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Die Mikro- und Nanotechnologie gehört zu den Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts mit hohen Wachstumsprognosen, wie auch die im Auftrag des BMBF durchgeführte Studie “Nanotechnologie als wirtschaftlicher Wachstumsmarkt” von 2004 ausführlich darstellt. Aus diesem Trend resultiert ein steigender Bedarf an Messsystemen, die Nanostrukturen prozessnah bzw. im Fertigungsprozess charakterisieren können. Virtuelle Messgeräte liefern Erkenntnisse zur Entwicklung neuartiger Messsysteme, Analyse und Optimierung bestehender Verfahren sowie die Bestimmung der Messunsicherheit und modellbasierten Korrektur systematischer Fehler. Der virtuelle Messprozess umfasst neben dem Messmittel auch die Probe und die Wechselwirkungen zwischen beiden. In diesem Beitrag werden virtuelle Messgeräte vorgestellt sowie deren Anwendung diskutiert.
The Great Pacific Garbage Patch, a significant collection of plastic introduced by human activities, provides an ideal environment to study bacterial lifestyles on plastic substrates. We proposed that bacteria colonizing the floating plastic debris would develop strategies to deal with the ultravioletexposed substrate, such as the production of antioxidant pigments. We observed a variety of pigmentation in 67 strains that were directly cultivated from plastic pieces sampled from the Garbage Patch. The genomic analysis of four representative strains, each distinct in taxonomy, revealed multiple pathways for carotenoid production. These pathways include those that produce
less common carotenoids and a cluster of photosynthetic genes. This
cluster appears to originate from a potentially new species of the Rhodobacteraceae family. This represents the first report of an aerobic anoxygenic photoheterotrophic bacterium from plastic biofilms. Spectral analysis showed that the bacteria actively produce carotenoids, such as betacarotene and beta-cryptoxanthin, and bacteriochlorophyll a. Furthermore, we discovered that the genetic ability to synthesize carotenoids is more common in plastic biofilms than in the surrounding water communities. Our findings suggest that plastic biofilms could be an overlooked source of bacteria-produced carotenoids, including rare forms. It also suggests that photoreactive molecules might play a crucial role in bacterial biofilm communities in surface water.
An investigation of microplastic (MP) occurrence in a municipal wastewater treatment plant (WWTP) effluent with tertiary treatment was carried out. Representative sample volumes of 1 m3 were taken by applying a fractionated filtration method (500, 100, and 50 µm mesh sizes). The detection of MP mass fractions by thermal extraction desorption–gas chromatography/mass spectrometry (TED-GC/MS) was achieved without the previously required additional sample pretreatment for the first time. Different types of quantification methods for the evaluation of TED-GC/MS data were tested, and their accuracy and feasibility have been proven for real samples. Polyethylene, polystyrene, and polypropylene were identified in effluent samples. The polymer mass content varied significantly between 5 and 50 mg m−3. A correlation between the MP load and the quantity of suspended matter in the WWTP effluents, particle size distribution, particle type, and operation day (i.e., weekday, season, and capacity) was not found. It can be concluded that a meaningful assessment of WWTPs requires a comprehensive sampling campaign with varying operation conditions.
Im Verbundprojekt RUSEKU wurde die Probenahme von Wasserproben entscheidend weiterentwickelt. Wichtig ist hierbei zu gewährleisten, dass genügend Merkmalsträger in jeder Probe untersucht werden. Es muss daher eine für den Probenahmeort repräsentative Beprobung hinsichtlich des Wasservolumens in Abhängigkeit der Partikelanzahl gewährleistet sein.
Das Hauptaugenmerk lag im vorliegenden Projekt auf einer praxisnahen Beprobungsstrategie. Es wurden verschiedene Konzepte ausprobiert.
• Grundsätzlich hat sich gezeigt, dass eine Stichprobe eine Momentaufnahme des MP-Massengehaltes zeigt. Es wird eine hohe Statistik, also eine Vielzahl an Messungen am gleichen Probenahmeort, benötigt, um eine valide Aussage über den MP-Gehalt zu machen.
• Es zeigt sich, dass eine integrale Probenahme über mehrere Wochen mit dem SK routinemäßig möglich ist. Die erfassten MP-Massen sind reproduzierbar und robust.
• Die DFZ ist für Stichproben geeignet. Partikel < 50 µm werden eventuell unterschätzt
• Die fraktionierte Filtration kann für Stich- und Mischproben direkt im Feld genutzt werden. Fraktionen von 10 und 5 µm werden später im Labor Vakuum filtriert. Es erfolgt eine Fraktionierung der Probe mit Siebmaschenweiten von 1000, 500, 100, 50, 10 und 5 µm.
• Die fraktionierte Filtration kann auch anschließend an die Beprobung mit dem SK zur Anwendung kommen. Wird die mit dem SK gewonnene Wasserprobe fraktioniert filtriert, kann neben einem MP-Gesamtgehalt auch eine Einschätzung über die Partikelgrößen gewonnen werden.
• Für Wässer mit geringen Partikelzahlen wurde ein Messfiltertiegel entwickelt. Dieser hat eine Maschenweite von 6 µm. Seine Anwendung kann mögliche Verluste beim Transferieren vom Probenahmetool zum Messgefäß und mögliche Kontaminationen reduzieren.
Die Optimierung der Probenahmestrategie wurde durch Modellversuche und Simulationen unterstützt. Modellversuche zum Sinkverhalten und Simulationen von MP in realen Gewässern verdeutlichten das komplexe Verhalten der Partikel. Es konnte gezeigt werden, dass Partikel ab einer bestimmten Größe (und kleiner) bei genügend starker Turbulenz sich in der Wassersäule unabhängig von ihrer Dichte verhalten und so auch MP mit kleiner Dichte (z.B. PE) in der gesamten Wassersäule zu finden sind. Es konnte mit dem TEM die Existenz von NP gezeigt werden.
Ein wesentlicher Aspekt des RUSEKU Projektes war die Beprobung realer Kompartimente. Beprobt wurde neben Oberflächengewässern, das urbane Abwassersystem der Stadt Kaiserslautern, Waschmaschinenabwasser und Flaschenwasser.
• In Oberflächengewässern wurde hauptsächlich PE gefunden. Je nach Probe und Gewässer konnten auch PP, PS, PET, PA, SBR und Acrylate nachgewiesen werden.
• Im urbanen Abwassersystem der Stadt Kaiserslautern konnte an allen Probenahmestandorten MP nachgewiesen werden. Es wurde hauptsächlich PE, neben geringeren Mengen an PP, PS und SBR gefunden. Nach einem Regenereignis war der SBR Anteil deutlich erhöht.
• Die Beprobung eines realen Wäschepostens, bestehend aus T-Shirts und Hemden mit PA/CO oder PES/CO Mischgewebe, zeigte einen PA- und PES-Austrag im Waschwasser. Der überwiegende Teil der detektierten Fasern ist aber auf Baumwolle zurückzuführen. Reine gravimetrische Messungen zur Detektion von MP führen zu einer starken Überschätzung.
• In Flaschenwasser (PET-Flaschen) konnte MP detektiert werden. PET wurde nur im stillen Mineralwasser, nicht in Mineralwasser mit Kohlensäure gefunden werden. Teilweise wurde auch das MP-Material des Verschlusses im Wasser detektiert.
• Für Luftproben konnte ein Aufbau zur größenselektiven Beprobung getestet werden.
Neben der Probenahme hat das Projekt auch gezeigt, dass die TED-GC/MS geeignet für die MP-Detektion im Routinebetrieb ist. Die TED-GC/MS konnte weiter optimiert werden. Es wurden MP-Massen bestimmt.
Im Projekt wurden erste realitätsnahe Referenzmaterialien für die MP Detektion hergestellt. Die Herstellung von realitätsnahen Polymeren in ausreichender Homogenität und Menge hat sich als große Herausforderung herausgestellt.
The existence of microbial activity hotspots in temperate regions of Earth is driven by soil heterogeneities, especially the temporal and spatial availability of nutrients. Here we investigate whether microbial activity hotspots also exist in lithic microhabitats in one of the most arid regions of the world, the Atacama Desert in Chile. While previous studies evaluated the total DNA fraction to elucidate the microbial communities, we here for the first time use a DNA separation approach on lithic microhabitats, together with metagenomics and other analysis methods (i.e., ATP, PLFA, and metabolite analysis) to specifically gain insights on the living and potentially active microbial community. Our results show that hypolith colonized rocks are microbial hotspots in the desert environment. In contrast, our data do not support such a conclusion for gypsum crust and salt rock environments, because only limited microbial activity could be observed. The hypolith community is dominated by phototrophs, mostly Cyanobacteria and Chloroflexi, at both study sites. The gypsum crusts are dominated by methylotrophs and heterotrophic phototrophs, mostly Chloroflexi, and the salt rocks (halite nodules) by phototrophic and halotolerant endoliths, mostly Cyanobacteria and Archaea. The major environmental constraints in the organic-poor arid and hyperarid Atacama Desert are water availability and UV irradiation, allowing phototrophs and other extremophiles to play a key role in desert ecology.
In situ secondary ion mass spectrometry (SIMS) analyses of δ7Li, Li/Ca, and Mg/Ca were performed on five synthetic aragonite samples precipitated from seawater at 25°C at different rates. The compositions of δ7Li in bulk aragonites and experimental fluids were measured by multicollector inductively coupled plasmamass spectrometry (MC-ICP-MS). Both techniques yielded similar δ7Li in aragonite when SIMS analyses were corrected to calcium carbonate reference materials. Fractionation factors α7Li/6Li range from 0.9895 to 0.9923, which translates to a fractionation between aragonite and fluid from -10.5‰ to -7.7‰. The within-sample δ7Li range determined by SIMS is up to 27‰, exceeding the difference between bulk δ7Li analyses of different aragonite precipitates. Moreover, the centers of aragonite hemispherical bundles (spherulites) are enriched in Li/Ca and Mg/Ca relative to spherulite fibers by up to factors of 2 and 8, respectively. The Li/Ca and Mg/Ca ratios of spherulite fibers increase with aragonite precipitation rate. These results suggest that precipitation rate is a potentially important consideration when using Li isotopes and elemental ratios in natural carbonates as a proxy for seawater composition and temperature.