The intrinsic microbial degradation potential of shallow aquifers with respect to crop protection agents

Abstract

Active substances in crop protection agents are assessed by a community procedure, and a comprehensive dossier including data and tests is part of the application. The studies must be performed according to specified standards and by certified testing facilities. Recently, it is discussed, whether it is necessary to extend these tests to aquifers to investigate the environmental behaviour of CPA in the groundwater. This was the main motivation to develop a dynamic artificial aquifer incubation system (DAISY) at the lab-scale for standard use. DAISY is operated fully automated via online control at different redox conditions, and it is possible to simulate different groundwater flow rates. This is important, as I showed that dynamic flow conditions generally increase the degradation kinetics of the model compound benzoic acid, an effect that can also be assumed for the degradation of other aromatic substances. A test system is now available that enables to study the intrinsic microbial degradation potential of shallow aquifers at realistic low concentrations of ≤ 10 μg l^-1.<br /> As part of the work I conducted, I compiled important information on the design of future groundwater studies. Benzoic acid was used to investigate processes relevant to degradation within the scope of developing a static and dynamic test system. It was shown that simple physical parameters, such as the dynamic solubility of carbon dioxide in water, were not taken into account in groundwater studies in the past.<br /> The test systems developed within the scope of this work were also used to investigate the current intrinsic degradation potential of three shallow aquifers for Imidacloprid, Isoproturon and Diketonitrile. In various long-term incubation studies, a general degradation potential was assessed under oxygen-, iron-, and sulphur-reducing conditions and at a concentration of 0.1, 1, and 10 μg l^-1. It was revealed, however, that the lower mineralization rates led to accumulation of metabolites becoming the most important parameter for estimating the degradation potential at a concentration of ≤ 10 μg l^-1.<br /> The intrinsic degradation potential of the aerobic shallow aquifers was analysed in enrichment cultures, for which a variety of carbon sources were available. The microorganisms metabolised Isoproturon as both the only carbon source as well as co-metabolically. This was accompanied by an increase in the microbial biomass. Furthermore, using fingerprint techniques (DGGE) a strong displacement of the microbial population was confirmed. The experimental approach has good potential to isolate future bacterial strains with a specific degradation potential for individual CPA.

<strong>Das intrinsische mikrobielle Abbaupotenzial oberflächennaher Grundwasserleiter im Hinblick auf ausgewählte Pflanzenschutzmittel</strong><br /> Die Wirkstoffe von Pflanzenschutzmitteln werden in einem Gemeinschaftsverfahren bewertet, zu dem ein umfangreiches Dossier erstellt wird. Die Studien müssen dabei nach vorgegebenen Normen von zertifizierten Versuchseinrichtungen durchgeführt werden. Aktuell wird diskutiert, ob die Notwendigkeit besteht, das bestehende Dossier auch auf Grundwasserleiter auszudehnen, um das Umweltverhalten von Pflanzenschutzmitteln im Grundwasser zu untersuchen. Ein essentieller Meilenstein ist hierbei die Entwicklung eines dynamischen artifiziellen Testsystems, um Grundwasserstudien standardisiert im Labormaßstab durchführen zu können. Dies war die wesentliche Motivation für die Entwicklung des dynamischen Testsystems DAISY, das einen vollautomatischen Remotebetrieb unter verschiedenen Redoxbedingungen, bei der gleichzeitigen Simulation verschiedener Grundwasserflussraten, ermöglicht. Der Simulation verschiedener Flussraten kommt eine besondere Bedeutung zu, da ich im Rahmen der Arbeit zeigen konnte, dass dynamische Flussbedingungen die Abbaukinetik von Benzoesäure grundsätzlich erhöhen, ein Effekt der auch für den Abbau anderer aromatischer Substanzen angenommen werden kann. Ein Testsystem ist jetzt verfügbar, welches es ermöglicht, dass intrinsische mikrobielle Abbaupotential oberflächenaher Grundwasserleiter bei realistischen geringen Konzentrationen von ≤ 10 μg l^-1 zu untersuchen. Es wurden auch wesentliche Erkenntnisse erarbeitet, die das Design zukünftiger Grundwasserstudien betreffen. Stellvertretend für viele aromatische Moleküle diente Benzoesäure als Modellsubstanz, um die den Abbau betreffenden relevanten Prozesse im Rahmen der Entwicklung eines statischen und dynamischen Testsystems zu untersuchen. Es zeigte sich, dass einfache physikalische Parameter, wie z.B. die Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid in Wasser, in Grundwasserstudien bislang keine Berücksichtigung fanden.<br /> Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Testsysteme wurden ferner dazu eingesetzt, das aktuelle intrinsische Abbaupotenzial dreier oberflächennaher Grundwasserleiter gegenüber Imidacloprid, Isoproturon und Diketonitrile zu untersuchen. In verschiedenen Langzeitstudien konnte ein generelles Potenzial unter sauerstoff-, eisen- und schwefelreduzierenden Bedingungen und bei einer Konzentration von 0.1, 1, und 10 μg l^-1 nachgewiesen werden. Es zeigte sich, dass, bedingt durch die geringen Mineralisationsraten, es zu einer Anreicherung der verschiedenen Abbauzwischenprodukte kam. Diese waren somit die wichtigere Kenngröße, um das Abbaupotenzial bei einer Konzentration ≤ 10 μg l^-1 abzuschätzen.<br /> Das intrinsische Abbaupotenzial des aeroben oberflächenahen Grundwasserleiters wurde auch in mikrobiellen Anreicherungskulturen untersucht, denen verschiedene Kohlenstoff-quellen zur Verfügung standen. Die Mikroorganismen waren in der Lage, Isoproturon sowohl als alleinige Kohlenstoffquelle, als auch co-metabolisch zu verstoffwechseln, einhergehend mit einer Zunahme der mikrobiellen Biomasse. Mittels einer Fingerprint-technik (DGGE) konnte eine starke Verschiebung der mikrobiellen Population nachgewiesen werden. Der Versuchsansatz hat großes Potenzial, um zukünftig Bakterienstämme zu isolieren, die ein spezifisches Abbaupotenzial gegenüber einzelnen Pflanzenschutzmitteln besitzen.