Shifts in soil microbiomes caused by biocides and facade eluates as an innovative ecotoxicological risk assessment

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Reiß, Fabienne:
Shifts in soil microbiomes caused by biocides and facade eluates as an innovative ecotoxicological risk assessment.
Bayreuth , 2026 . - XIV, 174 S.
( Dissertation, 2026 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Biocides are incorporated into building materials to reduce microbial growth and biodeterioration. However, these substances gradually leach into the surrounding soil near the buildings. Therefore, this dissertation presents a comprehensive ecotoxicological assessment of the impact of biocides and facade eluates from building materials on soil microbial communities, with a particular focus on metabolically active microbial members (BrdU-immunocapture technique). Through three experimental studies—Biocide-I, Biocide-II, and Biocide-III—conducted in controlled laboratory and outdoor microcosm settings, the research investigates how biocidal compounds and facade eluates affect soil microbial abundance, diversity, community composition, and functional traits. Biocide-I examined the effects of three commonly used biocides—terbutryn, isoproturon, and octhilinone—applied individually and in mixtures. Results showed that metabolically active soil microbial communities responded more strongly than total DNA-based communities. Combined biocide treatments significantly reduced bacterial and fungal gene copy numbers and altered community composition on genus level. Despite these shifts, soil respiration and physicochemical parameters remained stable, suggesting short-term buffering through functional redundancy. Biocide-II focused on the ecotoxicological effects of facade eluates generated through standardized immersion testing and natural weathering. Eluates contained both active biocides and formulation components such as binders and heavy metals. The study revealed that even eluates from biocide-free facades caused measurable changes in microbial communities. Active fractions were particularly sensitive, with notable shifts in bacterial and fungal diversity and function. Indicator taxa such as Pseudarthrobacter and Trichoderma emerged as potential biomarkers for stress response. Biocide-III simulated real-world exposure by applying facade eluates repeatedly over 62 days in outdoor microcosms. This long-term study demonstrated progressive alterations in microbial composition and function. Bacterial abundance declined, while fungal richness initially increased before dropping due to delayed leaching of film preservatives. Dominant taxa such as Pseudoalteromonas and stress-tolerant fungi were enriched, indicating adaptation to chronic exposure. Functional analyses showed increased fermentation and ureolysis, suggesting microbial stress responses and potential bioremediation traits. Across all studies, metabolically active microbes proved to be reliable indicators of sub-lethal stress. Total microbial communities often masked these effects, underscoring the importance of targeting active fractions in ecotoxicological assessments. Functional annotation revealed that short-term ecosystem processes were buffered, while prolonged exposure could exhaust microbial redundancy and impair soil health. The findings highlight critical gaps in current EU biocide regulations, which focus on individual compounds and overlook the complex mixtures and chronic soil effects observed in this research. Moreover, no indicator organisms are assessed for evaluating the ecotoxicological effects on more complex communities such as the soil microbiome. The dissertation advocates for integrated risk assessment frameworks that incorporate active microbial metrics, long-term and mixture exposure scenarios, and functional validation. Urban soils, which play essential roles in nutrient cycling, water retention, carbon storage, and biodiversity support, should be recognized as a critical and protect-worthy environment.

Abstract in weiterer Sprache

Biozide werden in Baustoffen eingesetzt, um mikrobielle Besiedelung und Biodeterioration zu verlangsamen. Durch Witterungseinflüsse gelangen diese Substanzen jedoch zunehmend in die umliegenden Böden in Gebäudenähe. Ziel dieser Dissertation ist eine umfassende ökotoxikologische Bewertung der Auswirkungen von Bioziden und Fassaden-Eluaten auf Bodenmikroorganismen, mit besonderem Fokus auf metabolisch aktive Gemeinschaften, analysiert mittels BrdU-Immunocapture-Methode. Dazu wurden drei experimentelle Studien - Biocide-I, Biocide-II und Biocide-III - unter kontrollierten Laborbedingungen sowie in möglichst realitätsnahen Freiland-Mikrokosmen durchgeführt. Es wurden die Effekte einzelner Biozide, ihrer Kombinationen und von Fassaden-Eluaten auf mikrobielle Abundanz, Diversität, Zusammensetzung und Funktion untersucht. In der Studie Biocide-I wurde die Wirkung der Biozide Terbutryn, Isoproturon und Octhylisothiazolinon, einzeln und kombiniert auf das Bodenmikrobiom untersucht. Die Analysen belegten, dass metabolisch aktive mikrobielle Gemeinschaften deutlich empfindlicher auf Biozid-Exposition reagiert haben als die totalen mikrobiellen Gemeinschaften. Mischungen der Biozide führten zu einem besonders starken Rückgang der Genkopienzahlen von Bakterien und Pilzen sowie zu deutlichen Veränderungen in der Gemeinschaftszusammensetzung. Trotz dieser Veränderungen blieben die Bodenatmung und physikochemischen Parameter stabil. Dies weist auf eine kurzfristige Pufferung durch funktionelle Redundanz hin. Biocide-II untersuchte die ökotoxikologischen Effekte von Fassadenabläufen, die durch standardisierte Immersionstests (DIN EN 16105) und natürliche Verwitterung erzeugt wurden. Die Eluate enthielten sowohl aktive Biozide als auch Formulierungskomponenten wie Bindemittel und Schwermetalle. Die Studie belegte, dass selbst Abläufe von Fassaden frei von Bioziden messbare Veränderungen in mikrobiellen Gemeinschaften verursachten. Selbst Abläufe von Fassaden welche frei von Bioziden waren verursachten messbare Veränderungen in mikrobiellen Gemeinschaften. Besonders die aktiven Fraktionen reagierten empfindlich, mit deutlichen Verschiebungen in bakterieller und pilzlicher Diversität und Funktion. Indikatortaxa wie Pseudarthrobacter und Trichoderma wurden als potenzielle Biomarker für Stress identifiziert. Innerhalb der Biocide-III Studie wurde eine realistische Langzeitexposition durch wiederholte Anwendung von Fassaden-Eluaten in Freiland-Mikrokosmen über 62 Tage simuliert. Es zeigte sich eine kontinuierliche Veränderung der mikrobiellen Zusammensetzung und Funktion. Die bakterielle Abundanz nahm ab, während die pilzliche Diversität zunächst anstieg, später jedoch durch verzögerte Auswaschung von Filmkonservierungsmitteln wieder sank. Dominante Taxa wie Pseudoalteromonas und stressresistente Pilze wurden angereichert – ein Hinweis auf Anpassung an den Stress durch das Bodenmikrobiom. Funktionelle Analysen zeigten eine Zunahme fermentativer Prozesse und Ureolyse, was auf mikrobielle Stressantworten und potenzielle Bioremediations-Eigenschaften hindeutet. In allen Studien erwiesen sich metabolisch aktive Mikroorganismen als zuverlässige Indikatoren für subletalen Stress. Die Analyse der totalen DNA verdeckten häufig diese Effekte, was die Bedeutung der aktiven Fraktionen in ökotoxikologischen Bewertungen unterstreicht. Funktionelle Annotationen zeigten, dass kurzfristige Prozesse zwar gepuffert werden, aber eine langfristige Belastung, die mikrobielle Redundanz erschöpfen und die Bodenfruchtbarkeit beeinträchtigen kann. Die Ergebnisse deuten auf Lücken in der aktuellen EU-Biozid Verordnung (Verordnung Nr. 528/2012) hin, die sich auf Einzelstoffe konzentriert und komplexe Mischungen sowie langfristige Effekte vernachlässigt. Zudem werden keine Indikatororganismen für die Bewertung der ökotoxikologischen Effekte auf komplexere Gemeinschaften wie das Bodenmikrobiom untersucht. Die Dissertation zeigt, dass Risikobewertungsansätze, das aktive Mikrobiom, Langzeitexpositionen, Mischtoxizitäten und funktionelle Bewertung mit einbezogen werden sollten. Städtische Böden, die eine wesentliche Rolle in den Nährstoffkreisläufen, bei der Wasserspeicherung, der Kohlenstoffspeicherung und der Förderung der Biodiversität spielen, müssen als wichtige und schützenswerte Umwelt anerkannt werden.