4 Material und Umwelt
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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.
Simple particulate matter sensors are gaining popularity due to their low price, easy handling and good temporal resolution. In this presentation, we report on the performance of a Sharp optical PM sensor GP2Y1010AU0F, which costs less than 15 €.
The sensor is built around an infrared emitting diode (ILED) and a phototransistor detecting the light scattered from the aerosol particle. An electronic circuit shapes the detected light in a pulsed signal. The manufacturer advises sampling the output signal 280 microseconds after the ILED pulse. The measured output voltage is an indicator of dust concentration.
We have built two identical simple PM monitoring devices using Raspberry Pi 3 computer interfacing the PM sensor with Microchip’s MCP3002 ADC via SPI. The ADC is capable of more than 100 ksamples/s at 10-bit resolution. The Rpi3 was pulsing the sensor at 10Hz, digitizing and saving the data and sending the results wirelessly.
Sensor’s output pulse shape was sampled with 10 microsecond time steps and saved, thus making offline analysis possible. A time jitter of output pulses can be observed and suggests a peak fitting as a better approach to the signal readout compared to the single sampling at a fixed time after pulse triggering We compared both methods.
Die gemeinsame Forschungsstrategie der Bundesoberbehörden zur Nanotechnologie wurde 2016 veröffentlicht. Die darin enthaltenen Aufgaben wurden von den Bundesoberbehörden vielfältig bearbeitet. Diese Präsentation gibt einen Überblick über die Projekte, die von der BAM bis 2019 bearbeitet wurden/werden und sich in den Rahmen der Forschungsstrategie einordnen.
The properties of nanomaterials are influenced not only by their chemical composition but also by physical properties (such as size, geometry and crystal structure). For the reliable determination and assessment of behaviour and effects of nanomaterials as well as for the determination of the exposure of humans and environment a comprehensive physical-chemical characterization of nanomaterials is essential. This is an important prerequisite to identify them as nanomaterials and to interpret and compare test results and - in future – to forecast interaction and effects of nanomaterials.
In 2006, the OECD launched a sponsorship program for the testing of nanomaterials in which 11 nanomaterials were thoroughly investigated using a variety of methods. The aim of the project was, among other things, to find out where problems occur and where there are gaps in the measurement and test procedures and where are changes required. An important outcome of the sponsorship program was the finding that the OECD Test Guidelines should in several cases be extended to the specific needs in testing of nanomaterials. The existing standardized test methods of the OECD for physical-chemical characterization have not been developed for nanomaterials in particular. A high demand for an extension of the test guidelines was identified. Germany complied with the OECD's request in 2017 and has agreed to extend the “Test Guideline on Particle Size Distribution / Fiber Length and Diameter Distributions Test Guideline” for Manufactured Nanomaterials (MN). UBA commissioned BAM and BAuA with the preparation of the Test Guideline. The aim of the project is the development of a harmonized test protocol for a valid and reproducible determination of particle size and size distribution which is one of the most relevant physical-chemical properties for MNs.
Different measuring methods provide different results for the size distribution of the particles. This is caused by the different measuring principles of the methods. Each method measures a specific parameter that ultimately determines particle size. First, the measured quantity differs for each method (Scattered light intensity, 2D image / projection, electric mobility, etc.). Second, the calculated diameters of the MN may differ (Feret Diameter, Area Projection, Mobility Diameter, Aerodynamic Diameter, Hydrodynamic Diameter). Third, a measuring method provides a size distribution which is measured either mass-based, surface-based or number-based. A conversion between the results requires additional parameters and thus possibly increases the measurement error.
In addition to the technical differences, the individual parameters are strongly influenced by the structure and material of the nanoparticles. For example, a surface functionalization can lead to very different results in the size distribution. The suitability of measurement methods differs with the material of the MN. As a result, two very different results can be measured for the particle size distribution using two different methods, which are nevertheless both correct. Several large projects in recent years therefore concluded that nanomaterials should be characterized by at least two complementary method. Imaging techniques are regarded as one of these methods for the characterization, the complementary methods are supposed to be statistical methods.
The different results for the size distribution of nanomaterials become problematic for the registration of new MN. A comparable and reproducible size distribution is a prerequisite for a standardized registration. In the future, the particle size distribution in the EU will also decide on the classification of a substance as a nanomaterial or as a non-nanomaterial. Especially in borderline cases, a standardized and comparable measurement methodology is therefore essential.
The intention of the presentation is to inspire a discussion on the needs and challenges for the digitalisation of SOPs. SOPs are available for the disciplines of physical-chemical characterisation, for toxicology, for environmental applications and for exposure applications. Furthermore the SOPs need to be integrated in the regulatory framework and need to be detailed enough for the digital processing. This is highlighted in this presentation.
In 1981 the OECD published the Test Guideline on Particle size and size distribution. This TG is still a valid document for the measurement of particles all over the world.
When nanomaterials gained importance, ISO set up a technical commitee for Nanotechnologies in 2005 and the OECD followed this step in 2006 with the Working Party on Manufactured Nanomaterials.
In the following years ISO and OECD published several documents about nanomaterials and the systematisation developed.
In 2017 it was finally clear that nanomaterials need to be adressed in another way than chemicals and in 2020 ECHA revised the REACH-Annexes accordingly and included nanomaterials.
Unfortunately there is a little problem with this: Only a few applicable test guidelines exit for the measurement of the nanomaterials. Several test guidelines date from 1981 and do not address nanomaterials.
The logical next step for the OECD would be to publish a series of test guidelines which are indeed currently prepared and will be shown in this talk.
Finally there is an additional need for the future of NM standardisation: Digitalisation.
Vorstellung der Ergebnisse bei der Entwicklung einer neuen OECD Prüfrichtlinie zur Bestimmung der Partikelgröße und Anzahlgrößenverteilung von Nanomaterialien.
Ergebnisse:
Ideal sphärische Partikel sind gut und verlässlich mit vielen Methoden charakterisierbar.
Reale (Nicht ideale) Materialien sind gut charakterisierbar, wenn eine gewisse Homogenität und Stabilität vorliegt.
Stark inhomogene und stark agglomerierende Partikel liefern deutlich unterschiedliche Ergebnisse für verschiedene Methoden.
Partikel mit geringen Größenunterschieden lassen sich mit allen Methoden gut charakterisieren.
Partikel mit sehr deutlichen Größenunterschieden führen häufig zu einer Unterbewertung der kleineren Partikel.
Vollautomatische Partikeldetektion bei elektronenmikroskopischen Aufnahmen ist z.Zt. noch stark fehleranfällig und kann daher nicht empfohlen werden.
Es hat sich gezeigt, dass alle Methoden zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung Vor- und Nachteile haben. Es ist dringend zu empfehlen Größenverteilungen immer mit mindestens zwei unterschiedlichen Methoden zu bestimmen: Bildgebend und mit gute Anzahlstatistik.
Verschiedene Durchmesser wurden in der TG-PSD mit einem Indexsystem versehen, welches zukünftig Verwechslungen zwischen unterschiedlichen Durchmessern vermeiden soll.
Wird ein bestimmter Durchmesser benötigt (z.B. hydrodynamisch, aerodynamisch), muss die Methode passend gewählt werden. Eine Umrechnung von einem Durchmesser in einen anderen ist in der Regel fehlerbehaftet.
Es wurde ein einheitliches Reporting-System in der TG-PSD eingeführt.
OECD Prüfrichtlinie zur Bestimmung der Partikelgröße und Anzahlgrößenverteilung von Nanomaterialien
(2021)
Abschlusspräsentation des Projektes "OECD Prüfrichtlinie zur Bestimmung der Partikelgröße und Anzahlgrößenverteilung von Nanomaterialien" - Projektteil Nanopartikel.
Es hat sich gezeigt, dass alle Methoden zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung Vor- und Nachteile haben. Es wird dringend empfohlen Größenverteilungen immer mit mindestens zwei unterschiedlichen Methoden zu bestimmen: Bildgebend und mit gute Anzahlstatistik.
Verschiedene Durchmesser wurden in der TG-PSD mit einem Indexsystem versehen, welches zukünftig Verwechslungen zwischen unterschiedlichen Durchmessern vermeiden soll.
Wird ein bestimmter Durchmesser benötigt (z.B. hydrodynamisch, aerodynamisch), muss die Methode passend gewählt werden. Eine Umrechnung von einem Durchmesser in einen anderen ist in der Regel fehlerbehaftet.
Es wurde ein einheitliches Reporting-System in der TG-PSD eingeführt.
Tour de table - BAM
(2021)
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.
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.
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.
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.