4 Material und Umwelt
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- 4.1 Biologische Materialschädigung und Referenzorganismen (91)
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- 4.0 Abteilungsleitung und andere (46)
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- 6.1 Oberflächen- und Dünnschichtanalyse (16)
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.