4 Material und Umwelt
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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.
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.
The overarching goal of this project is to develop a predictive model for efflux-mediated antimicrobial tolerance in bacterial multicellular assemblies. Our central hypostasis is that efflux pump activity causes emergent antibiotic tolerance of multicellular bacterial populations, through the interplay of efflux mediated spatial interactions and efflux-linked persistence. To test this hypothesis, we will use a combination of microscopy, microbial killing assays, computational modelling, and data analysis, integrating information from 3 types of multicellular assembly: colonies, cell-to-cell interactions in a monolayer microfluidic device, and 3D flow chamber biofilms. Building on our preliminary observations, we will experimentally characterize the link between colony structure and spatial patterns of efflux gene expression in strains that differ in their levels of efflux. We will develop a mathematical model to test whether local growth inhibition of neighbors due to effluxing cells, coupled with local environment-dependent regulation of efflux, can account qualitatively for these results. By including persister cell formation in our model we will predict, and measure, the emergent function of antimicrobial tolerance in our colonies. To fully understand how tolerance emerges from the interplay between efflux-mediated spatial interactions and efflux-linked persister cell formation, we need quantitative measurements at the single cell level. To this end, we will use a microfluidic setup with cells growing in a monolayer to qualify in detail the dependence of efflux expression and persister cell formation on nutrient conditions, the correlation between efflux and persister formation, and the spatial range of efflux-mediated neighbour growth inhibition. To predict and quantitatively understand the emergent multicellular function of tolerance, we will perform individual-based modelling of biofilm growth, using as input the parameters measured on the single-cell level with our microfluidics experiments. Our simulations will predict biofilm spatial structure development, patterns of efflux and persister formation and, ultimately, tolerance to antimicrobial challenge. These predictions will be directly tested in flow-cell biofilm experiments. We are currently generating acrAB-tolC knockout-strain, without efflux activity, and a strain with an inducible acrAB-tolC efflux pump. To distinguish the different strains under the microscope, they were labeled with genes encoding for different fluorescent proteins. All strains are currently characterized in terms of growth, minimum inhibitory concentration of different antimicrobial substances, colony morphology, and biofilm formation ability. On the theoretical side, we are currently working on modeling the system at various scales and degree of detail, ranging from coarse-grained continuum models to stochastic, individual-based models. Some exploratory work was doe to test existing software for individual-based modelling that may be adapted for our purpose. Furthermore, we are in the process of developing more coarse-grained models. This work involves some physiological modelling and literature search, focusing on working mechanisms of efflux pumps and kinetic models for import and export of antibiotics.
Consequences of tolerance to disinfectants on the evolution of antibiotic resistance in E. coli
(2023)
Biocides are used as disinfectants and preservatives; one important active substance in biocides is benzalkonium chloride (BAC). BAC-tolerant bacterial strains can survive short treatments with high concentrations of BAC. BAC tolerance and resistance have been linked to antibiotic resistance. Here, the selection dynamics between a BAC-tolerant Escherichia coli strain and a sensitive wild type were investigated under four conditions: in the absence of antibiotics and in the presence of three different sub-inhibitory concentrations of the antibiotic ciprofloxacin in liquid cultures. The wild type was selected over the BAC-tolerant strain in the absence of antibiotics, while the BAC-tolerant strain was selected over the wild type at all ciprofloxacin concentrations investigated, with a minimum selection concentration (MSC) of 1/10th of the minimum inhibitory concentration (MIC) of the wild type. Furthermore, the evolvability of resistance of the two strains to inhibitory concentrations of ciprofloxacin was assessed by performing a serial dilution evolution experiment with gradually increasing ciprofloxacin concentrations. The wild type had a higher probability to develop resistance
to ciprofloxacin than the tolerant strain. By the end of the evolution experiment both strains evolved to grow at the highest ciprofloxacin concentration investigated, which was 2048 ×MIC of the wild type. The importance of these results is highlighted by the fact that concentrations of ciprofloxacin well above the calculated MSC can be found in environmental samples such as hospital wastewaters and livestock slurry. In turn, BAC is used as a disinfectant in the same settings. Thus, the selection of BAC-tolerant strains at sub-inhibitory concentrations of ciprofloxacin can contribute to the stabilization and spread of BAC-tolerance in natural populations. The prevalence of such strains can impair the effects of BAC disinfections.
Half of the global material consumption is mineral material. The circularity is still low so that enhanced use of secondary building material is required to close loops. Three different secondary building materials are discussed based on exemplary research results: construction and demolition waste (C&D waste), soil-like material and incineration bottom ash (IBA). Focus was laid on the environmental compatibility of the materials examined mainly by standardized leaching tests. C&D waste was investigated after a wet treatment using a jigging machine, soil-like material and IBA were characterized with respect to their material composition. The environmental compatibility in particular was studied using standard leaching tests (batch tests and column tests). It was concluded that soil-like material can mostly be utilized even when the precautionary limit values set are exceeded by a factor of less than 2. For C&D waste the fine fraction below 2 mm and the content of brick material is problematic. IBA fulfills quality level HMVA-2 following German regulation. Higher quality levels of utilization might be achievable with better treatment technologies.
Zahlreiche Insektenarten unter den Käfern und Schmetterlingen besitzen die ökologische Potenz, trockene Materialien pflanzlichen und tierischen Ursprungs als Nahrungs- und Brutsubstrat zu nutzen. Daher findet man diese Tiere auch an und in vom Menschen angelegten Nahrungsvorräten wie z. B. Getreidespeicher, an Kleidungs- und an Gebrauchsgegenständen aus Wolle, Pelzen oder Fellen sowie an oder in natürlichen Baumaterialien wie Holz. Aus wirtschaftlicher Sicht werden sie dann als Vorrats- bzw. Materialschädlinge bezeichnet.
Vorrats- und Materialschädlinge haben sehr ähnliche Lebensstrategien. Sie verfügen über eine breite Toleranz gegenüber abiotischen Umweltparametern und sind in der Regel Nahrungsopportunisten. Sie können längere Zeit ohne Nahrungsaufnahme überdauern und haben unter optimalen Bedingungen hohe Reproduktionsraten.
Es stellt sich die Frage, ob die auffälligen Anpassungen von Vorrats- und Materialschädlingen an einen menschennahen Lebensraum das Resultat von Prädispositionen und Selektion hin zu einem Lebensformtyp „Lager- oder Materialschädling“ sind, oder ob die synanthropen künstlichen (Öko)Systeme nur als überdimensionierte natürliche Reservoire fungieren.
Ökologische und ethologische Prädispositionen und Adaptationen sowie Verbreitungs- und Fortpflanzungsstrategien von Schadinsekten werden hier diskutiert, um phylogenetische und evolutionsbiologische Szenarien beim Übergang von ursprünglichen, also natürlichen Lebensräumen auf relativ jungzeitliche, von Menschen geprägte Habitate, zu rekonstruieren. Die angeführten Beispiele werden im kritischen Bezug zu publizierten Informationen über autökologische, faunistische sowie archäologische und historische Indizien über Ursprung und Ausbreitung von ausgewählten Schadinsekten (Hausbockkäfer, Textilmotten, Kornkäfer) begründet.
Thermal Destruction of PFAS
(2023)
Thermal treatment processes are currently the only full-scale option for thedestruction of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) in large waste streams. While all organic molecules including PFAS are susceptible to thermal destruction, their decomposition rates are controlled by process variables such as temperature, reaction atmosphere, and residence time. Concerns exist about the formation of products of incomplete destruction and their emission from hazardous waste incinerators. This talk will summarize the current stateof-the-art of thermal PFAS destruction, identify research needs, and showcase future research designed to address critical knowledge gaps.
The ink analysis protocol developed through cooperation between the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung in Berlin and the Centre for the Study of Manuscript Cultures at the University of Hamburg involves the use of imaging techniques for ink screening, followed by spectroscopic analysis. In our presentation, we will begin by briefly reviewing the history of writing inks and discussing the three main categories: carbon-based inks, plant, and iron-gall inks. We will address their chronology, precursors, and mixed forms, as well as the features that allow for their identification. Then, we will present the techniques we use in ink analysis, whereby we would like to highlight the limitations, advantages, and disadvantages of each approach. Finally, we will discuss the new mass-spectrometric method based on micro-sampling and using atmospheric solid analysis probe (ASAP).
In recent years the BAM has been focusing on the characterization of the writing materials of the medieval Torah scrolls. The challenge imposed by the study of this specific type of manuscript led to designing and building dedicated stages to ensure the safety of the scrolls during the analysis. Furthermore, the identification of multiple corrections executed in apparently identical inks required broadening the standard two-step protocol of near infrared reflectography and X-ray fluorescence to include multispectral imaging. This work has prepared the division to participate in the large collaborative project “To roll: Materialisierte Heiligkeit (Materialised Holiness)” based at the Free University, Berlin.
The presentation will demonstrate the aims of the studies, preliminary results and the strategies adopted by the division 4.5 of the BAM.
Conclusion et piste:
Il semblerait qu’il n’existe pas de corrélation entre le type d’encre utilisés et d’autres critères recherchés à part une marque de préférence personnelle, sauf en ce qui concerne des documents religieux, auquel cas une différence se fait en function de la communauté.
Les résultats réunis dans cette étude semble indiquer que les scribes achètent leur propre encre.
L’analyse des encres peut nous aider à retracer une chronologie de l’écriture et signature de certains documents juridiques.
Élargissement du corpus:
- Comparaison avec des documents écrits par la cour du Qadi
- Documents d’autres collections
- Avec d’autres documents contemporains (Génizah Afghane)
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.
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.
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.
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.