzusammensetzung, Anteil Misch-/Trennkanalisation) beeinflusst. Die durchgeführten Untersuchungen reichen nicht aus, um darauf basierend allgemeingültige Anforderungen zu empfehlen, die sicher stellen, den Eintrag von bakteriellen Resistenzen auf ein Minimum zu begrenzen. Vielmehr verstärken die Ergebnisse den Eindruck, dass nur eine weiterführende Einschränkung oder ein grundsätzliches Verbot der bodenbezogenen Klärschlammverwertung ein Beitrag sein kann, die anthropogen verursachte Verbreitung von Resistenzgenen und mobilen genetischen Elementen sowie anderer unerwünschter Stoffe in die Umwelt zu reduzieren. Weitergehend ist es wichtig, weitere Eintragsquellen aus dem Abwasserfahrt im Blick zu haben. So wird in anderen laufenden Forschungsvorhaben untersucht, welche Einträge an resistenten Bakterien und Schadstoffen über Abwasser und Abschläge aus der Mischwasserkanalisation in die aquatische Umwelt gelangen.
Das Projekt "Nutzung von Mykorrhizapilzen in Phytoremediationsprojekten" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Köln, Biozentrum, Botanisches Institut durchgeführt. Untersucht werden die Eigenschaften von Mykorrhizapilzen an belasteten Standorten (Schwermetalle, Salz, PAK) und die Möglichkeit evtl. Toleranz auf Pflanzen auf ebenfalls belasteten Böden zu übertragen.
Das Projekt "Teilprojekt 3: Untersuchungen zum Einfluss transgener Pappeln auf die mit ihnen assoziierten Mykorrhizapilze in schwermetallhaltigen Boeden" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Tübingen, Botanisches Institut, Lehrstuhl Physiologische Ökologie der Pflanzen durchgeführt. Glutathion bildet die Grundlage fuer die Synthese cysteinreicher Peptide, die einen wesentlichen Anteil an der Schwermetalltoleranz von Pflanzen haben. Transgene Aspen mit einer erhoehten Kapazitaet zur Snythese von Glutathion sollen daher auf ihr Potential hin untersucht werden, schwermetallreiche Boeden zu entgiften. Aspen sind fuer ihre Wasser- und Naehrsalzversorgung auf die Symbiose mit Bodenpilzen angewiesen (Mykorrhiza). Ihr Potential zur Bodenentgiftung haengt damit stark von ihrer Faehigkeit ab, im Freiland auch nach Transformation solche Symbiosen einzugehen. Da die gentechnische Veraenderung in den transgenen Aspen zu einem verstaerkten Schwefelbedarf sowie zu einer erhoehten Einlagerung von Schwermetallen in die Blaetter fuehrt, soll untersucht werden, ob (a) der erhoehte Schwefelbedarf der Pflanzen deren Mykorrhizierung veraendert, (b) die erhoehte Kapazitaet der transgenen Aspen Schwermetalle zu entgiften auch fuer mykorrhizierte Freilandpflanzen gilt, da die Pilzpartner selbst eine wichtige Rolle in der Schwermetalle uebernehmen koennen, (c) es unter Freilandbedingungen zu einem horizontalen Gentransfer von Aspen auf die assoziierten Ektomkorrhizapilze kommt.
Das Projekt "Mikrobielle und mikrobiell gestuetzte chemische Laugungsprozesse fuer Erze und Abprodukte mit hohem Karbonat- und Kalziumgehalt" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von ADW - Institut für Biotechnologie durchgeführt. Von den vorhandenen selektierten metallmobilisierenden Mikroorganismen werden die fuer eine Laugung von Erzen und Abprodukten mit einem hohen Gehalt an saeureverbrauchenden Bestandteilen geeigneten Staemme im pHh-Bereich 4 - 7 durch Suspensions- und Perkolationslaugung ausgewaehlt. Im Anschluss daran findet eine Phaenotypische Charakterisierung durch Ermittlung der Wachstumsparameter und der Schwermetallresistenz statt.
Das Projekt "Teilvorhaben: Verbesserung der Leistungsfähigkeit geothermischer Anlagen durch 'Collective Knowledge Building' und Technologieentwicklung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Helmholtz-Zentrum Potsdam Deutsches GeoForschungsZentrum durchgeführt. Um zu verhindern, dass Partikelanreicherungen (Clogging) und Ausfällungen (Scaling) den Fluidfluss und damit die Injektivität geothermischer Anlagen verringern, werden in PERFORM unterschiedliche technische Maßnahmen entwickelt und evaluiert. Hauptziel der geplanten Arbeiten am GFZ ist die Entwicklung von Methoden zur adsorptiven Entfernung von bestimmten gelösten Metallen, die ein Scaling-Risiko in geothermischen Anlagen darstellen. Diese Metalle neigen dazu bei betriebsbedingten Veränderungen des chemischen Gleichgewichtes zu übersättigen und als schwerlösliche Verbindungen auszufallen. Als Adsorbenten, also Materialien, an denen sich die Metalle binden, sollen Chitosan, Eisenoxid und natürliche Zeolithe getestet werden. Sie besitzen hohe Oberflächen, sind preislich günstig und ihre Wirksamkeit ist aus der Trinkwasseraufbereitung bekannt. Sie wurden aber bisher nicht für geothermische Bedingungen getestet. Die Materialien, die sich in den Versuchen am effektivsten und stabilsten erweisen, werden dann für die Feldversuche an geothermischen Anlagen ausgewählt. Da in schwermetallreichen Fluiden Scaling häufig auch ein Produkt elektrochemischer Reaktionen mit den Anlagenkomponenten ist, werden neben den Filtern auch Materialien hinsichtlich ihrer Resistenz gegenüber galvanischer Korrosion durch die im Thermalwasser gelösten Schwermetalle Kupfer und Blei getestet. Zusätzlich zur Technologieentwicklung soll auch die im Projekt entwickelte Datenbank erweitert werden indem existierende Daten von geothermischen Anlagen bereitgestellt und neue Daten in-situ an geothermischen Anlagen gemessen werden.
Das Projekt "Molekulare Charakterisierung der durch arbuskuläre Mykorrhiza-Pilze bewirkten Schwermetalltoleranz bei Pflanzen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Köln, Biozentrum, Botanisches Institut durchgeführt. Besonders adaptierte arbuskuläre Mykorrhiza-Pilze können Schwermetallresistenzen auf Kulturpflanzen übertragen. Die molekularen Mechanismen der Schwermetallresistenz sind bislang noch nicht untersucht worden. Für Pflanzen wie Medicago truncatula u. a. sowie möglichst auch für Pilze der Gattung Glomus (Isolat vom Schwermetallveilchen, Glomus mosseae BEG12) sollen über PCR Gensonden für Schwermetall-Carrier wie Ni,- Fe-, Mn-, Zn- und Cu-Transporter entwickelt werden. Mit diesen sollen dann durch Northern Analysen, in situ Hybridisierungen sowie durch quantitative RT-PCR Transkriptanalysen durchgeführt werden. Dazu werden die Pflanzen in Schwermetall- und in Normalböden + Mykorrhiza Pilze im Kompartimentierungssystem zur Trennung von Pilzhyphen und Pflanzenwurzeln kultiviert. Die Bildung von Siderophoren und Metallothioneinen soll in Abhängigkeit von der Mykorrhizierung und nach Wachstum im Schwermetall- und Normalboden durch klassische Enzym- bzw. Farbtests und danach mit molekularen Methoden (Northern Analysen, in situ Hybridisierungen, quantitative RT-PCR) untersucht werden. Außerdem soll versucht werden, arbuskuläre Mykorrhiza-Pilze unabhängig vom Wirt auf Platten zum Keimen, Wachsen und zur Sporenbildung zu bringen, wobei erste Versuche dazu erfolgsversprechend sind.
Das Projekt "Gewinnung pflanzlicher Zell-, Gewebe- und Organkulturen mit ausgewaehlten, biotechnologisch nutzbaren Stoffwechselleistungen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von ADW - Institut für Biotechnologie durchgeführt. Die Schwermetall-Kontaminierung vieler Industrie- und Bergbaugebiete zaehlt zu den gefaehrlichsten Belastungen der Umwelt im ostdeutschen Raum. Im vorliegenden Projekt soll die Faehigkeit bestimmter Pflanzenarten zur Akkumulation von Schwermetallen hinsichtlich ihrer zellbiologischen Grundlagen und der Moeglichkeiten zur biotechnologischen Nutzung fuer die Umweltsanierung untersucht werden. Dabei sollen zunaechst in-vitro-Kulturen entsprechenden Pflanzenmaterials von schwermetallbelasteten Standorten etabliert werden. Aus diesen Kulturen werden dann Zellstaemme mit erhoehter Schwermetallresistenz und -akkumulation selektiert. Daran soll schliesslich die Lokalisierung und Entstehungsweise der Schwermetalleinschluesse naeher untersucht werden. Damit werden Voraussetzungen geschaffen fuer weiterfuehrende Arbeiten zur Gewinnung von Pflanzenklonen, die fuer entsprechende Sanierungsaufgaben eingesetzt werden koennen.
Das Projekt "Untersuchungen zur Schwermetallresistenz an planktischen Algen und benthischen Makroalgen; Teilvorhaben: Weitergabe toxischer Schwermetalle von marinen Planktonalgen an sessile Planktonfiltrierer" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Biologische Anstalt Helgoland, Zentrale durchgeführt. Schwermetalle werden in marinen Organismen um das Vielfache der im Meerwasser geloesten Konzentrationen angereichert. Planktonalgen bilden hierbei die erste Stufe. Weitere Anreicherung erfolgt bei Aufnahme der Algen durch Plaktonfresser. Im Vorhaben ist daher geplant, die Weitergabe von Schwermetallen ueber Algen an planktonstrudelnde Organismen sowie deren Auswirkungen am Beispiel des Kadmiums im Experiment zu untersuchen. Hierfuer sollen kadmiumkontaminierte kontinuierliche Algenkulturen (z.B. Dinoflagellaten) mit den Zuechtungsapparaturen von Bryozoen bzw. alternativ von Kamptozoen oder Tunikaten kombiniert werden. Neben der Anreicherung soll die Beziehung zwischen aufgenommener Schadstoffmenge und deren Effekt auf Wachstum, Koloniebildung und Verhalten dieser im Watt verbreiteten Tiere verfolgt werden (residue-response-curve).
Das Projekt "Untersuchungen zu den molekularen Grundlagen der Schwermetallakkumulation bei Prokaryoten, insbesondere durch Metallothioneine; Teilprojekt des Forschungsvorhabens Biologische Synthese von Metallclustern an Proteinen und deren technische Nutzung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Dresden, Institut für Mikrobiologie durchgeführt. In dem Verbundprojekt werden die Möglichkeiten untersucht, auf Grundlage biologischer Strukturen metallische Nanostrukturen zu synthetisieren. Im Mittelpunkt dieser Untersuchungen stehen die Zellhüllenproteine (S-Layer) von Bacillus stearothermophilus. S-Layer, die in vielen Bakterien nachgewiesen wurden, zeichnen sich durch hohe Gittersymmetrien, Poren einheitlicher Größe und eine selbständige Reassemblierung aus. Zudem konnte gezeigt werden, dass mittels S-Layer regelmäßige metallische Cluster synthetisiert werden können. In diesem Projekt sollen mit Hilfe verschiedener mikrobiologischer Screeningverfahren Mikroorganismen aus schwermetallbelasteten Habitaten, wie z.B. Belebtschlamm und Abraumhalden, isoliert werden, die sich durch eine Schwermetalltoleranz und die Fähigkeit zur Schwermetallbindung bzw. -akkumulation auszeichnen. In diesen Versuchen werden in Hinblick auf die spätere Nutzung die Schwermetalle Silber, Palladium und Platin eingesetzt. In den weitergehenden Untersuchungen sollen für die isolierten Mikroorganismen die Kapazitäten zur Schwermetallbindung ermittelt und mittels TEM/Röntgenspektroskopie die räumliche Lage der gebundenen Metalle in den Zellen analysiert werden. Parallel dazu werden Untersuchungen zum Nachweis von S-Layern und Metallothioneinen durchgeführt.
Das Projekt "Sanierung von mit organischen Stoffen belasteten Boeden durch Kompostierung mit Stroh und geeigneten Pilzstaemmen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Göttingen, Fakultät für Forstwissenschaften und Waldökologie, Forstbotanisches Institut durchgeführt. Es soll fuer die Sanierung von mit schwer abbaubaren organischen Substanzen kontaminierten Boeden ein Entsorgungskonzept ausgearbeitet werden, das ueber den Einsatz von geeigneten Pilzstaemmen (Weissfaeulepilze, Aspergilli, Mykorrhizapilze), zusammen mit Stroh als Nahrungsbasis, eine Entfernung dieser Kontaminanten ermoeglicht, ohne weitere Umweltbelastung beim Sanierungsvorgang selbst. Dazu sind die folgenden Arbeitsschritte erforderlich: 1. Screening von Pilzstaemmen gegenueber kondensierten Aromaten, PCB's und Dioxinen in Fluessigkeitskultur im Labor. 2. Screening der Aktivitaet der Pilze gegenueber Bodenextrakten. 3. Screening der Schwermetalltoleranz des Abbaus 4. Optimierung der Bedingungen bei Bodenbebruetungen 5. Untersuchung der sonstigen bodenbiologischen Parameter 6. Untersuchung der Lebensfaehigkeit der eingesetzten Pilze im Boden.
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