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

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

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.

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.

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

CLIENT II - Landmanagement: Phytoremediation quecksilberkontaminierter Abbaustätten in Ghana und Burkina Faso mittels arbuskulärer Mykorrhizapilze (Mercury-AMF), Teilprojekt 2: Entwicklung eines AMF-Pflanze-Systems für eine erfolgreiche Phytoremediation

Mercury-AMF wendet erstmals ein biologisch nachhaltiges Mykorrhizapilz-Pflanze-System zur Sanierung von Quecksilber-kontaminierten Goldabbaustätten in Ghana und Burkina Faso an. Gold ist eine wichtige Exporteinnahmequelle in Ghana und Burkina Faso, gleichzeitig gehen landwirtschaftliche Flächen durch die Verwendung von Quecksilber beim Abbau verloren. Diese Flächen müssen zur Bewirtschaftung zurück gewonnen werden. Der Anbau mehrjähriger Leguminosen zur Akkumulation von Quecksilber war hierzu vielversprechend. Unser innovatives Verfahren der Mykophytoextraktion ist eine Erweiterung, die die Symbiose von Pflanzen mit Mykorrhizapilzen nutzt. Die Partner aus Deutschland, Ghana und Burkina Faso leisten gemeinsam einen wichtigen Beitrag zur Aufklärung der Funktionsweise von Mykophytoextraktion bis zur konkreten Anwendung. Vor Ort werden multiple Stakeholder für die Nutzung der Ergebnisse zur Kommerzialisierung von Produkten und Dienstleistungen in Westafrika eingebunden. Damit bezieht sich das Projekt auf den inhaltlichen Schwerpunkt von CLIENTII zu nachhaltigen Technologien und Dienstleistungen im Bereich Landmanagement.

CLIENT II - Landmanagement: Phytoremediation quecksilberkontaminierter Abbaustätten in Ghana und Burkina Faso mittels arbuskulärer Mykorrhizapilze (Mercury-AMF), Teilprojekt 1: Wissenschaftliche Grundlagenforschung zu Phytoremediation

Phy2TChaR - Schwermetallrecycling durch Phyto-Remediation kombiniert mit thermo-chemischer Konversion aus kontaminierten Sedimenten des Donau-Theiss-Donau-Kanals, Teilvorhaben: Technologiekonzept

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