4 Material und Umwelt
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Schlagworte
Organisationseinheit der BAM
- 4 Material und Umwelt (844)
- 4.1 Biologische Materialschädigung und Referenzorganismen (192)
- 4.3 Schadstofftransfer und Umwelttechnologien (188)
- 4.5 Kunst- und Kulturgutanalyse (141)
- 4.4 Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung (140)
- 4.2 Material-Mikrobiom Wechselwirkungen (137)
- 4.0 Abteilungsleitung und andere (74)
- 6 Materialchemie (62)
- 1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien (46)
- 6.2 Material- und Oberflächentechnologien (26)
- 6.1 Oberflächen- und Dünnschichtanalyse (25)
- 1.1 Anorganische Spurenanalytik (18)
- 3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher (17)
- 3.1 Sicherheit von Gefahrgutverpackungen und Batterien (17)
- 7 Bauwerkssicherheit (17)
- 1.4 Prozessanalytik (15)
- 5 Werkstofftechnik (14)
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (13)
- 6.3 Strukturanalytik (12)
- 7.1 Baustoffe (12)
- 4.6 Molekulare und angewandte Entomologie (11)
- 1.7 Organische Spuren- und Lebensmittelanalytik (10)
- 1.8 Umweltanalytik (10)
- 9 Komponentensicherheit (9)
- 1.9 Chemische und optische Sensorik (8)
- 1.2 Biophotonik (7)
- 7.4 Baustofftechnologie (7)
- 5.4 Multimateriale Fertigungsprozesse (6)
- 8.0 Abteilungsleitung und andere (6)
- 2 Prozess- und Anlagensicherheit (5)
- 6.6 Physik und chemische Analytik der Polymere (5)
- 8.1 Sensorik, mess- und prüftechnische Verfahren (5)
- 9.3 Schweißtechnische Fertigungsverfahren (5)
- 2.2 Prozesssimulation (4)
- 5.1 Mikrostruktur Design und Degradation (4)
- 8.5 Röntgenbildgebung (4)
- Z Zentrale Dienstleistungen (4)
- Z.1 Organisation, Controlling (4)
- 1.0 Abteilungsleitung und andere (3)
- 7.5 Technische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen (3)
- 9.0 Abteilungsleitung und andere (3)
- 1.5 Proteinanalytik (2)
- 5.3 Polymere Verbundwerkstoffe (2)
- 5.6 Glas (2)
- 8.2 Zerstörungsfreie Prüfmethoden für das Bauwesen (2)
- 8.4 Akustische und elektromagnetische Verfahren (2)
- VP Vizepräsident (2)
- VP.1 eScience (2)
- VP.2 Informationstechnik (2)
- 2.1 Sicherheit von Energieträgern (1)
- 3.3 Sicherheit von Transportbehältern (1)
- 5.2 Metallische Hochtemperaturwerkstoffe (1)
- 6.7 Materialsynthese und Design (1)
- 7.6 Korrosion und Korrosionsschutz (1)
- 9.5 Tribologie und Verschleißschutz (1)
Volatile organic compounds (VOCs) emitted by furniture and building materials can cause health issues. For an improvement of indoor air quality low emitting materials should be used. Quality assurance and –control (QA/QC) measures require an emission reference material (ERM) with a predictable emission rate of VOCs. The idea is to use porous materials as ERM, which store the VOCs inside their pores and emit them constantly.
Following the recommendation of the European Chemicals Agency, on 25 September 2023 the European Commission passed a comprehensive new regulation to reduce emissions of microplastics (MP) into the environment, which includes the sale and use of intentionally added MP.1,2 This also applies to the application of synthetic rubber granulate infill in artificial turf systems and will ultimately have an impact on recreational sports. In Germany, rubber granulate made of ethylene-propylene-diene-monomer rubber (EPDM) is currently predominantly used. So far, there is no sufficient database for estimating MP emissions from artificial turf pitches into the environment and thus their relevance as a source of MP pollution.3 This topic is controversially discussed due to the complexity of sampling and analytics. To close this research gap, this project has the goal to determine mass balances for the emissions of MP from artificial turf pitches to allow an estimation of the amount of MP released per artificial turf pitch and year.
Within this study, MP emissions of three artificial turf scenarios at different time states (unaged, artificially aged and real-time aged) are compared: the past (old turf: fossil based, synthetic infill), present (most commonly installed in Europe: fossil based, EPDM infill), and the future (turf with recycled gras fibres, no synthetic infill). To simulate the outdoor weathering during the lifespan of an artificial turf of approx. 15 years, brand-new artificial turf and EPDM rubber granulate were accelerated aged by means of UV weathering and mechanical stress. Potential MP emissions into surface and groundwater are simulated by lysimeter and shake experiments. MP mass contents are subsequently determined by Thermal Extraction Desorption Gas Chromatography/Mass Spectrometry. Using special microfilter crucibles allows the estimation of the particle sizes of the emitted MP, which is a fundamental requirement for an assessment of potential health hazards for humans.
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.
Thermochemische Aufarbeitung von Stahlwerksstäuben und -schlämmen zur Zink- und Eisenrückgewinnung
(2024)
Stahlwerksstäube und -schlämme enthalten in der Regel Schwermetalle wie Zink, Blei und Cadmium, die ein direktes Recycling verhindern und diese Stoffe potenziell umweltgefährdend machen. Um diese Schwermetalle aus den Materialien zu entfernen, werden drei thermochemische Verfahren zur Aufarbeitung von Gichtgasschlamm, Elektroofenstaub und ähnlichen Stahlwerksstäuben vorgestellt. Zum einen kann die Mischung von Elektroofenstaub mit chloridhaltigen Lösungen, wie sie z. B. in der Titandioxidproduktion anfallen, gemischt werden, um bei der thermischen Behandlung Schwermetallchloride zu effektiv verdampfen. Weiterhin kann der im Gichtgasschlamm enthaltene Kohlenstoff genutzt werden, um in Mischungen aus Gichtgasschlamm und Elektroofenstaub bei der thermischen Behandlung als Reduktionsmittel zu wirken. Dieses Verfahren führt zur Rückgewinnung von Zink und metallischem Eisen und wird im Technikums- und Pilotmaßstab erprobt. Abschließend wird die Nutzung von Wasserstoff als Reduktionsmittel für Elektroofenstaub vorgestellt. Hierbei lässt sich der Reststoff potenziell klimaneutral in Eisenschwamm umwandeln, wobei die chemischen Grundlagen anhand von DTA-Experimenten und thermodynamischen Simulationen ergründet werden.
Sunlight is an almost unavoidable environmental cue and plays a fundamental role in the biology of pro- and eukaryotic organisms. To cope with sunlight-associated stresses e.g., high temperatures, UV radiation with associated DNA damage, accumulation of reactive oxygen species (ROS), desiccation and osmotic stresses, it is important for organisms to accurately sense and respond to changes in light. The benefits of light are obvious for green organisms such as cyanobacteria, algae and plants which use light as an energy source (photosynthesis). Less apparent are other light-dependent processes such as light-driven DNA repair by photolyases (photoreactivation) or ion pumping by microbial opsins. Fungi that can share light-flooded habitats with phototrophs may profit from their excess photosynthetic products. Rock-inhabiting Dothideomycetes and Eurotiomycetes including Knufia petricola possess many proteins for absorbing UV/blue, green, red and far-red light, produce the black 1,8 dihydroxynaphthalene (DHN) melanin and orange-red carotenoids, and may live in multispecies biofilms. Here, we are addressing the question to which extent constitutive pigment formation (melanin and carotenoids) and responses mediated by the stress-activated mitogen-activated protein (MAP) kinase contribute to the observed light (UV-B) tolerance of K. petricola.
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.
Sunlight is an almost unavoidable environmental cue and plays a fundamental role in the biology of pro- and eukaryotic organisms. To cope with sunlight-associated stresses e.g., high temperatures, UV radiation, accumulation of reactive oxygen species, desiccation, and osmotic stress, it is important for organisms to accurately sense and respond to changes in light. The benefits of light are obvious for green organisms such as cyanobacteria, algae and plants which use light as an energy source (photosynthesis). Fungi that can share light-flooded habitats with phototrophs may profit from their excess photosynthetic products. Examples are the plant pathogen Botrytis cinerea, the gray mold fungus, and the rock inhabitant Knufia petricola, a microcolonial black fungus which forms multispecies biofilms with bacteria and algae.
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.
Calcium sulfate hemihydrate (CaSO4ᐧ0.5H2O), also known as bassanite, has been used as a precursor to produce gypsum (dihydrate, CaSO4ᐧ2H2O) for various construction and decorative purposes since prehistoric times. The main route to obtain hemihydrate is a thermal treatment of gypsum at temperatures typically between 150 °C and 200 °C to remove some of the structural water.
In this contribution, we introduce (Fig. 1) a more efficient and sustainable method (T < 100 °C) that enables the direct, rapid, and reversibly conversion of gypsum to bassanite using reusable high salinity aqueous solutions (brines with c[NaCl] > 4 M). The optimum conditions for the efficientproduction of bassanite in a short time (< 5 min) involve the use of brines with c(NaCl) > 4 M and maintaining a temperature, T > 80 °C. When the solution containing bassanite crystals is cooled down to around room temperature, eventually gypsum is formed. When the temperature is raised again to T > 80 °C, bassanite is rapidly re-precipitated. This contrasts with the typical behaviour of the bassanite phase in low salt environments.
Traditionally, hemihydrate is obtained through a solid state thermal treatment because bassanite is considered to be metastable with respect to gypsum and anhydrite in aqueous solutions, and therefore gypsum-to-bassanite conversion should not occur in water. Its very occurrence actually contradicts numerical thermodynamic predictions regarding solubility of calcium sulfate phases. By following the evolution of crystalline phases with in situ and time-resolved X-ray diffraction/scattering and Raman spectroscopy, we demonstrated that the phase stability in brines at elevated temperatures is inaccurately represented in the thermodynamic databases. Most notably for c(NaCl) > 4 M, and T > 80 °C gypsum becomes readily more soluble than bassanite, which induces the direct precipitation of the latter from gypsum. The fact that these transformations are controlled by the solution provides extensive opportunities for precise manipulation of crystal formation. Our experiments confirmed that bassanite remained the sole crystalline structure for many hours before reverting into gypsum. This property is extremely advantageous for practical processing and efficient crystal extraction in industrial scenarios.
In industrialised countries more than 80% of the time is spent indoors. Products, such as building materials and furniture, emit volatile organic compounds (VOCs), which are therefore ubiquitous in indoor air. VOC in combination may, under certain environmental and occupational conditions, result in reported sensory irritation and health complaints. Emission concentrations can become further elevated in new or refurbished buildings where the rate of air exchange with fresh ambient air may be limited due to improved energy saving aspects. A healthy indoor environment can be achieved by controlling the sources and by eliminating or limiting the release of harmful substances into the air. One way is to use (building) materials proved to be low emitting. Meanwhile, a worldwide network of professional commercial and non-commercial laboratories performing emission tests for the evaluation of products for interior use has been established. Therefore, comparability of test results must be ensured. A laboratory’s proficiency can be proven by internal and external validation measures that both include the application of suitable emission reference materials (ERM). For the emission test chamber procedure according to EN 16516, no artificial ERM is commercially available. The EU-funded EMPIR project MetrIAQ aims to fill this gap by developing new and improved ERMs. The goal is to obtain a material with a reproducible and temporally constant compound release (less than 10 % variability over 14 days). Two approaches were tested: the impregnation of porous materials with VOC, and the encapsulation of VOC in polymer microcapsules. Impregnation is performed with help of an autoclave and supercritical CO2. The encapsulation is done by interfacial polymerisation on VOC droplets. For both approaches, synthesis and/or material parameters were varied to obtain an optimal ERM. Findings about the optimisation of ERM generation, as well as performance of the best emission reference materials, will be presented.
Nowadays, people spend most of their time indoors. Thus, a good indoor air quality is important. Emissions of volatile organic compounds (VOCs) from furniture and building materials can cause health complaints1. Quantitative VOC-emission testing is carried out under standardized conditions in emission test chambers. In the presented project an emission reference material (ERM) is developed that emits a defined mixture of VOCs which is required for quality assurance and -control (QA/QC) measures. Porous materials (e.g zeolites, activated carbons, MOFs or aerogels) are used as reservoir materials and impregnated with VOC. The porous materials are selected, among others, by their pore size, pore size distribution, polarity and availability. Due to their regular pore structure zeolites are tested at first. For a prediction of the emission profile, the ERM is supposed to exhibit a constant emission rate over time. The aim is a stability of ≤ 10 % change in the emission rate over a minimum of 14 days.
Method
For impregnation, the material is placed into an autoclave inside a rotatable basket. The VOC is added and the autoclave is closed. Afterwards, CO2 is inserted. The closed system is then heated to the supercritical point of CO2 (31 °C, 73.75 bar). In this state, the CO2 acts as solvent for the VOC. By rotating the basket, the distribution of the VOC is ensured. After a few minutes, the pressure is decreased slowly and the CO2 is released. For the determination of the emission profile, the impregnated sample is placed into an emission test chamber. These chambers can be operated either with dry or humid air (50 ± 5 % rel. humidity). Every second to third day, air samples are taken and analyzed by gas chromatography. For an ideal impregnation, several different pressures and temperatures as well as impregnation times are tested.
Results
Two zeolite materials tested in dry air conditions reach emission profiles with a decrease of less than 10 % over 14 days (heptane and toluene, respectively). Further it was discovered that smaller pellets of the same zeolite show better results than bigger particles. When the pore size of a zeolite is too small, e.g. 0.3 nm, the VOC cannot be absorbed sufficiently. The main disadvantage of zeolites is their hygroscopicity because it has a large impact on the release of VOC when they are used in emission test chambers under standardized test conditions (23 °C, 50 % rel. humidity). Activated carbons have emission profiles with a larger change over 14 days. However, the high hydrophobicity allows measurements in humid air conditions which was not possible with the before mentioned hygroscopic zeolites. It is possible to impregnate powdered materials as well, and thus powdered non-hygroscopic (n.h.) zeolites were impregnated. Their emission profiles are comparable to those of the activated carbons. The use of methylated hygroscopic zeolites with a decrease in hygroscopicity did not yield successful emission measurements. The change over 14 days is calculated only for the stable phase (~250–300 h).
The desired stability of ≤ 10 % change of the emission rate over 14 days could already be reached under dry testing conditions. Further investigations under humid conditions show that zeolites with high Si/Al-ratios are non-hygroscopic and comparable to activated carbons (20–30 % change). The next step is to reduce the change in the emission rate of these materials to the aimed ≤ 10 % over 14 days.
Im Folgenden soll über aktuelle Diskussionen und Arbeitsschwerpunkte im Fachbeirat der BAM und von der Zulassungsstelle berichtet werden. Es werden Änderungen im Zusammenhang mit der Zulassungsrichtlinie für Kunststoffdichtungsbahnen vorgestellt. Es wird über die aktuelle Diskussion über die Anforderungen z. B. an metallische Sensoren für Dichtungskontrollsysteme berichtet. Änderungen der Fremdprüfung von sogenannten Sandschutzmatten, des Standards zur Qualitätsüberwachung (SQÜ) von Kunststoff Dränelementen (KDE) und der Anpassung der Formulierungen zum Überbau der in Abdichtungen verwendeten Produkte werden aufgezeigt.
Im Folgenden soll über aktuelle Diskussionen und Arbeitsschwerpunkte im Fachbeirat der BAM und von der Zulassungsstelle berichtet werden. Es werden Änderungen im Zusammenhang mit der Zulassungsrichtlinie für Kunststoffdichtungsbahnen vorgestellt. Es wird über die aktuelle Diskussion über die Anforderungen z. B. an metallische Sensoren für Dichtungskontrollsysteme berichtet. Änderungen der Fremdprüfung von sogenannten Sandschutzmatten, des Standards zur Qualitätsüberwachung (SQÜ) von Kunststoff Dränelementen (KDE) und der Anpassung der Formulierungen zum Überbau der in Abdichtungen verwendeten Produkte werden aufgezeigt.
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.
Any surface in the environment acts as hotspot for microbial attachment and activity. These biofilms represent the interface between humans and the environment.
While in the past biofilms were often seen as disturbance, we now start to understand the enormous potential of beneficial biofilms. They can be used in a broad range of applications and are sources for new microorganisms and traits. After all, biofilms represent a great example for a collaborative lifestyle.
The Microplastic Microbiome
(2024)
Microplastics represent man-made and newly emerging surfaces in our ecosystems, where they interact with microorganisms. The ecosystem in focus of this presentation will be the aquatic environment. It will be portrayed, which microorganisms use microplastics as a habitat, how environmental factors shape this colonization, and why the biodegradation of plastics in the ocean is an overall unlikely process. We will also discuss whether potentially pathogenic microorganisms use microplastics as a raft. Finally, possible adaptation mechanisms of plastic-colonizing microorganisms will be presented, such as the production of photoreactive molecules. The microplastic microbiome has a large potential to harbor so far unknown species with curious traits, representing an exciting research topic for the future.
The biogenesis of iron–sulfur (Fe/S) proteins entails the synthesis and trafficking of Fe/S clusters, followed by their insertion into target apoproteins. In eukaryotes, the multiple steps of biogenesis are accomplished by complex protein machineries in both mitochondria and cytosol. The underlying biochemical pathways have been elucidated over the past decades, yet the mechanisms of cytosolic [2Fe-2S] protein assembly have remained ill-defined. Similarly, the precise site of glutathione (GSH) requirement in cytosolic and nuclear Fe/S protein biogenesis is unclear, as is the molecular role of the GSH-dependent cytosolic monothiol glutaredoxins (cGrxs). Here, we investigated these questions in human and yeast cells by various in vivo approaches. [2Fe-2S] cluster assembly of cytosolic target apoproteins required the mitochondrial ISC machinery, the mitochondrial transporter Atm1/ABCB7 and GSH, yet occurred independently of both the CIA system and cGrxs. This mechanism was strikingly different from the ISC-, Atm1/ABCB7-, GSH-, and CIA-dependent assembly of cytosolic–nuclear [4Fe-4S] proteins. One notable exception to this cytosolic [2Fe-2S] protein maturation pathway defined here was yeast Apd1 which used the CIA system via binding to the CIA targeting complex through its C-terminal tryptophan. cGrxs, although attributed as [2Fe-2S] cluster chaperones or trafficking proteins, were not essential in vivo for delivering [2Fe-2S] clusters to either CIA components or target apoproteins. Finally, the most critical GSH requirement was assigned to Atm1-dependent export, i.e. a step before GSH-dependent cGrxs function. Our findings extend the general model of eukaryotic Fe/S protein biogenesis by adding the molecular requirements for cytosolic [2Fe-2S] protein maturation.
Detection, Quantification and Treatment of Per and Polyfluoroalkyl substances (PFAS) in Groundwater
(2024)
The research project focuses on tackling the detection, measurement, and elimination of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) from polluted groundwater, with a particular emphasis on addressing short (C4-C7) and ultrashort (C1-C3) chain PFAS. Given the widespread use of PFAS in various products, they are commonly found in groundwater near industrial and military sites in Germany and Israel. Moreover, recent regulations limiting the use of long chain PFAS have led industries to shift towards shorter chain alternatives. Hence, our efforts are geared towards refining detection, quantification, and removal methods for short and ultrashort chain PFAS. In terms of detection, ww are developing passive sampling devices capable of collecting and tracking the temporal distribution of PFAS species in groundwater. This will enable us to analyze contaminations in German and Israeli groundwater using cutting-edge analytical techniques. Additionally, contaminated groundwater will undergo a two-stage treatment process aimed at concentrating the relatively low PFAS concentrations using innovative membrane technologies such as closed-circuit reverse osmosis and mixed matrix composite nanofiltration membrane adsorbers. Subsequently, the streams containing higher PFAS concentrations will be treated through coagulation, with the remaining PFAS being adsorbed onto carbonaceous nanomaterials. The outcome of this research will include the creation of advanced tools for detecting, measuring, and eliminating PFAS from polluted groundwater, while also enhancing our understanding of the scope of these contaminations.
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.
The research project focuses on tackling the detection, measurement, and elimination of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) from polluted groundwater, with a particular emphasis on addressing short (C4-C7) and ultrashort (C1-C3) chain PFAS. Given the widespread use of PFAS in various products, they are commonly found in groundwater near industrial and military sites in Germany and Israel. Moreover, recent regulations limiting the use of long chain PFAS have led industries to shift towards shorter chain alternatives. Hence, our efforts are geared towards refining detection, quantification, and removal methods for short and ultrashort chain PFAS. In terms of detection, ww are developing passive sampling devices capable of collecting and tracking the temporal distribution of PFAS species in groundwater. This will enable us to analyze contaminations in German and Israeli groundwater using cutting-edge analytical techniques. Additionally, contaminated groundwater will undergo a two-stage treatment process aimed at concentrating the relatively low PFAS concentrations using innovative membrane technologies such as closed-circuit reverse osmosis and mixed matrix composite nanofiltration membrane adsorbers. Subsequently, the streams containing higher PFAS concentrations will be treated through coagulation, with the remaining PFAS being adsorbed onto carbonaceous nanomaterials. The outcome of this research will include the creation of advanced tools for detecting, measuring, and eliminating PFAS from polluted groundwater, while also enhancing our understanding of the scope of these contaminations.
Introduction: Effective disinfection is crucial to maintain hygiene and to prevent the spread of infections. Phenotypic heterogeneity in disinfection survival (i.e. tolerance) may result in failure of disinfection, which in turn may foster the evolution of resistance to both disinfectants and antibiotics. However, the consequences of phenotypic heterogeneity for disinfection outcome and resistance evolution are not well understood. Goal: This study investigates the impact of phenotypic heterogeneity on the survival and evolution of Escherichia coli during disinfection with six commonly used substances. Furthermore, the consequences of evolved disinfectant tolerance for antibiotic resistance evolution are studied. Materials & Methods: The extent of population heterogeneity during disinfection is derived by determining time-kill kinetics and analysis with mathematical modelling. The link between population heterogeneity and evolvability of disinfectant tolerance was assessed by laboratory evolution experiments under periodic disinfection. The ability of disinfectant tolerant strains to evolve antibiotic resistance is assessed by serial transfer experiments with increasing concentrations of different antibiotics and by whole genome sequencing. Results: Multi-modal time-kill kinetics in three of the six disinfectants suggest the presence of disinfectant-tolerant subpopulations (i.e. persister cells). Importantly, the ability and extent to evolve population-wide tolerance under periodic disinfection is related with the presence of persister cells and the level of phenotypic heterogeneity during disinfection. Interestingly, the probability of high-level resistance evolution to certain antibiotics is attenuated in disinfectant tolerant strains as compared to the sensitive ancestor. Whole-genome sequencing reveals epistatic interactions between disinfectant tolerance and antibiotic resistance mutations, preventing access to canonical evolutionary paths to resistance. Summary: Our findings suggest that phenotypic heterogeneity can facilitate disinfection survival and the evolution of population wide tolerance, which can impact future antibiotic resistance evolution.
Die Einstufung von Hausmüllverbrennungsasche (HMVA) als gefährlich oder nicht gefährlich nach der Gefahreneigenschaft HP14 (ökotoxisch) ist nach wie vor umstritten, da es noch keine allgemein anerkannten Methoden zur Bewertung gibt. Wenn die Berechnungsregeln angewendet werden sollen angewendet werden sollen, sind Kenntnisse über die chemische Zusammensetzung von HMVA erforderlich. Informationen über die chemische Zusammensetzung von HMVA können mit einem Ansatz gewonnen werden, der auf der Gruppierung von Substanzen. Für HMVA können vier Stoffgruppen definiert werden: 1. elementare und legierte Metalle, 2. leicht wasserlösliche Stoffe, 3. schwer lösliche Stoffe und 4. Stoffe mit starken chemischen Bindungen. Elementares und legiertes Cu und Zn sind in der HMVA vorhanden und werden in der Regel als Nichteisenmetallfraktion zurückgewonnen, zumindest die größeren Partikel. Zn-Partikel, die kleiner als 1 mm sind, werden als H410 eingestuft, feine Partikel von Cu nur als H411. Die wasserlösliche Fraktion kann mit Standardauslaugungsmethoden quantifiziert werden Auslaugungsmethoden quantifiziert werden, z. B. bei einem Flüssigkeits-Feststoff-Verhältnis (L/S) von 2 oder 10 l/kg. Sowohl die Sulfate von Zn als auch von Cu gehören zu dieser Gruppe. In einer neueren Veröffentlichung wurde gezeigt, dass bei den oben genannten Metalle die ausgelaugte Menge weit unter dem Grenzwert von 1.000 mg/kg liegt, selbst wenn stöchiometrische Faktoren angewendet werden. Stoffgruppe 3 sind potenzielle H410-Stoffe. Dabei handelt es sich um Carbonate, Hydroxide und Oxide der betreffenden Elemente, die löslich sind in schwachen organischen Säuren wie Essigsäure löslich sind. Die Worst-Case-Stoffe der Gruppe 3, d. h. die Verbindungen mit den höchsten stöchiometrischen Faktoren, sind CuCO3xCu(OH)2 und ZnO. Stoffe mit starken chemischen Bindungen wie Silikate oder Sulfide sind nur löslich in starken Säuren (z.B. Königswasser) löslich und haben keinen Ökotoxizitäts-Gefahrencode. Das Mobilisierungsverhalten der relevanten Schwermetalle und damit der Gruppe der schwer schwerlöslichen Verbindungen kann mit der 4-stufigen sequenziellen Extraktion untersucht werden. Für die HP14 Einstufung könnte auch eine einstufige Extraktion ausreichend sein. Nur die Elemente Zn und Cu sind für die HP14-Einstufung der HMVA von Bedeutung, da die Feststoffgehalte aller anderen Schwermetalle unterhalb des Feststoffgehalte aller anderen Schwermetalle unter der Cut-Off-Grenze von 0,1 % liegen, selbst wenn man sie in chemischen Verbindungen mit stöchiometrischen Faktoren. Im Ergebnis wurde gezeigt, dass HMVA in der Regel als nicht gefährlich einzustufen ist.
Detektion, Quantifizierung und Entfernung von insbesondere ultrakurzkettigen PFAS in Grundwasser
(2024)
Da PFAS in großem Umfang in einer Vielzahl von Produkten verwendet wurde, sind sie im Grundwasser in der Nähe vieler industrieller und militärischer Anlagen weltweit zu finden. Darüber hinaus führten neue Vorschriften und Beschränkungen für die Verwendung von langkettigen PFAS zu einer vermehrten Produktion kurzkettiger Alternativen. Ultrakurzkettige PFAS (≥C3) können natürliche und anthropogene Barrieren durchdringen und schließlich in Trinkwasserquellen gelangen. Zudem entfernen die meisten gängigen Trinkwasser-aufbereitungsverfahren die ultrakurzkettigen PFAS nicht ausreichend. Im Kooperationsprojekt DEFEAT-PFAS wird daher das Ziel verfolgt, Wissenslücken über Nachweis, Quantifizierung und Entfernung von kurz- (C4-C7) und ultrakurzkettige (C1-C3) PFAS, in kontaminiertem Grundwasser zu schließen. Die israelischen und deutschen Projektpartner entwickeln dafür analytische Methoden and selektive Passivsammler, um das zeitliche Profil von PFAS-Spezies im Grundwasser zu erfassen und überwachen. Darüber hinaus ein zweistufiges Verfahren entwickelt, welches darauf ausgelegt ist, die relativ niedrigen PFAS-Konzentrationen im Grundwasser durch neuartige Membranverfahren, Umkehrosmose im Batchbetrieb mit geschlossenem Kreislauf sowie Verbund-Nanofiltrationsmembranen, zu konzentrieren. Anschließend werden die PFAS angereicherten Konzentrate mittels Koagulation behandelt und das verbleibende PFAS an kohlenstoffhaltigen Nanomaterialien adsorbiert.
Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) were classified as a group of highly concerning chemicals over the last decades. Because of the high persistence of PFAS, their previous use led to contamination of the environment and human population. Due to ongoing use and incomplete remediation or destruction methods, the PFAS background in the environment is growing continuously.
The presence of ultrashort PFAS (with ≤3 carbon atoms) in the environment is often overlooked despite their contributions to PFAS levels. These compounds may directly contaminate the environment and arise from degradation of polyfluorinated compounds as well as incomplete PFAS destruction in certain industrial processes. Nonetheless, few approaches for targeted analysis of ultrashort PFASs have been developed, except for trifluoroacetic acid (TFA). Beside liquid (LC-MS/MS), supercritical fluid (SFC-MS/MS), and ion chromatography (IC-MS)-based systems, gas chromatography coupled with mass spectrometry (GC-MS) is a promising method for detection and quantification of ultrashort PFAS.
The goal of this study was to develop a simple headspace GC-MS method for the quantification of ultrashort perfluorocarboxylic acids (PFCAs) and polyfluorinated alcohols (PFOHs) in water samples. In contrast to PFOHs, functionalization of PFCAs was required for quantification. This was done by esterification with methanol at 80 °C, which can be carried out directly in the headspace GC-MS system.
Moreover, several parameters were optimized to achieve a low limit of quantification (LOQ) for the analytes used: i) The ratio of the aqueous solution, methanol, and available gas phase within the analysis vessel, ii) the concentration of additional acid in esterification mixtures of PFCAs, iii) shaking frequency and iv) shaking time before analysis. After optimizing the procedure, we were able to quantify ultrashort PFCAs and PFOHs. Thus, our developed headspace GC-MS method has the potential to be used as an alternative target analysis for ultrashort-chain PFCAs and PFOHs in various water samples (groundwater, wastewater).
Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass die Setzmaschinentechnik eine geeignete Methode ist, um Brechsande aus gemischten Bauabfällen aufzubereiten. Die Trennung des Materials in zwei Stoffströme unterschiedlicher Dichte hat sich mit einer Absenkung um 56% besonders effizient in der Reduzierung von PAK Belastungen im Feststoff erwiesen. Auch die Sulfatlast im Produktstrom wurde durch den Prozess im Vergleich zum Aufgabegut um 29% gesenkt. Neben der Erhöhung des Median Partikeldurchmessers durch Klassierungseffekte, ist die Herabsetzung verschiedener Eluatparameter ebenfalls positiv zu bewerten. Dies bezieht sich zum einen auf die elektrische Leitfähigkeit, die nach EBV von RC-3 auf RC-1 aufgewertet wurde und zum anderen auf die Chromkonzentration, die von RC-2 auf die Stufe RC-1 angehoben wurde. Die vorliegenden Aufbereitungsergebnisse erlaubten jedoch nicht eine Gesamteinordnung des Materials als Ersatzbaustoff oberhalb der Klasse RC-3. Hierzu ist eine weitere Absenkung der Eluatwerte für Sulfat um 25% von RC-3 (1325 mg L-1) auf RC-2 (< 1000 mg L-1) und des PAK-15 Wertes um 4% von RC-3 (8.3 µg L-1) auf RC-2 (< 8.0 µg L-1) erforderlich. Eine detaillierte Optimierung der Prozessparameter der Setzmaschinentechnik könnten diesen Spielraum ermöglichen.
Einstufung von Aschen und Schlacken aus der Abfallverbrennung im Hinblick auf die weitere Verwertung
(2024)
There are two mirror entries in the European Waste Catalogue for bottom ash and slag from waste incineration: 19 01 11* and 19 01 12. Entry 19 01 11* describes a waste material containing hazardous substances. It was shown that only the hazardous property HP14 (ecotoxic) is of relevance for the classification. If substances with the hazard statement code (HSC) H400, H410, H411, H412 and H413 are present in incineration bottom ash (IBA) above certain level the waste is classified as hazardous, otherwise it is non-hazardous (in this case 19 01 12). It was further shown that only Cu, Zn and Pb compounds have an impact on the classification using a summation rule: 100xΣ c(H410) + 10xΣ c(H411) + Σ c(H412). Limit value is 25 percent. It is obvious that H410 substances have the highest impact. Therefore, the knowledge of the elemental composition of IBA is not sufficient because the content of distinct chemical compounds (with the respective molecular weight) is needed. When the exact speciation is not known a worst-case approach has to be applied. A practical guideline for the estimation of HP14 was developed based on the definition of 4 substance groups: 1. Metals and alloys, 2. Water-soluble substances, 3. Oxides and carbonates and 4. Substances not soluble in weak acids. In substance group 1 only fine Zn powder has the HSC H410. Water-soluble substances are assumed to be H410 substances. Their concentrations are, however, regularly below the cut-off value of 0.1 %. The amount of substance group 3 is estimated by a selective extraction with maleic acid. According to the worst-case approach it is assumed that CuCO3xCu(OH)2 and ZnO represent the respective Cu and Zn species in IBA because these substances have the highest stochiometric factor. Even with this worst-case approach results from operators of IBA treatment plant showed that the limit value of 25 % is not exceeded.
The requirements for utilization of IBA in Germany are defined in the Secondary
Building Materials Decree (Ersatzbaustoffverordnung EBV) which was set into force in August 2023. Leaching methods (batch test or column test) with a liquid-to-solid ratio of 2 l/kg are applied. IBA fulfills the requirements for class HMVA-2. Actually, even a classification of IBA as hazardous (i.e 19 01 11*) would not affect utilization but handling and transport.
Im Rahmen eines vom Umweltbundesamt geförderten Forschungsprojekts wurde untersucht, ob die Abtrennung der Feinfraktion (0-2 mm) eine Verbesserung der umweltrelevanten Eigenschaften bewirkt und somit HMVA-1 erreicht werden kann. In Deutschland wird die Rostasche durch Nassentschlackungssysteme aus dem Feuerraum ausgetragen. Durch den Kontakt mit Wasser setzen direkt hydraulische Reaktionen ein, die eine vollständige Abtrennung der Feinfraktion unmöglich machen. Das wurde bereits in den 1990er Jahren erkannt und führte zur Entwicklung des ABB InRec Verfahrens mit Trockenentaschung als ersten Verfahrensschritt. Auch damals war das Ziel eine möglichst inerte Rostasche für die Verwertung zu erzeugen. In den letzten Jahren wurden in der Schweiz Trockenentaschungssystem installiert, hier vor allem um die Rückgewinnung von elementaren Metallen auch in der Feinfraktion zu verbessern. Welche Potenziale sich dabei erschließen lassen, wurde in einem anderen UBA-Projekt untersucht. Im Rahmen unserer Arbeiten wurde versuchsweise trockene Rostasche an einer Anlage in Süddeutschland genommen und im Labor untersucht. Im Vortrag werden die Ergebnisse zum Auslaugverhalten und zur Gefahreneigenschaft HP14 (Ökotoxizität) vorgestellt.
Die Einstufung von Hausmüllverbrennungsasche (IBA) als gefährlich oder nicht gefährlich nach der Gefahreneigenschaft HP14 (ökotoxisch) ist nach wie vor umstritten, da es noch keine keine allgemein anerkannten Methoden zur Bewertung gibt. Wenn die Berechnungsregeln angewendet werden sollen angewendet werden sollen, sind Kenntnisse über die chemische Zusammensetzung von IBA erforderlich. Informationen über über die chemische Zusammensetzung von IBA können mit einem Ansatz gewonnen werden, der auf der Gruppierung von Substanzen. Für IBA können vier Stoffgruppen definiert werden: 1. elementare und legierte Metalle, 2. leicht wasserlösliche Stoffe, 3. schwer lösliche Stoffe und 4. Stoffe mit starken chemischen Bindungen. Elementares und legiertes Cu und Zn sind in der IBA vorhanden und werden in der Regel als Nichteisenmetallfraktion zurückgewonnen, zumindest die größeren Partikel. Zn-Partikel, die kleiner als 1 mm sind, werden als H410 eingestuft, feine Partikel von Cu nur als H411. Die wasserlösliche Fraktion kann mit Standardauslaugungsmethoden quantifiziert werden Auslaugungsmethoden quantifiziert werden, z. B. bei einem Flüssigkeits-Feststoff-Verhältnis (L/S) von 2 oder 10 l/kg. Sowohl die Sulfate von Zn als auch von Cu gehören zu dieser Gruppe. In einer neueren Veröffentlichung wurde gezeigt, dass bei den oben genannten Metalle die ausgelaugte Menge weit unter dem Grenzwert von 1.000 mg/kg liegt, selbst wenn stöchiometrische Faktoren angewendet werden. Stoffgruppe 3 sind potenzielle H410-Stoffe. Dabei handelt es sich um Carbonate, Hydroxide und Oxide der betreffenden Elemente, die löslich sind in schwachen organischen Säuren wie Essigsäure löslich sind. Die Worst-Case-Stoffe der Gruppe 3, d. h. die Verbindungen mit den höchsten stöchiometrischen Faktoren, sind CuCO3xCu(OH)2 und ZnO. Stoffe mit starken chemischen Bindungen wie Silikate oder Sulfide sind nur löslich in starken Säuren (z.B. Königswasser) löslich und haben keinen Ökotoxizitäts-Gefahrencode. Das Mobilisierungsverhalten der relevanten Schwermetalle und damit der Gruppe der schwer schwerlöslichen Verbindungen kann mit der 4-stufigen sequentiellen Extraktion untersucht werden. Für die HP14 Einstufung könnte auch eine einstufige Extraktion ausreichend sein. Nur die Elemente Zn und Cu sind für die HP14-Einstufung der IBA von Bedeutung, da die Feststoffgehalte aller anderen Schwermetalle unterhalb des Feststoffgehalte aller anderen Schwermetalle unter der Cut-Off-Grenze von 0,1 % liegen, selbst wenn man sie in chemischen Verbindungen mit stöchiometrischen Faktoren. Im Ergebnis wurde gezeigt, dass IBA in der Regel als nicht gefährlich einzustufen ist.
Ultrashort PFAS (≤ 3 carbon atoms) were overlooked for a long time in analytical monitoring. Beside through the use of these substances, they contribute to the PFAS background in the environment through (environmental/ bio-) degradation and incomplete destruction3 of PFAS with longer carbon chains or other fluorinated compounds. As part of the German-Israeli Cooperation in Water Technology Research project „Detection, quantification, and treatment of per- and polyfluoroalkyl substances in groundwater“ (DEFEAT-PFAS), we are developing an as simple as possible direct headspace (HS-)GC-MS method to detect trifluoroacetic acid (TFA) and perfluoropropanioc acid (PFPrA), as well as trifluoroethanol (TFEtOH), pentafluoropropanol(PFPrOH) and hexafluoroiospropanol (HFIP) in water samples. Here we present the results of the PFAS mentioned in spiked ultrapure water solutions.
The classification of incineration bottom ash (IBA) as hazardous or non-hazardous according to ecotoxic hazard property HP14 is still under debate. In this context, only the compounds of Zn and Cu with the hazard statement code H410 are of relevance. With an approach based on the grouping of substances, it was shown that such substances are either readily water-soluble or slightly and sparingly soluble. The concentrations of readily soluble Cu and Zn compounds in IBA are far below the cut-off value of 0.1%. Slightly and sparingly soluble Zn and Cu compounds could be quantified in the first fraction of a four-step sequential extraction procedure. With the results from the complete sequence, the dimensionless synthesis toxicity index (STI) was calculated and was in the range of 494 to 1218 for the four investigated IBA samples. It was concluded that IBA can usually be classified as non-hazardous.
The classification of incineration bottom ash (IBA) as hazardous or non-hazardous according to ecotoxic hazard property HP14 is still under debate. In this context, only the compounds of Zn and Cu with the hazard statement code H410 are of relevance. With an approach based on the grouping of substances, it was shown that such substances are either readily water-soluble or slightly and sparingly soluble. The concentrations of readily soluble Cu and Zn compounds in IBA are far below the cut-off value of 0.1%. Slightly and sparingly soluble Zn and Cu compounds could be quantified in the first fraction of a four-step sequential extraction procedure. With the results from the complete sequence, the dimensionless synthesis toxicity index (STI) was calculated and was in the range of 494 to 1218 for the four investigated IBA samples. It was concluded that IBA can usually be classified as non-hazardous.
The fungus Botrytis cinerea (Botryotinia fuckeliana) infects more than 500 plant species and causes a wide range of symptoms: soft rots, accompanied by collapse and water-soaking of tissues followed by the appearance of gray masses of conidia on leaves and soft fruits (gray mold), and spots that may turn brown to full-scale soft rotting on flower petals (Botrytis blight). In general, B. cinerea is responsible for severe economic losses that are either due to the damage of growing plants in the field or the rot of harvested fruits, flowers, and vegetables during storage under cold and humid conditions. B. cinerea has adapted to the plant host and its environment by evolving strategies to use plant tissues for proliferation in terms of a necrotrophic lifestyle, and to survive biotic stresses (host responses) as well as abiotic factors of the host’s environment such as sunlight and concomitant stresses. B. cinerea maintains a complex regulatory network of light-sensitive proteins and signal transduction pathways to use light for coordinating stress responses, virulence, and reproduction. Different light-controlled reproduction cycles enable B. cinerea to live in moderate climate zones by infecting and propagating in summer and resting in winter when green host tissues are unavailable.
Iron is arguably the most essential metal in living organisms. For rock-inhabiting fungi its acquisition might be unconventional as they (1) tend to inhabit iron-deficient, oxygen-rich surfaces like marble monuments and solar panels and (2) produce the black, iron-adsorbing pigment melanin. We used a range of analytical methods, ongoing mineral dissolution experiments and gene deletion mutants of the model rock-inhabiting fungus Knufia petricola to figure out the mechanisms and substrate deteriorating effects of iron uptake by these organisms. To study both siderophore-mediated and reductive iron assimilation (RIA), genes like sidC, encoding a putative siderophore synthetase and ftr1 and fet3 encoding the subunits of an iron permease-oxidase were deleted.
At iron deficient conditions, growth of the wild type (WT) and ΔsidC mutant was similar, whereas growth of the Δftr1-fet3 mutant and the double mutant ΔsidC/Δftr1-fet3 was diminished and absent, respectively. We were not able to detect the siderophore of K. petricola and the WT and mutants were not able to grow at low concentrations of strong iron chelators. However, in a cross-feeding experiment, an overexpression strain of sidC allowed more growth of ΔsidC/Δftr1-fet3 on iron deficient medium than the WT, whereas the ΔsidC mutant could not do so at all. Compared to the WT, the sidC overexpression strain also withstood oxidative stress better and had a shorter lag time and higher growth rate. Combined, these results indicate that K. petricola relies more on RIA than siderophore-mediated uptake as it likely excretes low quantities of a primarily intracellular siderophore. Interestingly, Δftr1-fet3 had a higher iron content than the WT at iron deficient conditions. This difference disappeared upon deletion of melanin synthesis (Δpks1 vs. Δpks1/Δftr1-fet3): melanin-bound iron can likely not be used without RIA. K. petricola’s chelation incapacity implies a habitat free of competition for iron while offering us a mitigation strategy.
Angesichts der zunehmenden Digitalisierung und dem Einsatz datenintensiver Methodiken in der Wissenschaft stehen Forschende vor der Herausforderung, stetig wachsende Datenmengen nachvollziehbar zu dokumentieren, langfristig zu speichern und für Dritte nachnutzbar zu machen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, bietet sich die Nutzung von Software-Lösungen an, welche Forschungsdatenmanagement mit der digitalen Dokumentation von Laborinventar und Experimenten in elektronischen Laborbüchern (engl. electronic lab notebooks (ELN)) verknüpfen.
The BAM Data Store
(2023)
As a partner in several NFDI consortia, the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM, German federal institute for materials science and testing) contributes to research data standardization efforts in various domains of materials science and engineering (MSE). To implement a central research data management (RDM) infrastructure that meets the requirements of MSE groups at BAM, we initiated the Data Store pilot project in 2021. The resulting infrastructure should enable researchers to digitally document research processes and store related data in a standardized and interoperable manner. As a software solution, we chose openBIS, an open-source framework that is increasingly being used for RDM in MSE communities.
The pilot project was conducted for one year with five research groups across different organizational units and MSE disciplines. The main results are presented for the use case “nanoPlattform”. The group registered experimental steps and linked associated instruments and chemicals in the Data Store to ensure full traceability of data related to the synthesis of ~400 nanomaterials. The system also supported researchers in implementing RDM practices in their workflows, e.g., by automating data import and documentation and by integrating infrastructure for data analysis.
Based on the promising results of the pilot phase, we will roll out the Data Store as the central RDM infrastructure of BAM starting in 2023. We further aim to develop openBIS plugins, metadata standards, and RDM workflows to contribute to the openBIS community and to foster RDM in MSE.
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.
The increasing use of carbon fiber reinforced polymers (CFRP), as lightweight materials essential for the transformation, demands for a safe treatment option of carbon fiber (CF) containing waste streams. Because of their low reactivity towards oxidation processes, CF can neither be treated in a conventional nor hazardous waste incineration plant. Even the extremely high temperature in a cement rotary kiln does not lead to full conversion. To increase the sustainability of CF, other processes need to be investigated. Opening other reaction pathways, using CF waste streams as secondary resource in pyrometallurgy to replace fossil carbon, can be a solution for a safe and sustainable treatment. After first small scale experiments, CF containing waste streams were used as reductant in a semi-industrial scale electric arc furnace (EAF). First results and impressions are presented.
The increasing use of carbon fiber reinforced polymers (CFRP), as lightweight materials essential for the transformation, demands for a safe treatment option of carbon fiber (CF) containing waste streams. Because of their low reactivity towards oxidation processes, CF can neither be treated in a conventional nor hazardous waste incineration plant. Even the extremely high temperature in a cement rotary kiln does not lead to full conversion. To increase the sustainability of CF, other processes need to be investigated. Opening other reaction pathways, using CF waste streams as secondary resource in pyrometallurgy to replace fossil carbon, can be a solution for a safe and sustainable treatment. To support the industrial application, experiments on different scales were conducted. Here, results of thermochemical investigations, reactivity studies, crucible experiments and pilot plat trials are reported.
Obwohl der Leichtbau mit carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz und zur Ressourceneffizienz liefert, stellt der wachsende Abfallstrom von aktuell 62 kt/a eine große Herausforderung dar. Weil die Produktion von Carbonfasern (CF) überwiegend auf fossilen Rohstoffen basiert und sehr energieintensiv ist, werden nachhaltige Recyclinglösungen dringend benötigt.
Hier geben wir einen Überblick über aktuelle Recyclingprozesse und diskutieren deren Limitierungen. Darüber hinaus zeigen wir eine Möglichkeit zur sicheren chemischen Nutzung von CF-haltigen Reststoffen auf, die nicht zur Wiederverwertung geeignet sind. Das Projekt CF Pyro untersucht deren Einsatz als Sekundärrohstoff in der Pyrometallurgie und setzt besondere Schwerpunkte bei der Reaktivität von CF, der Prozessstabilität und der Vermeidung von Emissionen gesundheitsschädlicher WHO-Fasern. Neben der Vorstellung von wichtigen fundamentalen experimentellen Erkenntnissen wird ihre Bedeutung für den Wandel zum zirkulären Wirtschaften diskutiert.
Neben Ressourceneinsparungen in der Produktion sorgen moderne Leichtbauwerkstoffe und -technologien für Energieeinsparungen in der Nutzungsphase. Auf diese Weise sowie als Enabler für eine Vielzahl an Zukunftstechnologien, wie zum Beispiel erneuerbare Energien, Elektromobilität und die Wasserstoffwirtschaft, ist Leichtbau fundamental für die Entkopplung des Wirtschaftswachstums vom Ressourcenverbrauch, die Erreichung der Ziele des Green Deals und eine Nachhaltige Zukunft. Um marktnahe Potentiale für Klima- und Ressourcenschutz vollständig zu heben und Herausforderungen wie die Kreislauffähigkeit im Leichtbau aktiv zu adressieren, fördert das BMWK marktnahe Innovationen im Leichtbau mit den Technologietransfer-Programm Leichtbau (TTP LB) Auch für die BAM bietet das TTP LB interessante Möglichkeiten, Forschungsvorhaben umzusetzen. Derzeit werden vier Projekte mit BAM-Beteiligung gefördert. In diesem Webinar stellen wir Ihnen die gesamte Breite des Leichtbaus vor und zeigen Ihnen damit direkte Anknüpfungspunkte zu Ihrer Forschung. Dafür wird das TTP LB vorgestellt, werden wertvolle Einblicke zur Antragstellung gegeben und der Weg zum Erfolg wird am Beispiel des BAM-Projektes SmartWeld skizziert. Neben der Erläuterung von technischen Details und formalen Anforderungen des Förderprogramms möchten wir ebenfalls versuchen, einen kleinen Ausblick auf mögliche zukünftige Entwicklungen zu geben.
Lightweighting as a cross-cutting technology contributes significantly to achieve the European Green Deal goals. Based on, but not limited to, advanced materials and production technologies, the demand for natural resources and CO2 emmissions are reduced by lightweighting during production, as well as use phase. Therefore, lightweighting is a crucial transformation technology assisting in decoupling economic growth from resource consumption. In this manner, lightweighting contributes significantly as a key technology of relevance for many industrial sectors such as energy, mobility, and infrastructure, towards resource efficiency, climate action and economic strength, as well as a resilient Europe. To strengthen international partnerships, addressing global issues of today at the edge of science with high performance lightweight material based on carbon fibers, an overview about the BAM expertise in carbon fiber reinforced materials is given.
Volatile organic compounds (VOCs) emitted by furniture and
building materials can cause health issues. For an
improvement of indoor air quality low emitting materials
should be used. Quality assurance and –control (QA/QC)
measures require an emission reference material (ERM) with a
predictable emission rate of VOCs. The idea is to use porous
materials as ERM, which store the VOCs inside their pores and
emit them constantly.
Die Bezeichnung „Tinte auf Papier“ bietet einen guten Einstieg in die Beschreibung der Materialität von Musikhandschriften; so haben sich zahlreiche Manuskripte erhalten, die mit Eisengallustinte auf Hadernpapier verfasst wurden.
Das Papier besteht aus Fasern meist pflanzlicher Herkunft und wird durch Entwässerung einer Fasersuspension auf einem Sieb gebildet. Der Abdruck des Schöpfsiebes (die Papierstruktur) und ein vorhandenes Wasserzeichen bieten Anhaltspunkte für Provenienz und Datierung; daneben erlaubt die Analyse der Fasern, der Füllstoffe und der Leimung eine weitere Charakterisierung des Schriftträgers.
Spätestens seit dem Mittelalter sind es Eisengallustinten, die das schwarze bis bräunliche Erscheinungsbild vieler Manuskripte auf Papier hervorrufen. Daneben lassen sich auch schwarze Rußtuschen oder farbige Auszeichnungstuschen nachweisen. Eisengallustinten werden durch Mischung einer eisenhaltigen Komponente mit Gerbstoffen hergestellt. Eisensulfat ist die am häufigsten genannte Eisen liefernde Zutat, daneben sind aber auch eisenhaltige Minerale, Nägel oder Rost denkbar. Die Gallussäure leitet sich ab aus den Galläpfeln, der krankhaften Veränderung einzelner Planzenteile verschiedener Eichenarten. Diese werden durch die Eiablage von Schlupfwespen hervorgerufen.
Wie schon beim Papier ermöglicht der materialanalytische Nachweis charakteristischer Beimischungen oder Verunreinigungen innerhalb der Tinten die Beantwortung kulturhistorischer Fragestellungen – gemeint sind hier die Unterscheidung von Original und Korrektur oder die Sichtbarmachung späterer Ergänzungen.
Black writing materials of different types and compositions have varied in use over time and different geographical regions. With this paper, we would like to contribute to their study by listing and reviewing recipes for black writing inks that were in circulation in the Carolingian Empire as well as by referencing the archaeometric analyses of the black inks used in the manuscripts. The studies presented here that involved the humanities and natural sciences provide new insights into how the scholars of the early Medieval Ages organized manuscripts.
Colours on East Asian Maps
(2023)
Maps and colours have a close connection. Drawn or printed in black on white, subsequently added colours enhance maps with additional information. Colours were not just there to improve maps aesthetically, but they regulated how they were read and thus reinforced their meanings, significances and ideas. Colour is an important key to a more precise understanding of the map’s purposes and uses; moreover, colours are also an important aspect of a map’s materiality. The material scientific analysis makes it possible to find out more about the making of colours and the process of colouring maps. By skillfully deploying colours, map colourists were able to create mimetic representations of nature or codify information in an abstract form. The use of colours involved many considerations as to the materials. ‘Reading’ colours in this way gives a glimpse into the social lives of mapmakers as well as map users and reveals the complexity of the historical and social context in which maps were produced and how the maps were actually made. Within the scope of the three-year joint research project Coloured Maps (2018–2021), we undertook an in-depth and systematic study of hand-drawn and hand-coloured maps from East Asia in the Museum am Rothenbaum (MARKK) in Hamburg and produced between the seventeenth and twentieth centuries.
With a multi-perspective approach and transdisciplinary methods (humanities and the sciences), we were able to pool and compare the research results from different fields of research on Asian maps. The aim of this publication is to provide a first general overview of the subject of colours on maps in East Asia in the period from the seventeenth to the early twentieth century and to stimulate further research on the topic.
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.
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.
Der Vortrag widmet sich der materialwissenschaftlichen Analyse von Zeichnungen einiger Bauhausschülerinnen und Bauhausschüler und legt besonderen Fokus auf die verwendeten Farbmittel. Die Objekte werden mit nicht-invasiven bildgebenden Verfahren untersucht, in dem die Wechselwirkung zwischen Röntgen-, sichtbarem und infraroten Licht und den Zeichnungen studiert wird.
Dier Analysen liefern nicht nur generell Erkenntnisse über die Art und Zusammensetzung und damit das Alter der verwendeten Farbmittel. Durch die Auffindung von Vorzeichnungen, die Bestimmung von Überarbeitungen und Korrekturen werden Erkenntnisse über die Genese von Zeichnungen gewonnen. Auf der Basis dieser materialwissenschaftlichen Erkenntnisse werden die Begriffe Original, Kopie, Fälschung diskutiert.
Da die nicht-invasiven Untersuchungen einen umfassenden Einblick in die Materialität der – überwiegend aus Papier bestehenden – Objekte erlauben, bilden sie die Grundlage für die Erstellung nachhaltiger Konservierungs- und Restaurierungskampagnen und deren dauerhaften Erhalt.
Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) are a large group of more than 10,000 anionic, cationic, zwitterionic or neutral organofluorine surfactants. As a result of continuous and prolific use, mainly in aviation firefighting foams, thousands of industrial and military installations have been found to contain contaminated soil, groundwater and surface water. While liquid chromatography tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) is commonly used technique to characterize targeted PFAS in environmental samples, there are more than 10,000 different PFAS known, which have various headgroups and properties. Therefore, several analytical techniques are available to analyse various groups or pools of PFAS or “all” PFAS as a sum parameter. Current decontamination strategies of PFAS-burdened soils mainly consist of adsorption methods using adsorbents for fixation of PFAS in the ground. A second option is the utilization of a “pump and treat” process, cycling polluted soils through a washing plant leading to the concentration of the pollutants in the fine fraction. Both approaches are cost-intensive and not intended for the direct decomposition of all PFAS contaminants. Hence, there is a great demand for innovative developments and chemical treatment technologies, dealing with new strategies of tackling the PFAS problem. Previously, mechanochemical treatment of polychlorinated organic compounds in soils showed an efficient dechlorination. Thus, we investigated mechanochemical treatment of PFAS contaminated soils with various additives in a ball mill and analyzed the PFAS defluorination with gas chromatography mass spectrometry (GC-MS) and liquid chromatography tandem mass spectrometry (LC-MS/MS), respectively, as well es the fluoride mineralization by ion chromatography (IC) and fluorine K-edge X-ray absorption near-edge structure (XANES) spectroscopy.
Bei dem Vortrag werden die potentiellen mikrobiologischen Einflüsse im Falle der Lagerung von Wasserstofflagerung in unterirdischen geologischen Formationen vorgestellt, die Zusammenarbeit mit internen und auch externen Partnern. Der Fokus liegt dabei auf UGF; anaerobe Umgebungen, Sulfate reduzierenden Bakterien, methanogenen Archaea, weiterleitenden Systeme und die Kombination der Untersuchung abiotisch/biotische
Woodworms, carpet beetles, clothes moths and termites are well known pests on artifacts of cultural importance. Lately also silverfish have gained importance. Protection of our cultural heritage for future generations is not a new task but the methods have changed. Conventional use of pesticides in the past has preserved precious objects up to the presence, which otherwise probably would have been lost over time due to the destruction by insects and microbes. However, several of the objects were contaminated with poisons in such a manner that they became unsafe to be handled and thus are useless for exhibitions or scientific studies.
Today, the concept of Integrated Museum Pest Management (IMPM) provides guidance for non-residue treatments of infested objects, followed by save storage or display under pest free (or maximum pest reduced) environments. Inert fumigants, physical and biological control measure, precise monitoring, threshold evaluations and detailed knowledge of the pest`s biology are key elements within IMPM.
Woodworms, clothes moths and termites, however, are not always considered as only pests. Some professionals have also used them to produce new pieces of art or for the installation of ephemeral displays. Under more or less controlled conditions, the insects´ destructive nature on wood or textiles has been turned around to a process of creation with aesthetic or philosophical messages.
Destructive or creative - it just depends on the point of view!
Larven und adulte Käfer von Korynetes caeruleus (DE GEER 1775) (Coleoptera: Cleridae) wurden in alten Kirchen gesammelt und im Labor auf Kulturen von Anobium punctatum (DE GEER 1774) (Coleoptera, Ptinidae, früher Anobiidae) aufgezogen. Der Bruterfolg von K. caeruleus war gering, aber es wurden grundlegende Parameter des Entwicklungszyklus dieser Art ermittelt. Bei 21 °C und 75 % relativer Luftfeuchtigkeit und einer viermonatigen Kälteperiode bei 4 °C dauerte die Entwicklung von K. caeruleus vom Ei bis zum erwachsenen Tier 2 Jahre. Das Puppenstadium kann nach eineinhalb Jahren erreicht und abgeschlossen werden.
Die Larven von K. caeruleus ernährten sich von den Larven von A. punctatum. Die Nahrungsaufnahme ist eine Kombination aus Saugen von Hämolymphe und Verzehr von Körperteilen. Die sichelartigen Mandibeln der Larven von K. caeruleus durchdringen die Cuticula der Beutetierlarven, gefolgt von pumpenden und saugenden Körperbewegungen.
Erwachsene Käfer von A. punctatum wurden von K. caeruleus-Larven nicht angegriffen. Das Fressverhalten von erwachsenen K. caeruleus wurde nicht untersucht.
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.
Adipokinetic hormone (AKH) is a neuropeptide produced in the insect corpora cardiaca that plays an essential role in mobilizing carbohydrates and lipids from the fat body to the hemolymph. AKH acts by binding to a rhodopsin-like G protein-coupled receptor (GPCR), the adipokinetic hormone receptor (AKHR). In this study, we tackle AKH ligand and receptor gene evolution as well as the evolutionary origins of AKH gene paralogues from the order Blattodea (termites and cockroaches). Phylogenetic analyses of AKH precursor sequences point to an ancient AKH gene duplication event in the common ancestor of Blaberoidea, yielding a new group of putative decapeptides. In total, 16 different AKH peptides from 90 species were obtained. Two octapeptides and seven putatively novel decapeptides are predicted for the first time. AKH receptor (AKHRs) sequences from 18 species, spanning solitary cockroaches and subsocial woodroaches as well as lower and higher termites, were subsequently acquired using classical molecular methods and in silico approaches employing transcriptomic data. Aligned AKHR open reading frames revealed 7 highly conserved transmembrane regions, a typical arrangement for GPCRs. Phylogenetic analyses based on AKHR sequences support accepted relationships among termite and cockroach lineages to a large extent, while putative post-translational modification sites do not greatly differ between solitary and subsocial roaches and social termites. This study provides important information not only for AKH and AKHR functional research but also for further analyses interested in their development as potential candidates for biorational pest control agents against invasive termites and cockroaches.
Kunststoffdichtungsbahnen (KDB) aus PE-HD (Polyethylen hoher Dichte) werden häufig zur Abdichtung von Bauwerken in der Geotechnik verwendet. Diese Produkte werden aus einem Kunststoff mit relativ komplexer Zusammensetzung hergestellt. Um eine Aussage über die Haltbarkeit von KDB aus PE-HD treffen zu können, muss das Materialverhalten berücksichtigt werden. In diesem Zusammenhang sind die wichtigsten Aspekte der Dauerhaftigkeit die Spannungsrissbeständigkeit und die Beständigkeit gegen Oxidation. Verschiedene PE-Sorten weisen eine unterschiedliche Spannungsrissbeständigkeit auf. Um dieser Eigenschaft von PE-HD zu begegnen, werden nur KDB aus sehr hochwertigen Rohstoffen zugelassen. Auf der anderen Seite werden hohe Anforderungen an die umgebenden Schichten, wie Auflager und Schutzschicht gestellt, um möglichst geringe Spannungen zu erzeugen und damit Dehnungen die Dehnungen der KDB gering zu halten. Bestimmte Medien, die bei den betreffenden Prüfungen verwendet werden, dürfen nicht mehr in der EU in Verkehr gebracht werden. Im Folgenden sollen die Zusammenhänge in Kürze dargestellt werden.
Darüber hinaus sollen Diskussionen und Änderungen im Zusammenhang mit der Zulassungsrichtlinie für KDB vorgestellt werden. Der aktuelle Stand der Diskussion im Zusammenhang mit den verwendeten Tensiden in Bezug auf die Spannungsrissprüfung und weiterer Prüfungen wird aufgezeigt. Änderungen der Fremdprüfung von sogenannten Sandschutzmatten, des Standards zur Qualitätsüberwachung (SQÜ) von Kunststoff Dränelementen (KDE) und der Anpassung der Formulierungen zum Überbau der in Abdichtungen verwendeten Produkte werden in Kürze aufgezeigt.
Kunststoffdichtungsbahnen (KDB) aus PE-HD (Polyethylen hoher Dichte) werden häufig zur Abdichtung von Bauwerken in der Geotechnik verwendet. Diese Produkte werden aus einem Kunststoff mit relativ komplexer Zusammensetzung hergestellt. Um eine Aussage über die Haltbarkeit von KDB aus PE-HD treffen zu können, muss das Materialverhalten berücksichtigt werden. In diesem Zusammenhang sind die wichtigsten Aspekte der Dauerhaftigkeit die Spannungsrissbeständigkeit und die Beständigkeit gegen Oxidation. Verschiedene PE-Sorten weisen eine unterschiedliche Spannungsrissbeständigkeit auf. Um dieser Eigenschaft von PE-HD zu begegnen, werden nur KDB aus sehr hochwertigen Rohstoffen zugelassen. Auf der anderen Seite werden hohe Anforderungen an die umgebenden Schichten, wie Auflager und Schutzschicht gestellt, um möglichst geringe Spannungen zu erzeugen und damit Dehnungen die Dehnungen der KDB gering zu halten. Bestimmte Medien, die bei den betreffenden Prüfungen verwendet werden, dürfen nicht mehr in der EU in Verkehr gebracht werden. Im Folgenden sollen die Zusammenhänge in Kürze dargestellt werden.
Darüber hinaus sollen Diskussionen und Änderungen im Zusammenhang mit der Zulassungsrichtlinie für KDB vorgestellt werden. Der aktuelle Stand der Diskussion im Zusammenhang mit den verwendeten Tensiden in Bezug auf die Spannungsrissprüfung und weiterer Prüfungen wird aufgezeigt. Änderungen der Fremdprüfung von sogenannten Sandschutzmatten, des Standards zur Qualitätsüberwachung (SQÜ) von Kunststoff Dränelementen (KDE) und der Anpassung der Formulierungen zum Überbau der in Abdichtungen verwendeten Produkte werden in Kürze aufgezeigt.
Regional standardisation activities and how VAMAS can help in any way to promote activities are reported.
Activities related to organisational updates, government initiatives/priorities (especially related to Materials), details of any strategy documents publicly available, networks within Germany and how we engage are presented.
The amount of plant-available phosphorus (P) in soil strongly influences the yield of plants in agriculture. Therefore, various simple chemical extraction methods have been developed to estimate the plant-available P pools in soil. More recently, several experiments with the DGT technique have shown that it has a much better correlation to plant-available P in soils than standard chemical extraction methods (e.g. calcium-acetate-lactate (CAL), Colwell, Olsen, water) when soils with different characteristics are considered. However, the DGT technique cannot give information on the plant-available P species in the soil. Therefore, we combined DGT with solution 31P nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. This was achieved by using a modified DGT device in which the diffusive layer had a larger pore size, the binding layer incorporated an adsorption material with a higher capacity, and the device had a larger exposure area. The spectroscopic investigation was undertaken after elution of the deployed DGT binding layer in a NaOH solution. Adsorption tests using solutions of known organic P compounds showed that a sufficient amount of these compounds could be adsorbed on the binding layer in order for them to be analyzed by solution 31P NMR spectroscopy. Furthermore, various intermediates of the hydrolysis of trimetaphosphate in soil could be also analyzed over time.
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.
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.
Biocides are used for a wide range of purposes, including disinfectants or preservatives. They play a major role in the prevention of microbial infections in healthcare and animal husbandry. The use of biocides often leads to the discharge of active biocidal substances into wastewater streams, causing the exposure of wastewater microbial communities to subinhibitory concentrations. In turn, it is known that wastewater treatment plants (WWTP) are hotspots for antibiotic resistant bacteria. Since similar mechanisms confer resistance to biocides and antibiotics, exposure to biocides can result in co-selection of antibiotic resistant bacteria in WWTP Here, we want to investigate co-selection processes of antibiotic resistance in natural WWTP microbial communities upon biocide exposure. Microbial communities were sampled at the WWTP Ruhleben in Berlin and characterized regarding their susceptibility against different clinically relevant antibiotics. To investigate the link between biocide exposure and antibiotic resistance, changes in the susceptibility level after exposure to environmentally relevant concentrations of the commonly used biocide didecyldimethylammonium chloride (DDAC) will be determined by enumerating resistant and non-resistant E. coli on selective plates with and without antibiotics and DDAC. In case of antibiotics, clinical breakpoint concentrations according to EUCAST will be used to discriminate between susceptible and resistant strains. In case of DDAC (and biocides in general), clinical breakpoints do not exist. Therefore, we determined a cut-off concentration at which the majority of naturally-occurring E. coli strains cannot grow anymore based on (I) the MIC (minimal inhibitory concentration) distribution, and (II) by plating wastewater communities onto selective indicator agar plates loaded with increasing DDAC concentration. Additionally, antibiotic cross-resistance will be determined by spotting single colonies, isolated from DDAC-selective plates onto antibiotic plates. The results of our experiments will help to determine selective concentrations and to estimate the risk of antibiotic co-selection and cross-resistance in microbial WWTP communities upon biocide exposure.
Steelmaking slag is a by-product of steel production of which 4.5 Mt were produced in 2020 in Germany alone. It is mainly used in road construction, earthwork and hydraulic engineering. A smaller part is returned to the metallurgical circle, used as fertilizer or landfilled.
With this use, iron oxides still contained in steelmaking slag are lost. In addition, the possibility of producing higher-grade products from steelmaking slag is foregone. In recent decades, many researchers have investigated the production of Portland cement clinker and crude iron from basic oxygen furnace slags (BOFS) via a reductive treatment. Carbothermal treatment of liquid BOFS causes a reduction of iron oxides to metallic iron, which separates from the mineral phase due to its higher density. Simultaneously, the chemical composition of the reduced slag is adapted to that of the Portland cement clinker.
In this study, German BOFS was reduced in a small-scale electric arc furnace using petrol coke as a reducing agent. The resulting low-iron mineral product had a similar chemical composition to Portland cement clinker and was rich in the tricalcium silicate solid solution alite (Ca3SiO5). Based on its chemical and mineralogical composition, similar to that of Portland cement clinker, the reduced BOFS has the potential to react comparably. In our study, the reduced BOFS produced less heat of hydration compared to OPC and its hydraulic reaction was delayed. However, adding gypsum has been shown to accelerate the hydration rate of the reduced BOFS compared to that known from the calcium silicates of Portland cement clinker.
Further research to improve the hydraulic properties of the reduced slag is essential. If successful, producing a hydraulic binder and crude iron from BOFS could have economic and ecological benefits for both the cement and steel industry.
Melanins are organic pigments produced by most fungi. These organisms either fix these pigments in their cell wall or secrete them into their extracellular environment to protect themselves against an array of physicochemical stresses (e.g., UV irradiation, desiccation, ...). Melanin can adsorb metals like Fe. How this affects fungal uptake of Fe and deterioration of Fe-containing minerals and metals is however less known. To study this, we use the model fungi Knufia petricola A95, a rock-inhabiting fungus known to deteriorate minerals and have melanised cell walls, and Amorphotheca resinae, able to contaminate fuel tanks, secrete melanin and corrode metals. In K. petricola, we have deleted genes involved in melanin production and Fe uptake using CRISPR/Cas. Through comparison of the geochemical signatures of these gene deletion mutants with those of the wild type (WT), we explore the specific mineral/metal deterioration mechanisms of melanised fungi.
Fe isotope signatures of the biomass of melanin- and Fe uptake-deficient mutants of K. petricola revealed that Fe adsorbed either directly onto melanin or after being reduced by Fe reductases. Importantly, once adsorbed to melanin, Fe could not be mobilised and taken up into the cell: both the WT and its melanin-deficient mutant, previously grown at Fe replete conditions, showed similar growth at Fe deficient conditions.
Olivine dissolution experiments revealed that Fe oxidation inhibits dissolution. K. petricola was able to enhance dissolution when this inhibition is strongest (at pH 6) and prevented dissolution when this inhibition is weakest (at pH 4). The fungus therefore dissolves olivine by interacting with the oxidised Fe at the olivine surface. However, Fe uptake did not seem to be involved: mutants deficient in various Fe uptake mechanism dissolved olivine at the same rate as the WT. This indicates that Fe adsorption onto melanin might play a key role. This is also shown by K. petricola’s ability to enhance olivine dissolution even further if secreting a melanin precursor and A. resinae’s corrosion of carbon steel whilst secreting melanin. Combined, our results imply that the Fe adsorbed to melanin cannot be taken up but enables fungi to deteriorate Fe-containing substrates at a higher rate.
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.
This presentation was held in an OECD Webinar introducing the newly developed and published OECD TG 125 on particle size and size distribution. The presentation is explaining the structure if the TG 125 and addresses all included methods and methodologies in a short and understandable way for the broader public. The presentation includes sections about nano-particles and nano-fibres.
OECD Prüfrichtlinie 125
(2023)
Diese Präsentation ist eine Einführung in die OECD TG 125 zur Bestimmung der Partikelgrößen von Nanomaterialien. Es wird auf die verchiedenen Probleme der Partikelgrößenbestimmung eingegangen wie z.B. verschiedene Oberflächenschichten, Äquivalenzdurchmesser und Verteilungsfunktionen. Gleichzeitig werden die neuen Begrifflichkeiten eingeführt, die in der TG 125 definiert neu werden.
Die Bestimmung der Nanopartikelgrößen- und -formverteilung nach OECD TG 125 mit einem Differentiellen Mobilitäts Analyse System (DMAS), auch bekannt als SMPS, wird vorgestellt:
- Generelles Messprinzip
- Welchen Durchmesser misst die Methode?
- Welche Partikel kann diese Methode messen?
- Welche Informationen kann diese Methode liefern?
- Wo stößt die Methode an ihre Grenzen?
- Implementierung und Datenauswertung,
- Reporting.
Anschließend wurde eine Q&A-Session für DMAS/SMPS organisiert.
Human-made systems, also called “build environment” or “technosphere”, sustain human comfort as well as our industrial activities. These systems have become particularly widespread since the Industrial Revolution, i.e., since the 17th century. At the same time, these technical systems – buildings, monuments, energy production, transformation and transmission, water purification and supply systems - serve as new habitats for living organisms.
Life is ubiquitously present on our planet since a very long time: the Earth is 4.54 billion years old and microbial communities have played a key role on our planet for 3.7 billion years. Once human-made system appeared, microorganisms became an integral part of all types of technosphere infrastructure as well.
Here we will illustrate biosphere-technosphere interactions using a specific example of the black fungi and their impact on the efficiency of solar (photovoltaic) panels. This expanding renewable infrastructure for electricity generation is growing on all continents - and create a specific, arid habitat for stress-tolerant black fungi.
Black fungi were once discovered in hot and cold natural deserts – and now belong to the persistent colonisers of human-made deserts of solar parks. This new niche is evolving an impressive biodiversity. So far more than 60 isolates of black fungi belonging to Arthoniomycetes, Eurotiomycetes and Dothideomycetes were obtained from solar panels in Europe and Americas. Here we will present the analysis of this emerging anthropogenic biodiversity.
Opportunities for future research in the field include quantification of the microbial load on technosphere surfaces – along with characterisation of the corresponding microbial diversity. The strategy of precise measurement and characterisation will enable us to reliably determine the beneficial and harmful functions that living microorganisms play in the functioning of energy-generating systems – and technosphere in general.
Bacteria are ubiquitous and colonize all types of surfaces, including those in close proximity to humans, such as skin, food, and everyday objects. This raises the question of whether their presence represents a problem to be mitigated or a potential source of benefit to be harnessed, thereby stimulating scientific inquiry into the role of surface-associated bacteria in diverse domains ranging fromhuman health to industrial biotechnology. Aim: The objective of this project is to explore the impact of modifying surface topography on bacterial adhesion behavior. By manipulating the physical characteristics of the substrate, the attachment and detachment dynamics of bacteria can potentially be modified, leading to novel strategies for controlling bacterial colonization in various applications, such as medical devices. Escherichia coli (E. coli) and Staphylococcus aureus (S. aureus) were tested on LIPSS-covered Fused Silica samples.
Generation of Cryomyces antarcticus mutants to explore the importance of DHN melanin for survival
(2023)
Cryomyces antarcticus, a cryptoendolithic melanized fungus endemic to Antarctica (phylum Ascomycota, class Dothideomycetes incertae sedis), has demonstrated high capability to survive extreme environmental conditions like those found in space (e.g., ionizing radiation, vacuum, microgravity), thus fueling fundamental astrobiological questions like “the search for life beyond Earth”. Its extraordinary resilience has been attributed to the presence of thick, highly melanized cell walls, which may contain both DHN and DOPA melanins. To better understand the contribution of DHN melanin to the overall resilience of C. antarcticus, we decided to generate melanin-deficient mutants by genetic engineering. For this, the melanin-PKS (polyketide synthase)- encoding ortholog was identified in the C. antarcticus CBS 116301 genome and used to design primers for re-sequencing of the capks1 locus in the strain CCFEE 515. Based on the genetic toolkit developed for the black fungus Knufia petricola, we designed a strategy for mutating capks1. Protoplasts of C. antarcticus CCFEE 515 were generated and co-transformed with a circular AMA-containing plasmid for expression and in-vivo assembly of Cas9 and two capks1-specific sgRNAs and a PCR-generated donor DNA i.e., a hygromycin resistance cassette flanked by ~75-bp-long sequences homologous to the capks1 locus. Transformation of C. antarcticus is challenging because of its very slow growth and uncertain gene copy number. It took six months from obtaining enough biomass for cell wall lysis to transferring the putatively resistant transformants for genotyping, but we eventually managed to generate three independent non-melanized (whitish) Δcapks1 mutants! We are now awaiting first complemented strains as ultimate genetic transformation control. They are considered to have a wild-type-like pigmentation due to the reintroduction of the wild-type capks1 into the Δcapks1 mutant.
Fungal biofilms on materials: describing and modelling growth of the black fungus Knufia petricola
(2023)
Fungi that grow as biofilms are associated with clinical settings as well as various cases of material fouling and material damage. Black fungi as biofilm formers have been rarely studied so far. Their conspicuous dark pigmentation, EPS production, adhesion capabilities and adaptations to stresses allow black fungi to develop biofilms on materials under harsh conditions. For example, rock-inhabiting black fungi withstand sun irradiation and dehydration and are therefore ubiquitous on arid surfaces like solar panels and marble monuments.
To understand and control their ability to colonise and deteriorate materials, one should assess and model black fungi’s growth patterns. But so far, no mathematical model has been developed to describe their growth. Knufia petricola A95, representing rock-inhabiting fungi from Chaetothyriales, is genetically amenable and can serve as a model for biofilm studies in black fungi. The primary objective of this project is to develop a growth model for K. petricola A95 which will enable to define and predict material colonisation of black fungi.
Dedicated experimental work with K. petricola will allow the quantitative assessment of the impact of environmental conditions (e.g. pH, nutrients, etc.) on the growth behaviour at the biofilm and single cells level. Data which will be used to validate and develop an individual-based model (based on the iDynoMICS modelling platform) that explains how fungal biofilms form, colonise materials, and cause deterioration.
Thus far, research has been conducted on the impact of different concentrations and sources of major elements (e.g. C, N, …), as well as trace elements (e.g. Cu, Mg, …), on the colony shape and biomass of Knufia petricola A95 biofilms. To study the behaviour of single cells, the length of the cell cycle in different growth media has been determined via the combined use of microfluidic devices and confocal microscopy.
Each year, an immense amount of plastic debris enters marine ecosystems, much of which ends up in the Great Pacific Garbage Patch (GPGP). The plastic fragments are home to a diverse community of microorganisms, and while researchers have gained a better understanding of these marine plastic biofilms, we lack insights into the physiology and genomic potential of the bacteria that colonize them. Examining the lifestyle of plastic colonizers from the GPGP is particularly intriguing, as the high concentration of plastics in this accumulation zone might allow for a microbial adaptation to this unique man-made habitat. A range of pigmentation was observed in 67 isolated strains obtained directly from plastic pieces sampled from the GPGP surface water. Sequence comparison between the cultivated bacterial strains and the 16S rRNA gene amplicon dataset confirmed that most of the cultivates could also be captured through DNA-only methods. Whole genome analysis of four taxonomically diverse representatives revealed multiple carotenoid pathways, including those to produce less common glycosylated carotenoids, like sarcinaxanthin glucoside. Further, we identified a potentially new Rhodobacteraceae species containing a photosynthetic gene cluster (PGC). Absorption analysis confirmed the actual production of the carotenoids and bacteriochlorophyll a. Floating plastics represent a habitat with strong UV-light exposure, making the protection with antioxidant carotenoids as well as the ability to use light as an energy source highly beneficial traits for plastic colonizers. Our findings indicate, that the production of pigments is a common adaption mechanism for plastic-associated bacteria, and that plastic biofilms present a so far overlooked source of rare carotenoids and light-harvesting mechanisms.
The exponential rise in the number of fungal genomes sequenced by next-generation sequencing techniques makes it necessary to increase efforts to correctly annotate and assign gene functions. There are two possibilities to explore a genome and its gene functions. The hypothesis-based method proves the function of already existing gene/allele candidates by targeted mutagenesis - so called reverse genetics. The basis of forward genetics approaches is the random mutagenesis of the genome, followed by screening of obtained mutants for the phenotype of interest, and identification of the mutated genes in the respective mutants. This strategy is hypothesis-generating, means it is necessary to verify the relationship between the detected mutations and the observed phenotype by targeted mutagenesis of the identified gene. We developed a toolbox for editing the genome of the rock inhabitant Knufia petricola [Eurotiomycetes, Chaetothyriales] that allows the study of the phenotypic characteristics of black fungi such as the regulation of pigment synthesis, general stress responses, oligotrophy, and the unusual modes of cell division by advanced reverse and forward genetics approaches. The toolbox includes the annotated genome sequence of strain A95, efficient strategies for CRISPR/Cas9-based genome editing and live-cell imaging using genetically encoded fluorescent proteins, as well as protocols for -omics approaches and for simulation of mineral weathering. A forward genetics approach using transposon mutagenesis is currently developed for identifying essential genes. The established protocols and knowledge gained from K. petricola form a starting point for making other fungi from extreme environments accessible to genetic manipulation.
Dihydroxynaphthalene (DHN) melanin is produced by diverse Ascomycetes via slightly differing biosynthetic routes. The polyketide synthases (PKS) release the heptaketide YWA1, the hexaketide AT4HN or the pentaketide T4HN. The first two products are deacetylated by ‘yellowish-green’ hydrolases to T4HN, and T4HN is further converted by a core set of enzymes to DHN. Final polymerization steps are accomplished by multicopper oxidases. DHN melanogenesis is often regulated in a spatial and temporal fashion resulting e.g., in melanized reproduction and survival structures of the foliar plant pathogen Botrytis cinerea (Schumacher 2016, Mol Microbiol). In contrast, a polyphyletic group of Ascomycetes (microcolonial fungi/ black yeasts) dwelling in hostile habitats such as bare rock surfaces in hot and cold deserts, exhibits constitutive melanogenesis. Here, DHN melanin builds a protective layer around all vegetative cells thus contributing to the survival of diverse environmental stresses even without specialized reproduction structures. For studying the relevance of constitutive DHN melanogenesis for tolerance of abiotic and biotic stresses, adhesion to substrates and subsequent damage of colonized surfaces, the rock-inhabiting fungus Knufia petricola was chosen as gene functions in this fungus can be studied by CRISPR/Cas9-based genome editing. The putative melanogenic genes were identified in the genome of K. petricola, deleted to confirm their involvement in DHN melanogenesis and co-expressed in Saccharomyces cerevisiae for reconstruction of the synthesis pathway. Phenotypes of DHN-deficient mutants are studied. Here, we will discuss the role of the DHN melanin layer on the outer cell wall in tolerating UV irradiation.
In-vivo mutagenesis of the rock inhabitant Knufia petricola by a customized Ac/Ds transposon system
(2023)
Microcolonial black fungi ubiquitously inhabit sun-exposed natural and man-made surfaces of our planet. To promote genetic studies, CRISPR/Cas9-based genome editing was implemented in the rock-inhabiting fungus Knufia petricola (Eurotiomycetes/ Chaetothyriales). Now efficient targeted mutagenesis of K. petricola - as a representative of the polyphyletic group of black fungi - enables the elucidation of extremotolerance, oligotrophism, unusual types of cell division, mineral weathering and symbiotic interactions. Even more progress on assigning functions to yet unknown genes can be achieved by a forward genetics approach. We chose the two-component Activator/Dissociation (Ac/Ds) transposon system from maize for generating K. petricola insertional mutants by in-vivo mutagenesis. For the optimal use of this genetic tool, an inducible promoter i.e, from the metabolism-independent Tet-on system, was combined with the AcTPase-coding sequence enabling the regulatable transposition of the resistance cassette-containing Ds transposon. In total, six auxotrophic Ac/Ds starter strains containing the Ds transposon at different position of ade2, ura3 or ppt1 were generated. The cultivation of these strains with doxycycline for induction of TET::Ac and subsequent selection of cells on ADE/URA/LYS-lacking media resulted in prototrophic colonies (revertants) for most Ac/Ds strains. Amplicon sequencing of excision sites revealed characteristic footprint patterns, proving that the transposon jumped. For identifying unknown Ds re-insertions sites, the thermal asymmetric interlaced (TAIL)-PCR was successfully implemented. First identified Ds re-insertion sites suggest that the distribution pattern may depend on the excision site. Currently, transposition frequencies and genome-wide distribution of re-insertion sites are studied in different Ac/Ds starter strains to identify the best candidate for generating saturated mutant libraries. This transposon mutagenesis strategy is also interesting for studying other black fungi, because once the Ac and Ds components are integrated in the genome, the fungus ‘only’ needs to be cultivated for generating insertional mutants.
Dihydroxynaphthalene (DHN) melanin is produced by diverse Ascomycetes via slightly differing biosynthetic routes. The polyketide synthases (PKS) release the heptaketide YWA1, the hexaketide AT4HN or the pentaketide T4HN. The first two products are deacetylated by ‘yellowish-green’ hydrolases to T4HN, and T4HN is further converted by a core set of enzymes to DHN. Final polymerization steps are accomplished by multicopper oxidases. DHN melanogenesis is often regulated in a spatial and temporal fashion resulting e.g., in melanized reproduction and survival structures of the foliar plant pathogen Botrytis cinerea (Schumacher 2016, Mol Microbiol). In contrast, microcolonial black fungi exhibit constitutive melanogenesis. Here, DHN melanin builds a protective layer around all vegetative cells thus contributing to the survival of diverse environmental stresses even without specialized reproduction structures. For studying the regulation and relevance of DHN melanogenesis for tolerance of abiotic and biotic stresses, adhesion to substrates and subsequent damage of colonized surfaces, the rock-inhabiting fungus Knufia petricola was chosen as gene functions in this fungus can be studied by CRISPR/Cas9-based genome editing. The putative melanogenic genes were identified in the genome of K. petricola, deleted to confirm their involvement in DHN melanogenesis and co-expressed in Saccharomyces cerevisiae for reconstruction of the synthesis pathway. Phenotypes of deletion mutants are studied for specifying the functions of DHN melanin in K. petricola.
Over the past century, a range of synthetic compounds have been produced to improve humanity’s quality of life. These include pharmaceuticals, plastics, and other chemical compounds that possess properties making them potentially harmful when released to the environment (e.g., ecological and health impacts to humans and animals). Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) are a large group of chemicals used in the formulations of thousands of consumer goods, including aqueous film-forming foams used to suppress aviation fires in training scenarios, non-stick cookware, fast-food wrappers, water-repellent fabrics, medical equipment, and plastic and leather products. Because of the recent regulations and restrictions on the use of long chain (≥C8) PFAS a significant shift in the industry towards short (C4-C7) and ultrashort (C1-C3) chain alternatives has been recognized the last years. Due to the high polarity and water solubility of ultrashort PFAS, the potential for bioaccumulation is low. However, the high persistence of ultrashort-chain PFAS will result in environmental accumulation, especially in aquatic environments, leading to potential risks for aquatic organisms and increased human external exposure through drinking water. Ultrashort PFAS like trifluoroacetic acid (TFA) are low to moderately toxic to a range of organisms. In addition, ultrashort PFAS can penetrate natural and anthropogenic barriers and eventually reach drinking water sources. Because common drinking water treatment techniques do not sufficiently remove them, they may reach human consumption. In the project we are focusing on detecting and removing PFAS, especially ultrashort-chain PFAS from contaminated groundwater. We are designing passive sampling devices, which can collect and monitor the temporal profile of PFAS species in groundwater. This will allow us to analyze PFAS contaminations in German and Israeli groundwater using state-of-the-art and novel analytical techniques and understand the extent of contamination. In addition to quantification, PFAS contaminated groundwater will be treated via a two-stage process to produce PFAS-free drinking water. As ultrashort-chain PFAS are difficult to analyze with the current target (LC-MS/MS) and sum parameter (AOF, EOF) analysis methods, we additionally using gas chromatography – mass spectrometry (GC-MS). Therefore, an analytical method based on GC-MS is in development to analyze the volatile ultrashort-chain PFAS (TFA, PFPrA, TFMS, PFEtS, PFPrS, trifluoroethanol, pentafluoropropanol and hexafluoro isopropanol) directly in contaminated groundwater samples with the headspace technique and in eluates of organic solvents from the developed passive sampler after direct injection. Moreover, a two-stages process is designed to increase the low concentrations found in groundwater using novel membranes processes such as closed-circuit reverse osmosis (CCRO) and mixed matrix composite nanofiltration membranes (MMCM). Next, the rejected streams containing higher concentrations of PFAS will be treated by coagulation, and the remaining PFAS adsorbed onto carbonaceous nanomaterials (CNMs). The DEFEAT-PFAS project will result in the development of novel tools to detect, quantify, and remove PFAS, especially ultrashort-chain PFAS from contaminated groundwater, and will acquire a new understanding of the extent of these contaminations.
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.