Quartäre Ammoniumverbindungen im Boden

DFG Nachwuchsakademie Agrarökosystemforschung: Sachbeihilfen

Projekt: Der Verbleib Quartärer Ammoniumverbindungen im Boden - Studien mit Modellsubstanzen

Projektleitung: Dr. Ines Mulder

Laufzeit: 2016-2018

Projektbeschreibung:

Als Quartäre Ammuniumverbindungen (QAC) bezeichnet man eine Gruppe heterogener kationischer organischer Komponenten mit sowohl lipophilen als auch hydrophilen Eigenschaften. Daten zu Produktions- und Verbrauchsvolumina deuten an, dass ein potentieller Umwelteintrag um mehrere Größenordnungen höher sein könnte als es beispielsweise bei Pharmazeutika der Fall ist. Im landwirtschaftlichen Sektor finden die QACs ein sehr breites Anwendungsfeld, z.B. als Desinfektions-und Reinigungsmittel oder als Zusatzstoffe in Pestiziden. Als Desinfektionsmittel eingesetzt sind QACs biozid und wirken toxisch auf verschiedene Organismen. In Böden scheinen QACs an der Co-Selektion für Antibiotikaresistenzgene mitverantwortlich zu sein, was bisher noch unabsehbaren Risiken für Mensch und Umwelt birgt. QAC-Einträge in Agroökosysteme sind dort besonders hoch, wo Nährstoffe recycelt und Felder mit Gülle, Klärschlämmen oder Abwasser gedüngt werden. Aufgrund ihrer molekularen Struktur ist es zudem naheliegend, dass die QACs im Boden von Tonmineralen und organischem Material adsorbiert und gespeichert werden. Im Kontrast zu diesen Beobachtungen steht der Mangel an tatsächlich verfügbaren Daten von QACs in Böden und das Verständnis zu ihrem Verbleib und Auswirkungen in Böden ist rudimentär. Wir postulieren, dass QACs in landwirtschaftlichen Böden vor allem in den Zwischenschichten von aufweitbaren Tonmineralen zurückgehalten und gespeichert werden. Hier würden sie sich dem biologischen Abbau teilweise entziehen und ihre akute Toxizität wäre gegenüber der freien wässrigen Phase gemindert. Gleichzeitig könnte die Gesamtkonzentration von QAC im Boden über die Zeit ansteigen. Wie im Falle von Antibiotika bekannt, könnten adsorbierte QACs bei Gradientenänderung zurück in die Bodenlösung entlassen werden. Auf diese Weise führte eine Adsorption zu einer Langzeitexposition der Bodenmikrofauna mit sub-inhibitorischen QAC-Konzentration, was helfen könnte, Resistenzgenentwicklungen in Agroökosystemen zu erklären.Innerhalb des beantragten 1-Jahres-Programm ist beabsichtigt, dieses Konzept der reversiblen QAC-Adsorption in landwirtschaftlichen Böden zu überprüfen. Hauptzielsetzungen sind i) eine geeignete Methode zur Extraktion und Analyse von QACs aus Böden zu entwickeln und zu etablieren und ii) den Verbleib von QACs in Böden zu charakterisieren, insbesondere mit einem Augenmerk auf das Sorptionsverhalten. Experimente mit Modellsubstanzen für Bodenbestandteile ermöglichen eine Annäherung an das komplexe System Boden. Diese Experimente werden sowohl Sorptions- und Desorptionsversuche, als auch Studien mittels Röntgendiffraktometrie beinhalten, von denen wir neue Erkenntnisse zu Prozessen, die das Verhalten von QACs in Böden bestimmen, erwarten. Experimentelle Ergebnisse werden mit differenzierten Sorptionsmodellen analysiert, die elektrostatische und kinetische Prozesse der Interaktion von QAC und Bodenmodellsubstanz betrachten.

Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (MU 3988/1-1)