4 Material und Umwelt
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Organisationseinheit der BAM
- 4 Material und Umwelt (848)
- 4.1 Biologische Materialschädigung und Referenzorganismen (192)
- 4.3 Schadstofftransfer und Umwelttechnologien (189)
- 4.4 Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung (143)
- 4.5 Kunst- und Kulturgutanalyse (141)
- 4.2 Material-Mikrobiom Wechselwirkungen (137)
- 4.0 Abteilungsleitung und andere (74)
- 6 Materialchemie (62)
- 1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien (45)
- 6.2 Material- und Oberflächentechnologien (26)
Antimicrobial resistance (AMR) is a global health problem. It is well known that antibiotics can drive evolutionary processes that underlie antimicrobial resistance (AMR) evolution and spread in clinical and environmental settings. In contrast, less is known about the effects of antimicrobial substances that are used as biocides (i.e. disinfectants and preservatives) on AMR evolution and spread. Biocides are present in various settings, interacting with diverse microbial communities. Therefore, it is crucial to evaluate their role in the evolution and dissemination of antimicrobial resistance. Biocides occur in a wide range of concentrations in various environmental settings. By examining how the various concentrations affect selection mechanisms, we gain insights into potential developments related to antimicrobial resistance. The aim of this PhD thesis is to investigate the effects of biocides on processes underlying resistance evolution. Specifically, the work focused on key mechanisms for resistance spread, resistance evolution, and the effect of selection pressures on evolved resistance mechanisms. The thesis is structured around three major objectives: (i) to determine the effect of biocides on the evolution of resistance by affecting the rate of occurrence of de novo mutations, (ii) to determine the effect of biocides on the spread of resistance genes by modifying the rate of horizontal gene transfer (HGT) processes, and (iii) to investigate the selective drivers of the emergence of antimicrobial resistance in adaptive laboratory evolution (ALE) experiments. De-novo mutations are spontaneous mutations that occur at a certain rate in microorganisms. The effect of biocides at subinhibitory environmentally relevant concentrations on the mutation rate in Acinetobacer baylyi, Bacillus subtilis and Escherichia coli was assessed with the fluctuation assay. The results showed that biocides affected mutation rates in a species and substance dependent matter. The bisbiguanide chlorhexidine digluconate, the quaternary ammonium compound didecyldimethylammonium chloride, the metal copper, the pyrethroid-insecticide permethrin, and the azole-fungicide propiconazole increase mutation rates in E. coli, whereas no increases were identified for B. subtilis and A. baylyi. Horizontal gene transfer refers to diverse mechanisms that mediate the transfer of mobile genetic elements between microorganisms. This work focused on conjugation and transformation. Conjugation is a process whereby a conjugative plasmid is transferred from a donor cell to a recipient cell. Transformation is a process whereby exogenous donor DNA is taken up into a recipient cell and integrated into the recipient’s’ genome. The effects of subinhibitory environmentally relevant biocide concentrations on the conjugation rate of E. coli and the transformation rate of the naturally competent organisms A. baylyi in were assessed. The results showed that benzalkonium chloride (BAC), chlorhexidine and permethrin increased conjugation in E. coli, while none of the biocides increased transformation rates in A. baylyi. To further understand the molecular mechanisms underlying the effects on mutation and conjugation rates, I investigated the induction of the RpoS-mediated general stress and the RecA-linked SOS response upon biocide exposure. The results show a link between the general stress and the SOS response with increased rates of mutation and conjugation, but not for all biocides. One major approach to study the evolutionary response of bacteria to antimicrobials are ALE experiments with growth at subinhibitory concentrations linked to serial subculturing over many generations. Such experiments have been used to study resistance evolution to antibiotics and biocides. However, previous work showed that adaptation to biocide stress may be mediated by different evolutionary drivers. Here, I investigated the contributions of evolution for increased survival as opposed to improved growth in ALE experiments with E. coli exposed to subinhibitory BAC concentrations. Two distinct evolutionary treatments selecting for survival only or survival and growth led to specific evolutionary adaptations apparent in the phenotypes and genotypes of the evolved populations. Populations growing in the presence of BAC evolved increased fitness in the presence of BAC associated with higher resistance to BAC and cross-resistance to antibiotics, while this was not the case for populations evolving for increased survival only. Genotypic characterization by whole genome sequencing of the evolved populations revealed parallelism in mutated genes among replicate populations and distinct differences across treatments. Treatments selecting for survival and growth showed mutations in stress response related genes (hslO and tufA), while selection for survival led to mutations in genes for metabolic regulation (cyaA) and cellular structure (flagella fliJ). In summary, this thesis shows that biocides affect AMR evolution and emphasizes the importance of understanding of how biocides impact the molecular and evolutionary process that underlie AMR evolution.
Advanced light weight applications like aircrafts and wind turbine blades are made of fibre reinforced plastics (FRP) with continuous fibre reinforcement and must withstand a high thermo-mechanical cyclic loading. The quality of the fibre matrix interface has a high impact on the fatigue life and was continuously improved over the years since the 50th. The fatigue life of glass fibre reinforced plastics (GFRP) used in aircraft industry is 10 to 100 times higher compared to glass fibre non crimp fabrics used for wind turbine blades.
To assure a constant and reliable high quality and strength of reinforcement fibres, synthetic fibre production is state of the art (CF, GF). There is a need for recycling GFRP and CFRP waste due to the upcoming use. Pyrolysis and solvolysis are more expensive than the mechanical route however enable a more sustainable recycling. Natural fibres and recycled synthetic fibres have a high scatter in quality and strength. Hence it is a challenge to optimize the production / recycling processes to get a reliable quality for any demanding (second life) application.
Chemical routes for using renewables resources and recycling, is going to be a good approach especially for polymer-matrix systems to get 100% quality (back) compared to the state of the art.
Finally, a proper design, life-time extension and repair is preferable to recycling to keep the carbon footprint as low as possible.
Aschen und Schlacken aus der thermischen Abfallbehandlung stellen mit rund 25% Massenanteil die größte Reststofffraktion dar. In Deutschland fallen pro Jahr rund 6 Millionen Tonnen an. Während sich die Verwertung der metallischen Anteile problemlos gestaltet, werden an die mineralische Fraktion Anforderungen bezüglich der möglichen Freisetzung von Schwermetallen sowie Chlorid und Sulfat gestellt. In der Ersatzbaustoffverordnung sind für Aschen und Schlacken aus der Abfallverbrennung zwei Materialklassen mit unterschiedlich hohen Anforderungen an die Umweltverträglichkeit definiert. Im Rahmen eines Forschungsprojekts wurde untersucht, ob mit Abtrennung der Feinfraktion von 0–2mm die höhere Materialklasse HMVA-1 erreicht werden kann. Im Ergebnis wurde eine Verbesserung des Auslaugverhaltens erzielt, doch nicht in dem Maß, dass eine Qualität nach HMVA-1 erreicht wird. Rostaschen halten aber die Anforderungen zur Deponierung auf einer DK I-Deponie sowie die Anforderungen zur Verwertung gemäß HMVA-2 sicher ein.
Obwohl der Leichtbau mit carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz und zur Ressourceneffizienz liefert, stellt der wachsende Abfallstrom von aktuell 62 kt/a eine große Herausforderung dar. Weil die Produktion von Carbonfasern (CF) überwiegend auf fossilen Rohstoffen basiert und sehr energieintensiv ist, werden nachhaltige Recyclinglösungen dringend benötigt. Hier wird ein Überblick über aktuelle Recyclingprozesse gegeben und deren Limitierungen diskutiert. Darüber hinaus wird eine Möglichkeit zur sicheren chemischen Nutzung von CF-haltigen Reststoffen aufgezeigt, die nicht zur Wiederverwertung geeignet sind. Das Projekt CF Pyro untersucht deren Einsatz als Sekundärrohstoff in der Pyrometallurgie und setzt besondere Schwerpunkte bei der Reaktivität von CF, der Prozessstabilität und der Vermeidung von Emissionen gesundheitsschädlicher WHO-Fasern. Abschließend wird eine, auf den experimentellen Ergebnissen und im Dialog mit Expertinnen und Experten aus Wirtschaft, Wissenschaft und Politik entwickelten, Technologiebewertung vorgestellt.
Obwohl der Leichtbau mit carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz und zur Ressourceneffizienz liefert, stellt der wachsende Abfallstrom von aktuell 62 kt/a eine große Herausforderung dar. Weil die Produktion von Carbonfasern (CF) überwiegend auf fossilen Rohstoffen basiert und sehr energieintensiv ist, werden nachhaltige Recyclinglösungen dringend benötigt. Hier geben wir einen Überblick über aktuelle Recyclingprozesse und diskutieren deren Limitierungen. Darüber hinaus zeigen wir eine Möglichkeit zur sicheren chemischen Nutzung von CF-haltigen Reststoffen auf, die nicht zur Wiederverwertung geeignet sind. Das Projekt CF Pyro untersucht deren Einsatz als Sekundärrohstoff in der Pyrometallurgie und setzt besondere Schwerpunkte bei der Reaktivität von CF, der Prozessstabilität und der Vermeidung von Emissionen gesundheitsschädlicher WHO-Fasern. Nach der Präsentation der Projektergebnisse erfolgte in der Diskussion mit Expertinnen und Experten aus Wirtschaft, Wissenschaft und Politik eine Technologiebewertung für die Nutzung von CF in pyrometallurgischen Prozessen.
The classification of incineration bottom ash (IBA) as hazardous or non-hazardous according to ecotoxic hazard property HP14 is still under debate. In this context, only the compounds of Zn and Cu with the hazard statement code H410 are of relevance. With an approach based on the grouping of substances, it was shown that such substances are either readily water-soluble or slightly and sparingly soluble. The concentrations of readily soluble Cu and Zn compounds in IBA are far below the cut-off value of 0.1%. Slightly and sparingly soluble Zn and Cu compounds could be quantified in the first fraction of a four-step sequential extraction procedure. With the results from the complete sequence, the dimensionless synthesis toxicity index (STI) was calculated and was in the range of 494 to 1218 for the four investigated IBA samples. It was concluded that IBA can usually be classified as non-hazardous.
Detektion, Quantifizierung und Entfernung von insbesondere ultrakurzkettigen PFAS in Grundwasser
(2024)
Da PFAS in großem Umfang in einer Vielzahl von Produkten verwendet wurde, sind sie im Grundwasser in der Nähe vieler industrieller und militärischer Anlagen weltweit zu finden. Darüber hinaus führten neue Vorschriften und Beschränkungen für die Verwendung von langkettigen PFAS zu einer vermehrten Produktion kurzkettiger Alternativen. Ultrakurzkettige PFAS (≥C3) können natürliche und anthropogene Barrieren durchdringen und schließlich in Trinkwasserquellen gelangen. Zudem entfernen die meisten gängigen Trinkwasser-aufbereitungsverfahren die ultrakurzkettigen PFAS nicht ausreichend. Im Kooperationsprojekt DEFEAT-PFAS wird daher das Ziel verfolgt, Wissenslücken über Nachweis, Quantifizierung und Entfernung von kurz- (C4-C7) und ultrakurzkettige (C1-C3) PFAS, in kontaminiertem Grundwasser zu schließen. Die israelischen und deutschen Projektpartner entwickeln dafür analytische Methoden and selektive Passivsammler, um das zeitliche Profil von PFAS-Spezies im Grundwasser zu erfassen und überwachen. Darüber hinaus ein zweistufiges Verfahren entwickelt, welches darauf ausgelegt ist, die relativ niedrigen PFAS-Konzentrationen im Grundwasser durch neuartige Membranverfahren, Umkehrosmose im Batchbetrieb mit geschlossenem Kreislauf sowie Verbund-Nanofiltrationsmembranen, zu konzentrieren. Anschließend werden die PFAS angereicherten Konzentrate mittels Koagulation behandelt und das verbleibende PFAS an kohlenstoffhaltigen Nanomaterialien adsorbiert.
The research project focuses on tackling the detection, measurement, and elimination of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) from polluted groundwater, with a particular emphasis on addressing short (C4-C7) and ultrashort (C1-C3) chain PFAS. Given the widespread use of PFAS in various products, they are commonly found in groundwater near industrial and military sites in Germany and Israel. Moreover, recent regulations limiting the use of long chain PFAS have led industries to shift towards shorter chain alternatives. Hence, our efforts are geared towards refining detection, quantification, and removal methods for short and ultrashort chain PFAS. In terms of detection, ww are developing passive sampling devices capable of collecting and tracking the temporal distribution of PFAS species in groundwater. This will enable us to analyze contaminations in German and Israeli groundwater using cutting-edge analytical techniques. Additionally, contaminated groundwater will undergo a two-stage treatment process aimed at concentrating the relatively low PFAS concentrations using innovative membrane technologies such as closed-circuit reverse osmosis and mixed matrix composite nanofiltration membrane adsorbers. Subsequently, the streams containing higher PFAS concentrations will be treated through coagulation, with the remaining PFAS being adsorbed onto carbonaceous nanomaterials. The outcome of this research will include the creation of advanced tools for detecting, measuring, and eliminating PFAS from polluted groundwater, while also enhancing our understanding of the scope of these contaminations.
Ultrashort PFAS (≤ 3 carbon atoms) were overlooked for a long time in analytical monitoring. Beside through the use of these substances, they contribute to the PFAS background in the environment through (environmental/ bio-) degradation and incomplete destruction3 of PFAS with longer carbon chains or other fluorinated compounds. As part of the German-Israeli Cooperation in Water Technology Research project „Detection, quantification, and treatment of per- and polyfluoroalkyl substances in groundwater“ (DEFEAT-PFAS), we are developing an as simple as possible direct headspace (HS-)GC-MS method to detect trifluoroacetic acid (TFA) and perfluoropropanioc acid (PFPrA), as well as trifluoroethanol (TFEtOH), pentafluoropropanol(PFPrOH) and hexafluoroiospropanol (HFIP) in water samples. Here we present the results of the PFAS mentioned in spiked ultrapure water solutions.