Background: The growing production and use of engineered AgNP in industry and private households make increasing concentrations of AgNP in the environment unavoidable. Although we already know the harmful effects of AgNP on pivotal bacterial driven soil functions, information about the impact of silver nanoparticles (AgNP) on the soil bacterial community structure is rare. Hence, the aim of this study was to reveal the long-term effects of AgNP on major soil bacterial phyla in a loamy soil. The study was conducted as a laboratory incubation experiment over a period of 1 year using a loamy soil and AgNP concentrations ranging from 0.01 to 1 mg AgNP/kg soil. Effects were quantified using the taxon-specific 16S rRNA qPCR.
Results: The short-term exposure of AgNP at environmentally relevant concentration of 0.01 mg AgNP/kg caused significant positive effects on Acidobacteria (44.0%), Actinobacteria (21.1%) and Bacteroidetes (14.6%), whereas beta-Proteobacteria population was minimized by 14.2% relative to the control (p ≤ 0.05). After 1 year of exposure to 0.01 mg AgNP/kg diminished Acidobacteria (p = 0.007), Bacteroidetes (p = 0.005) and beta-Proteobacteria (p = 0.000) by 14.5, 10.1 and 13.9%, respectively. Actino- and alpha-Proteobacteria were statistically unaffected by AgNP treatments after 1-year exposure. Furthermore, a statistically significant regression and correlation analysis between silver toxicity and exposure time confirmed loamy soils as a sink for silver nanoparticles and their concomitant silver ions.
Conclusions: Even very low concentrations of AgNP may cause disadvantages for the autotrophic ammonia oxidation (nitrification), the organic carbon transformation and the chitin degradation in soils by exerting harmful effects on the liable bacterial phyla.
Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen des EU INTERREG NWE IVB Projektes "ForeStClim - Transnational Forestry Management Strategies in Response to Regional Climate Change Impacts". Zum Zweck der Verbesserung des Prozessverständnisses von Abflussprozessen in Wäldern sowie zur Validierung und Weiterentwicklung eines GIS-basierten Tools (GIS-DRP) zur Erstellung von Abflussprozesskarten wurden auf 25 Test-Plots in vier Einzugsgebieten in Rheinland-Pfalz und dem Großherzogtum Luxemburg boden-hydrologische Untersuchungen durchgeführt. Auf Grundlage dieser Untersuchungen konnten große intraspezifische Unterschiede im Abflussverhalten von Waldstandorten erhoben werden. Die Differenzen werden dabei hauptsächlich durch das Substrat, die bodenphysikalischen Eigenschaften, die Nutzung bzw. deren Intensität und die Vorfeuchte bedingt. Es wurde nachgewiesen, dass Wälder generell hohe Infiltrationsraten aufweisen und verzögerte Zwischenabflussprozesse begünstigen. Durch einen prinzipiell naturnahen Waldbau und etwaige Meliorationsmaßnahmen auf Niederertragsstandorten bestehen zudem Möglichkeiten positiv auf die Wasserretention und das Wasserspeichervermögen eines Forstbestandes einzuwirken. Die mittels GIS-DRP erstellten Abflussprozesskarten der vier Testgebiete wurden durch die Ergebnisse der Geländeuntersuchungen sowie der Abflussprozesskartierung nach SCHERRER (2006) validiert. Hierdurch wurden für die Abflussgenerierung wichtige Parameter ermittelt und Optimierungsansätze erarbeitet, welche anschließend in GIS-DRP implementiert werden konnten. Verschlämmungsprozesse auf Ackerflächen können nun durch das modifizierte GIS-DRP-Werkzeug identifiziert werden. Zudem war es möglich, Extrem-Ereignis basierte Abflussprozesskarten zu etablieren, die Hot Spots der Abflussgenerierung identifizieren können. Die Einführung des Abflussprozesses "dSSF" (tiefer Zwischenabfluss) wurde durch eine neue Klassifizierung des geologischen Ausgangssubstrates erreicht. Forstwirten und Entscheidungsträgern im Waldmanagement wird somit die Möglichkeit geboten, Expertenwissen in ihre Planungen einfließen zu lassen. Hierdurch kann zum einen positiv auf den Landschaftswasserhaushalt eingewirkt werden, da gezielt auf Flächen nachteiliger Abflussbildung geeignete Maßnahmen des dezentralen Hochwasserschutzes angewandt werden können. Zum anderen werden Potentiale für bestmögliche Waldwachstumsvoraussetzungen in einem Landschaftsraum aufgezeigt. Der nachhaltigen Nutzung von Wäldern wird somit auch im Kontext des Klimawandels Rechnung getragen.