Seen, die in der Tiefe ohne Sauerstoff sind, stossen kaum Methan aus. Doch anders als bisher angenommen, sind offenbar nicht Archaeen oder ohne Sauerstoff lebende Bakterien für den Methanabbau zuständig. Eine neue Studie im Tessiner Lago Cadagno zeigt, dass dafür Proteobakterien verantwortlich sind, die Sauerstoff benötigen. Diesen beziehen sie von benachbarten Algen, die den Sauerstoff in der Photosynthese herstellen.

Süsswasserseen – auch Stauseen in warmen Breitengraden – tragen im Unterschied zu den Meeren signifikant zum Ausstoss des Treibhausgases Methan bei. Das Methan stammt vom Abbau des auf den Grund gesunkenen organischen Materials. Obwohl die von Seen bedeckte Fläche weltweit ungleich kleiner ist als die der Ozeane, ist der Methanausstoss der Seen vielfach grösser. Unter den Seen ihrerseits tragen vor allem diejenigen viel zum Methanausstoss bei, die gut durchmischt sind. Saisonal oder dauernd geschichtete Seen mit sauerstofffreiem Wasser in der Tiefe stossen dagegen wenig Methan aus. Bisher ging man davon aus, dass in ihnen dieselben Methanabbau-Prozesse ablaufen, wie im Meer. Jetzt zeigt eine soeben publizierte Studiie [1] aus dem Tessiner Cadagno-See, dass das nicht so ist.

Ein Team von Forschenden der Eawag (CH) und vom Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie in Bremen (D) wies im Lago Cadagno in der sauerstofffreien Zone zwar einen fast vollständigen Methanabbau nach, fand jedoch keine der bekannten anaeroben Methan abbauenden Bakterien. Auch Archaeen, welche im Meer massgeblich für den Methanabbau verantwortlich sind, wurden keine gefunden. Hingegen enthielten die Proben aus rund 12 Metern Tiefe eine reichhaltige Bakteriengemeinschaft von sauerstoffzehrenden Proteobakterien – bis zu 240‘000 Zellen pro Milliliter.

«Wir fragten uns natürlich, wie diese aeroben Bakterien im sauerstofffreien Wasser leben können», sagt Erstautorin Jana Milucka vom Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie. Dazu haben die Wissenschaftler unter anderem das Verhalten der Bakterien in Laborversuchen getestet: Ein Methanabbau fand immer nur dann statt, wenn den Proben entweder Sauerstoff zugegeben wurde oder sie dem Licht ausgesetzt waren. So kamen die Forschenden darauf, dass die Bakterien ihren Sauerstoff von benachbarten Kieselalgen (Diatomeen) beziehen, die ihn über Photosynthese produzieren. Analysen unter dem Fluoreszenzmikroskop zeigten, dass die Methan oxidierenden Bakterien aus der Familie der Methylokokken in nächster Nähe mit den Algen vorkommen und so wohl noch besser von deren Sauerstoff profitieren können (Bild 2).

Das Klimagas Methan wird also dank der Zusammenarbeit von Bakterien und Algen noch im See abgebaut und gelangt nicht in die Atmosphäre. Diese Art von Methanabbau war aus dem Süsswasser bisher nicht bekannt. «Für Seen, die sauerstofffreie Schichten haben oder auch für gewisse Zonen in den Meeren müssen wir wohl die Lehrbücher korrigieren», sagt Projektleiter Carsten Schubert von der Eawag. Relevant dürfte der Trick der methanabbauenden Bakterien überall dort sein, wo ausreichend Licht bis zu den sauerstofffreien Tiefen vordringt. In der Schweiz ist das laut Schubert in den meisten Seen der Fall. Noch nicht veröffentlichte Untersuchungen im Rotsee bei Luzern zeigen jedenfalls denselben Ablauf. Die weitere Forschung konzentriert sich jetzt auf tiefe Seen, in denen nach ersten Untersuchungen andere Prozesse ablaufen.

Weitere Auskünfte
CH: Carsten Schubert, Eawag: +41 58 765 2195;carsten.schubert@eawag.ch
D: Marcel Kuypers, MPI-Bremen: +49 421 202 8602;

Quelle:
http://www.eawag.ch/medien/bulletin/20150303/index
 

Wissenschaftler des Potsdamer Leibniz-Instituts für Agrartechnik haben erstmalig die mikrobiellen Lebensgemeinschaften in den methanogenen Biofilmen unterschiedlicher Biogasreaktoren untersucht und charakterisiert. Neben neuen mikrobiologischen Erkenntnissen über die Zusammensetzung und Entwicklung solcher Biofilme konnten sie insbesondere die stabilisierende und effizienzsteigernde Wirkung von Biofilmen für die Biomethanisierung nachweisen. Die Ergebnisse dieser Studie wurden kürzlich veröffentlicht.

Auf allen Oberflächen im Biogasreaktor bilden sich rasch Biofilme. In diesen Biofilmen leben verschiedene Mikroorganismen, darunter gärende Bakterien und methanbildende Archaeen, in enger Symbiose. Zusammen gewährleisten sie einen effizienten Abbau von Biomasse zu Biogas. In einem dreijährigen Forschungsvorhaben haben Potsdamer Forscher die Entwicklung solcher Biofilme in unterschiedlichen Reaktortypen und bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen untersucht. Das wissenschaftliche Interesse galt dabei insbesondere der Frage, wie die Entwicklung besonders effizienter Biofilme gezielt gefördert werden kann.

Eine Möglichkeit besteht darin, gezielt Aufwuchsträger in die Reaktoren einzubringen, beispielsweise Festkörper aus Kunststoff wie sie in der Abwasserwirtschaft eingesetzt werden. Das Einbringen von zusätzlichen Aufwuchsflächen bewirkte in allen untersuchten Biogasanlagen eine Stabilisierung der Gärsäureproduktion und der Methanbildung. Insbesondere bei mittleren Betriebstemperaturen (37°C) konnte im Vergleich zu der Kontrolle ohne zusätzliche Aufwuchsflächen eine deutliche Erhöhung sowohl der Biogasbildung insgesamt als auch des Gehalts an Methan erreicht werden.

Entscheidend für die Ansiedlung einer effizienten mikrobiellen Gemeinschaft sind vor allem die Materialeigenschaften der Aufwuchsträger. Von den getesteten Werkstoffen, u. a. Polyvinylchlorid, Polypropylen, Polyethylen und Polyurethan, erwies sich Acrylglas für die Nutzung als Aufwuchsträger am besten geeignet. Auch auf magnetischen Aufwuchsträgern, die mitsamt ihrer mikrobiellen Beladung gut im System zurückgehalten werden können, etablierten sich Biofilme erfolgreich. Insgesamt beeinflussen die Oberflächenrauigkeit des Materials und die Temperatur des Prozesses die mikrobielle Besiedlung.

Überraschend für die Wissenschaftler war, dass innerhalb eines Biogasreaktors unterschiedliche Biofilme mit unterschiedlichen Arten von Mikroorganismen und Stoffwechselleistungen vorliegen können. „Wir vermuten, dass über die Materialeigenschaften der Aufwuchsträger die Struktur der Biofilme und damit auch die Leistung des Biogasreaktors positiv beeinflusst werden kann“, so Dr. Ingo Bergmann, einer der Autoren der Studie.

Projektleiter Dr. Michael Klocke unterstreicht die Relevanz der Ergebnisse: „Unsere Forschungsergebnisse zeigen einen Weg zur weiteren Optimierung von Biogasreaktoren auf. Durch die Bereitstellung von geeigneten Aufwuchsflächen lässt sich die Biogas-Mikrobiologie gezielt steuern. Ziel muss die Ansiedlung besonders effizienter mikrobieller Gemeinschaften im Biogasreaktor sein, um eine optimale Prozesseffizienz zu erreichen.“

Am Leibniz-Institut für Agrartechnik wurden in den letzten Jahren verschiedene Biofilm-basierte Reaktorlösungen entwickelt und in Labor und Praxis erprobt. Wesentlich für solche Verfahren ist die räumliche Trennung von Aufschluss und Abbau der Biomasse von der eigentlichen Methanbildung. „Solche mehrstufigen Systeme sollten unbedingt verstärkt Anwendung in der Praxis finden. Dabei sind die symbiotischen Beziehungen zwischen den Mikroorganismen in den Biofilmen für die Stabilität des Prozesses und die Leistungsfähigkeit der Biogasbildung entscheidend“, fasst Dr. Michael Klocke die Ergebnisse zusammen.

Der anaerobe Abbau von pflanzlicher Biomasse zu Biogas wird durch zwei Gruppen von Mikroorganismen durchgeführt. Fermentative Bakterien katalysieren den Abbau der in der Biomasse enthaltenen hochmolekularen Verbindungen zu kurzkettigen Carbonsäuren sowie Gasen wie molekularem Wasserstoff und Kohlendioxid. Diese Abbauprodukte sind wiederum die Ausgangssubstrate für die eigentlichen Produzenten der energetischen Komponente im Biogas, des Methans. Zur Bildung von Methan sind nur einige wenige, hoch spezialisierte Vertreter aus der Gruppe der Archaeen befähigt.

Das Projekt „Biofilme in Biogasanlagen – Struktur, Einfluss auf die Biogasausbeute und Optimierung technischer Systeme zur Rückhaltung der mikrobiellen Biomasse“ wurde im Rahmen des Förderprogramms „Nachwachsende Rohstoffe“ vom Bundesministerium für Ernährung und Verbraucherschutz (BMEL) finanziell gefördert und durch den Projektträger Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) unterstützt.

Literatur:
Bergmann, I., & Klocke, M. (2015): Biofilme in Biogasanlagen – Struktur, Einfluss auf die Biogasausbeute und Optimierung technischer Systeme zur Rückhaltung der mikrobiellen Biomasse. Schlussbericht zum Forschungsverbund BIOGAS-BIOFILM. Bornimer Agrartechnische Berichte, Heft 87, Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim, 164 S.
Der Bericht ist online verfügbar unter: http://www.atb-potsdam.de/fileadmin/docs/BABs/Heft_87_k.pdf sowie in der FNR-Projektdatenbank http://www.fnr.de/projekte-foerderung/projekte/ unter dem Förderkennzeichen 22016308.

Kontakt:
Dr. Michael Klocke – Abteilung Bioverfahrenstechnik
Tel.: 0331 5699-113, E-Mail: mklocke@atb-potsdam.de

Helene Foltan – Öffentlichkeitsarbeit
Tel.: 0331 5699-820, E-Mail: hfoltan@atb-potsdam.de

Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V.
Max-Eyth-Allee 100, 14469 Potsdam
http://www.atb-potsdam.de

Das Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e. V. (ATB) ist ein europäisches Zentrum agrartechnischer Forschung an der Schnittstelle von biologischen und technischen Systemen. Unsere Forschung zielt auf eine wissensbasierte Bioökonomie. Hierfür entwickeln wir hochinnovative und effiziente Technologien zur Nutzung natürlicher Ressourcen in landwirtschaftlichen Produktionssystemen – von der Grundlagenforschung bis zur Anwendung.

Erneut hohe internationale Beteiligung
Gestiegene Flächennachfrage
Rund 200 Unternehmen wollen erstmals dabei sein

Beeindruckende Wiederbeteiligungsquote, zahlreiche Erstanmeldungen und eine hohe internationale Beteiligung: Die Vorzeichen für die IFAT, die von 30. Mai bis 3. Juni 2016 auf dem Gelände der Messe München stattfindet, sind außergewöhnlich gut. „Rund 200 Unternehmen wollen erstmalig bei der IFAT ausstellen“, erklärt Stefan Rummel, Geschäftsführer bei der Messe München und als solcher zuständig für die IFAT, die Buchungssituation. „Zudem haben sich bereits über 90 Prozent der Aussteller der vergangenen Veranstaltung wieder angemeldet. Das ist wirklich beeindruckend und freut uns natürlich sehr.“

Die weltweit größte Umwelttechnologiemesse wird auch 2016 alle Hallen und einen Teil des Freigeländes – insgesamt 230.000 Quadratmeter – belegen. „Wir verzeichnen eine nochmals gestiegene Flächennachfrage gegenüber 2014″, so Rummel weiter. Bemerkenswert sei hierbei vor allem das Interesse der internationalen Unternehmen, die sich nicht nur vermehrt individuell beteiligen möchten, sondern auch über Gemeinschaftsstände ihren Weg in den Markt suchen.

Diese äußerst positive Resonanz der Aussteller zeigt nicht nur den hohen Stellenwert, den die IFAT branchenintern einnimmt, sondern belegt auch, dass der Umwelttechnologiesektor nach wie vor immenses Potenzial hat – beste Voraussetzungen für die Teilnehmer der kommenden IFAT.

http://www.ifat.de/link/de/28281818#28281818
 

Geowissenschaftler analysieren Bodenverunreinigungen durch Schmelzwasser an Flughäfen

Im Winter kommen Enteisungsmittel zum Einsatz, die die Beschaffenheit des Grundwassers und die Funktionen des Bodens beeinträchtigen können, wie Geowissenschaftler der Uni Jena in einer aktuellen Studie belegen.

Mit Sonnenschein und milden Temperaturen hat der Frühling inzwischen Einzug in Europa gehalten. Waren vor wenigen Wochen Böden noch gefroren und teilweise von Eis und Schnee bedeckt, herrscht jetzt Tauwetter. Das hat nicht nur Auswirkung auf die Tier- und Pflanzenwelt. Tauwetter führt beispielsweise zu einer Belastung der Böden und damit des Grundwassers an Flughäfen durch Chemikalien, die im Schmelzwasser enthalten sind. Denn: an Flughäfen kommen im Winter Enteisungsmittel zum Einsatz, die teilweise auf unversiegelten Flächen landen und mit der Schneeschmelze im Boden versickern.

„Zwar sind die Flughafenbetreiber EU-weit angehalten einen guten chemischen Zustand des Grundwassers zu erhalten, bzw. nachteilige Konzentrationen von Schadstoffen im Grundwasser zu vermeiden“, sagt PD Dr. Markus Wehrer von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Dennoch sei es gängige Praxis, dass entlang der Rollbahnen jeden Winter erhebliche Mengen von Enteisungsmitteln im Boden versickerten, sagt der Hydrogeologe. Zwar ist es durchaus sinnvoll, auf diese Weise die natürliche Selbstreinigungskraft des Bodens zu nutzen. Allerdings wirken sich Enteisungsmittel negativ auf die Beschaffenheit des Grundwassers und die Funktionen des Bodens aus, wie ein Team um den Inhaber des Jenaer Lehrstuhls für Hydrogeologie, Prof. Dr. Kai Uwe Totsche, in einer aktuellen Studie belegt.
Im Fachmagazin „Environmental Science and Pollution Research“ schreiben die Forscher von der Uni Jena, dass Chemikalien wie Propylenglykol und Kaliumformiat zwar von im Boden lebenden Mikroorganismen abgebaut werden und diese damit zumindest kurzfristig nicht ins Grundwasser gelangen (DOI: 10.1007/s11356-014-3506-3). „Andererseits führt eine starke Belastung mit diesen Substanzen dazu, dass der Sauerstoffgehalt des Bodenwassers und des Grundwassers dramatisch sinkt“, erläutert Heidi Lißner, die Erstautorin der Studie. Der Grund: Um die Schadstoffe abzubauen, nutzen die Mikroben Sauerstoff. „Je mehr dieser Substanzen sie verstoffwechseln müssen, umso mehr Sauerstoff verbrauchen sie dabei“, so die Geowissenschaftlerin, die die nun vorgelegten Ergebnisse im Rahmen ihrer Doktorarbeit erarbeitet hat. Damit einhergehend erfolgt eine Auflösung von Eisen- und Manganoxiden, welche als „Kittsubstanzen“ die Struktur des Bodens stabilisieren.

Schneeschmelze im Labor
Für seine Untersuchungen hat das Jenaer Forscherteam den Boden rund um den Flughafen der norwegischen Hauptstadt Oslo analysiert. Hier werden in jedem Winter durchschnittlich 1.000-1.500 Tonnen Enteisungsmittel verbraucht. „Der Flughafen steht dabei direkt auf dem größten oberflächennahen Grundwasserleiter Norwegens, dem Romerike-Aquifer“, macht Dr. Wehrer deutlich, der die Arbeit von Heidi Lißner gemeinsam mit Prof. Dr. Totsche betreut hat. Die Geowissenschaftler haben Bodenkerne in der Nähe der Rollbahn des Flughafens genommen und diese an einem Feldstandort in der Nähe des Flughafens untersucht. „Wir wollten wissen, wie sich die Enteisungsmittel auf die Bodenbeschaffenheit und das Sickerwasser auswirken“, erläutert Heidi Lißner. Dazu hat die Nachwuchswissenschaftlerin die Bodenkerne mit enteisungsmittelhaltigem Wasser beladen und so eine „Schneeschmelze“ simuliert. Das nach der Passage durch die Bodenkerne aufgefangene Sickerwasser wurde eingehend auf Rückstände von Enteisungsmitteln und den Sauerstoffgehalt untersucht sowie weitere Parameter bestimmt.

Ihre exemplarischen Ergebnisse, so die Jenaer Forscher, seien auch auf andere Flughäfen übertragbar. „Chemikalien zum Enteisen von Flugzeugen sowie Start- und Landebahnen kommen überall zum Einsatz wo im Winter Eis und Schnee auftreten“, sagt Dr. Wehrer und betont, dass sich aus den bisherigen Forschungsergebnissen auch Maßnahmen ableiten lassen, wie der Sauerstoffnot im Boden rund um Flughäfen entgegengewirkt werden könne. Neben der Einrichtung gesonderter Areale, in denen Schmelzwasser kontrolliert versickern kann, sei auch der gezielte Einsatz von Bakterien im Boden denkbar, die sich auf den Abbau dieser Chemikalien spezialisiert haben. Dies erfordert zusätzlich eine bessere Versorgung des Bodens mit Sauerstoff oder mit alternativen Stoffen, die ähnlich wie Sauerstoff zum Abbau von Schadstoffen genutzt werden können. Zudem könne auch die Bodentextur so gestaltet werden, dass sich die Versickerung des belasteten Bodenwassers verzögert. Durch die größere Zeitspanne, welche dann für den Abbau der Substanzen zur Verfügung steht, wird dann ein Sauerstoffmangel vermieden, da Luftsauerstoff stetig in den Boden nachgeliefert wird.

Original-Publikation:
Lißner H. et al. Constraints of propylene glycol degradation at low temperatures and saturated flow conditions. Environ Sci Pollut Res (2015) 22:3158-3174, DOI 10.1007/s11356-014-3506-3

Kontakt:
Prof. Dr. Kai Uwe Totsche, PD Dr. Markus Wehrer
Institut für Geowissenschaften der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Burgweg 11, 07749 Jena
Tel.: 03641 / 948650
E-Mail: kai.totsche@uni-jena.de, markus.wehrer@uni-jena.de

Volles Rohr:
Ein Beitrag von Roland Schulz im Magazin der Süddeutschen Zeitung beschäftigt sich mit der Problematik
Feuchtttücher

Tonnenschwere Klumpen, überhitzte Pumpen: Die Kanalisationen haben weltweit gegen einen Eindringling zu kämpfen, der lange ganz harmlos schien – das feuchte Klopapier.

Den ganzen Artikel lesen Sie unter:
http://sz-magazin.sueddeutsche.de/texte/anzeigen/43185/Volles-Rohr

Seit 2012 können Kläranlagenbetreiber mit der Flexibilisierung von Stromerzeugung und -verbrauch am Regelenergiemarkt zusätzliche Einnahmen erwirtschaften. „Flexibilisierung ist das Zauberwort, wenn es darum geht, das Energiemanagement auf der Kläranlage zu optimieren und auf die zukünftigen Entwicklungen im Energiesektor auszurichten“, sagt NEW-Partner Andreas Keil, Geschäftsführer des Energiedirektvermarkters e2m.

Welche Flexibilitätspotenziale sehen die Betreiber auf ihrer Kläranlage? Welche Wissenslücken, Vorbehalte und Hürden gilt es auf dem Weg der Kläranlage zum Energiedienstleister auszuräumen? Der Einladung des Netzwerks Energieeffiziente Wasserwirtschaft, kurz NEW, zum Fachgespräch „Regelenergie im Abwasserbereich“ am 17. April 2015 in Magdeburg folgten zehn ausgewählte Kläranlagenbetreiber aus ganz Deutschland. Andreas Keil von e2m erläuterte Inhalte, Anforderungen und Möglichkeiten der Vermarktung von Regelenergieleistungen und stellte sich den Fragen der Kläranlagenbetreiber.

Im Ergebnis wurde von den Betreibern die Flexibilisierung von Stromerzeugung und Stromverbrauch auf der Kläranlage als ein potenter …mehr:

http://www.inter3.de/de/aktuelles/details/article/regelenergie-im-abwasserbereich-new-meets-klaeranlagenbetreiber.html
 

Auf Goldsuche in der Klärgrube: US-Wissenschaftler wollen herausfinden, ob es sich lohnen könnte, Abwasser mit menschlichen Exkrementen systematisch auf Edelmetalle zu filtern.

Das Projekt wird auf dem jüngst eröffneten Jahrestreffen der American Chemical Society ACS in Denver im US-Bundesstaat Colorado vorgestellt, wie der Fachverband am Montag mitteilte. Gold, Silber und andere rare Edelmetalle wie Palladium oder Kupfer sollen auf diese Weise aus dem Abfluss …mehr:

http://www.shz.de/nachrichten/deutschland-welt/wissenschaft/klaerwerke-als-goldminen-edelmetallsuche-im-abwasser-id9292766.html

Erosion an Land begünstigte die Ausbreitung spezieller Mikroalgen in den Ozeanen

Die zu den Mikroalgen zählenden Diatomeen traten vor etwa 40 Millionen Jahren ihren Aufstieg zu einem der wichtigsten Produzenten von Biomasse an. Was sie so erfolgreich werden ließ, hat nun ein internationales Forscherteam anhand von Meeresbodenablagerungen in Kombination mit Computersimulationen untersucht. In ihrer Studie, die nun im Wissenschaftsmagazin PNAS (Proceedings of the National Academy of Science USA) veröffentlicht wurde, beschreiben die Wissenschaftler den Zusammenhang zwischen der Erosion silikathaltiger Gesteine an Land und dem evolutionären Erfolg der marinen Diatomeen.

Mikroskopisch kleine pflanzliche Meeresorganismen wie die Diatomeen nutzen die Energie aus dem Sonnenlicht, um das im Ozeanwasser gelöste Kohlenstoffdioxid in organisches Material, also in Biomasse umzuwandeln. Sterben die Mikroalgen ab, sinken ihre Überreste teilweise zum Meeresboden und das zuvor gebundene Treibhausgas Kohlenstoffdioxid wird dem globalen Kohlenstoffkreislauf entzogen. Den Diatomeen kommt hierbei eine Schlüsselrolle zu, denn mehr als die Hälfte des Kohlenstoffs, der heutzutage auf diesem Wege in Meeressedimenten eingelagert wird, geht auf ihr Konto.

Diatomeen werden häufig auch als Kieselalgen bezeichnet, da sie Kieselsäure aus dem Meerwasser in Siliziumdioxid umwandeln und so ihre schachtelförmigen Zellhüllen aufbauen. Die ersten ihrer Art tauchten vor ungefähr 200 Millionen Jahren in den Ozeanen auf, aber erst etwa 160 Millionen Jahre später traten sie ihren Aufstieg zu einem der wichtigsten Biomasseproduzenten weltweit an. Zu dieser Zeit nahm die Vielfalt der Diatomeenarten zu und sie eroberten nach und nach alle Ozeane.

Was sie vor 40 Millionen Jahren so erfolgreich machte, hat ein internationales Wissenschaftlerteam nun genauer untersucht. Für ihre PNAS-Studie kombinierten die Forscher um Erstautor Pedro Cermeño, Wissenschaftler am spanischen Meeresforschungsinstitut ICM, die Ergebnisse von Untersuchungen der Meeresbodenablagerungen mit Computermodellen. Hierbei schauten sie sich die Verfügbarkeit von Kieselsäure an – dem für Diatomeen unverzichtbaren Baustoff. Schon damals konkurrierten die Kieselalgen mit winzigen Einzellern, den Radiolarien, die für ihren Skelettbau den gleichen Grundstoff nutzen. Frühere Untersuchungen zeigten, dass zur damaligen Zeit die Radiolarien immer weniger Kieselsäure in ihre Skelette einbauten. Bisherige Vermutungen sahen in diesem zusätzlich zur Verfügung stehenden Anteil an Kieselsäure den entscheidenden Vorteil für die Kieselalgen. „Unsere Daten zeigen aber, dass dies nicht der einzige Grund sein kann, weshalb sich die Diatomeen durchsetzten“, sagt MARUM-Wissenschaftler und Co-Autor der Studie Dr. Oscar Romero. „Entscheidend zu ihrem Erfolg beigetragen hat der zusätzliche Eintrag von Silikat-Verbindungen wie der Kieselsäure durch die Erosion an Land.“

Die Erosion silikathaltiger Gesteine wie Granit oder Basalt ist eine der Hauptquellen der Kieselsäure im Ozean. Indikatoren für die Stärke der Verwitterungsprozesse an Land sind ebenso wie die Evolution der Diatomeen in den Klimaarchiven der Meeresbodensedimente gespeichert. Mit Hilfe dieser Klimadaten konnten Romero und seine Kollegen zeigen, dass die Ausbreitung der Diatomeen in eine Zeit fiel, zu der eine stärkere Verwitterung zu einem erhöhten Eintrag von Kieselsäure in die Ozeane führte. Diese erosionsbedingte Düngung des Ozeans könnte Auswirkungen sowohl auf den globalen Kohlenstoffkreislauf als auch auf die komplette Nahrungskette haben. Für ein besseres Verständnis der einzelnen Zusammenhänge sind allerdings weitere Studien erforderlich.

Publikation:
Continental erosion and the Cenozoic rise of marine diatoms
Pedro Cermeño, Paul G. Falkowski, Oscar E. Romero, Morgan F. Schaller, and Sergio M. Vallina
PNAS, doi: 10.1073/pnas.1412883112

Weitere Informationen / Interviewanfragen / Bildmaterial:
Jana Stone
MARUM-Öffentlichkeitsarbeit
Tel.: 0421 218 65541
Email: jstone@marum.de

MARUM entschlüsselt mit modernsten Methoden und eingebunden in internationale Projekte
die Rolle des Ozeans im System Erde – insbesondere im Hinblick auf den globalen Wandel.
Es erfasst die Wechselwirkungen zwischen geologischen und biologischen Prozessen im Meer und liefert Beiträge für eine nachhaltige Nutzung der Ozeane.

Das MARUM umfasst das DFG-Forschungszentrum und den Exzellenzcluster „Der Ozean im System Erde“.

Weitere Informationen:
http://www.marum.de
http://www.marum.de/Der_Erfolg_der_Kieselalgen_2.html

Erstmals Weltkarte der möglichen Insektizidbelastung erstellt

Leipzig/Landau. Agrochemikalien stellen ein globales Risiko für Fließgewässer auf rund 40 Prozent der Erdoberfläche dar. Da in die Untersuchung auch viele Gewässer in unbeeinflussten Gebieten wie Gebirgen und Wäldern einbezogen wurden, seien diese Chemikalien somit ein Problem für die überwiegende Mehrzahl an Gewässern in landwirtschaftlichen Gebieten. Das geht aus der ersten modellierten Weltkarte zum Austrag von landwirtschaftlich genutzten Insektenvernichtungsmitteln in Gewässern hervor, die Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) und der Universität Koblenz-Landau zusammen mit den Universitäten Mailand, Aarhus und Aachen jetzt im Fachjournal Environmental Pollution veröffentlicht haben. Ein besonderes Risiko besteht demnach für Gewässer im Mittelmeerraum, den USA, Mittelamerika und Südostasien.

Im Gegensatz zu anderen Chemikalien werden Pflanzenschutzmittel gezielt in der Umwelt freigesetzt, um Schädlinge und Unkräuter in der Landwirtschaft unter Kontrolle zu halten. Sie können sich daher negativ auf die Ökosysteme an Land und durch Abfluss mit dem Regenwasser auch in den Oberflächengewässern auswirken. Schätzungen zufolge werden weltweit jedes Jahr etwa 4 Millionen Tonnen an Pflanzenschutzmitteln in der Landwirtschaft ausgebracht. Das entspricht im Schnitt 0,27 Kilogramm pro Hektar der Landfläche der Erde. „Von früheren Untersuchungen wissen wir zum Beispiel, dass diese Pflanzenschutzmittel die Artenvielfalt von wirbellosen Tieren in Fließgewässern um bis zu 42 Prozent reduzieren können und dass durch den Klimawandel mit einem verstärkten Einsatz dieser Stoffe zu rechnen ist“, erklärt Prof. Dr. Matthias Liess vom UFZ, der kürzlich für fünf Jahre in den wissenschaftlichen Beirat „Nationaler Aktionsplan zur nachhaltigen Anwendung von Pflanzenschutzmitteln“ berufen wurde und dort das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) berät. Auch in vielen Entwicklungsländern könne der Einsatz häufiger werden, wenn Landwirte zunehmend von einer traditionellen extensiven auf eine intensive Landwirtschaft umsteigen, so Liess weiter. Bisher war die globale Dimension der möglichen Gewässerbelastung durch den Einsatz von Insektenvernichtungsmitteln unklar.

Das internationale Forschungsteam hat daher ein globales Modell mit einem Raster von rund zehn Kilometern erstellt, in das u.a. Daten der Welternährungsorganisation FAO zur Landwirtschaft und der US-amerikanischen Luft- und Raumfahrtbehörde NASA zur Landnutzung eingeflossen sind. Berücksichtigt wurden außerdem die Jahresdurchschnittstemperatur und der monatliche Maximalniederschlag für rund 77.000 Messstationen weltweit. Danach schätzten die Forscher das sogenannte Runoff Potenzial (RP) ab, also welche Menge an Insektiziden über Regenwasser von den Agrarböden in die Bäche und Flüsse abfließt. „Dabei spielt zum Beispiel die Intensität der Niederschläge, die Bodenbeschaffenheit oder die Geländeneigung genauso eine Rolle wie die Art der angebauten Feldfrüchte“, erläutert Juniorprofessor Dr. Ralf B. Schäfer von der Universität Koblenz-Landau. „Um die komplizierten Schätzungen zu überprüfen, haben wir deshalb Kontrollmessungen zur Insektizidbelastung in Gewässern vier verschiedener Regionen durchgeführt.“

Entstanden sind mehrere Weltkarten: Die Vulnerabilitätskarte berücksichtigt zunächst nur die geografische und klimatische Ausgangslage. Die Risikokarte dagegen zeigt, welche Risiken aus dieser natürlichen Verletzbarkeit durch die Landnutzung des Menschen entstehen. In Mitteleuropa stuften die Wissenschaftler das Risiko für Gewässer größtenteils als mittel bis hoch ein. Dort wie auf der Nordhemisphäre insgesamt zeigt sich ein deutlicher Nord-Süd-Gradient. „Das Risiko des Eintrags von Insektenvernichtungsmittel in Gewässer nimmt in Europa, Nordamerika und Asien nach Süden hin deutlich zu, weil dort mit höheren Durchschnittstemperaturen auch mehr Insektizide eingesetzt werden“, berichtet Dr. Mira Kattwinkel, die inzwischen am Schweizer Wasserforschungsinstitut Eawag forscht. Da in vielen Ländern der Südhemisphäre Wirtschaft und Bevölkerung stark wachsen, rechnen die Wissenschaftler damit, dass dort künftig mehr Insektizide eingesetzt werden, um mehr Lebensmittel zu produzieren. Die Karte könnte sich also in weiteren Teilen der Erde noch deutlich verfärben. Momentan sind vor allem Gewässer im Mittelmeerraum, den USA, Mittelamerika und Südostasien gefährdet.

In Südostasien sind beispielsweise die Philippinen oder auch Vietnam stark betroffen. Dort suchen UFZ-Forscher im Rahmen des Projektes LEGATO zusammen mit dem Internationalen Reisforschungsinstitut IRRI nach Lösungen, um den Einsatz von Pflanzenschutzmitteln zu verringern. Ein Ansatz dafür könnte beispielsweise die Revitalisierung von Ökosystemen sein, damit die natürlichen Gegenspieler von Reisschädlingen eine Massenvermehrung und damit massive Ernteverluste vermeiden.

„Unsere Analyse hat Hotspot-Regionen ermittelt, in denen Insektizide ein großes Risiko für die Artenvielfalt in den Gewässern darstellen. Unseres Wissens ist dies der erste Versuch, die Insektizidbelastung der Gewässer auf globaler Skala abzuschätzen“, fasst Prof. Dr. Matthias Liess die Bedeutung der neuen Studie zusammen. Mit der Weltkarte wollen die Forscher Bevölkerung und Behörden in den gefährdeten Regionen für dieses Problem sensibilisieren und lokale Untersuchungen anregen. Pufferzonen durch Gewässerrandstreifen können die Belastung beispielsweise deutlich reduzieren. Ein effizientes Umweltmanagement sollte künftig Behörden und Landwirte über die Kosten, Auswirkungen und Alternativen informieren. Denn letztlich entscheidet sich vor Ort, wie stark ein Gewässer unter der Nutzung von solchen Chemikalien leidet.

Publikationen:
Alessio Ippolito, Mira Kattwinkel, Jes J. Rasmussen, Ralf B. Schäfer, Riccardo Fornaroli, Matthias Liess (2015):
Modeling global distribution of agricultural insecticides in surface waters. Environmental Pollution, Volume 198, March 2015, Pages 54-60, ISSN 0269-7491,
http://dx.doi.org/10.1016/j.envpol.2014.12.016

J.H. Spangenberg, J.-M. Douguet, J. Settele, K.L. Heong (2015):
Escaping the lock-in of continuous insecticide spraying in rice. Developing an integrated ecological and socio-political DPSIR analysis. Ecological Modelling, Volume 295, 10 January 2015, Pages 188-195, ISSN 0304-3800,
http://dx.doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2014.05.010

Weitere Informationen:
Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ)
Prof. Dr. Matthias Liess
Telefon: +49 (0)341-235-1263
Prof. Dr. Matthias Liess

Institut für Umweltwissenschaften der Universität Koblenz-Landau
Jun.-Prof. Dr. Ralf B. Schäfer
Telefon: +49 (0)6341 280-31536
Dr. Ralf B. Schäfer
oder über

Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung
Tilo Arnhold, Susanne Hufe (UFZ-Pressestelle)
Telefon: +49-(0)341-235-1635, -1630
Kerstin Theilmann (Pressestelle der Universität Koblenz-Landau)
Telefon: +49 (0)6341 280-32219
www.uni-koblenz-landau.de/de/presse

Weiterführende Links:
Helfer mit Nebenwirkungen (UFZ-Newsletter, Oktober 2014):
http://www.ufz.de/export/data/global/62749_UFZ_Newsletter_oktober2014_WEB.pdf

Pestizide reduzieren die Artenvielfalt in Gewässern deutlich – Momentane Risikobewertung schützt nicht ausreichend (Pressemitteilung vom 17. Juni 2013)
www.ufz.de/index.php?de=31771

Studie: Biodiversität in Fließgewässern durch Zulassungsverfahren für Pflanzenschutzmittel nicht ausreichend geschützt (Pressemitteilung vom 31. Mai 2012)
www.ufz.de/index.php?de=30499

Insektenvernichtungsmittel künftig ein zunehmendes Problem für Gewässer in Europa (Pressemitteilung vom 6. Dezember 2011)
www.ufz.de/index.php?de=22378

Reiskultur(en) im Visier (Pressemitteilung vom 23. März 2011)
www.ufz.de/index.php?de=21328

Pestizide – Belastung und Wirkung in Gewässern jetzt einfacher nachweisbar (Pressemitteilung vom 4. September 2009)
www.ufz.de/index.php?de=18595

Nahrungskonkurrenten als natürliches Insektizid (Pressemitteilung vom 14. Mai 2009)
www.ufz.de/index.php?de=18100

Erstmals Prognose der ökologischen Risiken von Pflanzenschutzmitteln in Europa (Pressemitteilung vom 7. September 2007)
www.ufz.de/index.php?de=14970

Wissenschaftliche Studie der Universität Hohenheim zeigt: Nährstoffe werden aus Orangensaft besser vom Körper aufgenommen als aus der Frucht.

Der menschliche Körper kann die wertvollen Nährstoffe der Orange möglicherweise wesentlich besser aus Saft als aus frischen Früchten aufnehmen. Zu diesem Ergebnis kamen Wissenschaftler der Universität Hohenheim bei einer kürzlich im Journal of Agricultural and Food Chemistry veröffentlichten Studie. Damit widersprechen sie der Ansicht einiger Kritiker, die Orangensaft aufgrund des Zuckergehaltes für ebenso ungesund einschätzen wie Cola.

Die Orange ist seit langem wegen ihres hohen Gehaltes an gesundheitlich förderlichen Nährstoffen beliebt. Neben einer hohen Konzentration an Vitamin C verfügt sie über eine Vielfalt an Carotinoiden und Flavonoiden, die das Risiko für bestimmte Krebs- oder Herzkreislauferkrankungen senken können.

Gegenüber der Frucht genießt der Orangensaft jedoch aufgrund seines relativ hohen natürlichen Zuckergehaltes neuerdings keinen guten Ruf. Für viele Ernährungsberater ist Zucker in Lebensmitteln ein grundsätzliches Übel. Sie raten daher anstelle von gepresstem Orangensaft eher zum Verzehr von Orangen. In England wurde sogar eine „Strafsteuer“ auf alle Fruchtsäfte vorgeschlagen und Orangensäfte als „Junkfood“ aus einigen Kindergärten verbannt.
Eine Studie der Universität Hohenheim widerlegt nun die Vorbehalte gegenüber Orangensaft. Ihre Ergebnisse zeigen, dass der Körper die Nährstoffe aus dem Saft potentiell besser aufnehmen kann als aus der Frucht selbst, sagt Prof. Dr. Dr. Reinhold Carle, Inhaber des Lehrstuhls für Technologie und Analytik pflanzlicher Lebensmittel und Initiator der Studie.
„Zwar werden die Carotinoid- und Vitamin C-Gehalte bei der Saftherstellung geringfügig vermindert“, sagt Prof. Carle. „Gleichzeitig aber nimmt die Freisetzung dieser Inhaltsstoffe und somit der Anteil, den der Körper aufnehmen und verwerten kann, um ein Vielfaches zu.“

In vitro-Modell simuliert Verdauungsprozess des menschlichen Körpers
Für die Studie stellte der Doktorand Julian Aschoff Saft aus einer der beliebtesten Orangensorten her: der Navel-Orange. „Wir haben sowohl Frischsaft, gewöhnlichen Direktsaft, als auch einen flash-pasteurisierten Saft hergestellt. Letzterer wird in Supermärkten oft gekühlt als „Premiumsaft“ verkauft so Aschoff zum Aufbau der Studie. „Die Freisetzung der Nährstoffe aus diesen drei Säften haben wir dann mit der aus der Frucht verglichen.“
Das Team um Prof. Carle benutzte hierfür ein in vitro-Modell des menschlichen Verdauungstraktes, einem weltweit üblichen Standardverfahren zur Bestimmung der Freisetzung von Nährstoffen aus Lebensmitteln, so Aschoff weiter: „Mit einem in vitro-Modell simulieren Forscher die Prozesse im menschlichen Körper. Wir schufen so im Reagenzglas nacheinander die gleichen Bedingungen wie sie im Mund, Magen und Dünndarm bei der Verdauung von Orangen und Orangensaft herrschen.“
Neben dem Nachahmen des menschlichen Kaueffekts, um die Früchte zu zerkleinern, gaben die Wissenschaftler auch Speichel, Verdauungsenzyme und Gallenflüssigkeit hinzu, modellierten die Bewegungen der Lebensmittel im Magen-Darm-Trakt und führten die Untersuchungen bei Körpertemperatur durch. Das Ganze geschah ausschließlich im Dunkeln, erklärt Aschoff, damit lichtempfindliche Inhaltsstoffe erhalten bleiben.

Nährstoffe aus Saft besser verfügbar als aus der Frucht
Die Freisetzung der Carotinoide, die als Provitamin-A eine wichtige Rolle im menschlichen Körper spielen, stieg von 11% in der Frucht auf über 28% im Frischsaft und bis zu 40% im pasteurisierten Saft. Damit sind Carotinoide aus dem Saft potentiell 4-fach besser bioverfügbar als aus der Frucht.
„Nimmt man die Ergebnisse aus unserer Publikation, ist Orangensaft die bessere Quelle für Carotinoide als die Frucht an sich“, so das Fazit von Aschoff. „Die Inhaltsstoffe im Saft werden bei der Pasteurisierung besser freigesetzt als beim Verzehr der ganzen Frucht und können so vom Körper besser aufgenommen und verstoffwechselt werden. Eine eben abgeschlossene Humanstudie bestätigt die Ergebnisse unserer Modellversuche.“

Von Nektar wird abgeraten
Egal, ob der Verbraucher nun den Frischsaft, den Direktsaft oder den Saft aus Konzentrat bevorzugt – sie alle seien maßvoll konsumiert gesund und zu empfehlen. „Da der Obst- und Gemüseverzehr in Deutschland weit unter den Empfehlungen der Deutschen Gesellschaft für Ernährung liegt, kann der Konsum von Orangensaft zu einer gesunden Ernährung beitragen“, so Prof. Carle. Nur von einem rät der Experte der Universität Hohenheim ab: Orangennektar.
„Der Begriff Nektar hört sich zwar gut an und suggeriert, dass es als „Trank der Götter“ ein besonders hochwertiges Produkt sei“, so Prof. Dr. Carle. „In Wirklichkeit wird Nektar aber zur Hälfte mit Wasser gemischt und dann mit Zucker angereichert, damit er genauso süß ist wie ein Saft.“ Am Ende enthält er zwar genauso viel Zucker wie ein Orangensaft – aber nur die Hälfe der Vitamine.

„Wer sich gesund ernähren will, sollte die Finger besser von Orangen-, Apfel- und Ananasnektar lassen. Nektare haben nur dann eine Berechtigung, wenn 100%-Säfte aufgrund des hohen Säuregehalts der Frucht (z. B. Sauerkirsche und Johannisbeere) oder ihrer Zähflüssigkeit (z. B. Banane und Aprikose) als solche nicht genießbar sind.“
Text: C. Schmid / Klebs

Kontakt für Medien:
Prof. Dr. habil. Dr. h.c. Reinhold Carle, Universität Hohenheim, Inhaber des Lehrstuhls Technologie und Analytik pflanzlicher Lebensmittel, Tel.: 0711/459-22314, E-Mail: carle@uni-hohenheim.de

Dipl.-LM-Ing. Julian Aschoff, Universität Hohenheim, Lehrstuhl Technologie und Analytik pflanzlicher Lebensmittel, Tel.: 0711/459-23041, E-Mail: julian.aschoff@uni-hohenheim.de

Dr. rer. nat. Ralf Schweiggert, Universität Hohenheim, Lehrstuhl Technologie und Analytik pflanzlicher Lebensmittel, Tel.: 0711/459-22995, E-Mail: ralf.schweiggert@uni-hohenheim.de