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Entwicklung eines Testsystems zur Bestimmung des Bioabbaus von in Wasser schwer loeslichen Substanzen

Obwohl heute bereits eine Reihe erprobter Testverfahren zur Erfassung des Bioabbaus vorliegen, fehlt es jedoch an Arbeitsvorschriften fuer schwerloesliche Substanzen. Am Institut wurde daher mit Vorarbeiten begonnen, nach einem handhabbaren Testsystem zu suchen. Nach diesen Untersuchungen erscheint der Aufbau des folgenden Tests erfolgversprechend: Die unloesliche Substanz wird zur Vergroesserung der Oberflaeche an ein inertes Traegermaterial adsorbiert. Die Bestimmung des Bioabbaus erfolgt sodann in einer Perkolationssaeule ueber geeignete Summenparameter.

Sind permeable Sedimente in Küstengebieten Hotspots für die Bildung von nicht-flüchtigem gelöstem organischem Schwefel (DOS) im Meer?

Organische Schwefelkomponenten sind abundant in marinen Sedimenten. Diese Verbindungen werden v.a. durch die abiotische Reaktion anorganischer Schwefelverbindungen mit Biomolekülen gebildet. Wegen seiner Bedeutung für globale Stoffkreisläufe, für die Nutzung von Erdöllagerstätten und für die Erhaltung des Paleorecords, gibt es eine Vielzahl von Studien zum Thema. Sehr wenig Aufmerksamkeit wurde allerdings wasserlöslichen Komponenten geschenkt, die beim Prozess der Sulfurisierung entstehen und als gelöster organischer Schwefel (DOS) in die Meere gelangen können. Anhand der wenigen verfügbaren Informationen ist Schwefel vermutlich das dritthäufigste Heteroelement im gelösten organischen Material (DOM) der Meere, nach Sauerstoff und Stickstoff. Einige Schwefelverbindungen, insbesondere Thiole, sind für die Verbreitung von Schadstoffen aber auch essenzieller Spurenstoffe verantwortlich. Wichtige klimarelevante Schwefelverbindungen entstehen aus DOS. Daher spielt der marine DOS-Kreislauf eine Rolle für die Meere und Atmosphäre. Trotz seiner Bedeutung sind die Quellen marinen DOS, seine Umsetzung im Meer und Funktion für Meeresbewohner unbestimmt. Auch ist die molekulare Zusammensetzung von DOS unbekannt. In diesem Projekt werden wir Pionierarbeit in einem neuen Forschungsfeld der marinen Biogeochemie leisten. Wir wollen grundlegende Fragen bzgl. der Bildung und Verteilung von nicht-flüchtigem DOS im Meer beantworten. Unsere wichtigsten Hypothesen:* Bildung von DOS:(1) Sulfatreduzierende Sedimente sind wesentlich für die Bildung von DOS.(2) Reduzierte Schwefelverbindungen (v.a. Thiole) dominieren in Zonen der DOS-Entstehung.(3) DOS wird v.a. über abiotische Sulfurisierung in der Frühdiagenese gebildet.* Transport und Schicksal von DOS im Ozean:(4) DOS wird von sulfat-reduzierenden intertidalen Grundwässern an das Meer abgeben.(5) In der Wassersäule oxidiert DOS schnell (z.B. zu Sulfonsäuren).(6) DOS aus intertidalen Sedimenten ist in oxidierter Form auf den Kontintentalschelfen stabil.Neben dem wissenschaftlichen Ziel der Beantwortung dieser Hypothesen, wird das Projekt drei Promovierenden (eine in Deutschland und zwei in Brasilien) die außergewöhnliche Gelegenheit bieten, ihre Doktorarbeiten im Rahmen eines internationalen Projektes durchzuführen. Wir werden die Stärken beider Partner in Feld- und Laborstudien und Elementar-, Isotopen- und molekularen Analysen kombinieren. Wir werden unterschiedliche Regionen im deutschen Wattenmeer und in brasilianischen Mangroven (Rio de Janeiro and Amazonien) beproben, sowie die benachbarten Schelfmeere. Sulfurisierungsexperimente werden die Feldstudien ergänzen. Zur quantitativen Bestimmung und molekularen Charakterisierung von DOS werden wir neue Ansätze anwenden, die von den beiden Arbeitsgruppen entwickelt wurden. Dabei kommen u.a. ultrahochauflösende Massenspektrometrie (FT-ICR-MS), und andere massenspektrometrischen und chromatographischen Methoden zu Anwendung.

Untersuchungen zu den Abbau-Mechanismen der Sprengstoffe RDX und TNT durch bodenbewohnende Pilze

Sprengstoffe, v.a. TNT und Hexogen (RDX), sind als Kontaminationen in den Boden eingetragen worden und gelangen aufgrund ihrer geringen Wasserlöslichkeit langsam in das Grundwasser. Aufgrund ihrer Umwetlttoxizität ist eine Sanierung kontaminierter Standorte nötig. Bisherige Untersuchungen zum Abbau dieser Xenobiotika haben sich auf die oxidativen Enzyme von Pilzen aus fremden Habitaten (v.a. Weißfäule-Pilzen) konzentriert. Unter Ansatz basiert hingegen auf der Charakterisierung des Abbau-Potentials der nativen Bodenmycota. TNT wird durch Nitratreduktase-Aktivität reduziert und in die Humus-Schicht eingebunden, während das instabile heterozyklische RDX-Moleküle durch Reduktion gespalten und somit mineralisiert wird. TNT-Reduktion und RDX-Abbau werden durch eine große Diversität an bodenbewohnenden Pilzen durchgeführt, v.a. Zygomyceten (Cuninghamella, Absidia) und imperfekte Stadien von Ascomyceten (Penicillium, Trichoderma). Unsere derzeitigen Studien befassen sich mit der Einbringung der RDX-Fragmente in den pilzlichen Sekundärmetabolismus.

Alternative Konservierungskonzepte für Hydro-Lacke und wässrige Beizen durch den Einsatz von natürlichen Substanzen

Wasserbasierte Formulierungen zeigen eine Anfälligkeit für mikrobielle Verkeimung, die aktuell nur über den Einsatz geeigneter Biozide unterbunden werden kann. Bedingt durch die gesetzliche Limitierung der Methylisothiazolinon-Einsatzmenge (MIT) auf maximal 15 ppm für die Begrenzung des bakteriellen Wachstums, steht kein weiteres biozides Mittel mit einem solchen Wirkspektrum zur Verfügung. Alternative Ansätze wie ein hoher pH-Wert, z.B.bei Silikatfarben, können bei Hydro-Lacken und wässrigen Beizen nicht verfolgt werden. Dieses Defizit soll zur Vervollständigung einer ökologischeren, wasserbasierten Strategie für Lacke und Beizen durch den Einsatz geeigneter natürlicher Substanzen wie ätherischen Ölen und anderen Pflanzenextrakten ausgeglichen werden. Diese aus biogenen Rohstoffen isolierten biobasierten Feinchemikalien besitzen oft ein nachgewiesener-maßen breites Wirkspektrum. Besondere Herausforderungen beim Einsatz ätherischer Öle ergeben sich jedoch aus ihrem oftmals intensiven Geruch, der schlechten Wasserlöslichkeit und ihrer hohen Flüchtigkeit. Kompensiert werden sollen diese Nachteile durch die Mikroverkapselung dieser Biorohstoffe mit Hilfe der ebenfalls biobasierten Cyclodextrine. Damit wird gleichzeitig die Abhängigkeit von erdölbasierten Bioziden als Beitrag zur Ressourcenschonung reduziert.

Abbau von aromatischen und aliphatischen Kohlenwasserstoffen und deren Derivaten

Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) entstehen bei unvollstaendigen Verbrennungsprozessen von organischem Material (z.B. im Kraftfahrzeugverkehr oder durch Heizkraftwerke) und sind haeufig in Altlasten zu finden. Viele dieser Verbindungen wirken auf Mensch und Tier karzinogen. So ist es von grosser Bedeutung, neue Mikroorganismen zu finden, die diese umweltrelevanten Stoffe abbauen koennen. Der Einsatz thermophiler Mikroorganismen bietet den Vorteil, dass die geringe Wasserloeslichkeit der PAK (relevant fuer die niederen kondensierten) durch die hoeheren Wachstumstemperaturen (ab 60 Grad C.) erhoeht wird und damit ein schnellerer Abbau ermoeglicht werden kann. Einige thermophile, PAK abbauende Mikroorganismen wurden bereits isoliert. Weitere sollen angereichert und isoliert werden sowie auf ihre Faehigkeit zum Abbau von anderen PAK und weiteren Xenobiotica hin untersucht werden. Ebenso ist es von grossem Interesse, die Abbauwege aufzuklaeren, um weitere nuetzliche Informationen ueber die Moeglichkeiten einer PAK-Beseitigung zu erhalten und zur Bewaeltigung der Altlastprobleme beizutragen.

Auswaschung von wasserloeslichen Holzschutzmitteln aus Kuehlturmholz als moegliche Umweltbelastung

Ermittlung der Auswaschung von wasserloeslichen Holzschutzmitteln aus getraenktem Schnittholz in Abhaengigkeit von Schutzmitteltyp, Traenkverfahren und Lagerungsdauer bis zum Einsatz, einschliesslich deren Auswirkung auf die Standdauer des Holzes im Kuehlturmbetrieb. Ermittlung der optimalen Traenkverfahren und Lagerungszeiten fuer Kuehlturmhoelzer.

Alternative Konservierungskonzepte für Hydro-Lacke und wässrige Beizen durch den Einsatz von natürlichen Substanzen, Teilvorhaben 2: Grundlagenuntersuchungen

Wasserbasierte Formulierungen zeigen eine Anfälligkeit für mikrobielle Verkeimung, die aktuell nur über den Einsatz geeigneter Biozide unterbunden werden kann. Bedingt durch die gesetzliche Limitierung der Methylisothiazolinon-Einsatzmenge (MIT) auf maximal 15 ppm für die Begrenzung des bakteriellen Wachstums, steht kein weiteres biozides Mittel mit einem solchen Wirkspektrum zur Verfügung. Alternative Ansätze wie ein hoher pH-Wert, z.B.bei Silikatfarben, können bei Hydro-Lacken und wässrigen Beizen nicht verfolgt werden. Dieses Defizit soll zur Vervollständigung einer ökologischeren, wasserbasierten Strategie für Lacke und Beizen durch den Einsatz geeigneter natürlicher Substanzen wie ätherischen Ölen und anderen Pflanzenextrakten ausgeglichen werden. Diese aus biogenen Rohstoffen isolierten biobasierten Feinchemikalien besitzen oft ein nachgewiesenermaßen breites Wirkspektrum. Besondere Herausforderungen beim Einsatz ätherischer Öle ergeben sich jedoch aus ihrem oftmals intensiven Geruch, der schlechten Wasserlöslichkeit und ihrer hohen Flüchtigkeit. Kompensiert werden sollen diese Nachteile durch die Mikroverkapselung dieser Biorohstoffe mit Hilfe der ebenfalls biobasierten Cyclodextrine. Damit wird gleichzeitig die Abhängigkeit von erdölbasierten Bioziden als Beitrag zur Ressourcenschonung reduziert.

Alternative Konservierungskonzepte für Hydro-Lacke und wässrige Beizen durch den Einsatz von natürlichen Substanzen, Teilvorhaben 1: Anwendungsuntersuchungen

Wasserbasierte Formulierungen zeigen eine Anfälligkeit für mikrobielle Verkeimung, die aktuell nur über den Einsatz geeigneter Biozide unterbunden werden kann. Bedingt durch die gesetzliche Limitierung der Methylisothiazolinon-Einsatzmenge (MIT) auf maximal 15 ppm für die Begrenzung des bakteriellen Wachstums, steht kein weiteres biozides Mittel mit einem solchen Wirkspektrum zur Verfügung. Alternative Ansätze wie ein hoher pH-Wert, z.B.bei Silikatfarben, können bei Hydro-Lacken und wässrigen Beizen nicht verfolgt werden. Dieses Defizit soll zur Vervollständigung einer ökologischeren, wasserbasierten Strategie für Lacke und Beizen durch den Einsatz geeigneter natürlicher Substanzen wie ätherischen Ölen und anderen Pflanzenextrakten ausgeglichen werden. Diese aus biogenen Rohstoffen isolierten biobasierten Feinchemikalien besitzen oft ein nachgewiesener-maßen breites Wirkspektrum. Besondere Herausforderungen beim Einsatz ätherischer Öle ergeben sich jedoch aus ihrem oftmals intensiven Geruch, der schlechten Wasserlöslichkeit und ihrer hohen Flüchtigkeit. Kompensiert werden sollen diese Nachteile durch die Mikroverkapselung dieser Biorohstoffe mit Hilfe der ebenfalls biobasierten Cyclodextrine. Damit wird gleichzeitig die Abhängigkeit von erdölbasierten Bioziden als Beitrag zur Ressourcenschonung reduziert.

Verteilung und Stabilität des Kohlenstoffs beim Abbau von 14C-markiertem Weizenstroh in den verschiedenen Kompartimenten eines Bodens mit unterschiedlicher landwirtschaftlicher Bewirtschaftung

Es ist die Hypothese aufgestellt worden, dass neben nicht abgebauten Pflanzenresten die organische Substanz des Bodens grob aus zwei Kompartimenten besteht. Bestimmt durch den Ton- und Feinschluffanteil entwickelte sich ein inerter C-Pool während der Genese von Böden. Dieser an die mineralischen Feinanteile gebundene Kohlenstoff nimmt nur über einen langen Zeitraum am Kohlenstoffumsatz von Böden teil. In Abhängigkeit von der landwirtschaftlichen Praxis entwickelt sich während des durch die metabolische Aktivität von Bodentieren und Mikroorganismen verursachten Abbaus von Pflanzenresten und organischen Düngern ein zweiter, labiler C-Pool. Dieser ist im wesentlich verantwortlich für die Nährstoffflüsse in Böden. Das Ziel des geplanten Forschungsprojektes ist es, in Laborexperimenten die Verteilung von frisch zugeführten 14C aus markiertem Weizenstroh zwischen inertem und labilem C-Pool über den Zeitraum eines Jahres zu verfolgen. Zusätzlich wird die Mineralisierung des Pflanzenmaterials zu 14CO2, die Bildung wasserlöslicher 14C-Metabolite und die anabolische Verwertung des markierten Kohlenstoffs durch die mikrobielle Biomasse des Bodens verfolgt. Nach einer physikalischen Fraktionierung der mineralisch-organischen Bodensubstanz in einzelne Größenfraktionen soll deren Gehalt an 14C/12C organischer Substanz über die Zeit bestimmt werden. In einem Inkubationsexperiment werden die isolierten Größenfraktionen mit der autochthonen Bodenflora beimpft werden, und die dabei durch die Aktivität der Mikroorganismen freigesetzten 14CO2 Mengen sind ein Indikator für die Stabilität der organischen Substanz in den einzelnen Fraktionen. Für diese Untersuchungen werden Proben eines landwirtschaftlichen Bodens ausgesucht, der für viele Jahrzehnte verschiedener Düngungspraxis (null, mineralisch, organisch) unterlag. Durch dieses Forschungsprojekt werden Informationen über die kausalen Zusammenhänge von Bodenprozessen bei der Bildung und Speicherung der organischen Substanz im Boden erwartet.

Bedeutung der pflanzlichen Rhizodeposition für die Bildung und Stabilisierung der organischen Bodensubstanz unter besonderer Berücksichtigung der wasserlöslichen Wurzelabscheidungen

Während der Vegetation können bis zu 20 Prozent der Netto-CO2-Assimilation durch Pflanzenwurzeln wieder an den Boden freigesetzt werden. Diese Rhizodeposition ist von beträchtlicher bodenökologischer Relevanz. Sie beeinflußt die pflanzliche Nährstoffaneignung ebenso wie die mikrobielle Besiedlung der Wurzeln. Demgegenüber ist der Umsatz dieser freigesetzten Verbindungen im Boden und insbesondere deren Beitrag zur Bildung und Stabilisierung der organischen Bodensubstanz (OBS) weitgehend unklar. Das vorliegende Teilprojekt soll einen Beitrag zur Klärung leisten. In Modellzeitreihenversuchen mit Boden aus ausgewählten Varianten der Hallenser und Bad Lauchstädter Dauerversuche sollen in sog. Doppelkompartimentgefäßen Pflanzensprosse simultan mit 14CO2 und 15NH3 begast und danach der 14C- bzw. 15N-Netto-Einbau in die verschiedenen physikalischen und chemischen OBS-Fraktionen verfolgt werden. Die Untersuchungen sollen Aufschluß über den Mengenanteil und den zeitlichen Verlauf der Umwandlung der Rhizodeposition in die OBS ermöglichen und ordnen sich daher in die Teilaspekte 4 (Umsatz verschiedener C-Pools) sowie 2 (Wechselwirkungen mit der Mineralphase) und 3 (Stabilisierung durch physikalische Trennung) ein.

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