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Barbara F. Günthardt, Matthew Moy de Vitry und Marius Neamtu (von links)

ETH Medaillen für Barbara Günthardt, Matthew Moy de Vitry und Marius Neamtu

18. Oktober 2021 | Claudia Carle und Andri Bryner

Die Umweltchemikerin Barbara F. Günthardt sowie die beiden Umweltingenieure Matthew Moy de Vitry und Marius Neamtu werden für ihre Doktorarbeiten mit der ETH-Medaille ausgezeichnet. Pflanzengifte, Hochwasser in der Stadt und komplizierte Strömungen waren die Themen. Wir gratulieren herzlich!

Die Umweltchemikerin Barbara F. Günthardt erhält für ihre Doktorarbeit zu Pflanzengiften die ETH-Medaille. Sie hat nicht nur Methoden zur Quantifizierung dieser Stoffe entwickelt, sondern auch eine Datenbank aufgebaut und für einzelne Stoffe die freisetzenden Pflanzen identifiziert.

Datenbank der Giftpflanzenstoffe aufgebaut

Geht es um Mikroverunreinigungen im Wasser, denken die meisten wohl primär an Pestizide, Arzneimittel oder Chemikalien aus Haushalten und Industrie. Doch es gibt auch tausende Stoffe pflanzlichen Ursprungs, die toxisch sind. In ihrer Dissertation hat Barbara F. Günthardt rund 1600 dieser Stoffe von über 800 Pflanzen und ihre Wirkung auf die aquatische Umwelt zusammengetragen und in Gewässern danach gesucht. Nun wird ihr für den systematischen und sorgfältig erarbeiteten Ansatz die ETH-Medaille verliehen.

Ausgehend von einer neu aufgebauten Datenbank hat die Doktorandin rund 500 Toxine aufgrund ihrer Langlebigkeit, ihren chemisch-physikalischen Eigenschaften und der Häufigkeit des Vorkommens priorisiert. Im Journal of Agricultural and Food Chemistry der ACS hat sie dazu einen eigenen Artikel publiziert [1] und in Science of the Total Environment [2]. Zudem ist die Datenbank TPPT (für Toxic Plant-PhytoToxin) über die Agroscope-Webseite frei verfügbar [3].

Barbara Günthardt hat in ihrer Dissertation anschliessend eine analytische Methode entwickelt, um die 134 wichtigsten Phytotoxine in Proben mit hochaufgelöster Massenspektrometrie zu quantifizieren. Ihre Methode hat sie auch gleich im Feld angewendet und Proben aus 20 Bächen untersucht. In einer Sonderausgabe der Zeitschrift Chimia über «Chemie und Umwelt» hat sie dazu einem Artikel veröffentlichen können [4]. Einen besonderen Fokus hat Günthardt auf die Untersuchung von Pyrrolizidin-Alkaloiden gelegt. Weltweit kommen diese Stoffe in rund 6000 Pflanzen vor, die sich damit vor Verbiss schützen. Einige wirken bei Tieren lebertoxisch, genotoxisch oder kanzerogen. Als Hauptverursacher in den Proben aus Schweizer Bächen – mit teilweise beträchtlichen Konzentrationen – hat die Forscherin das invasive Greiskraut Senecio inaequidens entlarvt. Auch dazu konnte Günthardt einen Fachartikel publizieren, und zwar in der Zeitschrift Environmental Science and Technology [5].

Die 4 Publikationen der Dissertation mit dem Titel «A Systematic Assessment of the Aquatic Exposure to Phytotoxins» sind open access in DORA verfügbar. Die Doktorarbeit selbst https://doi.org/10.3929/ethz-b-000488067 ist aktuell noch unter Embargo. Die Arbeit wurde gemeinsam betreut von Dr. Thomas Bucheli (Agroscope) und Prof. Juliane Hollender (Eawag und ETH). Die meisten Arbeiten liefen bei Agroscope, Barbara Günthardt konnte auf Probenahmeausrüstung und die hochauflösenden analytischen Geräten an der Eawag zurückgreifen.

Vorhersage von Hochwässern

Matthew Moy de Vitry erhält die Auszeichnung für seine Dissertation zum Thema «Public Surveillance and the Future of Urban Pluvial Flood Modelling» [6] bei Prof. Max Maurer in der Abteilung Siedlungswasserwirtschaft. Ziel seiner Arbeit war es, die Vorhersage von Hochwässern in Städten zu verbessern und damit letztlich Bevölkerung und Infrastruktur besser schützen zu können. Da die für die Vorhersage genutzten Modelle zuvor auf Grund fehlender Daten für die Kalibrierung und Validierung nicht zuverlässig genug waren, entwickelte er innovative und kostengünstige Ansätze für zusätzliche Datenquellen – etwa Bilder und Videos von Verkehrsüberwachungskameras oder aus sozialen Medien. Für diese Arbeit wurde Matthew im November 2020 auch schon mit dem Otto-Jaag-Gewässerschutzpreis geehrt.

«Ich würde die ETH-Medaille am liebsten in Stücke schneiden und mit den vielen Kolleginnen und Kollegen teilen, welche die Arbeit möglich gemacht haben», meint Matthew, «also Betreuer, Techniker, Co-Autoren und alle Menschen, die zur speziellen Eawag-Atmosphäre beitragen».

Seit Abschluss seiner Dissertation ist Matthew als Webentwickler und Datenwissenschaftler beim ETH-Spin-off Hades Technologies AG tätig, der Datenmodelle entwickelt, die Schäden in Abwasserkanälen automatisch mittels maschinellem Lernen erkennen können.

Turbulente Strömungen besser verstehen

Marius Neamtu erhält die ETH-Medaille für seine Dissertation zum Thema «Objective Coherent Structures Near the Turbulent/Non Turbulent Interface in a Stably Stratified Turbulent Flow» [7] bei Prof. Markus Holzner (Eawag/WSL) in der Abteilung Oberflächengewässer. Diese Arbeit leistet einen Beitrag dazu, um turbulente Strömungen besser zu verstehen. Solche Strömungen sind in der Natur und in industriellen Anwendungen allgegenwärtig, etwa beim Rauch, der aus einem Kamin entweicht. In vielen turbulenten Strömungen (z. B. turbulenten Freistrahlen, Nachläufen und Grenzschichten) wird wirbelfreies Fluid aus der Umgebung über eine scharfe Grenzfläche – die sogenannte turbulente/nichtturbulente Grenzfläche – kontinuierlich in den turbulenten Bereich hineingerissen. Dieses Phänomen, das als turbulente Einmischung bezeichnet wird, wirkt sich unmittelbar auf die Entstehung und Entwicklung turbulenter Strömungen aus. Marius untersuchte insbesondere die Rolle von Wirbelstrukturen bei diesem Prozess. Um diese Wirbelstrukturen in turbulenten Strömungen zu entschlüsseln, wendete er neue mathematische Methoden an und zeigte, wie diese Strukturen die turbulente Einmischung beeinflussen. Das liefert eine wichtige Grundlage, um turbulente Strömungen besser modellieren zu können – beispielsweise Meeresströmungen und die damit verbundenen klimatischen Auswirkungen. 

«Ich war sehr überrascht, dass meine Arbeit mit der ETH-Medaille ausgezeichnet wird», sagt Marius, «denn ich hatte eher im Blick, was ich noch besser hätte machen können. Ich fühle mich sehr geehrt, diesen Preis zu erhalten und bin allen dankbar, die zu dieser Arbeit beigetragen haben.» Das Preisgeld möchte er in seine Weiterbildung investieren.

Marius ist mittlerweile als Projektingenieur bei der Firma Holinger in Zürich tätig und dort für die Planung von internationalen Grossprojekten im Bereich Wasserversorgung zuständig.

Mit der ETH-Medaille, die mit einem Preisgeld von 2000 Franken dotiert ist, werden jedes Jahr hervorragende Doktorarbeiten ausgezeichnet. Während Marius Neamtu und Matthew Moy de Vitry an der Promotionsfeier im Sommer ihre Medaillen bereits erhalten haben steht die Übergabe an Barbara Günthardt wird anfangs 2022 stattfinden.

Titelbild: Eawag

Originalpublikationen

[1]

Comprehensive toxic plants-phytotoxins database and its application in assessing aquatic micropollution potential

The production of toxic plant secondary metabolites (phytotoxins) for defense is a widespread phenomenon in the plant kingdom and is even present in agricultural crops. These phytotoxins may have similar characteristics to anthropogenic micropollutants in terms of persistence and toxicity. However, they are only rarely included in environmental risk assessments, partly because a systematic overview of phytotoxins is missing. Here, we present a newly developed, freely available database, Toxic Plants-PhytoToxins (TPPT), containing 1586 phytotoxins of potential ecotoxicological relevance in Central Europe linked to 844 plant species. Our database summarizes phytotoxin patterns in plant species and provides detailed biological and chemical information as well as in silico estimated properties. Using the database, we evaluated phytotoxins regarding occurrence, approximated from the frequencies of Swiss plant species; environmental behavior based on aquatic persistence and mobility; and toxicity. The assessment showed that over 34% of all phytotoxins are potential aquatic micropollutants and should be included in environmental investigations.
Günthardt, B. F.; Hollender, J.; Hungerbühler, K.; Scheringer, M.; Bucheli, T. D. (2018) Comprehensive toxic plants-phytotoxins database and its application in assessing aquatic micropollution potential, Journal of Agricultural and Food Chemistry, 66(29), 7577-7588, doi:10.1021/acs.jafc.8b01639, Institutional Repository

[2]

Aquatic occurrence of phytotoxins in small streams triggered by biogeography, vegetation growth stage, and precipitation

Toxic plant secondary metabolites (PSMs), so-called phytotoxins, occur widely in plant species. Many of these phytotoxins have similar mobility, persistence, and toxicity properties in the environment as anthropogenic micropollutants, which increasingly contaminate surface waters. Although recent case studies have shown the aquatic relevance of phytotoxins, the overall exposure remains unknown. Therefore, we performed a detailed occurrence analysis covering 134 phytotoxins from 27 PSM classes. Water samples from seven small Swiss streams with catchment areas from 1.7 to 23 km2 and varying land uses were gathered over several months to investigate seasonal impacts. They were complemented with samples from different biogeographical regions to cover variations in vegetation. A broad SPE-LC-HRMS/MS method was applied with limits of detection below 5 ng/L for over 80% of the 134 included phytotoxins. In total, we confirmed 39 phytotoxins belonging to 13 PSM classes, which corresponds to almost 30% of all included phytotoxins. Several alkaloids were regularly detected in the low ng/L-range, with average detection frequencies of 21%. This is consistent with the previously estimated persistence and mobility properties that indicated a high contamination potential. Coumarins were previously predicted to be unstable, however, detection frequencies were around 89%, and maximal concentrations up to 90 ng/L were measured for fraxetin produced by various trees. Overall, rainy weather conditions at full vegetation led to the highest total phytotoxin concentrations, which might potentially be most critical for aquatic organisms.
Günthardt, B. F.; Hollender, J.; Scheringer, M.; Hungerbühler, K.; Nanusha, M. Y.; Brack, W.; Bucheli, T. D. (2021) Aquatic occurrence of phytotoxins in small streams triggered by biogeography, vegetation growth stage, and precipitation, Science of the Total Environment, 798, 149128 (11 pp.), doi:10.1016/j.scitotenv.2021.149128, Institutional Repository

[3]

Agroscope - Giftpflanzen – Phytotoxin Datenbank (TPPT)

[4]

"Is there anybody else out there?" - First insights from a suspect screening for phytotoxins in surface water

To protect themselves, plants can produce toxic secondary metabolites (phytotoxins) that appear with widely varying structures and negative effects. These phytotoxins often show similar properties as known aquatic micropollutants in terms of mobility, persistence, toxicity, and possibly also ecotoxicity. However, their occurrence in surface waters remains largely unknown, which is also due to unknown ability of available screening approaches to detect them. Therefore, we performed a target and suspect screening based on a persistence-mobility prioritization for phytotoxins in small Swiss creeks using high resolution mass spectrometry. In total, three of 26 targets were detected, three of 78 suspects tentatively identified, and six suspects fully confirmed by reference standards. To the best of our knowledge, it is the first time that three different plant secondary metabolite classes are detected in the same surface water sample. Estrogenic isoflavones were detected at 73% of the sites with formononetin as main toxin, which is in agreement with previous studies. Furthermore, pyrrolizidine alkaloids and the indole alkaloid gramine were detected. Especially pyrrolizidine alkaloids might be critical due to their production by various plants including the invasive Senecio inaequidens, and their known importance in food and feed safety. Based on these first screening results, different phytotoxin classes should be assessed for their ecotoxicological effects and considered in future water monitoring.
Günthardt, B. F.; Schönsee, C. D.; Hollender, J.; Hungerbühler, K.; Scheringer, M.; Bucheli, T. D. (2020) "Is there anybody else out there?" - First insights from a suspect screening for phytotoxins in surface water, Chimia, 74(3), 129-135, doi:10.2533/chimia.2020.129, Institutional Repository

[5]

Retrospective HRMS screening and dedicated target analysis reveal a wide exposure to pyrrolizidine alkaloids in small streams

Pyrrolizidine alkaloids (PAs) are found to be toxic pollutants emitted into the environment by numerous plant species, resulting in contamination. In this article, we investigate the occurrence of PAs in the aquatic environment of small Swiss streams combining two different approaches. Pyrrolizidine alkaloids (PAs) are toxic secondary metabolites produced by numerous plant species. Although they were classified as persistent and mobile and found to be emitted into the environment, their occurrence in surface waters is largely unknown. Therefore, we performed a retrospective data analysis of two extensive HRMS campaigns each covering five small streams in Switzerland over the growing season. All sites were contaminated with up to 12 individual PAs and temporal detection frequencies between 36 and 87%. Individual PAs were in the low ng/L range, but rain-induced maximal total PA concentrations reached almost 100 ng/L in late spring and summer. Through PA patterns in water and plants, several species were tentatively identified as the source of contamination, with Senecio spp. and Echium vulgare being the most important. Additionally, two streams were monitored, and PAs were quantified with a newly developed, faster, and more sensitive LC−MS/MS method to distinguish different plant-based and indirect human PA sources. A distinctly different PA fingerprint in aqueous plant extracts pointed to invasive Senecio inaequidens as the main source of the surface water contamination at these sites. Results indicate that PA loads may increase if invasive species are sufficiently abundant.
Günthardt, B. F.; Wettstein, F. E.; Hollender, J.; Singer, H.; Harri, J.; Scheringer, M.; Hungerbühler, K.; Bucheli, T. D. (2021) Retrospective HRMS screening and dedicated target analysis reveal a wide exposure to pyrrolizidine alkaloids in small streams, Environmental Science and Technology, 55, 1036-1044, doi:10.1021/acs.est.0c06411, Institutional Repository

[6]

Public surveillance and the future of urban pluvial flood modelling

Motivation and objective
Urban pluvial flooding is an issue of increasingly critical importance due to climate change and urbanization. However, the numerical models used for flood forecasting and risk mitigation suffer from a pronounced lack of monitoring data, which affects model accuracy. Monitoring data are necessary so the models, which contain undefined parameters, can be calibrated and validated against real flood events. In particular, it is important that the models are able to reproduce flood behavior in and around buildings, where the most damage is caused. However, conventional flow and water level sensors reach their limits in public spaces like streets due to irregular topography, moving obstacles, and the risk of vandalism. It has been suggested that surveillance cameras and social media could provide the necessary surface flooding data at a fraction of the cost of conventional sensors. The objective of this thesis is to explore how trend-like data can be extracted from surveillance footage and assimilated to boost the reliability of urban pluvial flood models. [...]

Motivation und Zielsetzung
Urbane regenbedingte Überschwemmungen sind aufgrund des Klimawandels und der Urbanisierung von immer größerer Bedeutung, aber den numerischen Modellen zur Hochwasservorhersage und Risikominderung mangelt es an Überwachungsdaten, was die Modellgenauigkeit einschränkt. Überwachungsdaten sind notwendig, damit die Modelle, welche unsichere Parameter enthalten, gegen echte Hochwasserereignisse kalibriert und validiert werden können. Insbesondere ist es wichtig, dass die Modelle das Überschwemmungsverhalten in und um Gebäude herum nachbilden können, wo die meisten Schäden verursacht werden. Herkömmliche Strömungs- und Wasserstandsensoren stoßen jedoch im öffentlichen Raum, wie Straßen, aufgrund unregelmäßiger Topographie, beweglicher Hindernisse und der Gefahr von Vandalismus an ihre Grenzen. Deswegen gibt es Interesse für alternative Datenquellen wie Überwachungskameras und soziale Medien, aus denen Oberflächenabflussdaten zu einem Bruchteil der Kosten herkömmlicher Sensoren gewonnen werden könnte. Das Ziel dieser Arbeit ist es, zu untersuchen, wie trendartige Daten aus Überwachungsbildern extrahiert und assimiliert werden können, um die Zuverlässigkeit von Überschwemmungsmodellen zu erhöhen. [...]
Moy de Vitry, M. (2019) Public surveillance and the future of urban pluvial flood modelling, 143 p, doi:10.3929/ethz-b-000397587, Institutional Repository

[7]

Neamtu-Halic, Marius M. (2020). Objective Coherent Structures Near the Turbulent/Non-Turbulent Interface in a Stably Stratified Turbulent Flow (Doctoral dissertation, ETH Zurich). https://doi.org/10.3929/ethz-b-000476303

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