4 Material und Umwelt
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Biocides, including disinfectants and antimicrobial surfaces (AMCs), are important to prevent the spread of pathogens and antimicrobial resistant bacteria via surfaces. However, concerns have been raised about the evolution and selection of resistance against disinfectants and AMCs. In turn, resistance against disinfectants and AMCs can be associated to antibiotic resistance due to cross-resistance and co-resistance. We need to understand the mechanisms and risks of disinfectants and AMCs for resistance and cross-resistance evolution to optimize their application and safeguard their long-term efficacy. We used adaptive laboratory evolution (ALE) experiments based on repeated exposure of bacteria to disinfectants. Our results show that repeated disinfection of E. coli with benzalkonium chloride in suspension results in a 2000-fold increase in survival within 5 exposure cycles. Adaption is linked to the initial presence of persister cells highly tolerant to benzalkonium chloride. We used the same approach to develop standardizable ALE experiments to determine resistance evolution to AMCs. The results highlight rapid adaptation of E. coli and P. aeruginosa towards copper surfaces. Moreover, there are multiple situations in the clinic or in the environment in which biocides and antibiotics co-occur and in which combination effects can shape their antimicrobial activity or their selective effects. Our work with P. aeruginosa shows prevalent combination effects of biocides and antibiotics, ranging from synergy to antagonism and resulting in the selection for or against antibiotic resistant strains. The combination effects are dependent on the biofilm mode-of-growth, manifesting in apparent differences in the structural arrangement of antibiotic sensitive and resistant strains in biofilms exposed to combinations. Furthermore, biocides affect rates of mutation and horizontal gene transfer, thereby having a potential facilitating effect on resistance evolution. Taken together, our work shows that the role of biocides as potential drivers of resistance evolution and selection deserves further study and regulative action.
Mehrere Aspekte wurden im Hinblick auf die Standardisierung eines geeigneten Verfahrens für die Analyse sehr flüchtiger organischer Verbindungen (VVOCs) untersucht. Die Verwendung gasförmiger Standards ist notwendig und es wurde ein stabiles Standardgasgemisch aus 60 Substanzen erfolgreich erzeugt und auf Stabilität und Reaktivität überprüft. Die Eignungsuntersuchung verschiedener Chromatographiesäulen ergab, dass PLOT-Säulen (Porous Layer Open Tubular) für die VVOC-Analytik gut geeignet sind. Für die 60 Analyten wurden Wiederfindungsraten auf mehreren Adsorbenzien und deren Kombinationen bestimmt. Dabei zeigte eine Kombination aus einem graphitierten Ruß und einem Kohlenstoff-Molekularsieb hervorragende Ergebnisse für alle Zielkomponenten. Nachteilig an Kohlenstoff-Molekularsieben ist, dass sie Wasser adsorbieren, was die Analyse beeinträchtigen kann. Zur Wasserentfernung wurden verschiedene Optionen wie das Trockenspülen oder der Einsatz eines Trocknungssystems untersucht.
Aim. The European biocidal products regulation requires environmental risk assessments for biocidal products under service conditions. This is only possible, if processes that lead to biocide emissions into the environment are understood and can be reasonably predicted.
Actual emissions due to leaching result from different processes that are affected by material properties and environmental conditions. Transformation of biocides can affect emissions considerably.
Leaching and possible transformation of the film preservatives carbendazim, diuron, OIT and terbutryn in paints was observed under laboratory and field conditons in order to investigate the influence of different factors, e.g. water contact and radiation on biocide emissions. The paints contained either white titanium dioxide or a red iron oxide pigment to check whether pigments affect leaching processes.
Methods. Test specimens of a water-based styrene acrylic dispersion paint on glass were exposed to UVA-radiation in a UV weathering device and/or exposed to water contact by immersion events on the basis of the European standard EN 16105. Plywood panels were coated and exposed to natural weather conditions in a semi-field experiment. Concentrations of biocides and transformation products were analysed in leachates from laboratory tests, runoff samples and remaining coatings.
Results. The impact of weathering conditions on transformation processes differs for the investigated active substances. Water contact, radiation as well as pigments in the paints determine the pattern and amount of transformation products on coatings, leachates and runoff water. Observations from laboratory and field experiments were compared. It proved that results from laboratory tests support understanding of data from field experiments.
Detailed knowledge on the fate of active substances under environmental conditions supports manufacturers to develop safe applications of film preservatives and authorities to evaluate its environmental impact.
Fungi that share light-flooded habitats with phototrophs may profit from their excess photosynthetic products. But to cope with sunlight-associated stresses [e.g. high temperatures, UV radiation with associated DNA damage, accumulation of reactive oxygen species (ROS), desiccation and osmotic stresses] it is important for fungi to accurately sense and respond to changes in light. The genomes of black [dihydroxynaphthalene (DHN) melanin-containing] fungi from phyllosphere and exposed solid surfaces contain multiple photoreceptors (PRs). The plant pathogen Botrytis cinerea (Leotiomycetes) has a highly sophisticated photosensory and signalling system that helps to avoid light and to locate susceptible hosts. Rock-inhabiting Dothideomycetes and Eurotiomycetes including Knufia petricola possess equal numbers of PRs along with the same set of protective pigments. This similarity between black fungi from plant and rock surfaces suggests that photoperception and -regulation are important for fungi that receive nutrients through cooperation with phototrophs.
Sunlight is an important environmental factor is almost all ecosystems by being a source of energy, information, and stress. All organisms must protect themselves from the harmful effects of light such as UV radiation, ROS accumulation, heat, and desiccation. Finally, light qualities and quantities can be used for decision making, timing and as guide for directed growth when they are sensed and transduced into intracellular signals. Botrytis cinerea and other plant pathogens infecting the sun-exposed parts of the plant must cope with the high light conditions the host plant seeks. Further they experience an altered light spectrum (‘green gap’) when they colonize shaded parts of the plant; it is depleted for blue and red light that is absorbed by the plant chlorophyll and enriched for green and far-red light that is reflected or transmitted by the plant tissue. As these ambient light conditions trigger the shade avoidance response in the plant, the pathogens may trigger their own ‘shading response’ such as the upregulation of virulence determinants and inoculum production. B. cinerea maintains a highly sophisticated light signaling machinery that senses different light qualities to trigger a variety of responses, that are protection, morphogenesis, positive and negative tropisms, and entrainment. These characteristics render B. cinerea a valuable model to enlighten the role of light in parasitic fungus-plant interactions and beyond. The vegetative mycelium – the core of all infection and developmental programs – is not visibly pigmented and thus considered to be sensitive to biotic and abiotic stresses. However, the vegetative hyphae have a very limited half-life and are usually restricted to the invasive growth phase in which they are protected from light by the plant tissue. Fast colonization of host tissues and by this proper nutrient acquisition enables the rapid formation of long-lasting reproduction structures (melanized conidiophores with conidia, sclerotia) on the surfaces of rotted plant tissues. Depending on the light and temperature conditions, conidiation or sclerotial development is initiated. Taken together, B. cinerea uses light-regulated signaling networks to avoid light whenever possible; for example, by minimizing the half-life of sensitive cells that are hiding in plant tissues and by scheduling critical steps such as conidiogenesis, conidial germination and penetration of plant tissues for the night.
Die passive Probenahme von VOC (Volatile Organic Compounds) mit Tenax® TA und Thermodesorption GC/MS Analytik ist eine einfache, kosteneffiziente und repräsentative Methode zur Bestimmung der VOC-Konzentrationen in der Innenraumluft. In der Theorie ist die Stoffaufnahme in den Passivsammler nur abhängig vom Diffusionskoeffizienten der Substanz in Luft und der Geometrie des Sammlers (ideale Adsorption). Um sie zu charakterisieren, wird die Aufnahmerate (UR), definiert als Quotient der Massenaufnahme und dem Produkt aus Konzentration und Expositionszeit, verwendet. Viele effektive Aufnahmeraten (UR,eff) unterscheiden sich beträchtlich von idealen (theoretischen) Werten (UR,id). Literaturwerte sind in nationalen und internationalen Normen lediglich für bestimmte Expositionszeiten vorgegeben, während detaillierte Informationen über den zugehörigen Konzentrationsbereich fehlen. Außerdem ist die Anzahl der insgesamt in der Literatur beschriebenen Substanzen begrenzt. Das Ziel der vorgestellten Studie ist es diesen Fundus an Aufnahmeraten zu begutachten und zu prüfen und ihn durch die Bestimmung eigener qualitätsgesicherter Laborwerte zu ergänzen. Die bestimmten Aufnahmeraten werden als akkurat bezüglich ihrer relativen Standardabweichung und Vergleichbarkeit zu Literaturwerten betrachtet und können für Expositionszeiten von 7 Tagen bei Konzentrationen von 50 100 µg/m³ (ca. 100 300 ppm min) empfohlen werden. Die Sieben Tage Aufnahmeraten aus ISO16017 2 und ASTM D6196 sind nicht generell für diesen Zweck geeignet, wie exemplarisch für Benzol gezeigt wurde.
Die Zementindustrie und weitere energieintensive Industrien wie etwa die Stahlindustrie stehen vor dem Hintergrund der Transformation unserer Gesellschaft zur Klimaneutralität vor erheblichen Herausforderungen. Ziel dieser Branchen ist perspektivisch die vollständige Vermeidung klimaschädlicher Emissionen – mit besonderem Fokus auf Kohlendioxid. Neben der Umstellung auf regenerative Energieträger, sind im Speziellen für die Zementindustrie die erheblichen Anteile an CO2-Emissionen durch die Entsäuerung von Kalkstein zukünftig zu vermeiden. Da die hervorragenden Bindemitteleigenschaften des bisher hauptsächlich in Zementen eingesetzten Portlandklinkers jedoch auf Calciumverbindungen wie Tri- und Di-calciumsilikaten basieren, stellt die Substitution des Kalks derzeit für die Zementindustrie die größte Herausforderung dar. Neben vollständig neuen Bindemittelsystemen ohne Verwendung von Kalk und CCS/CCU-Technologien zur Vermeidung der CO2-Emissionen bei Verwendung von Kalk, können Abfälle und Nebenprodukte wie etwa Betonbrechsand, verschiedene Schlacken und weitere Massenreststoffe sinnvoll zur Einsparung von Rohstoffen und zur Vermeidung von CO2-Emissionen eingesetzt werden. Es gilt diese Potentiale von Sekundärrohstoffen branchenübergreifend zu identifizieren und Synergien zwischen den Branchen nutzbar zu machen. Hierbei werden neben der chemischen Zusammensetzung der Abfälle und Nebenprodukte auch die Verfügbarkeit und der Massenstrom relevante Kriterien sein. Die potenziellen Sekundärrohstoffe und deren Gemische mit chemisch ähnlicher Zusammensetzung wie die bisher verwendeten Bindemittel, können durch verschiedene technische Ansätze wieder in reaktive Bindemittel umgewandelt und damit nutzbar gemacht werden. Eine gezielte Umwandlung der nicht reaktiven mineralischen Phasen in neue mineralische Phasen mit guten Bindemitteleigenschaften, kann u. a. durch Schmelzprozesse erzielt werden. In Schmelzen können bei hohen Temperaturen die bestehenden, nicht reaktiven mineralischen Phasen zerstört und neue mineralische Phasen mit guten Bindemitteleigenschaften erzeugt werden. Hohe Freiheitsgrade durch gezielte Einstellung der stofflichen Zusammensetzung der Schmelze, durch Stoffseparationen und durch geregelte Abkühlregimes können eine maßgeschneiderte Erzeugung neuer Bindemitteltypen ermöglichen. Aufgrund der hohen erforderlichen Temperaturen von Schmelzprozessen ist die Umsetzung dieser neuen Verfahren nach Möglichkeit in bestehenden pyrometallurgischen Produktionsrouten wie etwa der Stahlproduktion vorzunehmen. So kann etwa der Einsatz von Betonbrechsand als Schlackebildner in der Stahlproduktion zielführend sein, wenn die Schlacke wieder zu einem Bindemittel prozessiert wird und in Zementen Verwendung findet. Eine stoffliche Kreislaufführung wäre hiermit gegeben, wobei der Einsatz von Kalkstein als Schlackebildner oder Rohstoff für die Zementproduktion, und damit die entsprechenden CO2-Emissionen, vermieden werden. Die Entwicklung neuartiger Bindemittelsysteme auf Basis von Sekundärrohstoffen sollte von erforderlichen Anpassungen und neuen Entwicklungen in der Regelsetzung und Normung begleitet werden. Vor allem muss gewährleistet sein, dass die mit neuen Bindemitteln hergestellten Betone den hohen Anforderungen an Dauerhaftigkeit und Umweltverträglichkeit genügen. Des Weiteren sollte mit den etablierten Methoden, wie etwa der Lebenszyklusanalyse, untersucht werden, inwiefern und in welchem Umfang die neuen technischen Entwicklungen zu Nachhaltigkeit und Klimaschutz beitragen.
Microbiologically Influenced Corrosion of Cast Iron Containers for High-Level Nuclear Waste Disposal
(2022)
Ductile and corrosion resistant cast iron is investigated as a potential container material to store high-level nuclear waste (HLW) in deep geological repositories (DGR) in claystone bedrock. The dynamic corrosion process is dependent on the conditions present in the DGR which are influenced and/or controlled by geochemical parameters (e.g., redox potential, pH, presence of and ionic concentration in (pore-)water), physical parameters (e.g., pressure), and the influence of metabolically active microorganisms. Cast iron corrosion will occur at the intersection of container and its decontaminable coating with the bentonite backfill material which contains natural microbial populations.
The conditions in a DGR are simulated in microcosm experiments to investigate the impact of microbiologically influenced corrosion (MIC); the microcosms contain: B27 bentonite, synthetic pore water, N2 or N2-CO2 atmosphere, cast iron coupons, as well as the bacterium Desulfosporosinus burensis (isolated from repository depth in Buré, France). Three coupon configurations will be used: untreated, coated with decontaminable coating, and coated with decontaminable coating which has been damaged to simulate possible damages. The microcosms will be examined for bio- and geochemical parameters, such as pH, redox potential, mineral phases, sulphate concentration, Fe(II):Fe(III), changes in microbial populations, and the corrosion process for formation of corrosion products, and potential microbial influence, after a 270-day incubation period at 25°C under anaerobic conditions. In subsequent experiments, the sorption behavior of lanthanides and actinides onto the membranes of viable cells and spores of D. burensis, as well as the surface of corroded cast iron coupons will be investigated.