4 Material und Umwelt
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Ammoniakemissionen in die Umwelt erfolgen insbesondere durch die Landwirtschaft (93,6 %), aber auch durch Verbrennungsprozesse in der die Abfallwirtschaft (2,3 %) und den Straßenverkehr (1,8 %). Dieser Stoff ist selbst in geringen Konzentrationen nicht nur eine Geruchsbelästigung, sondern auch eine Substanz mit ökologischer und klimatischer Relevanz.
Die Bestimmung von Ammoniak in relevanten Konzentrationen von kleiner 25 μg m-3 erfolgt im Allgemeinen über NH4+ als Analyten, spektralfotometrisch oder mit der Ionenchromatographie nach Überführung in die flüssige Phase. Wegen der niedrigen Konzentrationen an Ammoniak in der Außenluft wird meist eine gesammelte Probe verwendet oder die Bestimmung erfolgt nach einer aktiven, anreichernden Probenahme.
Die eigenen Arbeiten sollen dazu beitragen, die Ammoniak-Bestimmung in der Außenluft präziser, sowie schneller und kostengünstiger zu machen.
Die BAM prüfte daher kommerzielle elektrochemische und Metalloxid-basierte Sensoren, die für diesen Konzentrationsbereich aber nur bedingt geeignet sind. Deshalb wurden alternativ eigene Entwicklungen zum Nachweis von Ammoniak im Spurenbereich aufgenommen, wobei der Analyt über die Änderung der Fluoreszenz eines BODIPY-Farbstoffs bei 550 nm mittels eines portablen Fluoreszenz-Sensors direkt aus der Gasphase gemessen wird.
Zur Kalibrierung von Ammoniak-Sensoren und -Messgeräten steht ein stationäres System basierend auf der Mischung von zertifizierten Prüfgasen aus Druckflaschen mit kalibrierten Massendurchfluss-regler (MFC) zur Verfügung. Darüber hinaus erfolgt eine chemische Analyse der verwendeten Gasgemische mittels eines Massenspektrometers.
Für die Kalibrierung und Prüfung von Sensoren und Messgeräten vor Ort wurde ein mobiles Prüfsystem entwickelt. Die Generierung von Ammoniak-haltigen Gasen im Spurenbereich von 0,5 nmol/mol bis 500 nmol/mol erfolgt durch das Permeationsverfahren nach ISO 6145-10.
Für die Realisierung der Rückführbarkeit der Ammoniakbestimmung werden von den Nationalen Metrologischen Instituten sowie designierten Instituten Standards bereitgestellt und auch weiterentwickelt. Die primären metrologischen Standards beruhen auf SI-Einheiten und sind die Basis für eine Rückführbarkeit der Sensoren bzw. Analysengeräte.
Fluorometric sensing is a versatile approach for trace analysis outside of the laboratory, requiring suitable sensor materials and their integration into sensing devices. The versatility of fluorophores as probes, especially in terms of the possibility to tailor their optical as well as their recognition properties by synthetic modifications in a wide range, renders them as superior active component for the preparation of optical sensing devices. Recent works at BAM in this field include, for example, the detection of nerve gas agents, illustrating impressively the aforementioned benefits of fluorophores in optical sensing applications.
In the interdisciplinary project presented here, we target hazardous gases such as ammonia, benzene, and hydrogen sulfide, next to others, which pose a major threat to human health and environmental safety and for which the availability of a sensitive and reliable detection method is highly desirable. The dyes presented follow a “turn-on” fluorescence schematic, which allows for the selective and sensitive detection of the respective gaseous analyte. The immobilization of the probe in polymeric matrices is then the next step toward the fabrication of a prototype device for molecular sensing. Further steps in the project include the assembly of instruments for test-atmosphere generation, the referencing of the sensor system, development and implementation of an optical setup, and the testing of the prototype device under laboratory conditions and in the field.
In this presentation, we give an overview over the recent developments on this topic in our groups. Highlights are hydrogen sulfide sensitive, BODIPY based transition metal complexes, which allow for a sensitive as well as selective detection of the toxic gas. In addition, we present a novel class of highly substituted BODIPY derivatives – pocket-BODIPYs – which are of a synthetically high versatility and can readily be modified to create pockets in the periphery of the molecule of defined geometries. This is illustrated on the successful encapsulation of benzene by a pocket-BODIPY derivative, confirmed by X-ray crystallographic analysis as well as by further spectroscopic and analytical methods.
Im Beitrag wurden Ergebnisse von Elutionsuntersuchungen mit PFC kontaminierten Bodenmaterialien vorgestellt. Zum einen waren das Untersuchungen zur Eignung von Säulenversuchen für diese Schadstoffgruppe und zum anderen vergleichende Schüttel- und Säulenversuche für zwei verschiedene Böden mit unterschiedlichen PFC-Kontaminationsquellen.
Zearalenone (ZEN) and its sulfate and glucoside conjugates have been detected in (a broad variety of) food and feed commodities1. Both conjugated derivatives are formed as part of fungal or plant secondary metabolism and thus, belong to the group of modified mycotoxins2. After consumption of contaminated foodstuff, the conjugates can be hydrolyzed by human intestinal microbiota leading to liberation of ZEN that implies an underestimation of the true ZEN exposure. In order to include ZEN conjugates in routine analysis, as well as for toxicological investigation reliable standards are needed.
The objective of the present study was to develop a simple and economic method for biosynthesis of ZEN conjugates. Preceding experiments on the biotransformation of ZEN by Rhizopus and Aspergillus species showed a mixed metabolite formation3. Therefore, these known ZEN conjugating fungal strains were screened for their potential to selectively synthesize the ZEN derivatives ZEN-14-sulfate (Z14S), ZEN-14-glucoside (Z14G) and ZEN-16-glucoside (Z16G). The screening was conducted by adding ZEN to liquid fungal cultures. Cultivation conditions and ZEN incubation time were varied. All media samples were analyzed for metabolite formation by HPLC-MS/MS. Z14S was exclusively formed by A. oryzae. Under optimized conditions a specific biosynthesis of Z14G by R. oryzae and Z16G by R. oligosporus was achieved. After liquid-liquid-extraction and preparative chromatographic cleanup 1H-NMR purities of ≥ 73% for Z14S, ≥ 82% for Z14G and ≥ 50% for Z16G were obtained. In addition, a consecutive biosynthesis was developed by first using Fusarium graminearum for ZEN biosynthesis on rice based liquid medium. After inactivation of Fusarium the subsequent conjugation reaction was conducted utilizing Aspergillus and Rhizopus species under the various optimized conditions.
In this study an easy and cost-efficient biosynthesis for Z14S, Z14G and Z16G was developed. The developed biosynthesis could be also used for other metabolites like ZEL conjugates. Our results of the in vitro screening indicate also the formation of a ZEL-glucoside and α ZEL-sulfate as major metabolites by R. oryzae. In sum, under optimized cultivation conditions fungi can be easily utilized for a targeted and stereospecific synthesis of ZEN conjugates.