Bedeutung des Bodens Bodenstruktur

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VL Mikrobielle Ökologie: Standorte und Prozesse, 20.01.2004

Bert Engelen

Bodenmikrobiologie

Ausgewählte Aspekte der Bodenmikrobiologie:

Bedeutung des Bodens Bodenstruktur

Abbauprozesse

Anthropogene Einflüsse

Prinzipien der Altlastensanierung

Bert Engelen

Bedeutung des Bodens Boden als Ressource

Land- und forstwirtschaftliche Produktion, Grundwasserfilter

Weltweiter Verlust von Böden durch Versiegelung, Bebauung, Erosion

Zusätzliche Umweltgefährdung durch aktuelle Kontaminationen und Altlasten

Schutz des Bodens geregelt in

Bundes-Bodenschutzgesetz (BBodSchG, 06.02.1998)

Ziel: Nachhaltig die Funktion des Bodens zu sichern oder wiederherzustellen

„Hierzu sind schädliche Bodenveränderungen vorsorglich abzuwehren,

bzw. der Boden und Altlasten sowie dadurch verursachte Gewässer-

verunreinigungen zu sanieren.“

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Bert Engelen

Bedeutung der Mikroorganismen für die Bodenfruchtbarkeit

Dekompostierung organischen Materials:

Bereitstellung pflanzenverfügbarer Nährstoffe

Stabilisierung von Bodenaggregaten durch mikrobielle Exudate:

Steigerung von: Durchwurzelbarkeit, Filtervermögen, Speicherkapazität

Anthropogene Einflüsse (Bodenbearbeitung, Düngung, Pflanzenschutz)

sollten keine negativen Auswirkungen auf mikrobielle Gemeinschaften aufweisen.

Bert Engelen

Bodenhorizonte

O-Horizont: organische Schichten unkompostiertes Pflanzenmaterial A-Horizont: humose obere Schicht

dunkel gefärbt, Pflanzenwachstum, große mikrobielle Aktivitäten

B-Horizont: mineralische Schichten

wenig org. Material, Eintrag von A-Horizont, geringe Aktivität

C-Horizont: Ausgangsgestein

gererell geringe mikrobiologische Aktivität

Abb.: Brock, 1997 (verändert)

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Bert Engelen

Struktur von Bodenpartikeln

O

₂

Konzentrationen in Bodenpartikeln

Abb.: Brock, 1997

Mikrohabitate

Abb.: Brock, 1997

Bert Engelen

Abbau von organischem Material

Kompostierung Bildung von Huminstoffen

Abb.: Fritsche, 1998

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Bert Engelen

Eigene Arbeiten Dissertation:

Entwicklung und Anwendung von Methoden zur Differenzierung von Funktionen und Strukturen bakterieller Populationen des Bodens

Biologische Bundesanstalt für Land- und Forstwirtschaft, Institut für Biochemie und Pflanzenvirologie, 1998

Struktur Zusammensetzung der Population (TGGE)

Funktion Art und Ausmaß ihrer metabolischen Aktivität (BIOLOG) Erfassung von “Fingerabdrücken” mikrobieller Gemeinschaften

Mustervergleich überlegen bei:

Differenzierung komplexer Habitate bei hohem Probenaufkommen Untersuchung von Sukzessionen

Verwendung eines molekularbiologischen Protokolls Umgehung von Kultivierungsschritten

Erfassung von bisher nicht kultivierten Organismen

Bert Engelen

1 Negativkontrolle 5 Polymere 28 Kohlenhydrate 2 Ester

24 Carbonsäuren

1 Bromierte Verbindungen 3 Amide

20 Aminosäuren 1 Aromaten 3 Nucleoside 3 Amine 2 Alkohole

3 Phosphorylierte Verbindungen Zusammensetzung einer BIOLOG-Platte

A

H G F E D C

1

B

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

95 C-Quellen:

Prinzip (ursprünglich):

Bestimmung des Substratverwertungsspektrums von Bakterienstämmen

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Bert Engelen

Unterschiedlich behandelte Böden

Versuch einer Bewertung der untersuchten Effekte

Klassische mikrobiologische

Methoden

Struktur Funktion

Vorgehensweise zur Analyse von Effekten auf die Bodenmikroflora

Extraktion von Bakterienzellen

Analyse der Stoffwechselmuster Hauptkomponenten-Analyse

Teststatistik Identifizierung wichtiger

Kohlenstoffquellen

Inkubation in BIOLOG-Platten Temperatur Gradienten Gel Elektrophorese

Extraktion von Nukleinsäuren PCR / RT-PCR

von 16S rDNA/rRNA Fragmenten (ca. 450 bp)

Analyse der TGGE-Muster Quantitativer Vergleich

Cluster-Analyse Identifizierung wichtiger

TGGE-Banden

Bert Engelen

Untersuchung der Bakterienpopulationen

unterschiedlich bewirtschafteter Felder

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Bert Engelen

OD-Werte

< 0,00 0,00 - 0,02 0,02 - 0,04 0,04 - 0,06 0,06 - 0,08 0,08 - 0,10

> 0,10 Entwicklung von BIOLOG-Mustern

natürlicher Bakterienpopulationen

Bert Engelen

Analyse der BIOLOG-Muster von Bakterienpopulationen verschiedener Felder

Verrottungsfeld 93 Verrottungsfeld 94 Versuchsfeld 1 Jahr Rotte Herbst 1994 Herbst 1995 Frühjahr 1994

1. Hauptkomponente

2. Haupt k o m ponent e

0 1 2 3 4 5

-2 0 2 4 6 8

Verrottungsfelder Versuchsfelder

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Bert Engelen

Versuchsfeld ‘94 Verrottungsfeld ‘93 Verrottungsfeld ‘94

1/2 1 1 1/2 2 1/2 1

Rottezeiten [Jahre]

Frühjahr Herbst Frühjahr Herbst Frühjahr Herbst Frühjahr Herbst Vergleich von TGGE-Mustern bakterieller

Gemeinschaften über eine längere Beobachtungszeit

Bert Engelen

VR 93 2 Jahre Rotte

Versuchsfeld

Verrottungsfeld ‘93

0,86 0,78 0,66

0,73 0,66

0,73 0,75 0,85 0,68

0,72 0,66

0,67 0,51

0,60 0,56 0,38

0,85

Frühjahr Herbst

1

1/2

Jahre Rotte 1/2 Jahr

Rotte

1 Jahr Rotte

1 Jahr Rotte 2 Jahre Rotte Versuchsfeld

Verrottungsfeld ‘93

Verrottungsfeld ‘93 Verrottungsfeld ‘93 Verrottungsfeld ‘94 Verrottungsfeld ‘94

Verrottungsfeld ‘93

Verrottungsfeld ‘94

Verrottungsfeld ‘93

Clusteranalyse der TGGE-Profile verschiedener Bakterienpopulationen

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Bert Engelen

Altlasten und Bodensanierung

Bert Engelen

Was sind eigentlich Altlasten?

Altablagerungen

stillgelegte Abfallbeseitigungsanlagen

Grundstücke, auf denen Abfälle behandelt, gelagert oder abgelagert worden sind

Schädliche Bodenverunreinigungen Beeinträchtigen die Bodenfunktion

Verursachen Gefahren, erhebliche Nachteile oder Belästigung für den einzelnen oder die Allgemeinheit

Altstandorte

Grundstücke stillgelegter Anlagen

Grundstücke, auf denen mit umweltgefährdenden Stoffen umgegangen wurde,

die schädliche Bodenverunreinigungen hervorrufen

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Bert Engelen

Verfahren der Bodensanierung

Methoden der Sanierung chemisch-physikalisch thermisch

biologisch

Situ-Verfahren

In-Situ-Verfahren Behandlung ohne Auskoffern

Ex-Situ-Verfahren Behandlung nach Auskoffern

On-Site-Verfahren Behandlung vor Ort

Off-Site-Verfahren Behandlung an anderer Stelle Bodenwäsche

Verbrennung

„Bioremediation“

Waschwasser toter Boden

biologisch aktiver Boden

Bert Engelen

Möglichkeiten der Ex-Situ Sanierung

Förderung mikrobieller Aktivitäten durch Belüftung und Nährstoffzufuhr

Erhöhung der Bioverfügbarkeit der Schadstoffe durch

Homogenisierung, Auflockerung oder Suspendierung des Bodens

Zugabe von Spezialkulturen?

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Bert Engelen

Mietenverfahren bei der Ex-Situ Sanierung

mit Kompostierung vergleichbar

geschlossene Räume (Leichtbauhallen, Zelte) mit Untergrundabdichtung maschinelles Umwälzen des Bodens

Reinigung von Abluft und Sickerwasser

Bert Engelen

Beispiel für In-Situ Sanierungen

Abb.: Waschke, 1999

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Bert Engelen

„Superbugs“ – Die Lösung?

Vorteile

gezielte Konstruktion von Abbauspezialisten hohe Umsatzraten in Bioreaktoren

Nachteile

Risiko? Freisetzung von GEMs!

Laborstämme oft in der Wildnis nicht lebensfähig

Bisher noch kein technischer Einsatz von „Superbugs“

Bert Engelen