4 Material und Umwelt
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Organisationseinheit der BAM
- 4 Material und Umwelt (854)
- 4.1 Biologische Materialschädigung und Referenzorganismen (192)
- 4.3 Schadstofftransfer und Umwelttechnologien (191)
- 4.4 Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung (145)
- 4.5 Kunst- und Kulturgutanalyse (143)
- 4.2 Material-Mikrobiom Wechselwirkungen (137)
- 4.0 Abteilungsleitung und andere (76)
- 6 Materialchemie (63)
- 1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien (45)
- 6.2 Material- und Oberflächentechnologien (26)
Black microcolonial fungi (MCF) are persistent inhabitants of rock surfaces in hostile desert environments. In these niches, MCF have evolved mineral-weathering and symbiotic capabilities as well as mechanisms to cope with multiple stresses such as solar irradiation, temperature extremes and low water activity. Due to their stress tolerance these ascomycetes are prominent in modern terrestrial ecosystems – like man-made material surfaces from roof to solar panels. MCF interactive capabilities support their facultative symbiotic relationships with cyanobacteria and ensure their rock-weathering geochemical activity.
Using the rock-inhabiting fungus K. petricola A95 (Chaetothyriales), we developed transformation protocols and deleted genes responsible for production of the protective pigments melanins and carotenoids. To confirm that the mutant phenotypes were not due to hidden mutations, melanin synthesis was restored by complementing the mutants with the respective wild type genes. Strains of K. petricola carrying gene variants for fluorescent proteins EGFP and DsRed are available. We successfully labelled the cytoplasm, nuclei, peroxisomes and mitochondria. Targeted and ectopic integrations result in stable transformants suitable for further phenotypical characterization. As K. petricola is a non-pathogenic fungus with all characteristic features of MCF, including meristematic growth, melanized cell-walls, extracellular polymeric substances and extensive pigment production, our results will shed light on protective role of pigments during cell wall maturation and oxidative stress defence in rock-inhabiting MCF. Genes involved in environmental sensing or substrate and phototroph interactions are currently targeted. With the help of a mutant collection and fluorescently labelled K. petricola we will be able to investigate interactions of MCF with environmental stressors, mineral substrates, soil matrices and phototrophic symbionts.
Plants and microorganisms, besides the climate, drive nitrogen (N) cycling in ecosystems. Our objective was to investigate N losses and N acquisition strategies along a unique ecosystem-sequence (ecosequence) ranging from arid shrubland through Mediterranean woodland to temperate rainforest. These ecosystems differ in mean annual precipitation, mean annual temperate, and vegetation cover, but developed on similar granitoid soil parent material, were addressed using a combination of molecular biology and soil biogeochemical tools. Soil N and carbon (C) contents, δ15N signatures, activities of N acquiring extracellular enzymes as well as the abundance of soil bacteria and fungi, and diazotrophs in bulk topsoil and rhizosphere were determined. Relative fungal abundance in the rhizosphere was higher under woodland and forest than under shrubland. This indicates toward plants' higher C investment into fungi in the Mediterranean and temperate rainforest sites than in the arid site. Fungi are likely to decompose lignified forest litter for efficient recycling of litter-derived N and further nutrients. Rhizosphere—a hotspot for the N fixation—was enriched in diazotrophs (factor 8 to 16 in comparison to bulk topsoil) emphasizing the general importance of root/microbe association in N cycle. These results show that the temperate rainforest is an N acquiring ecosystem, whereas N in the arid shrubland is strongly recycled. Simultaneously, the strongest 15N enrichment with decreasing N content with depth was detected in the Mediterranean woodland, indicating that N mineralization and loss is highest (and likely the fastest) in the woodland across the continental transect. Higher relative aminopeptidase activities in the woodland than in the forest enabled a fast N mineralization. Relative aminopeptidase activities were highest in the arid shrubland. The highest absolute chitinase activities were observed in the forest. This likely demonstrates that (a) plants and microorganisms in the arid shrubland invest largely into mobilization and reutilization of organically bound N by exoenzymes, and (b) that the ecosystem N nutrition shifts from a peptide-based N in the arid shrubland to a peptide- and chitin-based N nutrition in the temperate rainforest, where the high N demand is complemented by intensive N fixation in the rhizosphere.
The main obstacle to bottom ash (BA) being used as a recycling aggregate is the content of salts and potential toxic elements (PTEs), concentrated in a layer that coats BA particles. This work presents a dry treatment for the removal of salts and PTEs from BA particles. Two pilotscale abrasion units (with/without the removal of the fine particles) were fed with different BA samples. The performance of the abrasion tests was assessed through the analyses of particle size and moisture, and that of the column leaching tests at solid-to-liquid ratios between 0.3 and 4. The results were: the particle-size distribution of the treated materials was homogeneous (25 wt % had dimensions <6.3 mm) and their moisture halved, as well as the electrical conductivity of the leachates. A significant decrease was observed in the leachates of the treated BA for sulphates (44%),
chlorides (26%), and PTEs (53% Cr, 60% Cu and 8% Mo). The statistical analysis revealed good correlations between chloride and sulphate concentrations in the leachates with Ba, Cu, Mo, and Sr, illustrating the consistent behavior of the major and minor components of the layer surrounding BA particles. In conclusion, the tested process could be considered as promising for the improvement of BA valorization.
Monodisperse iron oxide nanoparticles as reference material candidate for particle size measurements
(2020)
In order to utilize and rationally design materials at the nanoscale the reliable characterization of their physico-chemical properties is highly important, especially with respect to the assessment of their environmental or biological impact. Furthermore, the European Commission’s REACH Regulations require the registration of nanomaterials traded in quantities of at least 1 ton. Powders or dispersions where 50% (number distribution) of the constituent particles have sizes ≤ 100 nm in at least one dimension are defined as nanomaterials. This creates a need for industrial manufacturers and research or analytical service facilities to reliably characterize potential nanomaterials. Currently, BAM is developing reference nanoparticles, which shall expand the scarce list of worldwide available nano reference materials certified for particle size distribution and will also target other key parameters like shape, structure, porosity or functional properties. In this respect, materials like iron oxide or titanium dioxide are considered as candidates to complement the already available silica, Au, Ag, and polystyrene reference nanoparticles.
The thermal decomposition of iron oleate precursors in high boiling organic solvents can provide large quantities of iron oxide nanoparticles that can be varied in size and shape.[1, 2] The presence of oleic acid or other hydrophobic ligands as capping agents ensures stable dispersion in nonpolar solvents. Such monodisperse, spherical particles were synthesized at BAM and pre-characterized by electron microscopy (TEM, SEM including the transmission mode STEM-in-SEM) and dynamic light scattering comparing cumulants analysis and frequency power spectrum.
1. REACH regulations and nanosafety concerns create a strong need for nano reference materials with diverse properties.
2. Iron oxide nanoparticles are under development as new candidate reference material at BAM.
3. Narrow particle size distribution confirmed by light scattering and electron microscopy.
Eine entscheidende Problematik nach Inkrafttreten der neuen
Klärschlammverordnung ist, wie Phosphor nicht nur rückgewonnen,
sondern in den Markt eingeschleust und letztlich auch
in den Kreislauf zurückgeführt werden kann. Die Wege hierzu
sind noch weitgehend ungeklärt. Die DWA-Arbeitsgruppe KEK-
1.1 hat aus diesem Grund einen Workshop durchgeführt, um
rechtliche Anforderungen an Rezyklate, Aspekte der Rezyklatqualität
und -beschaffenheit sowie den aktuellen Markt für Rezyklate
zu diskutieren. Auf Basis dieses Workshops wurde ein
Arbeitsbericht erstellt, der sich schwerpunktmäßig mit dem Einsatz
von Rezyklaten zu Düngezwecken beschäftigt. Hierzu liegen
bereits Erkenntnisse vor, und es sind bereits Praxisbeispiele in
der Umsetzung.
Verwertung von Klärschlamm
(2018)
Die natürlichen Nährstoffkreisläufe werden durch anthropogene Einflüsse, wie das Einbringen von Schadstoffen in nährstoffreiche Stoffströme, und die ungünstige lokale Verteilung der Nährstoffe (z.B. im Zuge der Intensivtierhaltung), erheblich gestört. Es sind lokale Unter- und Überversorgungen mit Nährstoffen zu beobachten. Gelangen die Nährstoffe in Gewässer, kommt es zum bekannten Phänomen der Eutrophierung. Hierbei ist der Nährstoff Phosphat meist der limitierende Faktor und es bestehen große Bestrebungen den anthropogenen Eintrag in Fließgewässer, Seen und Binnenmeere zu unterbinden. Der Schutz der Ostsee vor Nährstoffeinträgen ist beispielsweise ein sehr wichtiges Thema geworden und wird u.a. von der Baltic Sea Action Group verfolgt.
Weitere Auswirkungen des bestehenden Systems sind Entzüge aus dem Nährstoffkreislauf, wie etwa bei der Deponierung phosphor- aber gleichzeitig auch schadstoffhaltiger Klärschlammaschen oder bei der Mitverbrennung von Klärschlamm in Müllverbrennungsanlagen, Kraftwerken oder Zementwerken. Hier wird das Phosphat ebenfalls als Bestandteil von Aschen deponiert oder in Form von Baustoffen einer sinnvollen stofflichen Nutzung entzogen. Gegen diese Art des Verlusts von Phosphat aus dem Nährstoffkreislauf hat der Gesetzgeber mit der Novellierung der Klärschlammverordnung reagiert, die am 3. Oktober 2017 in Kraft getreten ist und u.a. Regelungen zur Rückgewinnung von Phosphat aus Klärschlamm und Klärschlammasche enthält.
Klärschlämme aus kommunalen Abwasserbehandlungsanlagen ab einer genehmigtenAusbaugröße von über 100.000 bzw. über 50.000 Einwohnerwerten (EW) dürfen nach einer Übergangsfrist ab dem 1. Januar 2029 bzw. 2032 nicht mehr in der Landwirtschaft oder im Landschaftsbau verwertet werden. Die Betreiber dieser Anlagen sind zur Rückgewinnung des im Schlamm enthaltenen Phosphors verpflichtet, wenn der Klärschlamm einen Phosphorgehalt von 20 g/kg Trockenrückstand (TR) oder mehr aufweist. Für Klärschlämme mit P-Gehalten > 40 g/kg TR reicht alternativ die Absenkung der P-Konzentration um 50 % aus. Die Rückgewinnung kann aus dem Schlamm oder aus der Verbrennungsasche des thermisch vorbehandelten Klärschlamms erfolgen.
Aus der Asche müssen mindestens 80 % des Phosphoranteils zurückgewonnen werden. Anstelle einer Phosphorrückgewinnung aus Klärschlämmen aus kleineren und mittelgroßen Abwasserbehandlungsanlagen (bis 50.000 EW) können diese Schlämme auch
weiterhin zu Düngezwecken auf Böden ausgebracht werden, sofern die Anforderungen und insbesondere die Grenzwerte der Klärschlammverordnung und des Düngerechts eingehalten werden.
In der Abwasserreinigung wird der Makronährstoff Phosphor je nach Typ und Größe der Abwasserreinigungsanlage durch verschiedene Verfahren der Phosphatelimination weitgehend in die feste Phase, den Klärschlamm, überführt. Dies geschieht durch die Zugabe von Fällmitteln auf der Basis von Eisen- oder Aluminiumsalzen, oder durch das Verfahren der vermehrten biologischen Phosphorelimination (Bio-P). Das Phosphat liegt nun abhängig vom eingesetzten Verfahren als Bestandteil der gewachsenen Biomasse, als gefälltes Salz, adsorbiert an Eisen(oxi)hydroxiden oder im Falle der Bio-P Klärschlämme auch intrazellulär in Form von Polyphosphaten vor. Weitergehende Informationen hierzu sind im Beitrag von Kratz et al. Pflanzenverfügbarkeit und agronomische Effizienz von klärschlamm-basierten Phosphor (P) – Recyclingdüngern in diesem Buch zu finden. Die Bindungsformen unterscheiden sich demnach nach Art der eingesetzten Technologie der Phosphatelimination erheblich und haben einen entscheidenden Einfluss auf die verschiedenen Möglichkeiten der P-Extraktion und Rückgewinnung.
A new sewage sludge ordinance was set in force in Germany in 2017 that makes phosphorus recovery from sewage sludge mandatory. The technological possibilities for P-recovery from waste water, sewage sludge and sewage sludge ash were presented.
Die P-Rückgewinnung aus Teilströmen mit erhöhten P-Gehalten kann direkt in den Kläranlagenbetrieb integriert werden und führt dort in vielen Fällen zu betrieblichen und ökonomischen Vorteilen. Sie ist in der Regel auf Bio-P-Kläranlagen beschränkt, da hier die anaerobe P-Rücklösung initiiert und genutzt werden kann. Durch die reine P-Rücklösung durch Schaffung anaerober Bedingungen ist allerdings das Potential der Rückgewinnung auf 5 bis 15 Prozent der Zulauffracht limitiert.
Die meisten Kläranlagen in Deutschland werden mit einer chemischen Phosphor-Fällung betrieben. Diese Anlagen können aus dem Klärschlamm Phosphat in ausreichend hoher Konzentration nur zurückgewinnen, indem zusätzlich anorganische Säuren wie Schwefelsäure zugeführt werden oder ein Aufschluss mit flüssigem Kohlendioxid stattfindet. Es wird angenommen, dass sich mit diesen Verfahren mehr als 50 Prozent der Zulauffracht einer Kläranlage zurückgewinnen lassen. Der Aufschluss von Klärschlamm mit Schwefelsäure geht aber mit vergleichsweise hohen Umweltwirkungen sowie mit höheren Kosten im Vergleich zu anderen Phosphor-Rückgewinnungsverfahren einher. Ein sehr hohes Potential der Rückgewinnung von Phosphor (P) ist bei allen Verfahren gegeben, die als Rohstoff die Asche aus der Monoverbrennung verwerten. Der Aufschluss mit anorganischen Säuren ermöglicht die sichere Phosphor-Rückgewinnung von mehr als 80% Prozent des Kläranlagenzulaufs. Die Verfahren sind zum Teil großtechnisch umgesetzt oder es befinden sich großtechnische Anlagen im Bau. Auch thermochemische Verfahren wurden entwickelt und deren Einsatzbereitschaft im großtechnischen Maßstab erfolgreich demonstriert. In dem nachfolgenden Beitrag werden unterschiedliche praxiserprobte Verfahren zur Phosphor-Rückgewinnung unter technischen und wirtschaftlichen Aspekten vorgestellt.
Zukünftig werden vermehrt P-Recyclate auf den Düngemittelmarkt kommen. Diese müssen ausreichend charakterisiert werden, um Sicherheit und Wirksamkeit beurteilen zu können. Mit dem Vortrag wurde der wissenschaftliche Beirat für Düngungsfragen des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft beraten.
Conventional fertilisers have their disadvantages as nutrient release is not synchronised with the demand of plants. Several approaches of "next generation fertilisers" are aiming at controlled nutrient release. Recycling fertilisers are often not soluble in water but fully plant available. They are suitable raw materials for the production of new types of controlled release fertilisers.
Carbonfasern sind äußerst stabil und werden auch in Anlagen zur Verbrennung von Sondermüll kaum zerstört. Beim Handling carbonfaserhaltiger Abfälle können Gesundheitsrisken auftreten (Abgabe von WHO-Fasern). Es werden Methoden der Verwertung carbonfaserhaltiger Reststoffe in der Pyrometallurgie diskutiert.
Das Element Phosphor ist für alle Lebewesen essenziell und wird beispielsweise von Pflanzen in Form von Phosphaten aufgenommen.
In der landwirtschaftlichen Produktion werden dem Boden die Phosphate durch Wachstum und Ernte der Pflanzen entzogen und müssen ihm in Form von Phosphatdüngemitteln wieder zugeführt werden, um die Nahrungsmittelproduktion zu sichern. Rohphosphat stellt die Grundlage unserer derzeitigen Phosphatdüngemittel dar, ist aber gleichzeitig ein endlicher Rohstoff.
Des Weiteren sind insbesondere sedimentäre Rohphosphate oftmals mit erheblichen Konzentrationen toxischer Schadstoffe wie Cadmium, Uran und Thorium belastet. Eine Kreislaufführung des Phosphats sollte erfolgen, um natürliche Rohstoffvorkommen zu schonen und den Eintrag von Schadstoffen auf unsere Böden zu unterbinden.
Recycled fertilizers produced using processes for the recovery of phosphate from residual materials such as wastewater, sewage sludge and sewage sludge ashes show very good bioavailability, but it is still a product largely unknown to the market. The aim of CLOOP is therefore to document the properties and effects of such fertilizers through chemical, mineralogical and ecological analyses as well as analytical method development and pot and field plant growth trials.
Outotec focused on 3 points in CLOOP: Experimental campaigns, process simulations as well as economic analyses with focus on the AshDec process, respectively the design of a large-scale AshDec plant for phosphorus recovery. The laboratory scale trials as well as the semi-industrial scale campaign provided valuable insights into the operating parameters of the process and the plant. As a result, for example, the temperature range could be significantly lowered, and the additive addition reduced by approx. 20 %. They have further shown that the AshDec process is not susceptible to operating fluctuations and that the product can be consistently produced at high quality. With the selection of suitable operating parameters, heavy metals (As, Pb, Cd, (Zn)) can be removed. Within the campaign, about 1.5 t of fertilizer for the plant trials in CLOOP could be produced. An AshDec plant process was digitally created in simulation software, allowing valuable process parameters to be simulated at various operating parameters. On this basis, a full-scale plant was designed. The data obtained in the project were used for a detailed economic analysis including a sensitivity analysis. It was possible to show under which conditions this plant can be operated economically.
At BAM, the AshDec fertilizer was synthesized with different additives and then applied to plant experiments at Uni Bonn. The goal hereby was to check differences in plant uptake. Because of the promising results of AshDec synthesized with sodium-carbonate and because this AshDec version does not require special off gas treatment for sulfur recovery (compared to AshDec synthesized with sodium-sulfate), all project partners agreed on continuing working with this AshDec variation. It was then used as a raw P-source for formulating it into NPK-fertilizers, by granulation with ammonium-sulfate and straw ash as potassium source. These recycling fertilizers were applied to plant- and field experiments by project partners in Brazil (University of Sao Paulo) and Australia (University of Queensland). Furthermore, in leaching experiments, the solubility of phosphorus in AshDec was compared to triple super phosphate. The experiments were carried out on soils with a varying phosphorus buffering index. Results show, that the phosphorus form in AshDec is way less soluble in water. This indicates that AshDec has the potential for a so-called next generation fertilizer – a fertilizer which’s nutrients remain in the soil and supply the plant according to its needs. At the moment, this behavior gets examined more in depth in lysimeter experiments in cooperation with University of Technology Berlin.
The focus of KWB is the Life Cycle Assessment (LCA) of different NextGen fertilizers to evaluate the entire process chain from recovery to fertilizer application. The NextGen fertilizer is credited by the amount of plant available nutrients in the product, which replace nutrients from conventional fertilizer. The LCA covers N-struvite precipitation from municipal wastewater, K-struvite precipitation from industrial wastewater and the AshDec-product from sewage sludge. The LCA task is almost complete. It could be shown that struvite precipitation has comprehensive environmental benefits, mainly since positive side effects occur in sewage sludge treatment (e.g. reduced sludge volume). In principle, the energetic and ecological profile of the AshDec process compared to direct use of sewage sludge ash cannot be assessed as being generally beneficial or negative. Regarding the global warming potential, the Ashdec process shows that the expenses (e.g. energy, chemicals) cannot be covered by the P fertilizer credit. In contrast, the impact categories “terrestrial acidification potential”, and “freshwater eutrophication potential” show positive results as the credits for conventional fertilizer are higher than the burdens for the process.
At University Bonn, the standardized pot experiments were conducted with several AshDec variations, using ryegrass, soybean, and spinach on a slightly acidic sandy soil and an organic-free standard substrate. P-uptake and biomass production of different AshDec variations were generally like those of triple super phosphate and struvite, and clearly outperformed untreated sewage sludge ash and rock phosphate. Field trials in Australia and Brazil with sugarcane on acidic soils are still ongoing and results are expected by the end of 2021.
Bei der Stahlproduktion fallen verfahrensbedingt große Mengen an Nebenprodukten und Abfällen wie Stahlwerksschlacken, Filterstäube und Gichtgasschlämme an. Hohe Anteile dieser Stoffströme werden aufgrund ihrer Zusammensetzung immer noch deponiert, obwohl sie ein hohes Wertstoffpotential aufweisen. An der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) werden Verfahren untersucht und entwickelt, welche eine Verwertung und Kreislaufführung dieser Materialströme ermöglichen. Aus sogenannten Linz-Donawitz-(LD)-Schlacken können durch carbothermische Nachbehandlung Roheisen und ein dem Portlandzementklinker (PZK) ähnliches Bindemittel erzeugt werden. Aus Elektroofenstäuben und Gichtgasschlämmen kann Zink gewonnen und die Anteile an Eisen und Kohlenstoff in den Stahlproduktionsprozess zurückgeführt werden. Durch diese technischen Maßnahmen kann es gelingen die Deponierung von Abfällen der Stahlproduktion zukünftig deutlich zu reduzieren.
In Bayern wird Klärschlamm aus der kommunalen Abwasserreinigung weitgehend verbrannt. Monoverbrennungsanlagen - ausschließlich für kommunalen Klärschlamm - gibt es in Altenstadt, München, Gendorf, Straubing, Neu-Ulm und zukünftig auch in Augsburg. Die Anlage in Altenstadt verbrennt jährlich ca. 55.000 t Klärschlamm-Trockensubstanz und produziert dabei rund 15.000 t phosphatreiche Aschen.
Die Asche aus Altenstadt wird zurzeit überwiegend direkt landwirtschaftlich genutzt. Aufgrund der niedrigen Schadstoffgehalte ist diese Nutzung nach den düngemittelrechtlichen Regelungen gesetzlich zulässig. Um der Intention der neuen Düngeverordnung (26. Mai 2017) nach hocheffizienten, d.h. gut pflanzenverfügbaren Düngemitteln zu entsprechen, ist eine Aufbereitung der Klärschlammasche geplant. Im Rahmen des R-Rhenania Projektes errichten der Betreiber der Klärschlammverbrennungsanlage Altenstadt in Bayern Emter GmbH - und der Düngemittelhersteller sePura GmbH gemeinsam eine AshDec®-Demonstrationsanlage, die im Jahr 2023 den Betrieb aufnehmen soll. Das angewandte AshDec®-Verfahren schließt die Phosphate in der Klärschlammasche thermisch im Drehrohrofen auf und macht diese für Pflanzen vollständig verfügbar. Gleichzeitig werden Schadstoffe wie Arsen, Blei und Cadmium entfernt. Den thermischen Aufschluss kennt man bereits vom erfolgreichen, aber nicht mehr produzierten Düngemittel „Rhenania-Phosphat“, das auf der Basis von Rohphosphaten hergestellt wurde.
Die geplante Anlage wird neben den Aschen aus Altenstadt zusätzlich die Aschen aus weiteren bayerischen Verbrennungsanlagen verwerten und für eine Kapazität von 30.000 Jahrestonnen Asche ausgelegt sein. Der Projektpartner sePura plant den produzierten Dünger vollständig in Bayern zu verwerten. Dies verringert die Umweltbelastung durch lange Transportwege und fördert die Regionalität des Vorhabens.
extraWERT Forschungsvorhaben
(2022)
Die novellierte AbfKlärV (2017) beinhaltet die Verpflichtung zum P-Recycling ab einem P-Gehalt im Klärschlamm von 20 g/kg. Im Vortrag werden Ergebnisse des Forschungsvorhabens extraWERT zu diesem Themenkomplex vorgestellt. Es werden Untersuchungen zu P-Gehalten deutscher Klärschlämme und zu den zulässigen Analysemethoden dafür vorgestellt.
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.
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.
Vortrag über die Regelungen der AbfKlärV bezüglich P-Rückgewinnung. Diskussion der Auswirkung einer konzentrationsbezogenen Grenze auf die Pflicht zur P-Rückgewinnung. Diskussion der nach AbfKlärV zulässigen analytischen Verfahren zur Bestimmung von P in Klärschlamm und Ableitung von Empfehlungen. Vorstellung der Ergebnisse eines Ringversuchs mit 28 Laboren.
Die Europäische Kommission präsentierte am 11. Dezember 2019 den European Green Deal, ein Konzept mit dem Ziel, bis zum Jahr 2050 als erster Kontinent Klimaneutralität zu erreichen. Mit Inkrafttreten der Verordnung (EU) 2021/1119 des Europäischen Parlaments und des Europäischen Rates am 29. Juli 2021 zur Schaffung des Rahmens für die Verwirklichung der Klimaneutralität („Europäisches Klimagesetz“), ist dieses, sowie das Ziel der Reduzierung der Nettotreibhausgasemissionen um mindestens 55 % bis 2030 in der Gesetzgebung der Europäischen Union verankert. Die Stahlindustrie in der Europäischen Union mit ca. 57 Mio. t Nettotreibhausgasemissionen im Jahr 2020, die annähernd 2 % der Emissionen der Europäischen Union ausmachen (Inklusive Energie: 127 Mio. t; 4 %), bekennt sich zur erheblichen Reduzierung der CO2-Emissionen bis zum Jahr 2030 und zum Erreichen der Klimaneutralität bis zum Jahr 2050. Als Schlüsselwege zur Verwirklichung dieser Zielstellung hat sie zum einen Smart Carbon Usage (SCU) und zum anderen Carbon Direct Avoidance (CDA) in einer Roadmap formuliert. SCU umfasst CO2-reduzierende Maßnahmen in bestehenden Eisen- und Stahlproduktionsprozessen, Carbon Capture and Storage- (CCS) sowie Carbon Capture and Usage-Technologien (CCU). Wohingegen bei CDA CO2-Emissionen durch erneuerbare elektrische Energie sowie wasserstoffbasierte Reduktion des Eisenerzes gar nicht erst entstehen sollen. Der CDA-Weg, der voraussichtlich beschritten werden muss, um eine klimaneutrale Stahlproduktion zu erreichen [38], geht mit einer kostenintensiven Transformation der Stahlproduktion einher, die bereits von vielen Unternehmen der Stahlindustrie eingeleitet wurde und von der im Wesentlichen die beiden in Europa vorherrschenden Stahlproduktionsrouten Hochofen-Konverter-Route und Elektrolichtbogenofen-Route betroffen sind. Die CO2-Emissionen der Hochofen-Konverter-Route, von denen der überwiegende Anteil auf den Hochofen fällt, liegen laut einer für das Jahr 2015 erstellten Studie bei 1921 kg CO2/t Rohstahl inklusive der CO2-Last der Pellets als Einsatzmaterial sowie der Emissionen der nachgelagerten Stranggießanlagen und Walzwerke. Im Hochofen wird das Eisenerz durch Kohlenstoff (C) bzw. Kohlenstoffmonoxid (CO) – welche größtenteils aus dem Koks, der dem Hochofen zusammen mit dem Möller über die Gicht zugeführten wird, stammen – unter Entstehung von Roheisen und Kohlenstoffdioxid (CO2) reduziert. Das neben dem CO2 im Prozessgas enthaltene CO wird zum Beispiel zur Energiegewinnung in peripheren Prozessen ebenfalls unter Bildung von CO2 verbrannt. Zusätzlich zur Reduktion hat der Koks unter anderem physikalische Aufgaben, wie die Errichtung eines Stützgerüstes und die Gewährleistung der Permeabilität im Hochofenprozess. Somit ist eine vollkommene Substitution des Kokses zur Vermeidung der CO2-Emissionen im Hochofen nicht denkbar. Viele Strategien der Stahlunternehmen zum Erreichen der Klimaziele verfolgen daher den Wechsel von der Rohstahlproduktion aus der Hochofen-Konverter-Route hin zur Rohstahlproduktion im Elektrolichtbogenofen (EAF – Electric Arc Furnace) mit dem Einsatz von direkt reduziertem Eisen (Eisenschwamm, DRI – Direct Reduced Iron) aus vorgelagerten Direktreduktionsanlagen, die mit Wasserstoff (H2) als Reduktionsmittel betrieben werden können. Dabei ist die Elektrostahlerzeugung kein neuer Prozess und nimmt in der europäischen Union bereits jetzt einen Anteil von ca. 44 % der Rohstahlproduktion ein, jedoch überwiegend mit Schrott als Einsatzmaterial. Bei der Elektrostahlerzeugung mit Schrotteinsatz fallen laut der oben genannten Studie von Lüngen für das Jahr 20152 410 kg CO2-Emissionen pro Tonne Rohstahl an, von denen der Großteil auf die CO2-Last der fremd bezogenen elektrischen Energie zurückzuführen ist und daher nicht im Produktionsprozess selbst entsteht. Auch die Direktreduktion wird schon seit 1972 in der weltweit zweiten und bis heute in Westeuropa einzigen Direktreduktionsanlage in Hamburg betrieben. Während hier noch mit einem Reduktionsgas gearbeitet wird, das hauptsächlich aus einem aus Erdgas gewonnenen Wasserstoff-Kohlenstoffmonoxid-Gemisch besteht, liegt eine aktuelle Kernherausforderung in der Bereitstellung des in der Größenordnung der von der Transformation betroffenen Rohstahlproduktionskapazitäten notwendigen, mit erneuerbarer elektrischer Energie hergestellten Wasserstoffs. Wird zusätzlich der Strom für das Einschmelzen im Elektrolichtbogenofen aus erneuerbaren Quellen gewonnen und werden schließlich als Brennstoff verwendete Kohle und als Brennstoff verwendetes Erdgas durch CO2-neutrale Bio-Brennstoffe ersetzt, sind sowohl für den Einsatz von mit Wasserstoff reduziertem und auf Pellets ohne CO2-Last basiertem Eisenschwamm als auch für den Einsatz von Schrott CO2-Emissionen von jeweils nur 60 kg CO2/t Rohstahl erreichbar, was eine Reduktion der Emissionen, ausgehend von der Konverter-Hochofen-Route um 97 % und ausgehend von der Schrott-Elektrolichtbogenofen-Route um 85 % bedeuten würde.
Der Betrieb von Elektrolichtbogenöfen macht die an den Standorten vorhandenen Konverter sowie die Infrastruktur für Behandlung und Transport des Roheisens überflüssig. Die fortwährende Nutzung dieser bestehenden Anlagenstruktur dient daher unter anderem als Motivation für die Entwicklung einer zweiten Transformationsstrategie, die einen sogenannten Einschmelzer (SAF – Submerged Arc Furnace) als der Direktreduktionsanlage nachgelagerten Prozess vorsieht, in dem wiederum Roheisen erschmolzen wird, das anschließend im Konverter zu Rohstahl veredelt wird.
Die Transformation der Stahlindustrie beeinflusst einen weiteren CO2-intensiven Industriesektor, nämlich die Zementindustrie die verantwortlich ist für rund 4 % der CO2-Emissionen in der EU. Etwa zwei Drittel dieser Emissionen entfallen als Prozessemissionen auf die Entsäuerung des Rohstoffs Kalkstein (CaCO3), also auf die Abspaltung von CO2 unter Entstehung des für die Herstellung von Zementklinker notwendigen Branntkalks (CaO) als Zwischenstufe bei der Bildung der hydraulischen Phasen Tri- und Dicalciumsilikat. Als eines der fünf Themenfelder (5C-Ansatz: Clinker, Cement, Concrete, Construction, Carbonation), welche die europäische Zementindustrie entlang ihrer Wertschöpfungskette zum Erreichen der gesetzlichen Vorgaben der europäischen Union erarbeitet hat, umfasst das Feld "Cement" zum größten Teil die Reduzierung des Klinker-Zement-Faktors. Im Jahr 2017 betrug er 77 %, das heißt, dass 23 % des Klinkers durch alternative Materialien ersetzt wurden. Bis zum Jahr 2030 wird ein Faktor von 74 % und bis zum Jahr 2050 von 65 % angestrebt. Den größten Anteil an den Klinkersubstituten hat mit 33 % der Hüttensand aus der Stahlindustrie. Bei der Roheisenproduktion im Hochofen entsteht als Nebenprodukt Hochofenschlacke, die unter Zugabe von Schlackebildnern die Gangart des Möllers und mineralische Koksbestandteile abbindet, sowie weitere unerwünschte Begleitelemente wie Schwefel und Alkalien aufnimmt. Allein in Deutschland wurden im Jahr 2021 6,90 Mio. t – das entspricht 90 % der gesamten produzierten Hochofenschlacke – zu glasig erstarrtem Hüttensand granuliert. Dieser Hüttensand besitzt latent hydraulische Eigenschaften und wird daher seit mehr als 140 Jahren als Zementbestandteil eingesetzt, wodurch in Deutschland jährlich rund 4,5 Mio. t CO2-Emissionen eingespart werden. Alle Transformationsstrategien der Stahlindustrie beinhalten die notwendige Außerbetriebnahme der CO2-intensiven Hochöfen. Dies hat unter anderem zur Folge, dass die Hochofenschlacke als Nebenprodukt der Rohstahlerzeugung im Hochofen nicht mehr zur Verfügung stehen wird, wodurch die weitere Reduzierung des Klinker-Zement-Faktors erhebliche Zusatzmengen alternativer Materialien benötigen wird. Derzeit ist noch unklar, ob z.B. calcinierte Tone im benötigten Umfang erzeugt werden können.
Der Fachbereich Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und das Institut für Baustoffforschung FEhS forschen zusammen mit Industriepartnern und weiteren Forschungseinrichtungen im Rahmen zweier Projekte in den Kooperationssphären der Stahl- und Zementindustrie, die zur Bewältigung dieser Herausforderungen beitragen. Im Projekt SlagCEM wird die Produktion eines hydraulischen Zementbestandteils durch Reduktion von Konverter- bzw. Linz-Donawitz-Schlacke (LDS) untersucht. Die mit den zusätzlich aufgenommen Lichtbogenofenkapazitäten steigenden Mengen an Elektrolichtbogenofenschlacke (EOS, engl. electric arc furnace slag, EAFS) werden im Projekt DRI-EOS behandelt, welches die Produktion eines latent hydraulischen Hüttensandsubstituts zum Ziel hat.
Rotschlamm fällt in sehr großen Mengen bei der Herstellung von Aluminiumoxid an und wird fast ausschließlich deponiert. Es wird eine neue Technologie vorgestellt bei der das im Rotschlamm enthaltene Eisenoxid mittels Wasserstoffplasma reduziert wird. Es wird ein Reaktionsmechanismus über Titanomagnetit und Hercynit vorgeschlagen.
Im Verbundprojekt R-Rhenania wird eine industrielle Demonstrationsanlage am Standort der Monoverbrennungsanlage Altenstadt der Firma Emter errichtet und im Jahr 2024 den Betrieb aufnehmen. Die vorhandene Rostfeuerung-Monoverbrennung wird so umgebaut, dass ein neues thermochemisches Verfahren integriert werden kann, welches hochwirksame und schadstoffarme Dünger produziert (bis zu 17.000 t/a). Die thermochemischen Produkte werden in Gefäß- und Feldversuchen im ökologischen Landbau auf ihre Düngewirkung getestet. Die Umweltverträglichkeit der Demonstrationsanlage wird untersucht, wie auch die Übertragbarkeit des Verfahrens auf weitere Regionen.
Wastewater contains a diverse array of organic and inorganic compounds and its complex composition strongly depends on the location and the connected dischargers. However, municipal wastewater as a carrier of feces and urine generally contains considerable amounts of the main nutrients nitrogen and phosphorus. The latter is in the focus of the discussions about the recovery potential of wastewater due to the relatively high mass flows of phosphorus in wastewater and the finite nature and decreasing quality of phosphate rock reserves. But due to the presence of the whole periodic table of elements, wastewater might contain further valuable components of interest for recovery including those defined as critical raw materials by the European Commission. Phosphorus and most of the other critical raw materials are fixed in the sewage sludge and after incineration in the sewage sludge ash (SSA). This is accompanied by high concentration factors from wastewater via sludge to ash. However, the mass fractions of the majority of elements in sewage sludge are comparable to those of the earth crust, indicating no relative enrichment. Nevertheless, enrichment factors of 100 or higher are given for phosphorus, copper, zinc, cadmium, silver, tin, lead and the platinum group elements indicating an anthropogenic input. An economic value of sewage sludge was estimated to $460,-/t calculated on the basis of the respective market prices for high purity elements – a theoretical value. A German survey of sewage sludge ashes showed that the mass fractions and the mass flows of most of the elements present in SSA are probably too low for an economic recovery. In most cases the mass flows are rather small compared to the imports and the chemical forms are not suitable for recovery. An exception is phosphorus that is present in high mass fractions up to 13% and that bears a high substitution potential. If the application of P-recovery technologies lead to a further concentration of valuable elements e.g. as by-products in side streams of the process, it would probably make also the recovery of other elements of economic interest.
Carbonfaser verstärkte Kunststoffe (CFK) sind aus dem Leichtbau nicht mehr wegzudenken. Da die Produktion der Fasern viel Energie benötigt ist deren Recycling anzustreben. Durch Bearbeitung und Handling während des Recyclings verkürzen sich die Carbonfasern (CF) analog zur Papierfaser. Zu kurze Fasern können nicht mehr in eine Flächenstruktur eingebracht werden und müssen daher aus dem Kreislauf ausgeschleust und einer Verwertung zugeführt werden. Untersuchungen des Lehr- und Forschungsgebiets Technologie der Energierohstoffe (TEER) der RWTH Aachen University haben gezeigt, dass die Bedingungen für eine energetische Nutzung von CF-Abfällen in Abfallverbrennungsanlagen nicht geeignet sind. Zudem können CF Betriebsprobleme verursachen. Des Weiteren können bei einer unzureichenden thermischen Behandlung sogenannte WHO-Fasern entstehen, die als gesundheitsschädlich einzustufen sind. Eine Alternative können Hochtemperaturverfahren mit höheren Verweilzeiten sein. Es kommt die Herstellung von Calciumcarbid in Frage, bei der CF als Kohlenstoffträger und der Kunststoff als Energieträger genutzt werden. Eine weitere Verwertungsoption stellt die Stahlproduktionsroute dar. Erste Untersuchungen der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und TEER am kleintechnischen Lichtbogen der BAM zeigen, dass CF-Abfälle potentiell als Reduktionsmittel und Energieträger eingesetzt werden können.
Die Europäische Kommission präsentierte am 11. Dezember 2019 den European Green Deal, ein Konzept mit dem Ziel, bis zum Jahr 2050 als erster Kontinent Klimaneutralität zu erreichen. Mit Inkrafttreten der Verordnung (EU) 2021/1119 des Europäischen Parlaments und des Europäischen Rates am 29. Juli 2021 zur Schaffung des Rahmens für die Verwirklichung der Klimaneutralität („Europäisches Klimagesetz“), ist dieses, sowie das Ziel der Reduzierung der Nettotreibhausgasemissionen um mindestens 55 % bis 2030 in der Gesetzgebung der Europäischen Union verankert. Die Stahlindustrie in der Europäischen Union mit ca. 57 Mio. t Nettotreibhausgasemissionen im Jahr 2020, die annähernd 2 % der Emissionen der Europäischen Union ausmachen (Inklusive Energie: 127 Mio. t; 4 %), bekennt sich zur erheblichen Reduzierung der CO2-Emissionen bis zum Jahr 2030 und zum Erreichen der Klimaneutralität bis zum Jahr 2050. Als Schlüsselwege zur Verwirklichung dieser Zielstellung hat sie zum einen Smart Carbon Usage (SCU) und zum anderen Carbon Direct Avoidance (CDA) in einer Roadmap formuliert. SCU umfasst CO2-reduzierende Maßnahmen in bestehenden Eisen- und Stahlproduktionsprozessen, Carbon Capture and Storage- (CCS) sowie Carbon Capture and Usage-Technologien (CCU). Wohingegen bei CDA CO2-Emissionen durch erneuerbare elektrische Energie sowie wasserstoffbasierte Reduktion des Eisenerzes gar nicht erst entstehen sollen. Der CDA-Weg, der voraussichtlich beschritten werden muss, um eine klimaneutrale Stahlproduktion zu erreichen [38], geht mit einer kostenintensiven Transformation der Stahlproduktion einher, die bereits von vielen Unternehmen der Stahlindustrie eingeleitet wurde und von der im Wesentlichen die beiden in Europa vorherrschenden Stahlproduktionsrouten Hochofen-Konverter-Route und Elektrolichtbogenofen-Route betroffen sind. Die CO2-Emissionen der Hochofen-Konverter-Route, von denen der überwiegende Anteil auf den Hochofen fällt, liegen laut einer für das Jahr 2015 erstellten Studie bei 1921 kg CO2/t Rohstahl inklusive der CO2-Last der Pellets als Einsatzmaterial sowie der Emissionen der nachgelagerten Stranggießanlagen und Walzwerke. Im Hochofen wird das Eisenerz durch Kohlenstoff (C) bzw. Kohlenstoffmonoxid (CO) – welche größtenteils aus dem Koks, der dem Hochofen zusammen mit dem Möller über die Gicht zugeführten wird, stammen – unter Entstehung von Roheisen und Kohlenstoffdioxid (CO2) reduziert. Das neben dem CO2 im Prozessgas enthaltene CO wird zum Beispiel zur Energiegewinnung in peripheren Prozessen ebenfalls unter Bildung von CO2 verbrannt. Zusätzlich zur Reduktion hat der Koks unter anderem physikalische Aufgaben, wie die Errichtung eines Stützgerüstes und die Gewährleistung der Permeabilität im Hochofenprozess. Somit ist eine vollkommene Substitution des Kokses zur Vermeidung der CO2-Emissionen im Hochofen nicht denkbar. Viele Strategien der Stahlunternehmen zum Erreichen der Klimaziele verfolgen daher den Wechsel von der Rohstahlproduktion aus der Hochofen-Konverter-Route hin zur Rohstahlproduktion im Elektrolichtbogenofen (EAF – Electric Arc Furnace) mit dem Einsatz von direkt reduziertem Eisen (Eisenschwamm, DRI – Direct Reduced Iron) aus vorgelagerten Direktreduktionsanlagen, die mit Wasserstoff (H2) als Reduktionsmittel betrieben werden können. Dabei ist die Elektrostahlerzeugung kein neuer Prozess und nimmt in der europäischen Union bereits jetzt einen Anteil von ca. 44 % der Rohstahlproduktion ein, jedoch überwiegend mit Schrott als Einsatzmaterial. Bei der Elektrostahlerzeugung mit Schrotteinsatz fallen laut der oben genannten Studie von Lüngen für das Jahr 20152 410 kg CO2-Emissionen pro Tonne Rohstahl an, von denen der Großteil auf die CO2-Last der fremd bezogenen elektrischen Energie zurückzuführen ist und daher nicht im Produktionsprozess selbst entsteht. Auch die Direktreduktion wird schon seit 1972 in der weltweit zweiten und bis heute in Westeuropa einzigen Direktreduktionsanlage in Hamburg betrieben. Während hier noch mit einem Reduktionsgas gearbeitet wird, das hauptsächlich aus einem aus Erdgas gewonnenen Wasserstoff-Kohlenstoffmonoxid-Gemisch besteht, liegt eine aktuelle Kernherausforderung in der Bereitstellung des in der Größenordnung der von der Transformation betroffenen Rohstahlproduktionskapazitäten notwendigen, mit erneuerbarer elektrischer Energie hergestellten Wasserstoffs. Wird zusätzlich der Strom für das Einschmelzen im Elektrolichtbogenofen aus erneuerbaren Quellen gewonnen und werden schließlich als Brennstoff verwendete Kohle und als Brennstoff verwendetes Erdgas durch CO2-neutrale Bio-Brennstoffe ersetzt, sind sowohl für den Einsatz von mit Wasserstoff reduziertem und auf Pellets ohne CO2-Last basiertem Eisenschwamm als auch für den Einsatz von Schrott CO2-Emissionen von jeweils nur 60 kg CO2/t Rohstahl erreichbar, was eine Reduktion der Emissionen, ausgehend von der Konverter-Hochofen-Route um 97 % und ausgehend von der Schrott-Elektrolichtbogenofen-Route um 85 % bedeuten würde.
Der Betrieb von Elektrolichtbogenöfen macht die an den Standorten vorhandenen Konverter sowie die Infrastruktur für Behandlung und Transport des Roheisens überflüssig. Die fortwährende Nutzung dieser bestehenden Anlagenstruktur dient daher unter anderem als Motivation für die Entwicklung einer zweiten Transformationsstrategie, die einen sogenannten Einschmelzer (SAF – Submerged Arc Furnace) als der Direktreduktionsanlage nachgelagerten Prozess vorsieht, in dem wiederum Roheisen erschmolzen wird, das anschließend im Konverter zu Rohstahl veredelt wird.
Die Transformation der Stahlindustrie beeinflusst einen weiteren CO2-intensiven Industriesektor, nämlich die Zementindustrie die verantwortlich ist für rund 4 % der CO2-Emissionen in der EU. Etwa zwei Drittel dieser Emissionen entfallen als Prozessemissionen auf die Entsäuerung des Rohstoffs Kalkstein (CaCO3), also auf die Abspaltung von CO2 unter Entstehung des für die Herstellung von Zementklinker notwendigen Branntkalks (CaO) als Zwischenstufe bei der Bildung der hydraulischen Phasen Tri- und Dicalciumsilikat. Als eines der fünf Themenfelder (5C-Ansatz: Clinker, Cement, Concrete, Construction, Carbonation), welche die europäische Zementindustrie entlang ihrer Wertschöpfungskette zum Erreichen der gesetzlichen Vorgaben der europäischen Union erarbeitet hat, umfasst das Feld "Cement" zum größten Teil die Reduzierung des Klinker-Zement-Faktors. Im Jahr 2017 betrug er 77 %, das heißt, dass 23 % des Klinkers durch alternative Materialien ersetzt wurden. Bis zum Jahr 2030 wird ein Faktor von 74 % und bis zum Jahr 2050 von 65 % angestrebt. Den größten Anteil an den Klinkersubstituten hat mit 33 % der Hüttensand aus der Stahlindustrie. Bei der Roheisenproduktion im Hochofen entsteht als Nebenprodukt Hochofenschlacke, die unter Zugabe von Schlackebildnern die Gangart des Möllers und mineralische Koksbestandteile abbindet, sowie weitere unerwünschte Begleitelemente wie Schwefel und Alkalien aufnimmt. Allein in Deutschland wurden im Jahr 2021 6,90 Mio. t – das entspricht 90 % der gesamten produzierten Hochofenschlacke – zu glasig erstarrtem Hüttensand granuliert. Dieser Hüttensand besitzt latent hydraulische Eigenschaften und wird daher seit mehr als 140 Jahren als Zementbestandteil eingesetzt, wodurch in Deutschland jährlich rund 4,5 Mio. t CO2-Emissionen eingespart werden. Alle Transformationsstrategien der Stahlindustrie beinhalten die notwendige Außerbetriebnahme der CO2-intensiven Hochöfen. Dies hat unter anderem zur Folge, dass die Hochofenschlacke als Nebenprodukt der Rohstahlerzeugung im Hochofen nicht mehr zur Verfügung stehen wird, wodurch die weitere Reduzierung des Klinker-Zement-Faktors erhebliche Zusatzmengen alternativer Materialien benötigen wird. Derzeit ist noch unklar, ob z.B. calcinierte Tone im benötigten Umfang erzeugt werden können.
Der Fachbereich Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und das Institut für Baustoffforschung FEhS forschen zusammen mit Industriepartnern und weiteren Forschungseinrichtungen im Rahmen zweier Projekte in den Kooperationssphären der Stahl- und Zementindustrie, die zur Bewältigung dieser Herausforderungen beitragen. Im Projekt SlagCEM wird die Produktion eines hydraulischen Zementbestandteils durch Reduktion von Konverter- bzw. Linz-Donawitz-Schlacke (LDS) untersucht. Die mit den zusätzlich aufgenommen Lichtbogenofenkapazitäten steigenden Mengen an Elektrolichtbogenofenschlacke (EOS, engl. electric arc furnace slag, EAFS) werden im Projekt DRI-EOS behandelt, welches die Produktion eines latent hydraulischen Hüttensandsubstituts zum Ziel hat.
Die Zementindustrie erzeugt etwa 6-7% der globalen CO2-Emissionen und steht damit als Industriezweig vor dem Hintergrund einer anvisierten Klimaneutralität vor gewaltigen Herausforderungen. Der Prozess der Klinkerherstellung wurde über die vergangenen Jahrzehnte bereits kontinuierlich optimiert. Seit 1990 ist es der deutschen Zementindustrie gelungen, die spezifischen CO2-Emissionen der Zementproduktion u. a. durch den Einsatz alternativer, nicht fossiler Brennstoffe und durch Absenkung des Klinkergehalts im Zement um 20 % zu senken. Weitere konventionelle Minderungsstrategien versprechen jedoch nur noch wenig zusätzliche Reduktion. Im Falle des Portlandklinkers besteht die Schwierigkeit darin, dass zwei Drittel der CO2-Emissionen rohstoffbedingt durch die Entsäuerung des Kalksteins (CaCO3) anfallen, die durch die beschriebenen Maßnahmen nicht weiter abgesenkt werden können. Vielmehr wird es erforderlich sein, noch zu entwickelnde oder zu optimierende Technologien anzuwenden und ggf. alle relevanten Ebenen wie Produktion, Weiterverarbeitung und Anwendung von Zement und Beton neu zu denken. Neben technologischen Ansätzen zur CO2-Abscheidung mit nachfolgender langfristiger Speicherung (Carbon Capture and Storage – CCS) oder Verwertung (Carbon Capture and Utilisation – CCU) werden auch alternative Rohstoffe für die Zementproduktion und alternative Bindemittel in Betracht zu ziehen sein.
Bei der Stahlproduktion fallen verfahrensbedingt große Mengen an Nebenprodukten und Abfällen wie Stahlwerksschlacken, Filterstäube und Gichtgasschlämme an. Hohe Anteile dieser Stoffströme werden aufgrund ihrer Zusammensetzung immer noch deponiert, obwohl sie ein hohes Wertstoffpotential aufweisen. An der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) werden Verfahren untersucht
und entwickelt, welche eine Verwertung und Kreislaufführung dieser Materialströme ermöglichen. Aus sogenannten Linz-Donawitz-(LD)-Schlacken können durch carbothermische Nachbehandlung Roheisen und ein dem Portlandzementklinker (PZK) ähnliches Bindemittel erzeugt werden. Aus Elektroofenstäuben und Gichtgasschlämmen kann Zink gewonnen und die Anteile an Eisen und Kohlenstoff in den Stahlproduktionsprozess zurückgeführt werden. Durch diese technischen Maßnahmen kann es gelingen die Deponierung von Abfällen der Stahlproduktion zukünftig deutlich zu reduzieren.
LD-Schlacken weisen eine große chemische Ähnlichkeit zu Protlandzementklinker auf. Sie enthalten jedoch noch bis zu 30% Eisen, das mineralisch in oxidischer Form gebunden vorliegt. Dadurch kann sich bei der Erstarrung die wichtigste Klinkerphase "Alit" nicht ausbilden.
Durch eine reduzierende Schmelzbehandlung der Schlacke kann des mineralisch gebundene Eisen als Metall separiert werden. Dadurch wird auch die Mineralogie der Schlacke so verändert, dass auch sie nun praktisch einem Portlandzementklinker entspricht.
Entsprechende Versuche wurden am kleintechnischen Lichtbogenofen der BAM durchgeführt. Es werden Ergebnisse vorgestellt und auf Grenzen und Möglichkeiten eines derartigen Prozesses im Hinblick auf eine industrielle Umsetzung eingegangen.
LD-Schlacken weisen eine große chemische Ähnlichkeit zu Protlandzementklinker auf. Sie enthalten jedoch noch bis zu 30% Eisen, das mineralisch in oxidischer Form gebunden vorliegt. Dadurch kann sich bei der Erstarrung die wichtigste Klinkerphase "Alit" nicht ausbilden.
Durch eine reduzierende Schmelzbehandlung der Schlacke kann des mineralisch gebundene Eisen als Metall separiert werden. Dadurch wird auch die Mineralogie der Schlacke so verändert, dass auch sie nun praktisch einem Portlandzementklinker entspricht.
Entsprechende Versuche wurden am kleintechnischen Lichtbogenofen der BAM durchgeführt. Es werden Ergebnisse vorgestellt und auf Grenzen und Möglichkeiten eines derartigen Prozesses im Hinblick auf eine industrielle Umsetzung eingegangen.
The project ProMoAM is presented. The goal of the project is to evaluate which NDT techniques or combination of techniques is suited for in-situ quality assurance in additive manufacturing of metals. To this end, also 3d-data fusion and visualization techniques are applied. Additional ex-situ NDT-techniques are used as references for defect detection and quantification. Feasability studies for NDT-techniques that are presently not applicable for in-situ use are performed as well.
The presentation gives a brief overview of the whole project and the different involved NDT-techniques.
Over the last 20 years, many researchers, politicians and citizens have become increasingly aware of the growing plastic problem of our time. A lack of recycling concepts and plastic collection points as well as careless dumping lead to accumulation of plastic products in the environment. Natural weathering can cause these plastics to degrade and fractionate, meaning that microplastics (1 1,000 µm, ISO/TR 21960:2020) and nanoplastics (< 1 µm, ISO/TR 21960:2020) of various synthetic polymer materials can now be detected in all parts of the world. Whether microplastics or nanoplastics pose a toxicological hazard is being investigated in a variety of ways. Valid results are still pending. However, the EU precautionary principle applies to micro- and nanoplastics. Monitoring of microplastics is already required in the revision of the Drinking Water and Wastewater Framework Directive.
Reliable monitoring of rivers can be carried out by sampling with sedimentation boxes and microplastic detection by using thermal extraction desorption gas chromatography/mass spectrometry (TED-GC/MS) in routine operation (Figure 1). The river Rhine was sampled for microplastic masses at three different sampling locations over a period of one year and in addition the Danube at randomized sampling locations The TED-GC/MS results showed that various synthetic polymers frequently produced in industry, such as polyethylene, polypropylene or polystyrene as well as the tire compound styrene-butadiene rubber were found. The work not only shows a possible workflow for monitoring concepts, but also provides information on environmentally relevant concentrations of microplastics and tire components in surface waters. This in turn is necessary for ecotoxicological studies.
Microbiologically influenced corrosion (MIC) is the deterioration of metals due to the metabolic activities of microorganisms. Microorganisms can take electrons directly from the metal surface (EMIC) thereby causing corrosion. Well known culprits of EMIC are: sulfate-reducing bacteria (SRB), acetogens and methanogens.
Our aims
- Develop a novel flow system to study MIC by methanogens to mimic industrial Environments
- Investigate the inhibitory concentrations of biocides targeting SRB on corrosive methanogenic strains
- Investigate the inhibitory effects of corrosion inhibitors on methanogens
- Compare the inhibitory concentrations to SRB
Microbial modelling of sulfate-reducing bacteria (SRB) and methanogenic archaea (ME) using iron
(2019)
Sulfate reducing bacteria (SRB) and methanogenic archaea (MA) are commonly found in the oil and gas environments. The formation of hydrogen sulfide (HS-) is particularly concerning for the petroleum industry due to its corrosiveness. However, the activities of SRB are limited to the concentration of sulfate present in the environment, whereas methanogens can utilize substrates such as H¬2 for methanogenesis. MA is commonly found in sulfate-free environments, such as deep sediments, and are known to form interspecies electron transfer relationships with SRB. Recently, SRB and MA capable of microbiologically influenced corrosion (MIC) by using elemental iron as a direct electron source (EMIC) have gained increased attention. On the iron surface, EMIC-SRB can outcompete EMIC-MA in the presence of sulfate, but this changes as sulfate depletes. The formation of FeS on the metal surface can be further utilized by MA for methanogenesis as it provides a conductive path. However, the possible kinetics involved of the overall process are currently unknown.
We obtained a co-culture of EMIC-SRB and EMIC-MA to investigate the growth rates and electrical potential changes under different environmental conditions, including changes in pH, temperature and salinity. Results indicate that under neutral conditions and using iron as the sole substrate, methane production (up to 5 mM) starts after sulfate was depleted. Electrochemical measurements will be conducted on the co-culture under different conditions to determine the changes in the electrical potential in correlation with the sulfate and methane concentration. Fluorescence and electron microscope images of the biofilm structure will be used to visualize cell distribution and morphology. This study embarks the first step of understanding the relationship between EMIC-SRB and EMIC-MA. Such knowledge is important for the field of microbial electrophysiology and can be further explored for industrial applications.
Microbiologically influenced corrosion is a multidisciplinary research area. To develop successful mitigation strategies, expertise from the industry and research institutes are essential. In Department 4.1, we developed an innovative laboratory flow model (Hi-Tension) that allows effective monitoring of MIC under both standard and non-standard conditions. The flow model allows flexibility with material selection, flow rates, temperature and other environmental parameters changes. Furthermore, the flow model allows integration of electrochemical measurements using microsensors, providing a comprehensive view of corrosion at the biofilm level. Currently, initial results indicate corrosion in the flow model is significantly higher than that of standard laboratory set ups, i.e. static incubations, particularly for methane-producing microorganisms.
Microbiologically influenced corrosion (MIC) is a highly unpredictable process involving a complex group of microorganisms, including sulfate-reducing bacteria and methanogens. Standard laboratory MIC testing using static serum bottle enrichments is an easy but limited method, offering poor resolution on the biomineralization process of corrosion products. An example of this is the presumed corrosion product siderite by corrosive methanogens (Mi-MIC). Previous publications reported siderite was the sole corrosion product of M. maripaludis using metal coupons incubated under stationary conditions.
However, the formation of siderite is closely related to the surrounding environmental conditions, i.e. pH, CO2 concentration, flow and temperature. Thus, siderite as the sole corrosion product of Mi-MIC remain inconclusive and questionable. To study Mi-MIC effectively, a novel versatile multiport flow-column corrosion monitoring system (MFC) was developed. MFC allows sectional corrosion rate determination under flow conditions using different types of material, inoculum and packing material. MFC offers great flexibility, ease of operation and accurate corrosion measurements that can be combined with many other techniques. Using MFC, we studied multiple strains of methanogens and compared it with sulfate-reducing bacteria under neutral and low pH conditions. It was revealed by MFC that corrosive methanogens have equally high corrosion potential as sulfate-reducing bacteria. Additionally, siderite is not the dominant nor sole corrosion product of Mi-MIC. Thus, effective corrosion monitoring and establishing standard laboratory practices, i.e. incorporating MFC as part of regular testing process, will provide deeper understanding of MIC. This will allow further microbial electrophysiology understandings, contributing to effective mitigation strategy development.
Biocide mitigation strategies of microbiologically influenced corrosion (MIC) in the oil and gas industry have been primarily used to eliminate the growths of sulfate-reducing microorganisms (SRM). However, methanogenic Archaea (MA) can also be highly corrosive by using iron as an electron source for methanogenesis. Because of the fundamental physiological differences between archaea and bacteria, responses of MA towards SRM-specific biocides cannot be deduced using SRM. Due to the lack of information available on the effect of biocides on corrosive MA, we selected THPS, glutaraldehyde, nitrate and perchlorate to compare against corrosive SRM.
Preliminary results showed that at low concentrations of THPS (0-10 ppm), growth of MA was not affected, methane production and corrosion rates (0.1 mm/yr) were comparable between the different THPS concentrations. On the contrary, the SRM strain showed decreased corrosion rates (0.18 mm/yr to 0.03 mm/yr) with increasing THPS concentrations. Further corrosion tests including electrochemical measurements of different biocides on the growth of MA and SRM will be conducted. Such knowledge not only provide important insights on the physiological response of MA to biocides but also contribute to more effective mitigation strategies that can be both economic and environmentally beneficial.
Microbiologically influenced corrosion (MIC) is an expensive but unpredictable problem for the industries. The most well-known culprit for MIC is the sulfate-reducing microorganisms (SRM), such as members from the genus Desulfovibrio. It has been widely accepted that SRM can contribute significantly to MIC through the production of hydrogen sulfide (HS-) or in some cases a direct electron uptake from the metal surface. However, in a real environmental system, SRM is not exclusive and often involved with other microorganisms that may also contribute to MIC, such as methanogens.
Methanogenic archaea can produce methane (CH4) using H2+CO2, formate, methylated amines or acetate. Methanogens are highly abundant in the environment and many are found in very extreme conditions, such as high temperature and high salinity. Previous researches have demonstrated that methanogens are capable of MIC, though the specific mechanisms are still under investigation. In the oil and gas industry, methanogens are not considered as the main contributor for MIC since the corrosion rates are often too low. However, the tests for methanogen-induced MIC are usually performed at static conditions, which cannot represent the system accurately. Here, we developed a novel anaerobic system to evaluate the corrosion potential of methanogens under flow conditions. We will use the Methanococcus maripaludis KA1 strain, which was isolated from a crude oil tank, as the organism of interest. A separate system for Desulfovibrio alaskensis will be established for corrosion rate comparisons. Furthermore, we will study the synergistic effects of M. maripaludis and D. alaskensis on MIC under flow.
The survey of Canadian shale sites showed a dominance of halophilic microorganisms, including Halomonas (HA). Nitrate-amended incubations of the field samples under high salinity (14.6% NaCl), revealed a dominance of HA (>72%) and an accumulation of nitrite. Nitrite accumulation directly inhibited the growth of SRB, thereby decreasing their souring and corrosion risks. However, accumulated nitrite may also contribute to iron corrosion, which will be tested by using different concentrations of nitrate as an electron acceptor to HA. Different salinities are further tested on HA strains supplemented with iron coupons to determine their effects on iron corrosion rates. HA incubated with separate cultures of corrosive methanogen and SRB were tested to determine whether a positive or adverse effect will occur between them. Lastly, analyses of iron coupons will be conducted using TOF-SIMS, FIB-SEM and EDS for corrosion product characterization
Dass Viren sich über Aerosolpartikel ausbreiten können, wurde bereits in vielen Studien gezeigt. Als Aerosol bezeichnet man ein Gemisch aus Luft mit darin verteilten festen oder flüssigen Partikeln. Ein Aerosol ist dabei immer dynamisch, da Partikel neugebildet, in oder mit der Luft transportiert und aus der Luft entfernt werden oder sich im luftgetragenen Zustand verändern. Zum Verständnis der Rolle von Aerosolpartikeln als Übertragungsweg von SARS-CoV-2 ist daher die Kenntnis der verschiedenen Prozesse in einem Aerosol von besonderer Bedeutung. Mit diesem Papier möchte die GAeF einen Beitrag dazu leisten, den momentan so häufig anzutreffenden Begriff „Aerosol“ sowie die relevanten Aerosolprozesse anschaulich darzustellen und zu erläutern. Dabei wird im Rahmen dieses Papiers nur auf die wesentlichen Grundlagen eingegangen.
Für ein tiefergehendes Verständnis der teilweise komplexen Prozesse sei auf die angeführte Sekundärliteratur verwiesen. Das Papier fasst eine Vielzahl von Studien zur Entstehung von virenbeladenen Aerosolpartikeln sowie deren Ausbreitung zusammen. Darauf basierend kann festgestellt werden, dass ausgeatmete Aerosolpartikel auch bei der Corona-Pandemie eine prominente Rolle bei der Verbreitung der Viren spielen. Abschließend geht dieses Papier auf mögliche Maßnahmen zur Verringerung der Ausbreitung von Aerosolpartikeln ein. Die diskutierten Maßnahmen orientieren sich an der derzeitigen öffentlichen Diskussion und beinhalten entsprechend die folgenden Punkte: Lüften, Luftreiniger, Lüftungsanlagen und Masken. Es werden Hinweise zum richtigen und sinnvollen Einsatz dieser Maßnahmen gegeben. Aerosolpartikel haben Größen zwischen ca. 0,001 und mehreren 100 Mikrometern (und nicht wie in vielen Publikationen derzeit definiert < 5μm) und verteilen sich mit Luftströmungen relativ schnell, auch über größere Distanzen. Größere Aerosolpartikel sinken – abhängig von ihrer Größe und Dichte – zu Boden; kleine Aerosolpartikel können hingegen sehr lange in der Luft verbleiben (s. Kapitel 3). Jeder Mensch stößt durch die Atmung sowie beim Sprechen, Husten und Niesen flüssige Aerosolpartikel unterschiedlicher Größen aus (s. Kapitel 4). Ist eine Person mit einem Virus, wie z. B. SARS-CoV-2, infiziert, so können diese Aerosolpartikel Viren enthalten, die in die Luft gelangen und von anderen Personen eingeatmet werden können. SARS-CoV-2 hat eine Größe von 0,06 bis 0,14 Mikrometer, die exhalierten flüssigen Aerosolpartikel sind hingegen größer. Die flüssigen Aerosolpartikel können aber je nach Umgebungsbedingungen durch Verdunstung schrumpfen (s. Kapitel 3.3). Für den Partikeltransport und die Partikelabscheidung ist dabei jeweils die aktuelle Partikelgröße relevant. Das höchste Infektionsrisiko besteht in geschlossenen Innenräumen, da sich hierin Aerosolpartikel anreichern können. Insbesondere hier sind entsprechend Maßnahmen zu treffen, die eine Reduktion der Aerosolpartikelkonzentration ermöglichen.
Vor dem Hintergrund der Aerosolwissenschaften ordnet die GAeF die aktuellen Maßnahmen zur Eindämmung der Pandemie wie folgt ein:
• Prinzipiell gilt: Keine Maßnahme kann für sich alleine funktionieren! Das Zusammenspiel der verschiedensten Maßnahmen ist nach derzeitigem Wissensstand der beste Weg zur Minimierung des Infektionsrisikos.
• Abstand halten ist wichtig, denn mit zunehmendem Abstand werden direkt ausgeatmete Viren verdünnt, und die Wahrscheinlichkeit sich anzustecken sinkt. Der vielfach vorgeschriebene Mindestabstand kann als Anhaltspunkt dienen, sollte aber insbesondere bei längeren Zusammenkünften und auch in Innenräumen mit verringerter Luftbewegung vergrößert und durch weitere Maßnahmen (s.u.) ergänzt werden.
• Masken helfen, einen Teil der exhalierten Partikel (und Viren) zu filtern. Dadurch sinkt die Konzentration der exhalierten Partikel (und Viren) in einem Raum und damit das Infektionsrisiko. Hierbei ist zu beachten, dass die ausgeatmeten Aerosolpartikel durch anhaftende Feuchtigkeit relativ groß sind und somit auch von einfachen Masken effizient zurückgehalten werden können. Da diese Partikel aber mit längerer Verweilzeit in der Raumluft schrumpfen, sind einfache Mund-Nasen-Bedeckungen für den Selbstschutz weniger effizient. Hierfür sind Atemschutzmasken erforderlich, die auch für feine Partikel eine hohe Abscheidung zeigen, z. B. der Klassen FFP2, N95 oder KN95. Diese sind sowohl für den Selbst- als auch den Fremdschutz effizient, sofern sie über kein Ausatemventil verfügen. Masken mit Ausatemventil dienen hingegen nur dem Selbstschutz und widersprechen daher dem Solidaritätskonzept, dass Mitmenschen durch kollektives Maskentragen geschützt werden.
• Gesichtsvisiere, die ohne zusätzliche Verwendung von Masken eingesetzt werden, sind hinsichtlich Aerosolpartikeln weitgehend nutzlos, da die Luft mit Partikeln (und Viren) ungefiltert um die Visiere herumströmt. Gesichtsvisiere werden im klinischen Alltag zusätzlich zu Masken getragen, um Tröpfcheninfektion über die Schleimhäute der Augen zu verhindern. Ebenfalls weitgehend unwirksam gegen die Aerosolverbreitung in Innenräumen sind mobile oder fest installierte Plexiglasbarrieren. Diese können nur kurzfristig die kleinräumige Ausbreitung eines Aerosols, z. B. im Kassenbereich eines Supermarkts, verhindern, bieten aber längerfristig keinen Schutz. Gesichtsvisiere und Plexiglasscheiben dienen im Wesentlichen als Spuck- und Spritzschutz gegenüber großen Tröpfchen.
• Im Freien finden so gut wie keine Infektionen durch Aerosolpartikel statt. Allerdings können Tröpfcheninfektionen auftreten, insbesondere in Menschenansammlungen, wenn Mindestabstände nicht eingehalten und/oder keine Masken getragen werden. In geschlossenen Räumen ist Lüften unerlässlich, um die ausgeatmete Luft in einem Raum durch frische Luft von draußen zu ersetzen. Häufiges Stoß- und Querlüften sind dabei vergleichbar effektiv wie dauernd das Fenster vollständig geöffnet zu lassen. Aus energetischer Sicht ist Stoß- oder Querlüften insbesondere im Winter allerdings effizienter. CO2-Monitore können bei der Überwachung der Luftqualität in Innenräumen helfen. Sie zeigen an, wann gelüftet werden sollte und wann die Luft in einem Raum während des Lüftens ausreichend gewechselt ist. Sie können jedoch nur als Indikator verwendet werden und verhindern selbst bei Einhaltung der vorgeschlagenen CO2-Grenzkonzentrationen keine direkte Infektion durch unmittelbar benachbarte Personen.
• Luftreiniger können einen sinnvollen Beitrag leisten, um die Partikel- und Virenkonzentration in einem Raum zu reduzieren. Bei der Beschaffung von Luftreinigern muss darauf geachtet werden, dass diese für den betrachteten Raum und die betrachtete Anwendung ausreichend dimensioniert sind, um die Partikel- und Virenlast signifikant zu verringern. Dem Luftdurchsatz des Gerätes kommt dabei eine größere Bedeutung zu, als der reinen Effizienz des Filters. Aus energetischen und Kostenerwägungen kann die Verwendung hocheffizienter Filter sogar kontraproduktiv sein. Fest verbaute Lüftungsanlagen können ebenso sinnvoll sein, sofern sie die Luft filtern, um die Partikel- und Virenlast in einem Raum zu verringern. Hierbei ist es zur Vermeidung von Infektionen sinnvoll, diese möglichst mit 100 % Frischluft zu betreiben.
Aus Sicht der Gesellschaft für Aerosolforschung besteht erheblicher Forschungsbedarf insbesondere an den interdisziplinären Grenzen zu Forschungsfeldern der Epidemiologie, Infektiologie, Virologie, Lüftungstechnik und Strömungsmechanik. Die Durchführung gezielter Studien sollte kurzfristig mit speziellen Förder- und Forschungsprogrammen ermöglicht werden. Dieses Papier wurde von Mitgliedern der Gesellschaft für Aerosolforschung verfasst und wird von einer Vielzahl internationaler Aerosolexperten unterstützt (s. Kapitel 8). Neben der vorliegenden Version existiert auch eine englischsprachige Übersetzung (siehe www.info.gaef.de). Sämtliche Abbildungen in diesem Papier stehen unter folgendem Link zum kostenlosen Download bereit: https://www.info.gaef.de/positionspapier. Bei jeder Verwendung ist „Gesellschaft für Aerosolforschung e. V.“ als Quelle zu nennen.
Many studies have already shown that viruses can spread via aerosol particles. An aerosol is a mixture of air with solid or liquid particles dispersed in it. To understand the role of aerosol particles as a transmission path of SARS-CoV-2, knowledge of the different processes in an Aerosol is therefore of particular importance. With this paper, GAeF would like to contribute to a better understanding of the term “aerosol” and the relevant aerosol processes. In the context of this paper only the essential basics will be discussed. For a deeper understanding of the partly complex processes, please refer to the literature mentioned at the end of the paper.
The paper summarises a large number of studies on the formation of virus-laden aerosol particles and their spread. Based on this, it can be concluded that exhaled aerosol particles may play a prominent role in the spread of viruses in the corona pandemic. Finally, this paper discusses possible measures to reduce the spread of aerosol particles. The measures discussed are based on the current public debate including ventilation, air purifiers, HVAC systems and masks. Advice is given on the correct and sensible use of these measures.
An aerosol is always dynamic, as particles are newly formed, transported in or with the air, removed from the air or change in the airborne state. Aerosol particles have sizes between approx. 0.001 and several 100 micrometres (and not < 5 μm as currently defined in many publications) and spread relatively quickly with air currents, even over longer distances. Larger aerosol particles sink to the ground, depending on their size and density, while small aerosol particles can remain in the air for a very long time (see Section 3). Every person emits liquid aerosol particles of various sizes through breathing and when speaking, coughing and sneezing (see Section 4). If a person is infected with a virus, such as SARS-CoV-2, these aerosol particles can contain viruses that can be released into the air and inhaled by other people. SARS-CoV-2 has a size of 0.06 to 0.14 micrometres, but the exhaled liquid aerosol particles are larger. The liquid aerosol particles can shrink by evaporation, depending on the ambient conditions (see Section 3.3). Particle size is relevant for particle transport and particle separation. The highest risk of infection exists in closed indoor spaces, as aerosol particles can accumulate there.
Here in particular, appropriate measures must be taken to reduce the concentration of aerosol particles (see Section 5).
Against the background of aerosol science, the GAeF classifies the current measures to contain the pandemic as follows:
• In principle, no measure can work on its own! According to the current state of knowledge, the interaction of the most varied measures is the best way to minimise the risk of infection.
• Keeping distance is important, because with increasing distance, directly exhaled viruses are diluted and the probability of infection decreases. The often prescribed minimum distance can be used as a guide, but it should be increased and supplemented by other measures (see below), especially for longer meetings and also indoors with reduced air movement.
• Masks help to filter some of the exhaled particles (and viruses). This reduces the concentration of exhaled particles (and viruses) in a room and thus the risk of infection. It should be noted here that the exhaled aerosol particles are relatively large due to adhering moisture and can therefore also be efficiently retained by simple masks. However, since these particles shrink with longer dwell time in the room air, simple mouth-nose masks are less efficient for self-protection. Respiratory masks are required for this purpose, which show a high degree of separation even for fine particles, e.g. of classes FFP2, N95 or KN95. These are efficient for both self-protection and protection of others unless they have an exhalation valve. Masks with an exhalation valve, on the other hand, are only for self-protection and therefore contradict the solidarity concept that fellow human beings are protected by collective mask wearing. Face shields which are used without additional masks are largely useless with regard t• aerosol particles, as the air with particles (and viruses) flows unfiltered around the shields. In everyday clinical practice, facial shields are worn in addition to masks to prevent droplet infection via the mucous membranes of the eyes. Mobile or permanently installed Plexiglas barriers are also largely ineffective against the spread of aerosols indoors. These can only prevent the smallscale spread of an aerosol in the short term, e.g. in the checkout area of a supermarket, but offer no protection in the longer term. Face shields and Plexiglas panels essentially serve as spit and splash protection against large droplets.
• Outdoors, there are practically no infections caused by aerosol transmission. However, droplet infections can still occur, especially in crowds, if minimum distances are not observed and/or masks are not worn. In closed rooms, ventilation is essential to replace the exhaled air in a room with fresh air from outside. Frequent airing and cross-ventilation is just as effective as leaving the window open all the time. From an energy point of view, however, it is more efficient to ventilate the room, especially in winter. CO2 monitors can help to monitor indoor air quality. They indicate when it is necessary to ventilate and when the air in a room has been sufficiently changed during ventilation. However, they can only be used as an indicator and even if the proposed CO2 limit concentrations are met, they do not prevent direct infection by people in the immediate vicinity.
• Air purifiers can make a useful contribution to reducing the concentration of particles and viruses in a room. When procuring air purifiers, care must be taken to ensure that they are adequately dimensioned for the room and application in question in order to significantly reduce the particle and virus load. The air throughput of the unit is more important than the pure efficiency of the filter. For energy and cost reasons, the use of highly efficient filters can even be counterproductive. Permanently installed ventilation systems can also be useful, provided they filter the air to reduce the particle and virus load in a room. To avoid infections, it is advisable to operate them with 100 % fresh air if possible.
From the point of view of the Gesellschaft für Aerosolforschung, there is a considerable need for research, especially at the interdisciplinary borders to research fields of epidemiology, infectiology, virology, ventilation technology and fluid mechanics. The implementation of targeted studies should be made possible at short notice with special funding and research programmes.
This paper was written originally in German by members of the Gesellschaft für Aerosolforschung and is supported by a large number of international aerosol experts. Both the English and German version as well as all images in the paper are available for free download at the following link: https://www.info.gaef.de/positionspapier. The “Gesellschaft für Aerosolforschung e. V.” must be named as the source, whenever an image is used.
Treatment and reusing of hazardous wastes have become significant issues of modern societies. Blast furnace sludge (BFS) and electric arc furnace dust (EAFD) are such typical wastes, because they usually contain high amounts of undesirable elements such as zinc (Zn) and lead (Pb).
These elements can cause operational problems in reusing of BFS and EAFD. In this study, the Ferro Duo GmbH and the Federal Institute for Materials Research and Testing have investigated a novel approach for eliminating and/or recovering Zn and Pb from both wastes. Applied was a selective chlorination and volatilization of Zn and Pb as chlorides at temperatures between 500 °C and 1100 °C. Both product obtained, Zn and Pb in the form of ZnCl2 and PbCl2 and the purified solid mineral compound are attractive materials for further use. Hydrochloric acid and iron(II) chloride were used as chlorination agents. Exceptionally high Zn and Pb removal efficiencies of >99.5 % could be achieved with both chlorination agents, whereby iron(II) chloride exhibited better performance.
Harnessing near-chromosome level quality genomes to explore the evolution of termite immunity
(2023)
The phylogeny of the Blattodea boasts a wide degree of sociality spanning from solitary cockroaches to advanced ecosystem-dominating higher termite societies. The emergence of sociality in termites was associated with the acquisition of a diverse range of social structures. Previous work has found evidence for a caste-specific social defence system in termites leading to an immune system that may favour group over individual defence. While preliminary work suggests a correlation between social transitions and a reduction of immune gene family diversity, the lack of available high-quality termite genomes hampers complete knowledge of the true diversity of immune gene evolution across termite phylogeny. Here, we report on the sequencing and near-chromosome level assembly of 48 high-quality long-read-based genomes across major termite and cockroach sister-branch lineages. We investigate the diversity and evolutionary history of immune genes across genomes, focusing particular attention on correlations between immune gene evolution and transitions in sociality over termite phylogeny.
Insecta is one of the most diverse phyla in the animal kingdom, with species living in all types of habitats encountering an even greater diversity of pathogens and parasites. Defence strategies against such harmful threats led to a variety of molecular mechanisms, ecological shifts, and genetic innovations. Gene families underlying the molecular basis of the immune responses have evolved within the boundaries given by the species ecology. Here, we explore the evolution of some emblematic immune gene families throughout the Insecta phylum shedding light on remarkable genetic events such as gene duplication or gene loss. We followed a workflow based on the Hidden Markov model to search for immune genes in 55 high-quality genomes of insects. We highlight the emergence of group defence in social species as an ecological shift that released selection pressure on immune gene families notably in Blattodea. Further, we draw attention to certain gene families and the link between their diversity and the specificities of the species’ microbiota. Overall, we report data on immune gene diversity in insects.
The phylogeny of the Blattodea boasts a wide degree of sociality spanning from solitary cockroaches to advanced ecosystem-dominating higher termite societies. The emergence of sociality in the termites was associated with the acquisition of a diverse range of social structures and differential expression of specific gene network. Previous work has found evidence for a caste-specific social defence system in termites leading to an immune system that may favour group over individual defence. While preliminary work suggests a correlation between social transitions and a reduction of immune gene family diversity, the lack of available high-quality termite genomes hampers complete knowledge of the true diversity of immune gene evolution across termite phylogeny. Here, we report on the sequencing and assembly of 50 high-quality long-read-based genomes and 180 caste- and sex-specific brain transcriptomes across major termite and cockroach sister-branch lineage. We investigate the diversity and evolutionary history of immune genes across genomes, and the potential gene networks that have evolved with the emergence of termite sociality and some aspect of immune related behaviours.
Die aus der Kirche in Greven entnommenen A. punctatum wiesen größere genetische Unterschiede auf als die aus der isolierten Zucht der BAM. Dies lässt vermuten, dass ein Austausch von zufliegenden oder eingeschleppten Individuen zu einer erhöhten genetischen Variabilität beiträgt.
Die Ergebnisse der Sequenzanalysen vom Standort Greven zeigten, dass vier Variationen vorhanden waren. Die DNA-Barcodes aus der Datenbank NCBI (Frankreich, Finnland und Deutschland) besaßen nur SNPs, die bereits aus den Insekten der Kirche in Greven bekannt waren. Nach aktueller Datenlage für den betrachteten Genabschnitt sind diese Varianten (V2 bis V22) als repräsentativ für den mitteleuropäischen Raum anzunehmen.
Potenzielle weitere Varianten lassen sich nur über eine größere Stichprobenanzahl entdecken/finden. Die Ergebnisse der Käferproben aus der isolierten Zucht der BAM sind deutlich homogener und entsprachen der Variante 1 aus Greven. Die Variante 1 wurde ebenfalls in vier französischen und einer deutschen Probe aus der NCBI-Datenbank nachgewiesen.
Die Ergebnisse deuten auf zwei Hauptvariationen (Vx und V20) hin, wobei die eine (VJ homogener als die andere (V20) zu sein scheint. Da für den Räuber K. caeruleus keine Unterschiede in der COI gefunden wurden, gilt zu prüfen, ob der gewählte Genabschnitt für die Untersuchung repräsentativ ist. Dies ist mit einer höheren Probenzahl zu validieren.
Leachiing tests - a useful tool for the environmental impact assessment of construction products?
(2018)
Construction products and waste materials used for construction can be in contact with the environment and may release potential harmful compounds. Information on the total content of these substances in the product is not sufficient to assess its envrionmental impact since it does not consider realistic exposure conditions.The impact of these compounds is often assessed by using the total content in the product. This estimation lacks realistic exposure conditions.
Concerning the pathway to soil and groundwater by contact with rain or seepage water leaching tests, which were developed and standardized by the European Committee for Standardization, are available. While for secondary construction products and waste this investigation of the leaching behaviour is standard procedure and is already part of regulation in Germany (draft ordinance on reuse of mineral waste) and within Europe (landfill directive) the release from primary construction products got in the focus more recently. Several monitoring studies found unexpected high concentrations of substances used as herbicides and fungicides in surface water and stormwater originating from urban areas. As some of these compounds are even banned for the use in agricultural applications in Europe alternative sources as roof materials and façade coatings exposed to rain were suggested. Further field and laboratory tests confirmed construction products as sources of these substances in water.
The aim of this presentation is to show exemplary results of existing leaching methods and underline the strength and weaknesses of the test system with selected examples from our work. We especially draw the attention to the research which is still needed to close the gap between the results of leaching experiments and the subsequent risk assessment of the products.
Ausgewählte Ergebnisse des UBA-Vorhabens "Beregnete Bauteile und Bauprodukte: Entwicklungen für Vergabegrundlagen für den Blauen Engel mit Hilfe von Auslaugtest" werden für organische und anorganische Analyten präsentiert. Ein Schwerpunkt ist den Einfluss der verschiedenen Schichten von WDVS-Systemen aufzuzeigen.
Brominated flame retardants have widely been used for more than 50 years and have been frequently detected in environmental samples as surface water and fish. Leaching from construction products was identified as one possible source. The use of substances as e.g. hexabromocyclododecane (HBCCD) was restricted recently due to increasing concern about negative impacts on the environment and human health caused by the persistent, bio accumulative and toxic properties. New polymeric brominated flame retardants have been developed to replace HBCCD in expanded polystyrene (XPS), which is used for insulation of buildings. It is assumed that the release from the polymer is much smaller in comparison to release of small molecules as HBCCD. The release from the polymer may include monomers or small fragments of different size. Thus, a sum parameter is needed. According to Schlummer et al. it is possible to detect brominated molecules using X-ray fluorescence spectroscopy by determination of brome content in XPS extracts. As only small brominated compounds can be extracted it also allows for the differentiation between the two classes of compounds. This method was applied to verify the presence of different kinds of flame retardants in XPS samples and to evaluate the leaching behavior.
The presentation gives an overview about the use of ecotoxicity testing in assessment of waste. Especially in cases with unknown composition this kind of test are useful. Recently, the assessment of the hazard property HP 14 "ecotoxicity" for the labelling of waste was published. The labelling procedure is explained in detail.
The presentation gives an overview about the use of ecotoxicity testing in assessment of waste. Especially in cases with unknown composition this kind of test are useful. Recently, the assessment of the hazard property HP 14 "ecotoxicity" for the labelling of waste was published. The labelling procedure is explained in detail.
The presentation gives an overview about the use of ecotoxicity testing in assessment of waste. Especially in cases with unknown composition this kind of test are useful. Recently, the assessment of the hazard property HP 14 "ecotoxicity" for the labelling of waste was published. The labelling procedure is explained in detail.
Auslaugversuche wurden mit verschiedenen Bauprodukten durchgeführt, die unter Anwendungsbe-dingungen mit Niederschlägen in Kontakt kommen können. In das Testprogramm wurden Lacke für Außenanwendungen, Wärmedämmverbundsysteme, Dachziegel und polymere Dachfolien einbezogen.
Mit diesen Produkten wurden der von CEN TC 351 entwickelte dynamische Oberflächenauslaugtest (DSLT) und Immersionstests nach EN 16105 durchgeführt. Emissionsverläufe wurden sowohl für an-organische Komponenten als auch für organische Substanzen in den Eluaten ermittelt. Auslaugbare organische Substanzen wurden zuvor in Screeningtests identifiziert.
Um die mögliche Freisetzung von Stoffen aus Bauprodukten beurteilen zu können, ist es erforderlich, Emissionsverläufe zu beschreiben. Dazu sind die verwendeten Testverfahren geeignet. Um Baupro-dukte mit einem Blauen Engel als „Produkte mit geringer Auslaugung“ auszuloben, müssen die aus-laugbaren Substanzen komplett bekannt sein. Für organische Verbindungen ist das noch eine Heraus-forderung. Außerdem erfordert die Bewertung der Testergebnisse sowohl Übertragungsmodelle, die Vorhersagen über freisetzbare Stoffmengen unter Anwendungsbedingungen ermöglichen, als auch Vorgaben zu tolerierbaren Umweltkonzentrationen. Hier besteht noch Handlungsbedarf.
Our earlier study based on historical and scientific analysis showed that Iranians used a considerable range of materials in the sizing process. Unlike many nations who used limited sizing materials to improve the mechanical strength and to smoothen the paper surface, Iranians have used various materials for sizing process from Taimurid (15th century) to Safawid (16th century) and Qajar (19th century) periods. Further to our earlier study on the Sizing Materials used in Persian manuscripts and miniature paintings, scientific analysis was carried out to investigate their behaviour against the mould fungus Aspergillus flavus. In the first stage fourteen different sizing materials that was identified from Persian historical recipes were reconstructed. In the second stage fungicidal property of each sizing samples against Aspergillus flavus fungus were identified that will be presented in this paper.
In this study, we investigated the diverse range of materials used for sizing in Iranian paper manuscripts during the Timurid (fifteenth century) to Safavid (sixteenth century) and Qajar (nineteenth century) periods. Our approach combined historical analysis with scientific examination of reconstructed sizings. We reconstructed 15 sizing materials based on identified Persian historical recipes and analysed their physical, optical, and spectral characteristics. Additionally, we assessed their behaviour against the mould fungus Aspergillus flavus. The results revealed distinctive properties for each sizing material, shedding light on their potential applications in paper preservation. Furthermore, our investigation demonstrated variations in hygroscopicity, thickness, grammage, and ash content post-sizing. The sizing materials also exhibited different effects on paper reflectance properties. Additionally, our study revealed insights into the impact of sizing on burnished papers, indicating that the mechanical process of burnishing did not significantly alter the chemical composition or spectral properties of the paper, with only minor changes in brightness observed in specific cases. All tested sizing materials supported varying levels of mould growth, indicating potential implications for paper conservation. Our findings provide valuable insights into the historical practices of Iranian paper sizing and offer practical considerations for the preservation of paper manuscripts.
Fluorometric sensing is a versatile approach for trace analysis outside of the laboratory, requiring suitable sensor materials and their integration into sensing devices. The versatility of fluorophores as probes, especially in terms of the possibility to tailor their optical as well as their recognition properties by synthetic modifications in a wide range, renders them as superior active component for the preparation of optical sensing devices. Recent works at BAM in this field include, for example, the detection of nerve gas agents, illustrating impressively the aforementioned benefits of fluorophores in optical sensing applications.
In the interdisciplinary project presented here, we target hazardous gases such as ammonia, benzene, and hydrogen sulfide, next to others, which pose a major threat to human health and environmental safety and for which the availability of a sensitive and reliable detection method is highly desirable. The dyes presented follow a “turn-on” fluorescence schematic, which allows for the selective and sensitive detection of the respective gaseous analyte. The immobilization of the probe in polymeric matrices is then the next step toward the fabrication of a prototype device for molecular sensing. Further steps in the project include the assembly of instruments for test-atmosphere generation, the referencing of the sensor system, development and implementation of an optical setup, and the testing of the prototype device under laboratory conditions and in the field.
In this presentation, we give an overview over the recent developments on this topic in our groups. Highlights are hydrogen sulfide sensitive, BODIPY based transition metal complexes, which allow for a sensitive as well as selective detection of the toxic gas. In addition, we present a novel class of highly substituted BODIPY derivatives – pocket-BODIPYs – which are of a synthetically high versatility and can readily be modified to create pockets in the periphery of the molecule of defined geometries. This is illustrated on the successful encapsulation of benzene by a pocket-BODIPY derivative, confirmed by X-ray crystallographic analysis as well as by further spectroscopic and analytical methods.
Die Autoren zeigen dazu die gesetzlichen und energiepolitischen Rahmenbedingungen und Perspektiven auf, widmen sich in aktuellen Beiträgen zur Verfahrenstechnik der thermischen Abfallbehandlung sowohl den thermischen Hauptverfahren als auch der Abgasreinigung und gehen auf das Thema Wertstoffrückgewinnung ein. Ihr Fazit: Durch Anstrengungen, das stoffliche Recycling weiter zu optimieren, können künftig weitere Kreisläufe von Produkten und Materialien hochwertig geschlossen werden. Für manche Abfallströme wird dies aber aus verschiedenen Gründen nicht möglich sein – hier bleibt die thermische Abfallbehandlung unverzichtbar.
Microbial contamination of fuels by fungi or bacteria poses risks such as corrosion and fuel system fouling, which can lead to critical problems in refineries and distribution systems and has a significant economic impact at every stage of the process. Many factors have been cited as being responsible for microbial growth, like the presence of water in the storage tanks. In fact, only 1 % water in a storage system is sufficient for the growth of microorganisms like bacteria or yeasts, as well as for the development of fungal biomass at the oil/water interface.
This work presents a rapid test for the accurate determination of genomic DNA from aqueous fuel extracts. The detection is based on the use of polystyrene-mesoporous silica core-shell particles onto which modified fluorescent molecular beacons are covalently grafted. These beacons contain in the hairpin loop a target sequence highly conserved in all bacteria, corresponding to a fragment of the 16S ribosomal RNA subunit. The designed single-stranded molecular beacon contained fluorescein as an internal indicator and a quencher in its proximity when not hybridized. Upon hybridization in presence of the target sequence, the indicator and the quencher are spatially separated, resulting in fluorescence enhancement. To perform the assay the developed particles were deposited on different glass fibre strips to obtain a portable and sensitive rapid test. The assays showed that the presence of genomic DNA extracts from bacteria down to 50–70 μg L–1 induced a fluorescence response. The optical read-out was adapted for on-site monitoring by fitting a 3D-printed case to a conventional smartphone, taking advantages of the sensitivity of the CMOS detector. Such embedded assembly enabled the detection of genomic DNA in aqueous extracts down to the mg L–1 range and represents an interesting step toward on-site monitoring of fuel contamination.
Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) have been extensively utilized in various industrial processes, resulting in elevated concentrations in landfills and drinking water reservoirs. Despite recognizing that shortchained
PFAS are harmful, they are often overlooked. Short-chain PFAS are more challenging to remove via adsorption and membrane separation processes, and their detection is complex, thus creating a critical gap in understanding their environmental impact. To improve their environmental monitoring, we aim to improve short-chain PFAS adsorption and electro-sorption on novel carbon-based adsorbers such as pristine and functionalized multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) and assess their adsorption mechanisms. Based on the obtained result, we aim to develop a PFAS passive sampling device.
In this article, we present two Coptic papyri, P 11934 and P 11935 from the Berlin collection excavated in Ashmunein (ancient Hermopolis) by Otto Rubensohn in 1906. We employ a multi-disciplinary approach that takes into account both their materiality – writing support as well as ink – and their content, as has become ‘best practice’. 1 Material aspects of written documents have traditionally been the purview of papyrologists. Recently developed methods of scientific analysis generate sets of archaeometric data with the potential to improve understanding of the materiality of ancient document production, as well as to yield new evidence for genuine papyrological research questions. To achieve this, a large corpus of comparative data needs to be built. Our contribution offers a first step in this direction. We aim at presenting the papyri, which were selected because of the ink corrosion during conservation work at the Berlin collection, in a format that is exhaustive both for material and textual aspects. The inks from both papyri were analysed using a combination of techniques, contributing to our better understanding of the development of ink technology in Late Antiquity.
Innovation Network PerFluSan
(2020)
Per- and polyfluorinated alkyl substances (PFAS) are transferred into the environment as part of their broad industrial use, where they pose a problem due to their critical properties. The sustainable protection of people and the environment from this group of substances is an important task for the future. However, available PFAS removal and remediation processes are expensive and often inadequate. PerFluSan would like to make a relevant contribution to solve this problem by developing new PFAS remediation methods for soils and water, as well as innovative analytical methods for PFAS detection.
The long-term vision is to develop PerFluSan into a national contact point for the PFAS topic, which uses synergies between the PerFluSan actors to address all aspects of the problem holistically, sustainably and effectively.
Sintered bioactive glass scaffolds of defined shape and porosity, e.g. made via additive manufacturing, must provide sufficient bioactivity and sinterability. As higher bioactivity is often linked to high corrosion and crystallization tendency, a certain compromise between sintering ability and bioactivity is therefore required. Groh et al. developed a fluoride-containing bioactive glass (F3), which allows fiber drawing and shows a bioactivity well comparable to that of Bioglass®45S5.
To study whether and to what extent the sinterability of F3 glass powder is controlled by particle size, coarse and fine F3 glass powders (300-310µm and 0-32µm) were prepared by crushing, sieving and milling. Sintering, degassing and phase transformation during heating were studied with heating microscopy, vacuum hot extraction (VHE), DTA, XRD, and SEM.
For the coarse glass powder, sintering proceeds slowly and is limited by surface crystallization of primary Na2CaSi2O6 crystals. Although the crystallization onset of Na2CaSi2O6 is shifted to lower temperature, full densification is attained for the fine powder. This finding indicate that certain porosity might be tuned via particle size variation. Above 900°C, intensive foaming is evident for the fine powder. VHE studies revealed that carbon species are the main foaming source.
Thermal Destruction of PFAS
(2023)
Thermal treatment processes are currently the only full-scale option for thedestruction of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) in large waste streams. While all organic molecules including PFAS are susceptible to thermal destruction, their decomposition rates are controlled by process variables such as temperature, reaction atmosphere, and residence time. Concerns exist about the formation of products of incomplete destruction and their emission from hazardous waste incinerators. This talk will summarize the current stateof-the-art of thermal PFAS destruction, identify research needs, and showcase future research designed to address critical knowledge gaps.
The paper presents the results of the radiocarbon dating and ink analysis of a leather fragment bearing an important liturgical text in Hebrew from the early centuries of the common era. The work initiated by the scholarly interest in the text stresses the importance of the date and materiality of the manuscripts and closes with an appeal to the curators of manuscript collections.
In an interdisciplinary collaboration, restorers, art historians, and scientists examined Guilio Romano’s The Madonna with the Wash-Basin of 1525 (Dresden State Art Collections). Insights into the painting technique along with art historical comparisons provided the opportunity for a better understanding of the painting’s genesis, in particular concerning an early reworking of the background by the artist. A recovery and reconstruction of the earlier version of the background is now possible. The discovery of zinc in distinct passages of the painting, as well as the grey-black pigment stibnite and glass particles used as a supplement in paint layers are of special interest. The technological investigation initiated a discussion about the circumstances of the revision, as well as the painting’s relation to Vasari’s Lives of Artists.
Z02 is one of the three technically supporting projects at the CSMC. In collaboration with Z01 and Z03, it aims at bridging the gap between humanities and natural sciences and technology. To that purpose, we set up a laboratory with a range of high-end instruments, most of them mobile, allowing thorough non-destructive analysis of manuscripts. In addition to working on constantly improving the laboratory and the methods of analysis, a substantial part of our activities is dedicated to service, by supporting different research projects conducted at the center.
In this talk, we will present our equipment and the possibilities offered by the different techniques available regarding the different kinds of missions: typology and classification of inks, provenance studies, recovery of faded inscriptions and palimpsests, reconstruction of the history of manuscripts, authentication and dating. We will give a brief overview of our past and ongoing activities in the frame of the second phase of the CSMC. Finally, a selection of three projects will be presented in greater detail to highlight the possibilities of our laboratory and the diversity of missions which can be carried out:
- Support of project C08 on East Frankish manuscripts containing collections of formulae
- Identifying color materials applied in Muhammad Juki's Shahnamah with non-invasive combined methods
- Checking for the presence of metals in the Herculaneum papyri
Z02 is one of the three technically supporting projects at the Centre for the Study of Manuscript Cultures (CSMC). In collaboration with the other two service projects, Z01 and Z03, it aims at bridging the gap between humanities and natural sciences and technology. To that purpose, we set up a laboratory with a range of high-end instruments, most of them mobile, allowing thorough non-destructive analysis of manuscripts. In addition to working on constantly improving the laboratory and the methods of analysis, a substantial part of our activities is dedicated to service, by supporting different research projects conducted at the centre. In this talk, we will present our equipment and the possibilities offered by the different techniques available regarding the different kinds of missions: typology and classification of inks, provenance studies, recovery of faded inscriptions and palimpsests, reconstruction of the history of manuscripts, authentication and dating. We will give a brief overview of our past and ongoing activities in the frame of the second phase of the CSMC. Finally, a selection of projects will be presented in greater detail to highlight the possibilities of our laboratory and the diversity of missions which can be carried out.
Hundreds of papyrus rolls, carbonized during the 79CE eruption of Mount Vesuvius, were discovered in 1754 at Herculaneum. Sophisticated mechanical methods for unrolling the best-preserved scrolls have been applied, with varying success. However, such processes have been abandoned, to prevent risk from irremediable damage or loss and to preserve the integrity of the extremely fragile rolls. Following the development of X-ray based non-invasive techniques, attempts to virtually unroll the scrolls were made. The most common ink in Antiquity was carbon-based, and the main element of carbonized papyrus is carbon, making these investigations difficult. However, some attempts with synchrotron X-ray phase-contrast tomography (XPCT) were successful. Recently, the identification of antique inks containing metals raised hope that if some of the inks contain metal the rolls can be virtually unrolled using conventional CT- technique. We are presenting here the first results of a preliminary analysis, which aimed at identifying scrolls whose ink contains metals.
In the last decade, applications of X-rays to the study of manuscripts significantly spread in both diversity and extent. They range from writing material analysis, mostly with X-ray fluorescence (XRF), permitting non-invasive characterization of inks and pigments used, to the investigation of the origin of writing supports. In addition, XRF mapping has proved to be an invaluable tool for recovering erased text. Finally, computed-tomography (CT) has shown potential in virtually unrolling rolls, making text readable without using-damaging mechanical methods. Despite their growing use, little attention has been paid to the side effects of such analytical tools. We observed irreversible parchment colour changes during some experiments on dead-sea scrolls with synchrotron radiation sources. Furthermore, partial photo-reduction of iron under high intensity beam during X-ray absorption near edge structure spectroscopy (XANES) measurements of iron-gall ink on paper has been reported several times [5,6]. Such phenomena have mostly been overlooked so far, although there is an increasing awareness of the necessity to study them. We conducted experiments at the Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) facilities to investigate X-ray induced structural alteration of paper and parchment to see whether the presence of absorption centres (ink and pigments) has an impact. In addition to better understanding degradation processes, we are aiming to define an appropriate methodology of analysis of manuscripts with a tolerable risk of damage. The first results concerning X-ray induced damage of cellulose materials have already been presented at the Synchrotron Radiation and Neutrons in Art and Archaeology (SR2A). We are focusing here on the results on parchment materials.
Z02 is one of the three technically supporting projects at the Centre for the Study of Manuscript Cultures (CSMC). In collaboration with the other two service projects, Z01 and Z03, it aims at bridging the gap between humanities and natural sciences and technology. To that purpose, we set up a laboratory with a range of high-end instruments, most of them mobile, allowing thorough non-destructive analysis of manuscripts. In addition to working on constantly improving the laboratory and the methods of analysis, a substantial part of our activities is dedicated to service, by supporting different research projects conducted at the centre. In this talk, we will present our equipment and the possibilities offered by the different techniques available regarding the different kinds of missions: typology and classification of inks, provenance studies, recovery of faded inscriptions and palimpsests, reconstruction of the history of manuscripts, authentication and dating. We will give a brief overview of our past and ongoing activities in the frame of the second phase of the CSMC. Finally, a selection of three projects will be presented in greater detail to highlight the possibilities of our laboratory and the diversity of missions which can be carried out.
Hundreds of papyrus rolls, carbonized during the 79CE eruption of Mount Vesuvius, were discovered in 1754 at Herculaneum. Sophisticated mechanical methods for unrolling the best-preserved scrolls have been applied, with varying success. However, such processes have been abandoned, to prevent risk from irremediable damage or loss and to preserve the integrity of the extremely fragile rolls. Following the development of X-ray based non-invasive techniques, attempts to virtually unroll the scrolls were made. The most common ink in Antiquity was carbon-based, and the main element of carbonized papyrus is carbon, making these investigations difficult. However, some attempts with synchrotron X-ray phase-contrast tomography (XPCT) were successful. Recently, the identification of antique inks containing metals raised hope that if some of the inks contain metal the rolls can be virtually unrolled using conventional CT- technique. We investigated the inks of a selection of partially unrolled fragments stored at the Biblioteca Nazionale di Napoli with X-ray fluorescence in order to select the best candidates for tomography. Despite the many difficulties (analysis of several layers sticking together, letters barely visible, difficulty to separate contribution from the ink and from the papyrus, inhomogeneity of the support, fragility of the fragments…), encouraging results were found, with a number of inks from Greek fragments found to contain additions to the soot (Fe, Pb, Cu P).
Recent research has suggested that some of the inks used in Herculaneum papyri do not consist of pure carbon. Starting from this finding, in June 2018 a preliminary campaign of analysis by means of X-Ray fluorescence (XRF) of external portions removed mechanically from their original rolls in the eighteenth century (the so-called scorze) took place at the Biblioteca Nazionale at Naples. Also in this case, the aim of the survey was to investigate the ink composition in order to detect possible traces of metal. This article sums up the results of this survey.
Hundreds of papyrus rolls, carbonized during the 79CE eruption of Mount Vesuvius, were discovered in 1754 at Herculaneum. Sophisticated mechanical methods for unrolling the best-preserved scrolls have been applied, with varying success. However, such processes have been abandoned, to prevent risk from irremediable damage or loss and to preserve the integrity of the extremely fragile rolls. Following the development of X-ray based non-invasive techniques, attempts to virtually unroll the scrolls were made. The most common ink in Antiquity was carbon-based, and the main element of carbonized papyrus is carbon, making these investigations difficult. However, some attempts with synchrotron X-ray phase-contrast tomography (XPCT) were successful. Recently, the identification of antique inks containing metals raised hope that if some of the inks contain metal the rolls can be virtually unrolled using conventional CT- technique. We investigated the inks of a selection of partially unrolled fragments stored at the Biblioteca Nazionale di Napoli with X-ray fluorescence in order to select the best candidates for tomography. Despite the many difficulties (analysis of several layers sticking together, letters barely visible, difficulty to separate contribution from the ink and from the papyrus, inhomogeneity of the support, fragility of the fragments…), encouraging results were found, with a number of inks from Greek fragments found to contain additions to the soot (Fe, Pb, Cu P).
The processing of laser-induced periodic surface structures (LIPSS) represents a simple and robust way for the nanostructuring of solids that allows creating a wide range of surface functionalities featuring applications in optics, tribology, medicine, energy technologies, etc. While the currently available laser and scanner technology already allows surface processing rates at the m2/min level, industrial applications of LIPSS are sometimes hampered by the complex interplay between the nanoscale surface topography and the specific surface chemistry. This typically manifests in difficulties to control the processing of LIPSS and in limitations to ensure the long-term stability of the created surface functions. This presentation aims to identify some unsolved scientific problems related to LIPSS, discusses the pending technological limitations, and sketches the current state of theoretical modelling. Hereby, it is intended to stimulate further research and developments in the field of LIPSS for overcoming these limitations and for supporting the transfer of the LIPSS technology into industry.
Surfaces of metallic copper and copper alloys effectively inactivate microorganisms and viruses. However, the exact inactivation mode is still under debate. Main factors are assumed to include direct contact with the metallic surface, influx of Cu(I)/Cu(II) ions and the generation of reactive oxygen species (ROS). Laser-induced periodic surface structures (LIPSS) are frequently reported to act antibacterial, mainly by prevention of bacterial adhesion due to a limited number of possible adhesion points or by increasing the overall surface of intrinsically antibacterial materials. In time-kill experiments with E. coli and S. aureus we analyzed the impact of LIPSS on the toxicity of metallic copper and brass. We also conducted ROS accumulation assays and conclude that the application of LIPSS is not generally straight forward to obtain or improve antibacterial surfaces. Thus, the antibacterial effects of LIPPS.
Bakterielle Biofilme stellen in medizinischen und industriellen Bereichen ein ernsthaftes Problem dar. Eine der größten gesellschaftlichen Herausforderungen liegt in der zunehmenden Resistenz von Bakterien gegen Biozide, die bei antimikrobiellen Behandlungen eingesetzt werden, z.B. durch übermäßigen Einsatz in Medizin, Industrie und Landwirtschaft oder durch Reinigung und Desinfektion in Privathaushalten. Daher sind neue effiziente bakterienabweisende Strategien, die den Einsatz von Bioziden vermeiden, dringend erforderlich.
Ein vielversprechender Weg zur Erzielung bakterienabweisender Oberflächen liegt in der berührungslosen und aseptischen großflächigen Laserbearbeitung von technischen Oberflächen. Maßgeschneiderte Oberflächentexturen, ermöglicht durch verschiedene Laserbearbeitungsstrategien, die zu topographischen Skalen im Bereich von Nanometern bis Mikrometern führen, können eine Lösung für diese Herausforderung darstellen.
In dem Vortrag wird ein Überblick über den aktuellen Stand der Technik bei der subtraktiven Texturierung von Laseroberflächen zur Kontrolle der Biofilmbildung bei verschiedenen Bakterienstämmen und in unterschiedlichen Umgebungen gegeben. Auf der Grundlage spezifischer Eigenschaften von Bakterien und laserbearbeiteten Oberflächen werden die Herausforderungen antimikrobieller Oberflächendesigns erörtert und zukünftige Richtungen aufgezeigt.
This paper reports the outcome of an interdisciplinary team’s application of multispectral imaging techniques and material analysis to a music fragment from the first decades of the fifteenth century: Atri, Archivio Capitolare, Museo della Basilica Cattedrale, Biblioteca del Capitolo della Cattedrale, Frammento 17. This important parchment leaf has rarely been investigated since its discovery 45 years ago. Thanks to the applied techniques and methods (such as the evaluation of the data using the fingerprint model), it is now possible to discuss new evidence supporting conclusions regarding the fragment’s origin and afterlife.
One criterion to evaluate the odour of a sample is perceived
intensity П which is evaluated with the aid of a comparative scale. The procedure is well accepted but also time consuming and extensive. The study should help simplify the testing procedure by asking the panel members to only indicate whether a sample is perceived as less to equally intense or of greater intensity in comparison to a given acetone concentration of 7 pi on the comparative scale. In Germany a value of 7 pi is required for products to be suitable for the indoor use. The results show that the simplified test is basically suitable.
VOC-emissions and their odours from building products and furnishings present indoors should not have an impact on personal well-being or health. Odours can be measured by applying the standard ISO 16000-28. Indoor air determination of odour emissions from building products using test chambers. One of the described procedures is the assessment of perceived intensity using a comparative scale by a group of panellists. In this paper, the perceived intensity sampling procedure and its evaluation method are investigated and shown to need improvement. New technical developments in the methodology used to increase the reproducibility of measurement results are discussed. Since odour tests are used for labelling, they have a major influence on the assessment of construction products, similar to the procedure of the German Committee for Health Evaluation of Building Products (AgBB). In the original ISO standard, the evaluation is typically performed using a sampling container separated from the emission chamber. For a better sample presentation, an adapter was developed to connect the emission test chamber to the evaluation funnel and thus enable an odour assessment which is comparable to a direct measurement. The investigations show that losses of odourous substances can be greatly reduced, which is very desirable when seeking to obtain reliable results in odour measurement. Another experimental series was carried out to reduce the measurement effort in the evaluation of perceived intensity. Application of the developed greater than or less than/equal to. query could be helpful here. The results show that the query mostly leads to the same result as the evaluation of the perceived intensity using the method according to the standard but is much easier to perform. Overall, the results can contribute to improving the acceptance of the evaluation of perceived intensity using ISO 16000-28 and to determining odours from building materials increasingly more precisely.
Healthy and energy efficient buildings must be free from disturbing odours. Odour emissions from building materials can be measured with the well-known and accepted standard ISO 16000-28 “Indoor air – Part 28: Determination of odour emissions from building products using test chambers”. For commonly used emission test chambers the sample air is collected in containers (bags) and presented to a group of panel members for the purpose of evaluating the odour. A standard sets requirements for the on-demand presentation in detail. These include the validation procedure for container materials, pre-treatment of bags, details on storage of filled bags and how to carry out the measurements. However, although these measures are proven in practice, incorrect measurements are still possible. Also errors can occur due to a very complex measurement procedure. So, there is a great need for research into how the odour samples are presented.
The proposal planned to be presented will introduce a new development in sample provision by using an adapter which enables collection and provision of sample air without storage or transport of bags. The adapter is a sample container which is permanently positioned on the emission test chamber´s outlet and continuously filled with sample air flowing through it. The flow is briefly interrupted at the time when a sample is taken by a panel member for the test.
The size of the container is sufficient to provide enough sample air for evaluation by at least one panel member via a funnel. Since sampling and presentation are technically connected, it means you can almost do away with storage or transportation and thus it can be presented almost unchanged to the panelmembers. The aim is to reduce measurement errors in the odour samples provision process and the improvement of measurement reproducibility. The paper presents the construction of the adapter as well as the results of emission and odour tests carried out so far.
Indoor air quality is affected by the emission of volatile organic compounds (VOC) or the odour from building products. Odours can be measured by applying the standard ISO 16000-28:2020.
In the study presented here proposals for further technical development of the ISO method are presented. The sampling procedure and evaluation
method of the perceived intensity are investigated in particular because they have a major influence on reproducibility of measurement results.
Zur Weiterentwicklung der Probenpräsentation wurde ein Adapter entwickelt, der Emissionsprüfkammer und Bewertungstrichter miteinander verbindet und dadurch eine der direkten Messung vergleichbare Geruchsbewertung ermöglicht. Die analytischen Messungen zeigen, dass es kaum Unterschiede in der Zusammensetzung der Probenluft in der Kammer im Vergleich zum Probenbehälter gibt. Bei den olfaktorischen Messungen kam es jedoch bei der Bewertung der Probenluft mit Hilfe des Adapters zu Minderbefunden. Anschließende Untersuchungen zeigten, dass beim Ausschalten des Geräts Umgebungsluft über den Trichter in den Adapter strömt und zu einer Verdünnung der Probenluft führt. Um dies zu vermeiden, werden derzeit weitere Messungen durchgeführt.
Eine weitere Versuchsreihe wurde durchgeführt, um den Messaufwand bei der Bewertung der empfundenen Intensität zu reduzieren. Die entwickelte „größer-oder-kleiner/gleich“ Abfrage kann hier hilfreich sein. Die Untersuchungen im Luftqualitätslabor und im Rahmen eines Ringversuches mit verschiedenen Laboren, zeigen, dass die Abfrage in fast allen Fällen zu den gleichen Ergebnissen führt, wie die normgerechte aber aufwendigere Ermittlung der empfundenen Intensität mithilfe des Vergleichsmaßstabes.
Bauprodukte, die in Innenräumen verwendet werden, sollten die Gesundheit und das Wohlbefinden der Personen die sich darin aufhalten nicht durch das Ausdünsten von Geruchsstoffen stören. Die DIN ISO 16000-28 „Bestimmung der Geruchsstoffemissionen aus Bauprodukten mit einer Emissionsprüfkammer“ (DIN ISO 16000-28) beschreibt umfassend die Möglichkeiten der Geruchsprüfung. In Verbindung mit der Anwendung der VDI-Richtlinie 4302 Blatt 1 „Geruchsprüfung von Innenraumluft und Emissionen aus Innenraummaterialien“ (VDI 4302 Blatt 1) ist sie zur Bewertung der empfundenen Intensität von Bauprodukten mit Vergleichsmaßstab geeignet (Umweltbundesamt 2015). In einem vom Umweltbundesamt (UBA) geförderten Forschungsprojekt der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin (HTW Berlin) und der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) wurden erstmals verschiedene Vergleichsmaßstäbe miteinander verglichen. Ziel des derzeitigen Folgeprojektes ist nun, Mindestanforderungen an Vergleichsmaßstäbe zu erarbeiten, welche die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse erhöhen und mit denen die Norm konkretisiert werden kann. Dieser Beitrag stellt die Untersuchungen und Ergebnisse des ersten Projektes und die Schlussfolgerungen für die Durchführung des zweiten Projektes dar.
Biochemische und physiologische Charakterisierung der extrazellulären Matrix eines Modellbiofilms
(2018)
An der Grenzschicht zwischen einer festen Oberfläche und der umgebenden Luft wachsende subaerische Biofilme (SAB) zeichnen sich durch eine erhöhte Toleranz gegenüber extremen Umweltbedingungen und dem Eintrag von Bioziden aus. Dieser Schutz vor äußeren Umwelteinflüssen wird vornehmlich durch den Beitrag von extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) und Pigmenten, wie Melanin und Carotinoiden, vieler unterschiedlicher Organismen gewährleistet. Deren Synthese wird wiederum durch intrazelluläre Botenstoffe reguliert. Das Cyanobakterium Nostoc punctiforme und der mikrokoloniale Pilz Knufia petricola, als Partner eines etablierten SAB-Modells und Vertreter zweier typischer Organismengruppen in SAB, wurden genutzt, um Botenstoffe und Pigmente genetisch zu manipulieren und die Biofilmmatrix dieser Mutanten strukturell zu untersuchen. In dieser Arbeit konnten erstmals die EPS beider Organismen extrahiert und die Struktur der extrazellulären Polysaccharide beschrieben werden. Daneben wurden die extrazellulären Polysaccharide von K. petricola Wildtyp mit denen verschiedener Pigmentmutanten verglichen. Das Fehlen des Schutzpigmentes Melanin führte zu einer ausgeprägteren extrazellulären Matrix in den Biofilmen. Gleichzeitig änderte sich die Struktur der extrazellulären Polysaccharide. Während der Wildtyp zu ~80% ein α-Glucan und zu ~20% ein α/β-Galaktomannan sekretierte, war der Anteil des Galaktomannans bei den Melaninmutanten erhöht. Das Ausschalten der Carotinoid-Synthese hatte jedoch keinen Einfluss auf die Beschaffenheit der extrazellulären Polysaccharide. Ein deutlich komplexeres extrazelluläres Polysaccharid aus acht verschiedenen Monosaccharid-Einheiten bildete N. punctiforme. Durch die Überproduktion des bakteriellen sekundären Botenstoffes c-di-GMP konnte zudem ein grundlegender Einfluss auf die Reaktion des Cyanobakteriums gegenüber externen Signalen und die damit verbundene Zelldifferenzierung gezeigt werden. Ein artifiziell erhöhtes c-di-GMP-Level in den Zellen führte zur Ausbildung eines sessilen Lebensstils durch Hemmung der Differenzierung motiler Hormogonien und vermehrte Produktion von EPS. Die Struktur der extrazellulären Polysaccharide wurde dadurch nicht verändert. Neben der strukturellen Analyse konnten die Veränderungen der extrazellulären Matrix beider Organismen zusätzlich durch mikroskopische Methoden visualisiert werden. Beide Organismen steuern komplexe Polymere, deren Produktion maßgeblich mit intrazellulären Faktoren verknüpft ist, zu der extrazellulären Matrix des Modellbiofilms bei.
Data for the publication "The role of extracellular polymeric substances of fungal biofilms in mineral attachment and weathering" (https://doi.org/10.1038/s41529-022-00253-1). It includes:
- The Summary of the EPS concentration, EPS sugar components and EPS linkages.
- The Summary of the XPS analysis of freeze-dried biofilm samples of all strains.
- The Summary of the pH, Mg, SI and Fe concentration, biomass and olivine dissolution rate for each time point of all dissolution experiments.
The properties of nanomaterials are influenced not only by their chemical composition but also by physical properties (such as size, geometry and crystal structure). For the reliable determination and assessment of behaviour and effects of nanomaterials as well as for the determination of the exposure of humans and environment a comprehensive physical-chemical characterization of nanomaterials is essential. This is an important prerequisite to identify them as nanomaterials and to interpret and compare test results and - in future – to forecast interaction and effects of nanomaterials.
In 2006, the OECD launched a sponsorship program for the testing of nanomaterials in which 11 nanomaterials were thoroughly investigated using a variety of methods. The aim of the project was, among other things, to find out where problems occur and where there are gaps in the measurement and test procedures and where are changes required. An important outcome of the sponsorship program was the finding that the OECD Test Guidelines should in several cases be extended to the specific needs in testing of nanomaterials. The existing standardized test methods of the OECD for physical-chemical characterization have not been developed for nanomaterials in particular. A high demand for an extension of the test guidelines was identified. Germany complied with the OECD's request in 2017 and has agreed to extend the “Test Guideline on Particle Size Distribution / Fiber Length and Diameter Distributions Test Guideline” for Manufactured Nanomaterials (MN). UBA commissioned BAM and BAuA with the preparation of the Test Guideline. The aim of the project is the development of a harmonized test protocol for a valid and reproducible determination of particle size and size distribution which is one of the most relevant physical-chemical properties for MNs.
Different measuring methods provide different results for the size distribution of the particles. This is caused by the different measuring principles of the methods. Each method measures a specific parameter that ultimately determines particle size. First, the measured quantity differs for each method (Scattered light intensity, 2D image / projection, electric mobility, etc.). Second, the calculated diameters of the MN may differ (Feret Diameter, Area Projection, Mobility Diameter, Aerodynamic Diameter, Hydrodynamic Diameter). Third, a measuring method provides a size distribution which is measured either mass-based, surface-based or number-based. A conversion between the results requires additional parameters and thus possibly increases the measurement error.
In addition to the technical differences, the individual parameters are strongly influenced by the structure and material of the nanoparticles. For example, a surface functionalization can lead to very different results in the size distribution. The suitability of measurement methods differs with the material of the MN. As a result, two very different results can be measured for the particle size distribution using two different methods, which are nevertheless both correct. Several large projects in recent years therefore concluded that nanomaterials should be characterized by at least two complementary method. Imaging techniques are regarded as one of these methods for the characterization, the complementary methods are supposed to be statistical methods.
The different results for the size distribution of nanomaterials become problematic for the registration of new MN. A comparable and reproducible size distribution is a prerequisite for a standardized registration. In the future, the particle size distribution in the EU will also decide on the classification of a substance as a nanomaterial or as a non-nanomaterial. Especially in borderline cases, a standardized and comparable measurement methodology is therefore essential.
The intention of the presentation is to inspire a discussion on the needs and challenges for the digitalisation of SOPs. SOPs are available for the disciplines of physical-chemical characterisation, for toxicology, for environmental applications and for exposure applications. Furthermore the SOPs need to be integrated in the regulatory framework and need to be detailed enough for the digital processing. This is highlighted in this presentation.