4 Material und Umwelt
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Die passive Probenahme von VOC (Volatile Organic Compounds) mit Tenax® TA und Thermodesorption GC/MS Analytik ist eine einfache, kosteneffiziente und repräsentative Methode zur Bestimmung der VOC-Konzentrationen in der Innenraumluft. In der Theorie ist die Stoffaufnahme in den Passivsammler nur abhängig vom Diffusionskoeffizienten der Substanz in Luft und der Geometrie des Sammlers (ideale Adsorption). Um sie zu charakterisieren, wird die Aufnahmerate (UR), definiert als Quotient der Massenaufnahme und dem Produkt aus Konzentration und Expositionszeit, verwendet. Viele effektive Aufnahmeraten (UR,eff) unterscheiden sich beträchtlich von idealen (theoretischen) Werten (UR,id). Literaturwerte sind in nationalen und internationalen Normen lediglich für bestimmte Expositionszeiten vorgegeben, während detaillierte Informationen über den zugehörigen Konzentrationsbereich fehlen. Außerdem ist die Anzahl der insgesamt in der Literatur beschriebenen Substanzen begrenzt. Das Ziel der vorgestellten Studie ist es diesen Fundus an Aufnahmeraten zu begutachten und zu prüfen und ihn durch die Bestimmung eigener qualitätsgesicherter Laborwerte zu ergänzen. Die bestimmten Aufnahmeraten werden als akkurat bezüglich ihrer relativen Standardabweichung und Vergleichbarkeit zu Literaturwerten betrachtet und können für Expositionszeiten von 7 Tagen bei Konzentrationen von 50 100 µg/m³ (ca. 100 300 ppm min) empfohlen werden. Die Sieben Tage Aufnahmeraten aus ISO16017 2 und ASTM D6196 sind nicht generell für diesen Zweck geeignet, wie exemplarisch für Benzol gezeigt wurde.
Aim. The European biocidal products regulation requires environmental risk assessments for biocidal products under service conditions. This is only possible, if processes that lead to biocide emissions into the environment are understood and can be reasonably predicted.
Actual emissions due to leaching result from different processes that are affected by material properties and environmental conditions. Transformation of biocides can affect emissions considerably.
Leaching and possible transformation of the film preservatives carbendazim, diuron, OIT and terbutryn in paints was observed under laboratory and field conditons in order to investigate the influence of different factors, e.g. water contact and radiation on biocide emissions. The paints contained either white titanium dioxide or a red iron oxide pigment to check whether pigments affect leaching processes.
Methods. Test specimens of a water-based styrene acrylic dispersion paint on glass were exposed to UVA-radiation in a UV weathering device and/or exposed to water contact by immersion events on the basis of the European standard EN 16105. Plywood panels were coated and exposed to natural weather conditions in a semi-field experiment. Concentrations of biocides and transformation products were analysed in leachates from laboratory tests, runoff samples and remaining coatings.
Results. The impact of weathering conditions on transformation processes differs for the investigated active substances. Water contact, radiation as well as pigments in the paints determine the pattern and amount of transformation products on coatings, leachates and runoff water. Observations from laboratory and field experiments were compared. It proved that results from laboratory tests support understanding of data from field experiments.
Detailed knowledge on the fate of active substances under environmental conditions supports manufacturers to develop safe applications of film preservatives and authorities to evaluate its environmental impact.
Mehrere Aspekte wurden im Hinblick auf die Standardisierung eines geeigneten Verfahrens für die Analyse sehr flüchtiger organischer Verbindungen (VVOCs) untersucht. Die Verwendung gasförmiger Standards ist notwendig und es wurde ein stabiles Standardgasgemisch aus 60 Substanzen erfolgreich erzeugt und auf Stabilität und Reaktivität überprüft. Die Eignungsuntersuchung verschiedener Chromatographiesäulen ergab, dass PLOT-Säulen (Porous Layer Open Tubular) für die VVOC-Analytik gut geeignet sind. Für die 60 Analyten wurden Wiederfindungsraten auf mehreren Adsorbenzien und deren Kombinationen bestimmt. Dabei zeigte eine Kombination aus einem graphitierten Ruß und einem Kohlenstoff-Molekularsieb hervorragende Ergebnisse für alle Zielkomponenten. Nachteilig an Kohlenstoff-Molekularsieben ist, dass sie Wasser adsorbieren, was die Analyse beeinträchtigen kann. Zur Wasserentfernung wurden verschiedene Optionen wie das Trockenspülen oder der Einsatz eines Trocknungssystems untersucht.
Sunlight is an important environmental factor is almost all ecosystems by being a source of energy, information, and stress. All organisms must protect themselves from the harmful effects of light such as UV radiation, ROS accumulation, heat, and desiccation. Finally, light qualities and quantities can be used for decision making, timing and as guide for directed growth when they are sensed and transduced into intracellular signals. Botrytis cinerea and other plant pathogens infecting the sun-exposed parts of the plant must cope with the high light conditions the host plant seeks. Further they experience an altered light spectrum (‘green gap’) when they colonize shaded parts of the plant; it is depleted for blue and red light that is absorbed by the plant chlorophyll and enriched for green and far-red light that is reflected or transmitted by the plant tissue. As these ambient light conditions trigger the shade avoidance response in the plant, the pathogens may trigger their own ‘shading response’ such as the upregulation of virulence determinants and inoculum production. B. cinerea maintains a highly sophisticated light signaling machinery that senses different light qualities to trigger a variety of responses, that are protection, morphogenesis, positive and negative tropisms, and entrainment. These characteristics render B. cinerea a valuable model to enlighten the role of light in parasitic fungus-plant interactions and beyond. The vegetative mycelium – the core of all infection and developmental programs – is not visibly pigmented and thus considered to be sensitive to biotic and abiotic stresses. However, the vegetative hyphae have a very limited half-life and are usually restricted to the invasive growth phase in which they are protected from light by the plant tissue. Fast colonization of host tissues and by this proper nutrient acquisition enables the rapid formation of long-lasting reproduction structures (melanized conidiophores with conidia, sclerotia) on the surfaces of rotted plant tissues. Depending on the light and temperature conditions, conidiation or sclerotial development is initiated. Taken together, B. cinerea uses light-regulated signaling networks to avoid light whenever possible; for example, by minimizing the half-life of sensitive cells that are hiding in plant tissues and by scheduling critical steps such as conidiogenesis, conidial germination and penetration of plant tissues for the night.
Fungi that share light-flooded habitats with phototrophs may profit from their excess photosynthetic products. But to cope with sunlight-associated stresses [e.g. high temperatures, UV radiation with associated DNA damage, accumulation of reactive oxygen species (ROS), desiccation and osmotic stresses] it is important for fungi to accurately sense and respond to changes in light. The genomes of black [dihydroxynaphthalene (DHN) melanin-containing] fungi from phyllosphere and exposed solid surfaces contain multiple photoreceptors (PRs). The plant pathogen Botrytis cinerea (Leotiomycetes) has a highly sophisticated photosensory and signalling system that helps to avoid light and to locate susceptible hosts. Rock-inhabiting Dothideomycetes and Eurotiomycetes including Knufia petricola possess equal numbers of PRs along with the same set of protective pigments. This similarity between black fungi from plant and rock surfaces suggests that photoperception and -regulation are important for fungi that receive nutrients through cooperation with phototrophs.
Die Zementindustrie und weitere energieintensive Industrien wie etwa die Stahlindustrie stehen vor dem Hintergrund der Transformation unserer Gesellschaft zur Klimaneutralität vor erheblichen Herausforderungen. Ziel dieser Branchen ist perspektivisch die vollständige Vermeidung klimaschädlicher Emissionen – mit besonderem Fokus auf Kohlendioxid. Neben der Umstellung auf regenerative Energieträger, sind im Speziellen für die Zementindustrie die erheblichen Anteile an CO2-Emissionen durch die Entsäuerung von Kalkstein zukünftig zu vermeiden. Da die hervorragenden Bindemitteleigenschaften des bisher hauptsächlich in Zementen eingesetzten Portlandklinkers jedoch auf Calciumverbindungen wie Tri- und Di-calciumsilikaten basieren, stellt die Substitution des Kalks derzeit für die Zementindustrie die größte Herausforderung dar. Neben vollständig neuen Bindemittelsystemen ohne Verwendung von Kalk und CCS/CCU-Technologien zur Vermeidung der CO2-Emissionen bei Verwendung von Kalk, können Abfälle und Nebenprodukte wie etwa Betonbrechsand, verschiedene Schlacken und weitere Massenreststoffe sinnvoll zur Einsparung von Rohstoffen und zur Vermeidung von CO2-Emissionen eingesetzt werden. Es gilt diese Potentiale von Sekundärrohstoffen branchenübergreifend zu identifizieren und Synergien zwischen den Branchen nutzbar zu machen. Hierbei werden neben der chemischen Zusammensetzung der Abfälle und Nebenprodukte auch die Verfügbarkeit und der Massenstrom relevante Kriterien sein. Die potenziellen Sekundärrohstoffe und deren Gemische mit chemisch ähnlicher Zusammensetzung wie die bisher verwendeten Bindemittel, können durch verschiedene technische Ansätze wieder in reaktive Bindemittel umgewandelt und damit nutzbar gemacht werden. Eine gezielte Umwandlung der nicht reaktiven mineralischen Phasen in neue mineralische Phasen mit guten Bindemitteleigenschaften, kann u. a. durch Schmelzprozesse erzielt werden. In Schmelzen können bei hohen Temperaturen die bestehenden, nicht reaktiven mineralischen Phasen zerstört und neue mineralische Phasen mit guten Bindemitteleigenschaften erzeugt werden. Hohe Freiheitsgrade durch gezielte Einstellung der stofflichen Zusammensetzung der Schmelze, durch Stoffseparationen und durch geregelte Abkühlregimes können eine maßgeschneiderte Erzeugung neuer Bindemitteltypen ermöglichen. Aufgrund der hohen erforderlichen Temperaturen von Schmelzprozessen ist die Umsetzung dieser neuen Verfahren nach Möglichkeit in bestehenden pyrometallurgischen Produktionsrouten wie etwa der Stahlproduktion vorzunehmen. So kann etwa der Einsatz von Betonbrechsand als Schlackebildner in der Stahlproduktion zielführend sein, wenn die Schlacke wieder zu einem Bindemittel prozessiert wird und in Zementen Verwendung findet. Eine stoffliche Kreislaufführung wäre hiermit gegeben, wobei der Einsatz von Kalkstein als Schlackebildner oder Rohstoff für die Zementproduktion, und damit die entsprechenden CO2-Emissionen, vermieden werden. Die Entwicklung neuartiger Bindemittelsysteme auf Basis von Sekundärrohstoffen sollte von erforderlichen Anpassungen und neuen Entwicklungen in der Regelsetzung und Normung begleitet werden. Vor allem muss gewährleistet sein, dass die mit neuen Bindemitteln hergestellten Betone den hohen Anforderungen an Dauerhaftigkeit und Umweltverträglichkeit genügen. Des Weiteren sollte mit den etablierten Methoden, wie etwa der Lebenszyklusanalyse, untersucht werden, inwiefern und in welchem Umfang die neuen technischen Entwicklungen zu Nachhaltigkeit und Klimaschutz beitragen.
For the European sewage sludge ash monitoring ash samples from sewage sludge incineration plants were requested from all over Europe. First results of the received samples regarding main and trace element contents were presented at ESPC4. Moreover, a list of all known European facilities for sewage sludge monoincineration was presented.
Analyseverfahren und Messhäufigkeit zur Bestimmung des Phosphorgehalts im Klärschlamm nach AbfKlärV
(2022)
Auf dem Betreiberforum der DWA-Plattform P-Rück wurden die Empfehlungen für den Vollzug der Phosphorrückgewinnungspflicht aus Klärschlamm vorgestellt. Diese Empfehlungen behandeln die Häufigkeit der Phosphoruntersuchungen im Klärschlamm, wo ein Jahresgang empfohlen wird und eine Empfehlung der Phosphorbestimmung über Aufschluss der Probe in der Mikrowelle und Messung mit ICP-OES. Untermauert wurden die Empfehlungen mit den Ergebnissen von Klärschlamm-Monitoring, Ringversuch und Analytikvergleich aus dem Vorhaben extraWERT.
Microbiologically Influenced Corrosion of Cast Iron Containers for High-Level Nuclear Waste Disposal
(2022)
Ductile and corrosion resistant cast iron is investigated as a potential container material to store high-level nuclear waste (HLW) in deep geological repositories (DGR) in claystone bedrock. The dynamic corrosion process is dependent on the conditions present in the DGR which are influenced and/or controlled by geochemical parameters (e.g., redox potential, pH, presence of and ionic concentration in (pore-)water), physical parameters (e.g., pressure), and the influence of metabolically active microorganisms. Cast iron corrosion will occur at the intersection of container and its decontaminable coating with the bentonite backfill material which contains natural microbial populations.
The conditions in a DGR are simulated in microcosm experiments to investigate the impact of microbiologically influenced corrosion (MIC); the microcosms contain: B27 bentonite, synthetic pore water, N2 or N2-CO2 atmosphere, cast iron coupons, as well as the bacterium Desulfosporosinus burensis (isolated from repository depth in Buré, France). Three coupon configurations will be used: untreated, coated with decontaminable coating, and coated with decontaminable coating which has been damaged to simulate possible damages. The microcosms will be examined for bio- and geochemical parameters, such as pH, redox potential, mineral phases, sulphate concentration, Fe(II):Fe(III), changes in microbial populations, and the corrosion process for formation of corrosion products, and potential microbial influence, after a 270-day incubation period at 25°C under anaerobic conditions. In subsequent experiments, the sorption behavior of lanthanides and actinides onto the membranes of viable cells and spores of D. burensis, as well as the surface of corroded cast iron coupons will be investigated.
The processing of laser-induced periodic surface structures (LIPSS) represents a simple and robust way for the nanostructuring of solids that allows creating a wide range of surface functionalities featuring applications in optics, tribology, medicine, energy technologies, etc. While the currently available laser and scanner technology already allows surface processing rates at the m2/min level, industrial applications of LIPSS are sometimes hampered by the complex interplay between the nanoscale surface topography and the specific surface chemistry. This typically manifests in difficulties to control the processing of LIPSS and in limitations to ensure the long-term stability of the created surface functions. This presentation aims to identify some unsolved scientific problems related to LIPSS, discusses the pending technological limitations, and sketches the current state of theoretical modelling. Hereby, it is intended to stimulate further research and developments in the field of LIPSS for overcoming these limitations and for supporting the transfer of the LIPSS technology into industry.
Using nanofiber-like cell appendages, secreted proteins and sugars, bacteria can establish initial surface contact followed by irreversible adhesion and the formation of multicellular biofilms. Here, the stabilizing extracellular biofilm matrix together with physiological changes on the single cell level leads to an increased resilience towards harsh environmental conditions, antimicrobials, the host immune response and established cleaning procedures. Persistent microbial adhesion on e.g., medical implants, in water supply networks or food-processing industry is often associated with chronic inflammation, nosocomial and foodborne infections, enhanced biofouling and product contamination. To prevent persistent microbial colonization, antibacterial surface strategies often target the initial steps of biofilm formation and impede adhesion of single cells before a mature biofilm is being formed. While chemical coatings have been widely used, their restricted biocompatibility for eukaryotic cells and attenuated antibacterial-effects due to compound release limit their areas of application and alternative strategies focus on modified surfaces topographies to impede bacterial adhesion. In this work, we used ns-UV laser treatment (wavelength 248 nm and a pulse duration of 20 ns) to generate laser-induced periodic surface structures (LIPSS) with different submicrometric periods ranging from ~210 to ~610 nm on commercial poly(ethylene terephthalate) (PET) foils. Following structurally and chemically analyses, PET samples were subjected to bacterial colonization studies with Escherichia coli TG1, a bacterial test strain with a strong biofilm formation capacity due to the formation of nanofiber-like cell-appendages (pili). Bacterial adhesion tests revealed that E. coli repellence decisively depends on the spatial periods of the LIPSS with the strongest reduction (~91%) in cell adhesion observed for LIPSS periods of 214 nm. Scanning electron microscopy and additional biofilm studies using a pili-deficient E. coli TG1 strain revealed the importance of extracellular appendages in the bacterial repellence observed here, thus, pointing out new antibiotics-free strategies for antibacterial surfaces by impeding nanofiber-mediated bacterial adhesion.
Klärschlammaschen können eine hohe Phosphatkonzentration aufweisen und stellen damit einen geeigneten Sekundärrohstoff für die Produktion von Phosphatdüngemitteln dar. Bisher wird dieses Potential der Klärschlammaschen für die Phosphor-Rückgewinnung jedoch kaum genutzt, da die in den Aschen enthaltenen Phosphate für Pflanzen kaum verfügbar und die Aschen teilweise mit toxischen Schwermetallen belastet sind.
Im AshDec®-Verfahren wird die Klärschlammaschen im Drehrohrofen im Temperaturbereich 800-1000°C unter Zugabe von Alkali-Additiven (bsp. Na2CO3) thermochemisch behandelt, um ein wirksames und schadstoffarmes Phosphatdüngemittel herzustellen. Aktuell bereitet die Firma Emter GmbH den Bau der ersten großtechnischen AshDec®-Anlage mit einer Kapazität von 30.000 Jahrestonnen Klärschlammasche am Standort ihrer Klärschlammverbrennungsanlage (Altenstadt / Oberbayern) vor. Die erste Ausbaustufe dieser Anlage wird durch das BMBF-Projekt R-Rhenania im Rahmen der Förderinitiative RePhoR begleitet.
Der Fachbeirat kommt bereits seit 13 Jahren in seiner jetzigen Form zusammen, um Zulassungsrichtlinien, weitere Dokumente und fachliche Fragestellungen zu beraten. Die Zeit bringt auch personelle Veränderungen mit sich, darüber wollen wir berichten. Derzeit wird die Zulassungsrichtlinie für Schutzschichten im Fachbeirat und in seiner Arbeitsgruppe Geotextilien und Kunststoff Dränelemente (AG Geotextilien) überarbeitet. Zudem wurde die Zulassungsrichtlinie für Kunststoffdichtungsbahnen auf den aktuellen Stand der Regelsetzung und Normung gebracht. Bestimmte Medien, die hier bei einigen Prüfungen verwendet werden, dürfen nicht mehr in der EU in Verkehr gebracht werden. Hier werden die Hintergründe und Zusammenhänge in Kürze aufgezeigt. Zuletzt wird die Diskussion in Bezug auf den Einsatz von Rezyklaten in den zugelassenen Produkten aufgeführt.
Antimicrobial resistance (AMR) is a global health problem with the environment being an important compartment for the evolution, selection and transmission of AMR. These processes are impacted by pollution with antibiotics. However, biocides used as disinfectants and material preservatives are major pollutants by far excceding the market for antibiotics in terms of mass. Our work shows that biocides have the potential to affect evolutionary processes towards AMR by increasing the rates of de-novo mutation and conjugation. These effects depend on the species and biocidal substance. Importantly, chlorhexidine and quaternary ammonium compounds (QACs) affect rates of mutation and conjugation at environmentally relevant concentrations in E. coli. Moreover, our results show a connection between the RpoS-mediated general stress and the RecA-linked SOS response with increased rates of mutation and conjugation, but not for all biocides. Furthermore, our work highlights the potential of biocides to contribute to selection and transmission of AMR. We show that the application of biocides, especially QAC disinfectants, leads to the rapid evolution of tolerance (i.e. increased survival) in adaptive laboratory evolution (ALE) experiments. The evolved tolerant strains have a selective advantage in the presence of environmentally-relevant concentrations of antibiotics, which could lead to the stabilization of biocide tolerance in environments where biocides and antibiotics co-occur (e.g. wastewater, animal stables). ALE experiments with biocide tolerant strains indicate a decreased evolvability of resistance to antibiotics. Taken together, our work shows the importance of assessing the contribution of biocides on evolution, selection and transmission of AMR in the environment.