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Schwerpunktprogramm (SPP) 1084: Molekulare Grundlagen der Mykorrhiza-Symbiosen, Molekulare Charakterisierung der durch arbuskuläre Mykorrhiza-Pilze bewirkten Schwermetalltoleranz bei Pflanzen

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.

Standardisierte One Health Surveillance von Antibiotikarückständen und Antibiotika- und Schwermetallresistenzen in Wasser und Wildvögeln im Ostseeraum, BALTIC-AMR: Standardisierte One Health Surveillance von Antibiotikarückständen und Antibiotika- und Schwermetallresistenzen in Wasser und Wildvögeln im Ostseeraum

Standardisierte One Health Surveillance von Antibiotikarückständen und Antibiotika- und Schwermetallresistenzen in Wasser und Wildvögeln im Ostseeraum

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.

PERFORM - Improving Geothermal System Performance through Collective Knowledge Building and Technology Development, Teilvorhaben: Verbesserung der Leistungsfähigkeit geothermischer Anlagen durch 'Collective Knowledge Building' und Technologieentwicklung

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.

Nutzung von Mykorrhizapilzen in Phytoremediationsprojekten

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.

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

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.

Einfluss von Schwermetallen und organischen Belastungen auf Proteinexpressionsmuster von Wasserpilzen und Regulation der Gentranskription relevanter Proteine

Aquatische Pilze, die an Standorten unterschiedlicher Schwermetall- und Organikabelastung auftreten, sind bisher bezüglich ihrer Funktionen für belastete aquatische Ökosysteme unzureichend untersucht. Solche potentiellen Ökosystemfunktionen können aufgrund der bei Wasserpilzen nachgewiesenen Anreicherung und Toleranz gegenüber Schwermetallen vermutet werden, woraus sich die Frage nach damit im Zusammenhang stehenden Anpassungs- und Detoxifikationsmechanismen ergibt. Weiterhin kann eine Rolle beim Abbau natürlicher und xenobiotischer Organika angenommen werden. Aquatische Hyphomyceten sind an das Leben in aquatischen Ökosystemen angepasste Pilze, die sich vom dort vorhandenen organischen Material ernähren. In gegenwärtigen Forschungsschwerpunkten wird der Abbau von organischen Spurenkontaminanten (endokrin wirksame Verbindungen, synthetische Moschusverbindungen), die aufgrund anthropogen verursachter Emissionen zunehmend in Oberflächenwässern und deren Sedimenten gefunden werden, sowie die Anreicherung von aus Schlackehalden der Kupferschieferverhüttung im Mansfelder Land resultierenden Schwermetallen durch diese Organismen untersucht. Aquatische Hyphomyceten und fakultativ aquatisch lebende Pilze bilden das extrazelluläre Enzym Laccase, eine Oxidoreduktase mit der Fähigkeit zur unspezifischen Oxidation einer Vielzahl organischer Verbindungen. Neben schwermetallbindenden Thiol-Peptiden (Metallothioneine, Phytochelatine) wird auch eine Funktion von Laccasen bei der Detoxifikation von Schwermetallen angenommen. Laccase wird durch unterschiedliche organische Verbindungen sowie durch Metalle wie Cu, Mn und Cd induziert. Interessanterweise wurden in Laccase-Promotoren Konsensus-Sequenzen gefunden, die denen in Promotoren von Metallothionein-Genen höherer Eukaryoten gleichen (MREs = metal response elements). Dort wird die Metallothionein-Expression durch eine Reihe von Schwermetallen induziert. Um im Zusammenhang mit Umweltschadstoffen stehende Aktivitäten von aquatischen Pilzen und damit ihren Einfluß auf Umweltkontaminationen in natürlichen Ökosystemen besser einschätzen zu können, soll im Projekt der Einfluss von unterschiedlichen organischen Xenobiotika und Schwermetallen auf die Bildung Schadstoff-relevanter Proteine und Peptide (Laccasen, Metallothioneine, Phytochelatine) auf der Protein- und Genexpressionsebene untersucht werden.

Mikrobielle und mikrobiell gestuetzte chemische Laugungsprozesse fuer Erze und Abprodukte mit hohem Karbonat- und Kalziumgehalt

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.

Untersuchungen zur Schwermetallresistenz an planktischen Algen und benthischen Makroalgen; Teilvorhaben: Weitergabe toxischer Schwermetalle von marinen Planktonalgen an sessile Planktonfiltrierer

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).

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