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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

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' (118 chars) title => protected'Comprehensive toxic plants-phytotoxins database and its application in asses
         sing aquatic micropollution potential
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         assessment
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         e is a widespread phenomenon in the plant kingdom and is even present in agr
         icultural crops. These phytotoxins may have similar characteristics to anthr
         opogenic 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 de
         veloped, freely available database, Toxic Plants-PhytoToxins (TPPT), contain
         ing 1586 phytotoxins of potential ecotoxicological relevance in Central Euro
         pe linked to 844 plant species. Our database summarizes phytotoxin patterns
         in plant species and provides detailed biological and chemical information a
         s well as in silico estimated properties. Using the database, we evaluated p
         hytotoxins regarding occurrence, approximated from the frequencies of Swiss
         plant species; environmental behavior based on aquatic persistence and mobil
         ity; and toxicity. The assessment showed that over 34% of all phytotoxins ar
         e potential aquatic micropollutants and should be included in environmental
         investigations.
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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]

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         bühler, K.; Nanusha, M. Y.; Brack, W.; Bucheli, T.
          D.
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         , vegetation growth stage, and precipitation
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         mass spectrometry screening; persistence, mobility, and toxicity characteriz
         ation
' (157 chars) description => protected'Toxic plant secondary metabolites (PSMs), so-called phytotoxins, occur widel
         y in plant species. Many of these phytotoxins have similar mobility, persist
         ence, and toxicity properties in the environment as anthropogenic micropollu
         tants, which increasingly contaminate surface waters. Although recent case s
         tudies have shown the aquatic relevance of phytotoxins, the overall exposure
          remains unknown. Therefore, we performed a detailed occurrence analysis cov
         ering 134 phytotoxins from 27 PSM classes. Water samples from seven small Sw
         iss streams with catchment areas from 1.7 to 23 km<sup>2</sup> and varying l
         and uses were gathered over several months to investigate seasonal impacts.
         They were complemented with samples from different biogeographical regions t
         o 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 phyto
         toxins. In total, we confirmed 39 phytotoxins belonging to 13 PSM classes, w
         hich corresponds to almost 30% of all included phytotoxins. Several alkaloid
         s were regularly detected in the low ng/L-range, with average detection freq
         uencies of 21%. This is consistent with the previously estimated persistence
          and mobility properties that indicated a high contamination potential. Coum
         arins were previously predicted to be unstable, however, detection frequenci
         es were around 89%, and maximal concentrations up to 90 ng/L were measured f
         or fraxetin produced by various trees. Overall, rainy weather conditions at
         full vegetation led to the highest total phytotoxin concentrations, which mi
         ght potentially be most critical for aquatic organisms.
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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

[4]

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' (146 chars) title => protected'"Is there anybody else out there?" - First insights from a suspect screening
          for phytotoxins in surface water
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         s; suspect screening
' (96 chars) description => protected'To protect themselves, plants can produce toxic secondary metabolites (phyto
         toxins) that appear with widely varying structures and negative effects. The
         se phytotoxins often show similar properties as known aquatic micropollutant
         s 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 pers
         istence-mobility prioritization for phytotoxins in small Swiss creeks using
         high resolution mass spectrometry. In total, three of 26 targets were detect
         ed, three of 78 suspects tentatively identified, and six suspects fully conf
         irmed 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 pre
         vious 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<em> Senecio
          inaequidens</em>, and their known importance in food and feed safety. Based
          on these first screening results, different phytotoxin classes should be as
         sessed for their ecotoxicological effects and considered in future water mon
         itoring.
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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]

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          Singer,&nbsp;H.; Harri,&nbsp;J.; Scheringer,&nbsp;M.; Hungerbühler,&nbsp;K
         .; Bucheli,&nbsp;T.&nbsp;D.
' (179 chars) title => protected'Retrospective HRMS screening and dedicated target analysis reveal a wide exp
         osure to pyrrolizidine alkaloids in small streams
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         the environment by numerous plant species, resulting in contamination. In th
         is article, we investigate the occurrence of PAs in the aquatic environment
         of small Swiss streams combining two different approaches. Pyrrolizidine alk
         aloids (PAs) are toxic secondary metabolites produced by numerous plant spec
         ies. 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 extens
         ive 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 t
         he 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 contami
         nation, with <em>Senecio spp.</em> and <em>Echium vulgare</em> being the mos
         t important. Additionally, two streams were monitored, and PAs were quantifi
         ed with a newly developed, faster, and more sensitive LC−MS/MS method to d
         istinguish different plant-based and indirect human PA sources. A distinctly
          different PA fingerprint in aqueous plant extracts pointed to invasive <em>
         Senecio</em> <em>inaequidens</em> as the main source of the surface water co
         ntamination at these sites. Results indicate that PA loads may increase if i
         nvasive species are sufficiently abundant.
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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]

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      description => protected'<em>Motivation and objective</em><br /> Urban pluvial flooding is an issue o
         f increasingly critical importance due to climate change and urbanization. H
         owever, the numerical models used for flood forecasting and risk mitigation
         suffer from a pronounced lack of monitoring data, which affects model accura
         cy. Monitoring data are necessary so the models, which contain undefined par
         ameters, can be calibrated and validated against real flood events. In parti
         cular, it is important that the models are able to reproduce flood behavior
         in and around buildings, where the most damage is caused. However, conventio
         nal flow and water level sensors reach their limits in public spaces like st
         reets due to irregular topography, moving obstacles, and the risk of vandali
         sm. It has been suggested that surveillance cameras and social media could p
         rovide the necessary surface flooding data at a fraction of the cost of conv
         entional 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. [...]<br /><br /><em>Motivation
         und Zielsetzung</em><br /> Urbane regenbedingte Überschwemmungen sind aufgr
         und des Klimawandels und der Urbanisierung von immer größerer Bedeutung, a
         ber den numerischen Modellen zur Hochwasservorhersage und Risikominderung ma
         ngelt es an Überwachungsdaten, was die Modellgenauigkeit einschränkt. Übe
         rwachungsdaten 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 Überschwemmungs
         verhalten in und um Gebäude herum nachbilden können, wo die meisten Schäd
         
         
         pographie, beweglicher Hindernisse und der Gefahr von Vandalismus an ihre Gr
         enzen. Deswegen gibt es ...
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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