TY  - THES
A1  - Kettner, Marie Therese
T1  - Microbial colonization of microplastic particles in aquatic systems
T1  - Mikrobielle Besiedlung von Mikroplastik-Partikeln in aquatischen Systemen
N2  - The continuously increasing pollution of aquatic environments with microplastics (plastic particles < 5 mm) is a global problem with potential implications for organisms of all trophic levels. For microorganisms, trillions of these floating microplastics particles represent a huge surface area for colonization. Due to the very low biodegradability, microplastics remain years to centuries in the environment and can be transported over thousands of kilometers together with the attached organisms. Since also pathogenic, invasive, or otherwise harmful species could be spread this way, it is essential to study microplastics-associated communities.
For this doctoral thesis, eukaryotic communities were analyzed for the first time on microplastics in brackish environments and compared to communities in the surrounding water and on the natural substrate wood. With Illumina MiSeq high-throughput sequencing, more than 500 different eukaryotic taxa were detected on the microplastics samples. Among them were various green algae, dinoflagellates, ciliates, fungi, fungal-like protists and small metazoans such as nematodes and rotifers. The most abundant organisms was a dinoflagellate of the genus Pfiesteria, which could include fish pathogenic and bloom forming toxigenic species. Network analyses revealed that there were numerous interaction possibilities among prokaryotes and eukaryotes in microplastics biofilms. Eukaryotic community compositions on microplastics differed significantly from those on wood and in water, and compositions were additionally distinct among the sampling locations. Furthermore, the biodiversity was clearly lower on microplastics in comparison to the diversity on wood or in the surrounding water.
In another experiment, a situation was simulated in which treated wastewater containing microplastics was introduced into a freshwater lake. With increasing microplastics concentrations, the resulting bacterial communities became more similar to those from the treated wastewater. Moreover, the abundance of integrase I increased together with rising concentrations of microplastics. Integrase I is often used as a marker for anthropogenic environmental pollution and is further linked to genes conferring, e.g., antibiotic resistance. 
This dissertation gives detailed insights into the complexity of prokaryotic and eukaryotic communities on microplastics in brackish and freshwater systems. Even though microplastics provide novel microhabitats for various microbes, they might also transport toxigenic, pathogenic, antibiotic-resistant or parasitic organisms; meaning their colonization can pose potential threats to humans and the environment. Finally, this thesis explains the urgent need for more research as well as for strategies to minimize the global microplastic pollution.
N2  - Die stetig steigende Verschmutzung der Gewässer mit Mikroplastik (Plastikteilchen < 5 mm) ist ein weltweites Umweltproblem und wirkt sich potentiell auf Organismen aller trophischen Ebenen aus. Für Mikroorganismen stellen Billionen dieser schwimmenden Mikroplastik-partikel eine riesige Fläche zur Besiedlung dar. Aufgrund der sehr schlechten Abbaubarkeit verbleibt Mikroplastik Jahre bis Jahrhunderte in der Umwelt und kann samt der angehefteten Organismen über mehrere Tausend Kilometer weit transportiert werden. Da sich darüber auch pathogene, invasive oder anderweitig gefährliche Arten verbreiten könnten, ist es essentiell, die Mikroplastik-assoziierten Gemeinschaften zu untersuchen.
Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden erstmals die eukaryotischen Gemeinschaften auf Mikroplastik in Brackwasser-Habitaten analysiert und mit Gemeinschaften aus dem umgebenden Wasser und auf dem natürlichen Substrat Holz verglichen. Mit Illumina MiSeq Hochdurchsatz-Sequenzierungs-Verfahren wurde ermittelt, dass über 500 verschiedene eukaryotische Taxa auf den Mikroplastikproben vorkamen. Dazu gehörten unterschiedliche Grünalgen, Dinoflagellaten, Ciliaten, Pilze, pilz-ähnliche Protisten und kleine Metazoen wie Fadenwürmer oder Rädertierchen. Am häufigsten kamen Dinoflagellaten der Gattung Pfiesteria vor, zu der möglicherweise fischpathogene und toxische Algenblüten-bildende Arten gehören könnten. Netzwerk-Analysen zeigten, dass es auf Mikroplastik eine Vielzahl von Interaktionsmöglichkeiten zwischen den vorhandenen Eukaryoten und Prokaryoten gibt. Die Zusammensetzungen der Eukaryoten-Gemeinschaften auf Mikroplastik unterschieden sich signifikant von jenen auf Holz und im umgebenden Wasser, aber auch zwischen den verschiedenen Probenahme-Standorten. Die Mikroplastikproben wiesen im Vergleich zu Wasser und Holz die geringste Biodiversität auf.
In einem weiteren Experiment wurde simuliert, dass Mikroplastik-haltiges Wasser aus dem Ablauf einer Kläranlage in einen See eingeleitet wird. Bei hohen Mikroplastikkonzentrationen reicherten sich besonders Bakterien aus dem Kläranlagenablauf an. Zudem hatten die Bakteriengemeinschaften auf Mikroplastik ein signifikant erhöhtes Vorkommen eines bestimmten genetischen Markers (Integrase I), welcher auf anthropogene Umweltverschmutzung hindeutet, sowie mit Genen verknüpft ist, die z. B. Antibiotika-Resistenzen übertragen können.
Die Versuchsergebnisse dieser Doktorarbeit zeigen einerseits, wie komplex und vielseitig das mikrobielle Leben auf Mikroplastik sein kann, andererseits könnten diese Partikel aber auch Transportvehikel für toxische, pathogene, antibiotika-resistente oder parasitäre Organismen darstellen. Somit birgt ihre Besiedlung potentielle Gefahren für Mensch und Umwelt. Darüber hinaus weist diese Arbeit auf dringenden Forschungsbedarf hin und verdeutlicht die Notwendigkeit der Eindämmung der globalen Mikroplastik-Verschmutzung.
KW  - microplastics
KW  - eukaryotes
KW  - sequencing
KW  - fungi
KW  - biofilm
KW  - biodiversity
KW  - Biodiversität
KW  - Biofilm
KW  - Eukaryoten
KW  - Pilze
KW  - Mikroplastik
KW  - Sequenzierung
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-418854
ER  - 
TY  - THES
A1  - Leiser, Rico
T1  - Biogeochemical processes governing microplastic transport in freshwater reservoirs
N2  - The presented study investigated the influence of microbial and biogeochemical processes on the physical transport related properties and the fate of microplastics in freshwater reservoirs. The overarching goal was to elucidate the mechanisms leading to sedimentation and deposition of microplastics in such environments. This is of importance, as large amounts of initially buoyant microplastics are found in reservoir sediments worldwide. However, the transport processes which lead to microplastics accumulation in sediments, were up to now understudied.
The impact of biofilm formation on the density and subsequent sedimentation of microplastics was investigated in the eutrophic Bautzen reservoirs (Chapter 2). Biofilms are complex microbial communities fixed to submerged surfaces through a slimy organic film. The mineral calcite was detected in the biofilms, which led to the
sinking of the overgrown microplastic particles. The calcite was of biogenic origin, most likely precipitated by sessile cyanobacteria within the biofilms.
Biofilm formation was also studied in the mesotrophic Malter reservoir. Unlike in Bautzen reservoir, biofilm formation did not govern the sedimentation of different microplastics in Malter reservoir (Chapter 3). Instead autumnal lake mixing led to
the formation of sinking aggregates of microplastics and iron colloids. Such colloids form when anoxic, iron-rich water from the hypolimnion mixes with the oxygenated epilimnetic waters. The colloids bind organic material from the lake water, which leads to the formation of large and sinking iron-organo flocs.
Hence, iron-organo floc formation and their influence on the buoyancy or burial of microplastics into sediments of Bautzen reservoir was studied in laboratory experiments (Chapter 4). Microplastics of different shapes (fiber, fragment, sphere) and sizes were readily incorporated into sinking iron-organo flocs. By this initially buoyant polyethylene microplastics were transported on top of sediments from Bautzen reservoir. Shortly after deposition, the microplastic bearing flocs started to subside and transported the pollutants into deeper sediment layers. The microplastics were not released from the sediments within two months of laboratory incubation.
The stability of floc microplastic deposition was further investigated employing experiments with the iron reducing model organism Shewanella oneidensis (Chapter 5). It was shown, that reduction or re-mineralization of the iron minerals did not affect the integrity of the iron-organo flocs. The organic matrix was stable under iron reducing conditions. Hence, no incorporated microplastics were released from the flocs. As similar processes are likely to take place in natural sediments, this might explain the previous described low microplastic release from the sediments.
This thesis introduced different mechanisms leading to the sedimentation of initially buoyant microplastics and to their subsequent deposition in freshwater reservoirs. Novel processes such as the aggregation with iron-organo flocs were identified and the understudied issue of biofilm densification through biogenic mineral formation was further investigated. The findings might have implications for the fate of microplastics within the river-reservoir system and outline the role of freshwater reservoirs as important accumulation zone for microplastics. Microplastics deposited in the sediments of reservoirs might not be transported further by through flowing river. Hence the study might contribute to better risk assessment and transport balances of these anthropogenic contaminants.
N2  - Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Einfluss mikrobiologischer und biogeochemischer Prozesse auf die physikalischen Transporteigenschaften und den Verbleib von Mikroplastik in Stauseen. Ein Schwerpunkt lag auf der Untersuchung von Mechanismen, welche die Sedimentation von Mikroplastik einleiten. Dies ist von hoher Relevanz, da große Mengen eigentlich schwimmfähigen Mikroplastiks in Stauseesedimenten gefunden werden, aber die Transportprozesse vom Wasser in das Sediment bislang unbekannt waren.
In der eutrophen Talsperre Bautzen wurde der Einfluss der Biofilmbildung auf die Dichte und Sedimentation von Mikroplastik untersucht (Kapitel 2). Biofilme sind komplexe mikrobielle Lebensgemeinschaften, welche sich in Form schleimiger Filme
auf im Wasser befindlichen Oberflächen bilden. Es konnte ein Zusammenhang zwischen der starken Dichtezunahme beziehungsweise dem Absinken der bewachsenen Partikel und dem Vorhandensein des Minerals Calcit innerhalb des aufwachsenden Biofilms festgestellt werden. Das Calcit war biogenen Ursprungs und wurde infolge der Photosynthese sessiler Cyanobakterien gebildet.
In der mesotrophen Talsperre Malter wurde ebenfalls die Biofilmbildung auf Mikroplastik untersucht (Kapitel 3). Dort veränderte die Bildung von mikrobiellen Biofilmen das Sedimentationsverhalten von verschiedenen Mikroplastik-Polymeren nicht. Stattdessen wurde beobachtet, dass die Herbstzirkulation des Sees zur Bildung von Aggregaten aus Mikroplastik und mineralischen Eisenkolloiden führte. Diese Eisenkolloide bilden sich durch die Mischung von eisenreichen, sauerstofffreien Tiefenwasser mit sauerstoffhaltigem Oberflächenwasser. Die Kolloide verbinden sich mit organischem Material aus dem See und formen dadurch größere Flocken.
Da die Bildung von eisenhaltigen Flocken ein für geschichtete Stauseen wichtiger Prozess ist, wurde ihr Einfluss auf die Schwimmfähigkeit von Mikroplastik und den darauffolgenden Einbau in die Sedimente untersucht (Kapitel 4). In Laborversuchen konnten verschiedene Formen (Fasern, Fragmente, Kugeln) und Größenklassen von Mikroplastik in die Flocken eingebaut werden. Da die Flocken im Wasser absinken, können sie zuvor schwimmfähiges Polyethylen-Mikroplastik zur Sedimentoberfläche transportieren. Dort angekommen, beginnen die Flocken zusammen mit dem Mikroplastik langsam in das Sediment einzusinken und transportieren es dadurch in tiefere Sedimentschichten. Im Labor konnte innerhalb von zwei Monaten
keine signifikante Freisetzung des so transportierten Mikroplastiks aus den Sedimenten beobachtet werden.
Die Transformation der Flocken und welchen Einfluss dies auf die Freisetzung von Mikroplastik hat, wurde in Versuchen mit dem eisenreduzierenden Modelorganismus Shewanella oneidensis untersucht (Kapitel 5). Hierbei zeigte sich, dass die Auflösung oder Umwandlung des Eisens beziehungsweise der Eisenminerale innerhalb der Flocken, nicht zur Zerstörung der Flocken führte. Die organische Matrix
der Flocken blieb unverändert stabil und umschloss auch weiterhin das eingebaute Mikroplastik. Da im Sediment ähnliche Abbauprozesse ablaufen, gibt dies einen möglichen Hinweis darauf, warum abgelagertes Mikroplastik nicht mehr aus Sedimenten freigesetzt wird.
Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass in Talsperren unterschiedliche Prozesse zum Absinken und zur Deposition von Mikroplastik führen. Es wurden neuartige Prozesse wie die Aggregation mit eisenhaltigen Flocken identifiziert und ungewöhnliche Aspekte wie die biogene Mineralbildung näher beleuchtet. Dadurch können wichtige Implikationen hinsichtlich des Transports von Mikroplastik in Fluss-
Stausee-Systemen abgeleitet werden. Aufgrund der beschriebenen Sedimentationsprozesse sind Stauseen wichtige Akkumulationszonen für Mikroplastik. Im Stausee sedimentierendes Mikroplastik wird potentiell nicht vom aufgestauten Fluss weitertransportiert. Daher könnten die hier beschriebenen Prozesse zu einer Verbesserung von Risikoabschätzungen und Transportbilanzen dieser anthropogenen Belastung führen.
KW  - microplastics
KW  - reservoirs
KW  - calcite
KW  - iron
KW  - biofouling
KW  - sedimentation
KW  - polyethylene
KW  - biofilms
KW  - Mikroplastik
KW  - Stauhaltungen
KW  - Kalzit
KW  - Eisen
KW  - Sedimentation
KW  - Polyethylen
KW  - Biofilme
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-520240
ER  - 
TY  - THES
A1  - Drago, Claudia
T1  - Microplastics in the environment: Assessing the ingestion and effect of microplastics on freshwater rotifers in an environmental scenario
T1  - Mikroplastik in der Umwelt: Bewertung der Aufnahme und Effekte von Mikroplastik auf Süßwasser-Rotatorien
N2  - Microplastics in the environments are estimated to increase in the near future due to increasing consumption of plastic product and also due to further fragmentation in small pieces. The fate and effects of MP once released into the freshwater environment are still scarcely studied, compared to the marine environment. In order to understand possible effect and interaction of MPs in freshwater environment, planktonic zooplankton organisms are very useful for their crucial trophic role. In particular freshwater rotifers are one of the most abundant organisms and they are the interface between primary producers and secondary consumers. The aim of my thesis was to investigate the ingestion and the effect of MPs in rotifers from a more natural scenario and to individuate processes such as the aggregation of MPs, the food dilution effect and the increasing concentrations of MPs that could influence the final outcome of MPs in the environment. In fact, in a near natural scenario MPs interaction with bacteria and algae, aggregations together with the size and concentration are considered drivers of ingestion and effect. The aggregation of MPs makes smaller MPs more available for rotifers and larger MPs less ingested. The negative effect caused by the ingestion of MPs was modulated by their size but also by the quantity and the quality of food that cause variable responses. In fact, rotifers in the environment are subjected to food limitation and the presence of MPs could exacerbate this condition and decrease the population and the reproduction input. Finally, in a scenario incorporating an entire zooplanktonic community, MPs were ingested by most individuals taking into account their feeding mode but also the concentration of MPs, which was found to be essential for the availability of MPs. This study highlights the importance to investigate MPs from a more environmental perspective, this in fact could provide an alternative and realistic view of effect of MPs in the ecosystem.
N2  - Das allgegenwärtige Vorhandensein in der Umwelt, der rasche Anstieg und die Langlebigkeit haben Plastik zu einem großen Umweltproblem gemacht. Die zunehmende Konzentration von Plastik durch weitere Fragmentierung in Süßgewässern und die daraus resultierenden Konsequenzen auf Ökosystemebenen werden noch immer unterschätzt. Die Auswirkungen von MP auf planktonische Organismen wie den Rotatorien sind noch nicht hinreichend untersucht worden. Ein negativer Effekt könnte Folgen auf höhere trophische Ebenen haben. In dieser Studie wird untersucht, wie natürliche Faktoren die Aufnahme und Wirkung von Mikroplastik (MP) auf Rotatorien verändern können. Natürliche Faktoren, wie zum Beispiel durch Bakterien aggregierte MP, unterschiedliche Algennahrung, sowie verschiedene aquatische Tierarten, wurden genutzt, um Umweltbedingungen im Labor zu imitieren. Die Aufnahmerate von MP, von MP in Verbindung mit Algennahrung und von aggregiertem MP wurde untersucht (Kapitel 2). Durch die Aggregation von MP sind kleinere MP für Rotatorien besser verfügbar und größere MP werden weniger aufgenommen. Die Auswirkungen des MPs wurden in meiner Studie in Abhängigkeit von der Nahrungszufuhr, z. B. von der Algenkonzentration, aber auch von der Art der Algen untersucht. Darüber hinaus wurden Polyamidfragmente und Siliziumdioxidkügelchen verwendet, um mögliche Partikeleffekte oder negative Reaktionen im Zusammenhang mit der Art und Form des Plastiks zu verstehen. Zwei verwandte Brachyonidenarten wurden dabei untersucht.  Die Wirkung von MP auf B. calyciflorus und B. fernandoi wurde in Kombination mit verschiedenen Konzentrationen und Arten von Futter getestet. Ziel dieser Studie (Kapitel 3) war es, eine Beziehung zwischen den MP-Konzentrationen und der Qualität der Nahrung herzustellen. Darüber hinaus wurden die beiden Arten miteinander verglichen, um mögliche Unterschiede in der Reaktion auf MP festzustellen. Es wurden subletale Reaktionen, wie die Fortpflanzung, die Populationswachstumsrate und das Überleben untersucht, wobei eine schädliche Auswirkung in Form einer Verringerung der Populationsgröße durch geringere Fortpflanzung festgestellt wurde. In einem komplexeren und naturnahen Szenario, wurde ein Mikrokosmos-Experiment durchgeführt, bei dem vier verschiedene Zooplanktongruppen, bestehend aus Rotatorien, Cladoceren, Copepoden und Ostracoden, drei verschiedenen MP-Größen ausgesetzt wurden (Kapitel 4). Die wichtigsten Einflussfaktoren, wie die MP-Konzentration, die Größe und die Art der Nahrungsaufnahme, wurden berücksichtigt, um festzustellen, welche Gruppe anfälliger für die MP-Aufnahme ist. Die MP-Konzentration und die Art der Futteraufnahme beeinflussten die Aufnahme von MP stärker als die Größe. Bei hoher Konzentration nahmen trotz der Größenpräferenz und der Art der Futteraufnahme mehr Individuen das MP auf. Im Gegensatz dazu konnte die Aufnahme von MP bei niedriger Konzentration vermieden werden. Diese Studie verdeutlicht, dass Umweltfaktoren sowie die MP-Konzentration und die Art der Futteraufnahme eine wichtige Rolle bei der Untersuchung von MP spielen.
KW  - microplastics
KW  - rotifer
KW  - ingestion
KW  - effect
KW  - Effekt
KW  - Aufnahme
KW  - Mikroplastik
KW  - Rotatorien
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-573356
ER  -