Verbleib und Effekte von Quartären Ammoniumverbindungen im Boden – Die Rolle der Mikroaggregierung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Quaternäre Alkylammoniumverbindungen (QAAC) sind kationische organische Verbindungen, die als Tenside und Desinfektionsmittel in zahlreichen Anwendungen, unter anderem in der Landwirtschaft, eingesetzt werden. Die mit dieser Stoffgruppe verbundene Gefahr der Ko-Selektion von Antibiotikaresistenz birgt Risiken für Mensch und Umwelt. Verfügbare Sorptionsstudien mit Tonmineralen deuten darauf hin, dass Böden als potenzielle (End-)Senke mit einem Akkumulationspotenzial für QAACs fungieren könnten, allerdings liegen nur wenige Daten über Konzentration und Abbau vor. Ziel des Projekts war es, das Schicksal von QAACs in realen Böden zu verstehen und herauszufinden und insbesondere auch die Rolle der Mikroaggregierung zu betrachten. Wir dokumentierten den exponentiellen Anstieg von QAAC-Konzentrationen in einer Chronosequenz von mit Abwasser bewässerten Böden im Mezquital-Tal in Mexiko. In der Folge und in Zusammenarbeit mit dem Hessischen Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie wurden insgesamt 65 Bodenproben aus unterschiedlichen Landnutzungs- (Acker, Grünland, Wald, Weinberg) und Gebietstypen (Agglomeration, ländlich) auf QAACs untersucht. Jansen et al. 2023 dokumentierten ein nahezu ubiquitäres Vorkommen von QAACs in 97% der untersuchten Böden Hessens. Die höchsten Konzentrationen wurden in Auenböden gefunden, die durch die Ablagerung von Schwebstoffen bei Hochwasser beeinflusst wurden und Konzentrationen von bis zu 5,5 mg kg-1 erreichten. Das Vorkommen von QAACs in Waldböden deutet auf einen möglichen Eintrag über atmosphärische Ablagerungen hin. Hohe Konzentrationen langkettiger Dialkylammoniumverbindungen (DADMACs) deuten auf eine geringe Abbaubarkeit und Akkumulation im Laufe der Zeit hin. Um die Abbaubarkeit von QAACs in natürlichen Böden zu untersuchen, wurden aus acht Ackerbodenproben vier Bodenpaare mit unterschiedlichem Tongehalt gebildet. Innerhalb jedes Paares war ein Boden mit QAAC kontaminiert (>100 µg kg-1) und einer unkontaminiert (<5 µg kg-1), was hypothetisch zu einer besseren mikrobiellen Anpassung und damit zu einem schnelleren Abbau führen würde. Hier stellten wir fest, dass entgegen unserer Hypothese mehrere QAACs positiv mit einem langsameren Abbau korrelierten. Dieser langsame Abbau wurde nach unseren Erkenntnissen wahrscheinlich auch durch die Verkapselung in Mikroaggregaten hervorgerufen. Wir haben gezeigt, dass gelöste Stoffe im Boden die charakteristische Eigenschaft von QAACs, Mizellen zu bilden, beeinflussen, und die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die kritische Mizellbildungskonzentration von BAC-Homologen in natürlicher Umgebung und in Anwesenheit von gelösten organischen Stoffen gesenkt wird. Außerdem haben wir festgestellt, dass die QAAC-Moleküle in umweltrelevanten Konzentrationen die Stabilität von Aggregaten beeinträchtigen können, was die aus Studien auf molekularer Ebene bekannten Effekte widerspiegelt. Insgesamt konnten wir zeigen, dass sich QAACs in Böden anreichernd und diese flächendeckend in Konzentrationen vorhanden sind, die die Aggregatstabilität von Bodenaggregaten beeinträchtigen können. Wir lieferten erste Anhaltspunkte, dass auch Mikroaggregatstukturen Einfluss auf die Abbaubarkeit der QAAC haben könnten. Weitere Forschungsarbeiten insbesondere zum Risiko der Verbreitung antimikrobieller Resistenzen durch diese Stoffgruppe in der Umwelt sind erforderlich. FAZ, 31.05.23, Zu sauber? Macht der massiv gestiegene Gebrauch von Desinfektionsmitteln Bakterien resistent gegen Antibiotika? Forscher sind alarmiert. Gießener Anzeiger, 11.01.23, Desinfektionsmittel im Boden - Forscherteam der JLU weist Wirkstoffe in 97 Prozent der Proben nach. Bayerische Staatszeitung, 05.01.23, Durch den Desinfektinsmittelwahn können sich multiresistente Keime entwickeln – Fachleute sind alarmiert, die Politik zögert - Verseuchte Waldböden wegen übertriebener Hygiene. WELTplus, 20.12.2022, Die kaum beachteten Folgen der Massendesinfektion. Wiesbadener Kurier Stadtausgabe (Hauptausgabe), 12.12.2022, Gefahr im Boden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Smectite clay minerals reduce the acute toxicity of quaternary alkylammonium compounds towards potentially pathogenic bacterial taxa present in manure and soil. Scientific Reports, 10(1).
Heyde, Benjamin Justus; Glaeser, Stefanie P.; Bisping, Linda; Kirchberg, Kristin; Ellinghaus, Rüdiger; Siemens, Jan & Mulder, Ines
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Soil water solutes reduce the critical micelle concentration of quaternary ammonium compounds. Environmental Science and Pollution Research, 27(36), 45311-45323.
Mulder, Ines; Schmittdiel, Malte; Frei, Henning; Hofmann, Laura; Gerbig, Dennis & Siemens, Jan
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Quaternary alkylammonium disinfectant concentrations in soils rise exponentially after long-term wastewater irrigation. Environmental Research Letters, 16(6), 064002.
Heyde, Benjamin Justus; Anders, Anja; Siebe, Christina; Siemens, Jan & Mulder, Ines
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Biosolids for safe land application: does wastewater treatment plant size matters when considering antibiotics, pollutants, microbiome, mobile genetic elements and associated resistance genes?. Environmental Microbiology, 24(3), 1573-1589.
Wolters, Birgit; Hauschild, Kristin; Blau, Khald; Mulder, Ines; Heyde, Benjamin Justus; Sørensen, Søren J.; Siemens, Jan; Jechalke, Sven; Smalla, Kornelia & Nesme, Joseph
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Widespread occurrence of quaternary alkylammonium disinfectants in soils of Hesse, Germany. Science of The Total Environment, 857, 159228.
Jansen, Kai; Mohr, Christian; Lügger, Katrin; Heller, Christian; Siemens, Jan & Mulder, Ines
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“Quartäre Alkylammoniumverbindungen in hessischen Böden” in Boden und Altlasten – Nachrichten aus Hessen, Ausgabe 2023, Hessisches Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie, Wiesbaden
Jansen, Kai, Christian Mohr, Katrin Lügger, Christian Heller, Jan Siemens & Ines Mulder
