'Bound' residues from biomass and CO 2 in soils : formation, fate and stability during biotic incubation

Nowak, Karolina Malgorzata; Schäffer, Andreas

doi:3753

'Bound' residues from biomass and CO 2 in soils : formation, fate and stability during biotic incubation = Gebundene Rückstände aus Biomasse und CO2 im Boden : Bildung, Schicksal und Stabilität während eines Inkubationsexperimentes

Nowak, Karolina Malgorzata (Author)

2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Karolina Malgorzata

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

UmfangXVI, 118 S. : Ill., graph. Darst.

ReiheDissertation / Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung, UFZ ; 2011,10

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Schäffer, Andreas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-03-21

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-37534
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/64141/files/3753.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Mikrobieller Abbau (Genormte SW) ; Umweltverschmutzung (Genormte SW) ; Organischer Schadstoff (Genormte SW) ; Pestizidbelastung (Genormte SW) ; Bodenmikrobiologie (Genormte SW) ; Bodenverschmutzung (Genormte SW) ; Fettsäuren (Genormte SW) ; Aminosäuren (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; organische Bodensubstanz (frei) ; Fettsäure (frei) ; Aminosäure (frei) ; nicht-extrahierbare Rückstände (frei) ; biodegradation (frei) ; pesticides (frei) ; soil organic matter (frei) ; non-extractable residues (frei) ; fatty acids (frei) ; amino acids (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Biologischer Abbau von organischen Schadstoffen im Boden führt generell zur Mineralisierung und zur Bildung von Metaboliten und gebundenen oder nicht-extrahierbaren Rückständen (NER). Es wird spekuliert, dass NER ein Risiko für den Menschen darstellen können, da sie möglicherweise remobilisiert werden können und die aktiven Ausgangsverbindungen oder deren Metabolite weiter in der Nahrungskette verbreitet werden können (BARRACLOUGH AT AL., 2005). Trotz vieler Studien über die NER-Bildung sind ihre genauen chemischen Strukturen noch nicht bekannt. Allerdings ist ohne dieses Wissen eine korrekte Risikobewertung für den Schadstoff und die damit verbundenen NER während der Transformation im Boden unmöglich. Ein Teil der NER könnte biogen sein, weil der schadstoffbürtige Kohlenstoff und das durch Mineralisierung freigesetzte CO2 von Mikroorganismen in ihre zellulären Bestandteile eingebaut werden, z.B. Fettsäuren (FS) und Aminosäuren (AS), die nach dem Zelltod in der organischen Bodensubstanz (OBS) festgelegt werden können. Um den Beitrag der mikrobiellen Biomasse zur NER-Bildung zu untersuchen, wurde ein Boden mit 13C-markierter 2,4-Dichlorphenoxyessigsäure (2,4-D) bzw. Ibuprofen (Ibu) für 64 bzw. 90 Tagen inkubiert. Die Bodenproben wurden zu verschiedenen Probenahmezeitpunkten auf die 13C-Anreicherung in FS und AS analysiert. Die in den Biomolekülen gebundene 13C-Markierung wurde sowohl in den lebenden als auch in den toten OBS Fraktionen bestimmt. Außerdem wurden Experimente mit unmarkiertem 2,4-D und markiertem CO2 durchgeführt, um den Beitrag der heterotrophen CO2-Fixierung zum Einbau von 13C in biogene NER in Böden zu untersuchen. Damit kann zwischen direkter NER-Bildung aus 2,4-D und indirekter über CO2 unterschieden werden. Zudem wurde ein einfaches biologisches Modellsystem mit dem bekannten 2,4-D Abbauer Cupriavidus necator JMP 134 untersucht, um sowohl die an der Bildung von biogenen NER beteiligten Prozesse als auch den Einbau von 13C aus 13C6-2,4-D bzw. 13CO2 in FS und AS in der komplexen Bodenumwelt besser zu verstehen. Die Menge der gesamten 13C-AS in SOM nach 64-tägiger Inkubation mit 13C6-2,4-D im Boden deutet darauf hin, dass 44% der anfänglichen 13C6-2,4-D-Äquivalente in mikrobielle Biomasse und schließlich in biogene Rückstände umgesetzt wurden. Das zwischenzeitliche Maximum der 13C-FS in der organischen Bodensubstanz (SOM) zeigte, dass 20% des 13C6-2,4-D in mikrobielle Biomasse umgesetzt wurden. Allerdings sanken die 13C-FS in der toten SOM Fraktion wegen ihrer Metabolisierung und ihrer weiteren Verbreitung im Nahrungsnetz auf 50% ab. Im Gegensatz zu den 13C-FS waren 13C-AS im toten SOM Pool überraschend stabil. Das Bodenexperiment mit 13CO2 zeigte nach 16-tägiger Inkubation die Relevanz der heterotrophen CO2-Fixierung bei der Assimilation von 13C in die Bestandteile der mikrobiellen Biomasse, insbesondere in die FA. Zudem wies das Flüssigkultur Experiment mit C necator JMP 134 auf die hohe Bedeutung der CO2-Fixierung für den Einbau der 13C-Markierung in die Biomasse-Bestandteile während der späteren Phase der Inkubation hin. In dieser Studie wurde etwa 4% des 2,4-D-bürtigen Kohlenstoffs über CO2-Fixierung in die Biomasse dieses Bakterienstamms assimiliert. Am Ende des Bodenexperiments mit 13C6-Ibu wies die Menge der 13C-AS in der SOM auf einen gesamten biogenen NER-Gehalt von 54% der 13C6-Ibu-Äquivalente hin. Auf der Basis des maximalen 13C-FA Gehalts, der in diesem Experiment gefunden wurde, müssen mindestens 24% (der 13C6-Ibu-Äquivalente) Biomasse gebildet worden sein. Im Gegensatz zur Inkubation des Bodens mit 13C6-2,4-D blieben die 13C-FA im Falle von 13C6-Ibu bis zum Ende des Experiments stabil. Allerdings begann die NER-Bildung in dem Boden, der mit 13C6-Ibu inkubiert wurde, viel später als in der 13C6-2,4-D-Studie, was auf der längeren Lag-Phase und dem Abbruch der Inkubation vor der Destabilisierung der biogenen NER beruht. Die 13C-AA in der SOM blieben ebenfalls stabil, wie bereits im 13C6-2,4-D Experiment. Die Ergebnisse dieser Abbauexperimente im Boden liefern den ersten Beweis dafür, dass sowohl im Falle des 2,4-D als auch des Ibu fast die gesamten NER biogen sind. Sie enthalten deshalb nur natürliche Bestandteile der mikrobiellen Biomasse, die in der SOM stabilisiert sind. Die Bildung biogener Rückstände ist vor allem dann von Bedeutung, wenn der jeweilige organische Schadstoff durch Mikroorganismen leicht abbaubar ist und dabei erhebliche Mengen CO2 gebildet werden. Abhängig vom Ertragskoeffizienten der C-Umwandlung in Biomasse, erwarten wir Verhältnisse von Biomasse plus biogene Rückstände zu CO2 von etwa 0,2 bis 1. In der 13C6-2,4-D-Studie war dieses Verhältnis ~ 0,8 und in der 13C6-Ibu betrug es 1,2. Biogene Rückstände sind eindeutig von der NER-Definition nach IUPAC ausgeschlossen. Da sie aber analytisch in der Regel nicht von direkt schadstoffbürtigen NER abgetrennt werden, wird das potenzielle Risiko von NER aufgrund der biogenen Rückstandsbildung aus leicht abbaubaren organischen Schadstoffen in Böden oft weit überschätzt. Deswegen sollte die biogene Rückstandsbildung bei der Erstellung von Massenbilanzen für Schadstoffe während ihres mikrobiellen Abbaus im Boden berücksichtigt werden.

Biodegradation of organic pollutants in soil generally results in the formation of metabolites, microbial biomass, mineralisation products and bound or non-extractable residues (NER). It is speculated that NER can pose a risk for humans due to the remobilisation and further distribution of active parent compounds or their metabolites over the food web (BARRACLOUGH ET AL., 2005). Although there are many studies on NER formation available, their chemical structures are still unknown. However, without this knowledge, a proper risk assessment for the pollutant and the related NER during its transformation in soil is impossible. Part of the NER may be biogenic, since the pollutant-derived C and CO2 released from its mineralisation are assimilated by microorganisms into their cellular components [e.g. fatty acids (FA) and amino acids (AA)], which are subsequently incorporated into soil organic matter (SOM) after cell death. In order to study the microbial biomass contribution to NER formation, soil was incubated with either 13C-labelled 2,4-Dichlorophenoxy acetic acid (2,4-D) or ibuprofen (Ibu) for 64 and 90 days, respectively. At different sampling dates, the soil was analysed for the presence of the 13C label in FA and AA. The 13C label assimilated in biomolecules was determined in both the living and the non-living SOM fractions. Moreover, for investigating the relevance of heterotrophic CO2 fixation for the incorporation of 13C into biogenic NER in soil and to distinguish between formations of NER directly from 2,4-D and via CO2, an experiment with unlabelled 2,4-D and labelled CO2 was conducted. In addition, to understand both the processes of the biogenic NER formation and the incorporation of 13C label into FA and AA from either 13C6-2,4-D or 13CO2 in the complex soil environment, a simple biological model system with the known 2,4-D degrader (Cupriavidus necator JMP 134), was studied. After 64 days of 13C6-2,4-D incubation in soil, the total contents of 13C detected in AA in SOM indicated that 44% of the initially applied 13C6-2,4-D equivalents had been converted to microbial biomass and finally to biogenic residues. The intermediate maximum of 13C-FA in SOM indicated a 20% conversion of 13C6-2,4-D to biomass. However, 13C-FA in the non-living SOM fraction decreased to 50% indicating their metabolisation and their further distribution within the food web. Contrary to the 13C-FA, 13C-AA in non-living SOM pool were surprisingly stable. The soil experiment with 13CO2 showed that after 16 days of incubation, the heterotrophic CO2 fixation was relevant in the assimilation of 13C label into biomass components, in particular FA. In addition, the liquid culture experiment with C. necator JMP 134 demonstrated the high importance of CO2 fixation in the incorporation of 13C label into the biomass components in the later phase of incubation. In this study about 4% of 13C derived from 13C6-2,4-D was assimilated in the biomass of this bacterial strain via CO2 fixation. A total content of biogenic NER of 54% of 13C6-ibu equivalents at the end of the 13C6-ibu soil experiment was indicated by the amount of 13C found in AA in SOM. From the maximum content of 13C-FA detected in this experiment, at least 24% (of 13C6-ibu equivalents) biomass must have been formed. Contrary to the 13C6-2,4-D soil incubation experiment, the 13C-FA remained stable until the end. However, the formation of NER in the soil incubated with 13C6-ibu started much later than that in the 13C6-2,4-D study, due to the longer lag phase and the interruption of the incubation before the destabilisation of biogenic NER. The 13C-AA in SOM remained also stable as found in 13C6-2,4-D experiment. The results from these soil biodegradation experiments provide the first evidence that nearly all NER both from 2,4-D and Ibu are biogenic, containing only natural microbial biomass components stabilised in SOM. However, biogenic residues are formed if the respective organic contaminant is readily degraded by microorganisms under significant formation of CO2. Depending on the yield coefficients of C conversion into biomass, we expect ratios of biomass plus biogenic residues to CO2 of about 0.2 to 1. In the 13C6-2,4-D study, the ratio was ~ 0.8 and in the 13C6-ibu was 1.2. Biogenic residues are clearly excluded from the definition of NER according to IUPAC. However, they are usually not analysed separately. The potential risk of NER from readily metabolised organic contaminants in soils is thus highly overestimated in many cases due to biogenic residue formation. Therefore, the formation of biogenic residues must be taken into consideration, when determining the mass balances of contaminants during their microbial degradation in soil.

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