4 Material und Umwelt
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Organisationseinheit der BAM
- 4 Material und Umwelt (117)
- 4.1 Biologische Materialschädigung und Referenzorganismen (31)
- 4.3 Schadstofftransfer und Umwelttechnologien (28)
- 4.2 Material-Mikrobiom Wechselwirkungen (21)
- 4.4 Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung (16)
- 4.0 Abteilungsleitung und andere (13)
- 4.5 Kunst- und Kulturgutanalyse (10)
- 6 Materialchemie (8)
- 1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien (5)
- 3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher (5)
Eingeladener Vortrag
- nein (61)
Plants and microorganisms, besides the climate, drive nitrogen (N) cycling in ecosystems. Our objective was to investigate N losses and N acquisition strategies along a unique ecosystem-sequence (ecosequence) ranging from arid shrubland through Mediterranean woodland to temperate rainforest. These ecosystems differ in mean annual precipitation, mean annual temperate, and vegetation cover, but developed on similar granitoid soil parent material, were addressed using a combination of molecular biology and soil biogeochemical tools. Soil N and carbon (C) contents, δ15N signatures, activities of N acquiring extracellular enzymes as well as the abundance of soil bacteria and fungi, and diazotrophs in bulk topsoil and rhizosphere were determined. Relative fungal abundance in the rhizosphere was higher under woodland and forest than under shrubland. This indicates toward plants' higher C investment into fungi in the Mediterranean and temperate rainforest sites than in the arid site. Fungi are likely to decompose lignified forest litter for efficient recycling of litter-derived N and further nutrients. Rhizosphere—a hotspot for the N fixation—was enriched in diazotrophs (factor 8 to 16 in comparison to bulk topsoil) emphasizing the general importance of root/microbe association in N cycle. These results show that the temperate rainforest is an N acquiring ecosystem, whereas N in the arid shrubland is strongly recycled. Simultaneously, the strongest 15N enrichment with decreasing N content with depth was detected in the Mediterranean woodland, indicating that N mineralization and loss is highest (and likely the fastest) in the woodland across the continental transect. Higher relative aminopeptidase activities in the woodland than in the forest enabled a fast N mineralization. Relative aminopeptidase activities were highest in the arid shrubland. The highest absolute chitinase activities were observed in the forest. This likely demonstrates that (a) plants and microorganisms in the arid shrubland invest largely into mobilization and reutilization of organically bound N by exoenzymes, and (b) that the ecosystem N nutrition shifts from a peptide-based N in the arid shrubland to a peptide- and chitin-based N nutrition in the temperate rainforest, where the high N demand is complemented by intensive N fixation in the rhizosphere.
The main obstacle to bottom ash (BA) being used as a recycling aggregate is the content of salts and potential toxic elements (PTEs), concentrated in a layer that coats BA particles. This work presents a dry treatment for the removal of salts and PTEs from BA particles. Two pilotscale abrasion units (with/without the removal of the fine particles) were fed with different BA samples. The performance of the abrasion tests was assessed through the analyses of particle size and moisture, and that of the column leaching tests at solid-to-liquid ratios between 0.3 and 4. The results were: the particle-size distribution of the treated materials was homogeneous (25 wt % had dimensions <6.3 mm) and their moisture halved, as well as the electrical conductivity of the leachates. A significant decrease was observed in the leachates of the treated BA for sulphates (44%),
chlorides (26%), and PTEs (53% Cr, 60% Cu and 8% Mo). The statistical analysis revealed good correlations between chloride and sulphate concentrations in the leachates with Ba, Cu, Mo, and Sr, illustrating the consistent behavior of the major and minor components of the layer surrounding BA particles. In conclusion, the tested process could be considered as promising for the improvement of BA valorization.
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.
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.
extraWERT Forschungsvorhaben
(2022)
Die novellierte AbfKlärV (2017) beinhaltet die Verpflichtung zum P-Recycling ab einem P-Gehalt im Klärschlamm von 20 g/kg. Im Vortrag werden Ergebnisse des Forschungsvorhabens extraWERT zu diesem Themenkomplex vorgestellt. Es werden Untersuchungen zu P-Gehalten deutscher Klärschlämme und zu den zulässigen Analysemethoden dafür vorgestellt.
Die Zementindustrie erzeugt etwa 6-7% der globalen CO2-Emissionen und steht damit als Industriezweig vor dem Hintergrund einer anvisierten Klimaneutralität vor gewaltigen Herausforderungen. Der Prozess der Klinkerherstellung wurde über die vergangenen Jahrzehnte bereits kontinuierlich optimiert. Seit 1990 ist es der deutschen Zementindustrie gelungen, die spezifischen CO2-Emissionen der Zementproduktion u. a. durch den Einsatz alternativer, nicht fossiler Brennstoffe und durch Absenkung des Klinkergehalts im Zement um 20 % zu senken. Weitere konventionelle Minderungsstrategien versprechen jedoch nur noch wenig zusätzliche Reduktion. Im Falle des Portlandklinkers besteht die Schwierigkeit darin, dass zwei Drittel der CO2-Emissionen rohstoffbedingt durch die Entsäuerung des Kalksteins (CaCO3) anfallen, die durch die beschriebenen Maßnahmen nicht weiter abgesenkt werden können. Vielmehr wird es erforderlich sein, noch zu entwickelnde oder zu optimierende Technologien anzuwenden und ggf. alle relevanten Ebenen wie Produktion, Weiterverarbeitung und Anwendung von Zement und Beton neu zu denken. Neben technologischen Ansätzen zur CO2-Abscheidung mit nachfolgender langfristiger Speicherung (Carbon Capture and Storage – CCS) oder Verwertung (Carbon Capture and Utilisation – CCU) werden auch alternative Rohstoffe für die Zementproduktion und alternative Bindemittel in Betracht zu ziehen sein.
Die Autoren zeigen dazu die gesetzlichen und energiepolitischen Rahmenbedingungen und Perspektiven auf, widmen sich in aktuellen Beiträgen zur Verfahrenstechnik der thermischen Abfallbehandlung sowohl den thermischen Hauptverfahren als auch der Abgasreinigung und gehen auf das Thema Wertstoffrückgewinnung ein. Ihr Fazit: Durch Anstrengungen, das stoffliche Recycling weiter zu optimieren, können künftig weitere Kreisläufe von Produkten und Materialien hochwertig geschlossen werden. Für manche Abfallströme wird dies aber aus verschiedenen Gründen nicht möglich sein – hier bleibt die thermische Abfallbehandlung unverzichtbar.
In an interdisciplinary collaboration, restorers, art historians, and scientists examined Guilio Romano’s The Madonna with the Wash-Basin of 1525 (Dresden State Art Collections). Insights into the painting technique along with art historical comparisons provided the opportunity for a better understanding of the painting’s genesis, in particular concerning an early reworking of the background by the artist. A recovery and reconstruction of the earlier version of the background is now possible. The discovery of zinc in distinct passages of the painting, as well as the grey-black pigment stibnite and glass particles used as a supplement in paint layers are of special interest. The technological investigation initiated a discussion about the circumstances of the revision, as well as the painting’s relation to Vasari’s Lives of Artists.
Hundreds of papyrus rolls, carbonized during the 79CE eruption of Mount Vesuvius, were discovered in 1754 at Herculaneum. Sophisticated mechanical methods for unrolling the best-preserved scrolls have been applied, with varying success. However, such processes have been abandoned, to prevent risk from irremediable damage or loss and to preserve the integrity of the extremely fragile rolls. Following the development of X-ray based non-invasive techniques, attempts to virtually unroll the scrolls were made. The most common ink in Antiquity was carbon-based, and the main element of carbonized papyrus is carbon, making these investigations difficult. However, some attempts with synchrotron X-ray phase-contrast tomography (XPCT) were successful. Recently, the identification of antique inks containing metals raised hope that if some of the inks contain metal the rolls can be virtually unrolled using conventional CT- technique. We investigated the inks of a selection of partially unrolled fragments stored at the Biblioteca Nazionale di Napoli with X-ray fluorescence in order to select the best candidates for tomography. Despite the many difficulties (analysis of several layers sticking together, letters barely visible, difficulty to separate contribution from the ink and from the papyrus, inhomogeneity of the support, fragility of the fragments…), encouraging results were found, with a number of inks from Greek fragments found to contain additions to the soot (Fe, Pb, Cu P).
Hundreds of papyrus rolls, carbonized during the 79CE eruption of Mount Vesuvius, were discovered in 1754 at Herculaneum. Sophisticated mechanical methods for unrolling the best-preserved scrolls have been applied, with varying success. However, such processes have been abandoned, to prevent risk from irremediable damage or loss and to preserve the integrity of the extremely fragile rolls. Following the development of X-ray based non-invasive techniques, attempts to virtually unroll the scrolls were made. The most common ink in Antiquity was carbon-based, and the main element of carbonized papyrus is carbon, making these investigations difficult. However, some attempts with synchrotron X-ray phase-contrast tomography (XPCT) were successful. Recently, the identification of antique inks containing metals raised hope that if some of the inks contain metal the rolls can be virtually unrolled using conventional CT- technique. We investigated the inks of a selection of partially unrolled fragments stored at the Biblioteca Nazionale di Napoli with X-ray fluorescence in order to select the best candidates for tomography. Despite the many difficulties (analysis of several layers sticking together, letters barely visible, difficulty to separate contribution from the ink and from the papyrus, inhomogeneity of the support, fragility of the fragments…), encouraging results were found, with a number of inks from Greek fragments found to contain additions to the soot (Fe, Pb, Cu P).
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.
One criterion to evaluate the odour of a sample is perceived
intensity П which is evaluated with the aid of a comparative scale. The procedure is well accepted but also time consuming and extensive. The study should help simplify the testing procedure by asking the panel members to only indicate whether a sample is perceived as less to equally intense or of greater intensity in comparison to a given acetone concentration of 7 pi on the comparative scale. In Germany a value of 7 pi is required for products to be suitable for the indoor use. The results show that the simplified test is basically suitable.
Healthy and energy efficient buildings must be free from disturbing odours. Odour emissions from building materials can be measured with the well-known and accepted standard ISO 16000-28 “Indoor air – Part 28: Determination of odour emissions from building products using test chambers”. For commonly used emission test chambers the sample air is collected in containers (bags) and presented to a group of panel members for the purpose of evaluating the odour. A standard sets requirements for the on-demand presentation in detail. These include the validation procedure for container materials, pre-treatment of bags, details on storage of filled bags and how to carry out the measurements. However, although these measures are proven in practice, incorrect measurements are still possible. Also errors can occur due to a very complex measurement procedure. So, there is a great need for research into how the odour samples are presented.
The proposal planned to be presented will introduce a new development in sample provision by using an adapter which enables collection and provision of sample air without storage or transport of bags. The adapter is a sample container which is permanently positioned on the emission test chamber´s outlet and continuously filled with sample air flowing through it. The flow is briefly interrupted at the time when a sample is taken by a panel member for the test.
The size of the container is sufficient to provide enough sample air for evaluation by at least one panel member via a funnel. Since sampling and presentation are technically connected, it means you can almost do away with storage or transportation and thus it can be presented almost unchanged to the panelmembers. The aim is to reduce measurement errors in the odour samples provision process and the improvement of measurement reproducibility. The paper presents the construction of the adapter as well as the results of emission and odour tests carried out so far.
Zur Weiterentwicklung der Probenpräsentation wurde ein Adapter entwickelt, der Emissionsprüfkammer und Bewertungstrichter miteinander verbindet und dadurch eine der direkten Messung vergleichbare Geruchsbewertung ermöglicht. Die analytischen Messungen zeigen, dass es kaum Unterschiede in der Zusammensetzung der Probenluft in der Kammer im Vergleich zum Probenbehälter gibt. Bei den olfaktorischen Messungen kam es jedoch bei der Bewertung der Probenluft mit Hilfe des Adapters zu Minderbefunden. Anschließende Untersuchungen zeigten, dass beim Ausschalten des Geräts Umgebungsluft über den Trichter in den Adapter strömt und zu einer Verdünnung der Probenluft führt. Um dies zu vermeiden, werden derzeit weitere Messungen durchgeführt.
Eine weitere Versuchsreihe wurde durchgeführt, um den Messaufwand bei der Bewertung der empfundenen Intensität zu reduzieren. Die entwickelte „größer-oder-kleiner/gleich“ Abfrage kann hier hilfreich sein. Die Untersuchungen im Luftqualitätslabor und im Rahmen eines Ringversuches mit verschiedenen Laboren, zeigen, dass die Abfrage in fast allen Fällen zu den gleichen Ergebnissen führt, wie die normgerechte aber aufwendigere Ermittlung der empfundenen Intensität mithilfe des Vergleichsmaßstabes.
Data for the publication "The role of extracellular polymeric substances of fungal biofilms in mineral attachment and weathering" (https://doi.org/10.1038/s41529-022-00253-1). It includes:
- The Summary of the EPS concentration, EPS sugar components and EPS linkages.
- The Summary of the XPS analysis of freeze-dried biofilm samples of all strains.
- The Summary of the pH, Mg, SI and Fe concentration, biomass and olivine dissolution rate for each time point of all dissolution experiments.
The OECD Working Party on Manufactured Nanomaterials (WPMN) has actively worked towards understanding possible safety issues for manufactured nanomaterials and has contributed significantly to resolving these by developing Test Guidelines, Guidance Documents, Test Reports and other publications with the aim of a safe use of manufactured nanomaterials. To address the specific needs of manufactured nanomaterials, the OECD Test Guideline No. 110 “Particle Size Distribution/Fibre Length and Diameter Distributions” was identified as one of the test guidelines (TGs) to require an update. The current TG 110 (adopted in 1981) is only valid for particles and fibres with sizes above 250 nm. The WPMN prioritised to either update TG 110 to be applicable also to particles at the nanoscale or draft a new nanomaterial specific (TG).
Eventually, it was decided to develop a new TG that covers the size range from 1 nm to 1000 nm, intended for particle size and particle size distribution measurements of nanomaterials. Paragraph 11 provides further justification on the need for such measurements for nanomaterials. This TG overlaps with TG 110 in the size range from 250 nm to 1000 nm. When measuring particulate or fibrous materials, the appropriate TG should be selected depending on the size range of particles tested. In line with TG 110, the new TG for nanomaterials includes separate parts for particles and fibres.
For the part of this TG which addresses particles, several methods applicable to nanomaterials were reviewed and included to take into account developments since 1981 when the TG 110 was adopted. This TG includes the following methods: Atomic Force Microscopy (AFM), Centrifugal Liquid Sedimentation (CLS)/Analytical Ultracentrifugation (AUC), Dynamic Light Scattering (DLS), Differential Mobility Analysis System (DMAS), (Nano)Particle Tracking Analysis (PTA/NTA), Small Angle X-Ray Scattering (SAXS), Scanning Electron Microscopy (SEM), and Transmission Electron Microscopy (TEM). The method Single Particle Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (sp-ICP-MS) could not be sufficiently validated within the interlaboratory comparison (ILC) carried out for the different methods in this TG (see also paragraph 6 for further details on the ILC). Applicability of sp-ICP-MS is strongly limited to nanomaterials with high mass values in combination with a sufficiently high particle size. However, the general method ICP-MS is widely used and the sp-mode for the size measurement of specific nanomaterials was successfully performed in ILCs elsewhere. The method is therefore included in the Appendix Part C of this TG, which further details the limitations of sp-ICP-MS.
For measuring the diameter and length of fibres, analysing images captured with electron microscopy is currently the only method available. This TG includes Scanning Electron Microscopy (SEM) and Transmission Electron Microscopy (TEM).
To test the validity of this TG, an ILC was performed. Test materials were chosen to reflect a broad range of nanomaterial classes, e.g. metals, metal oxides, polymers and carbon materials. Where possible, well-characterised test materials were used.
Additionally, the test materials were chosen to reflect a broad range of sizes representing the size range 1 nm to 1000 nm. Specifically for fibres, a broad range of aspect ratios was included (length/diameter of 3 to > 50). Some of the test materials used are commercially available and further references are given in the validation report of the ILC. Sample preparation for physical chemical characterisation is critical for all listed methods. Due to the differences between individual nanomaterials and due to the wide range of individual material properties it is impossible to have a generic protocol to obtain the best possible sample preparation for every nanomaterial. Therefore, a generic protocol on sample preparation is not part of this TG. Information on sample preparation is given in the paragraphs 25-29, 33, 34 and 39 for particles and in paragraphs 159) for fibres. Further information on sample preparation of nanomaterials for physical chemical characterisation can be found in the OECD Guidance on Sample Preparation and Dosimetry for the Safety Testing of Manufactured Nanomaterials and elsewhere.
Through the application of scientific methods of analysis to a corpus of medieval manuscripts found in the Cairo Genizah, this work aims to gain a better understanding of the writing materials used by Jewish communities at that time, shedding new light not only on the production of manuscripts in the Middle Ages, but also on the life of those Jewish communities.
Results:
- Four types of inks were measured iron gall (vitriolic and non vitriolic), carbonic, mixed and vegetable inks.
- We need to start analyzing systematically the organic part of the inks.
- Great variety in the composition of the inks.
- No correlation between the type of ink used and any other criteria apart from a personal preference.
- Inks purchased by (some) scribes.
- Reconstruction of the chronology of writing and signing of certain legal documents.
- Comparison with documents written by the Muslim court.
Rock-inhabiting black fungi are adapted to survive extreme stresses such as radiation and lack of water and are thus able to colonise arid material surfaces like solar panels and marble monuments. Black fungi can typically grow as one of two cell types: depending on the environmental conditions, they are able to form yeast-like cells or hyphal filaments. Knufia petricola is one member of the rock-inhabiting black fungi which functions as a model reference species. As there is no mathematical model for biofilm formation of RIF, we are going to develop a model for K. petricola which describes fungal growth on the level of individual cells adn biofilm formation.
Die Klassik-Stiftung Weimar besitzt eine umfangreiche Sammlung niederländischer und flämischer Zeichnungen vom 15. bis 19. Jahrhundert. Im Rahmen des Forschungsprojektes »Kennerschaft heute« wurde der Bestand der über 1.500 Zeichnungen erstmals wissenschaftlich erschlossen. Das Handbuch führt anhand bedeutender Werkgruppen, darunter Zeichnungen von Lucas van Leyden, Dirck Vellert, Roelant Savery und Rembrandt, den Reichtum der Weimarer Sammlung vor Augen, die zum großen Teil auf die Sammelleidenschaft von Johann Wolfgang Goethe zurückgeht. Im Zentrum des Buches steht aber die Zusammenarbeit von traditioneller Stilkritik und naturwissenschaftlicher Materialanalyse. In zwölf Fallbeispielen wird die Notwendigkeit einer methodischen Neuausrichtung der Kennerschaft darlegt. Einen Schwerpunkt der Untersuchungen bildet hierbei das große Konvolut an Zeichnungen von Rembrandt und seinen Schülern, das erstmals systematisch auf die verwendeten Zeichenmaterialien und Papiere untersucht wird.
Der fabelhafte Möglichmacher
(2022)
Black microcolonial fungi represent a group of ascomycetes with similar adaptations for existing in natural and anthropogenically created extreme habitats. They exhibit slow yeast-like or meristematic growth, do not form specialized reproduction structures and accumulate the black pigment 1,8-dihydroxynaphthalene (DHN) in the multilayered cell walls. We chose the rock inhabitant Knufia petricola of the Chaetothyriales as a representative for developing methods for genetic manipulation, simulation of mineral weathering and study of symbiotic interactions. Here, we report on the expansion of the genetic toolkit by more efficient multiplex CRISPR/Cas9 using a plasmid-based system for expression of Cas9 and multiple sgRNAs and three additional resistance selection markers. The targeted integration of expression constructs by replacement of essential genes for pigment synthesis allows for an additional color screening of the transformants. The black-pink screening due to the elimination of pks1 (melanin) was applied for promoter studies using GFP fluorescence as reporter, while the black-white screening due to the concurrent elimination of pks1 (melanin) and phs1 (carotenoids) was used to identify transformants that contain the two expression constructs for co-localization or bimolecular fluorescence complementation (BiFC) studies. In addition, two intergenic regions (igr1, igr2) were identified in which expression constructs can be inserted without causing obvious phenotypes. Plasmids of the pNXR-XXX series (Schumacher, 2012) and new compatible entry plasmids were used for fast and easy generation of expression constructs and are suitable for use in other fungal systems as well.
Microcolonial black fungi are inhabitants of exposed natural and man-made surfaces in all climate zones. Genetic studies are hampered by slow growth, lacking sexual cycles and difficulties to transform these fungi. Recently, we implemented CRISPR/Cas9-based genetic tools enabling efficient targeted mutations of the rock inhabitant Knufia petricola (Eurotiomycetes/Chaetothyriales) for studying stress responses, the unusual types of cell division, mineral weathering and symbiotic interactions with phototrophic microbes (Voigt, Knabe et al. 2020, Sci Rep; Erdmann et al. 2022, Front Fungal Biol). To further explore the genome of this fungus as representative of the polyphyletic group of black fungi and to assign functions to yet unknown genes, a forward genetics approach is aimed. We chose the two-component Activator/ Dissociation (Ac/Ds) transposon system from maize for generating a collection of insertional mutants by in-vivo mutagenesis. For the optimal use of this genetic tool, an inducible promoter for the expression of the Ac transposase and by this the regulatable transposition of the resistance cassette-containing Ds transposon is requested. However, endogenous promoters for nitrate assimilation and galactose catabolism that are often used in fungi for regulatable gene expression are not inducible by their substrates in K. petricola suggesting that the regulatory networks for nutrient acquisition differ significantly in the oligotrophic black fungi. Therefore, the metabolism-independent Tet-on system was adopted and validated using a Ptet::gfp construct. No GFP fluorescence was detected in absence of the inducer doxycycline (DOX) while fluorescence intensities increased with increasing inducer concentrations. Consequently, the Tet-on system is suitable for regulatable expression of endogenous and foreign genes in K. petricola.
Several aspects were explored towards the standardization of a suitable procedure. The use of gaseous standards is necessary and a standard gas mixture containing 60 substances was successfully generated and employed for further investigations. The suitability of different chromatography columns was addressed: The use of PLOT (Porous Layer Open Tubular) columns is well suitable for VVOC analysis. The recoveries of the 60 analytes on several adsorbents and their combinations were determined: A combination of a graphitized carbon black and a carbon molecular sieve showed great results for all analytes. Carbon molecular sieves adsorb water which can impair the analysis. Different options such as purging, the use of a drying system or splitting were investigated for water removal. This contribution will present experimental results supporting the standardization of a method for VVOC analysis.
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.
Since 1997, the Committee for Health-related Evaluation of Building Products (AgBB) has been developing the basis for building regulations for protection against indoor health risks that may arise when building products are used. In 2009, the AgBB decided to include relevant VVOCs in the assessment procedure. The ISO 16000-6 (2021) states that the use of the thermal desorption gas chromatography technique is appropriate for VVOCs, if adaptations are considered. However, a suitable method for the trustworthy quantification of VVOC emissions from building products and in the indoor air is still missing.
This webinar will present the results of a research project on the development of a procedure for VVOC analysis:
• identification of the gaps towards standardization
• investigations on gas standards and the suitability of chromatography columns
• investigations on sorbent combinations and water management
• validation of the method and screening of VVOC emissions from building products.
Drei grundlegend verschiedene Ansätze für Umweltsimulation werden an Beispielen illustriert:
(i) Ganzheitlicher Ansatz - Nachstellen von Umweltmilieus im Labor
Ziel ist hier das Nachstellen von (kombinierten) Umweltbedingungen im Labor; die Umweltparameter werden mit all ihren Wechselwirkungen aufgebracht.
Hauptnutzen ist eine gegenüber der natürlichen Beanspruchung erhöhte Reproduzierbarkeit der Umweltbedingungen. Hat man sein Laborsetup entwickelt, ist es auf verschiedene Materialien anwendbar.
Unter solchen Laborbedingungen ermittelte Lebensdauern sind dabei nicht auf die typischerweise sehr variablen Real-Umweltbedingungen übertragbar.
(ii) Parametrisierter Ansatz - Ermittlung einzelner Materialempfindlichkeiten
Hierbei werden im Labor die Wirkungen separater Umweltparameter auf Materialien nachgestellt. Für eine solche Separation der Einflussfaktoren ist insbesondere die Aufschlüsselung möglicher Wechselwirkungen der Umwelt-parameter (z.B. Mikroklima an bestrahlten Oberflächen) erforderlich. Einzelne (meist Alterungs-) Empfindlichkeiten können qualitativ nachgewiesen werden oder sogar – als Beanspruchungs-Wirkungs-Funktionen – quantifiziert werden, was einen wesentlichen Schritt in Richtung der Digitalisierung der Material¬prüfung darstellt. Insbesondere ist dann auch eine Lebensdauer-vorhersage für vorgegebene Zeitreihen der Beanspruchungs¬parameter umsetzbar.
(iii) Rückwirkungen auf die Umwelt
Umweltbeanspruchungen können zur Freisetzung von Schadstoffen in die Umwelt führen. Durch die Nachstellung kritischer, aber realitätsnaher Einsatzszenarien kann die Menge an freigesetzten Substanzen abgeschätzt werden.
Egal, welcher Ansatz verfolgt wird – ein Vergleich mit der oder einer Real-beanspruchung ist unerlässlich, ebenso wie die Messdatenaufzeichnung (data logging) aller potenziell relevanten Beanspruchungsparameter während dieser Realbeanspruchung.
Obwohl die naturnahe Umwelt – sowohl in der BAM als auch bei der GUS – gegenüber der technischen Umwelt eher untergeordnet auftritt, werden zur Illustration Beispiele aus der naturnahen Umwelt verwendet.
Rock-inhabiting fungi are known to colonise air-exposed substrates like minerals, photovoltaic panels building facades and monuments, withstanding the various stresses these extreme habitats are known for. Here we show how both colonisation and stress resistance are linked to the properties of the fungal cell surface. By deleting genes involved in the synthesis of melanin and carotenoid pigments of the model rock-inhabiting fungus Knufia petricola via CRISPR-Cas and comparing the behaviour of the gene-deletion mutants with the wild type (WT), we studied the role of these genes in mineral colonisation and stress sensitivity. The extracellular polymeric substances (EPS) of biofilms of the WT and mutants were extracted, quantified and chemically characterised. We observed that the absence of melanin affected the quantity and composition of the produced EPS: melanin-deficient mutants synthesised more EPS containing fewer pullulan-related glycosidic linkages. Moreover, in mineral dissolution experiments, these mutants showed a lower ability to colonise the mineral olivine. We hypothesise that not melanin, but the pullulan-related linkages enabled the melanin-producing strains to attach more strongly to the mineral. Moreover, ICP-OES analysis of the aqueous mineral-derived solutes showed that biofilms of the K. petricola mutants which could attach were able to dissolve the olivine faster than those that could not. The same mutants were also characterised by their sensitivity to desiccation stress: only the mutant deficient in both melanin and carotenoid synthesis was more sensitive to desiccation compared to the WT, indicating that a combination of both pigments is critical to withstand desiccation. Overall, these results show the critical role of the cell surface in the specific capacities of rock-inhabiting fungi.
Die Normenreihe DIN 68800 ist Ende der 2000er Jahre komplett überarbeitet worden. Der Kommentar bietet den interessierten Kreisen der Bauaufsicht, des Holzbaus, der Holzschutzmittelindustrie, der Wissenschaft, den Prüfinstituten, der Sägeindustrie, den Umweltverbänden, den Verbrauchern, den Schädlingsbekämpfern und Architekten wertvolle Hilfen bei der Anwendung und Interpretation der Norm.
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). Different approaches, such as the impregnation of porous materials, are being tested. The generation as well as results of the most promising materials will be presented.
Der Beitrag beschäftigt sich mit zerstörungsfreien Untersuchungen an den Farbmitteln früher Bauhauszeichnungen. Mit welchen Farbmitteln wurden diese Zeichnungen gestaltet? Wurden hier neueste Zubereitungen genutzt, von denen viele im ersten Drittel des 20. Jahrhunderts gerade auf den Markt kamen, oder fanden – der ebenfalls am Bauhaus propagierten Materialökonomie folgend – althergebrachte Materialien Verwendung, die günstiger zu beschaffen waren? Weitere Fragen widmen sich dem Themenkomplex Original, Kopie und Nachahmung sowie der Auffindung von Fälschungen. Restauratorische, konservatorische und kuratorische Fragestellungen und Entscheidungen sind grundsätzlich damit verknüpft. Zwölf exemplarisch vorgestellte Zeichnungen ermöglichen einen guten Über blick über die verwendeten Farbmittel des frühen Bauhauses von 1919 bis 1925. Trotz der Vielfalt der betrachteten Studien, Entwürfen und Arbeitsblättern, ergibt sich ein homogenes Gesamtbild. Bis auf wenige Ausnahmen dominieren anorganische Pigmente die Farbmittelpalette. Dieser Befund wird durch eine weitaus größere Stichprobe materialtechnologisch untersuchter Zeichnungen aus dem Bestand des Bauhaus-Museums Weimar bestätigt
Die Umweltverträglichkeit von Bauprodukten, die in Kontakt mit Regen- oder Sickerwasser kommen, wurde durch Kombination normierter Elutions- (DSLT, Perkolationstest) und Ökotoxizitätstests (Algen, Daphnien, Fischeier, Leuchtbakterien) sowie Gentoxizitätstests (Ames, umu) untersucht. Ziel des Projektes war es einerseits, einen Beitrag zur Harmonisierung der Prüfmethoden unter CEN/TC 351 zu leisten und andererseits potentielle Produktgruppen, die sich für die Umweltzeichenvergabe des Blauen Engels eignen würden, zu erkennen. Durch umfangreiche qualitative und quantitative chemische Analysen (u. a. GC-MS- sowie LC-MS-Screening) wurden einige der freigesetzten Stoffe identifiziert und anhand von Literaturdaten ökotoxikologisch charakterisiert. Insgesamt wurden 34 Bauprodukte (Dachbahnen, Lacke, Wood-Plastic-Composites, Pflasterfugenmörtel, Korkgranulate, Schaumglasschotter, Wegedecken, Dichtmassen) untersucht. Hierbei wurden insbesondere bei den Fugenmörteln und Korkgranulaten sehr hohe
Ökotoxizitäten (bis LID = 16384 bei den Fugenmörteln und LID = 24578 bei den Korkgranulaten) beobachtet. Algen- und Leuchtbakterientests waren in der Regel deutlich empfindlicher als der Daphnien- und Fischeitest. Die untersuchten Dachbahnen, Lacke, Wood-Plastic-Composites und Schaumglasschotter zeigten hingegen keine oder nur sehr geringe Ökotoxizitäten. Zur Qualitätssicherung und Validierung wurde ein Europäischer Ringversuch gemäß den Vorgaben der DIN ISO 5725 organisiert, durchgeführt und ausgewertet. Hierzu wurde ein Fugenmörtel als flächiges Produkt im DSLT und als gebrochenes körniges Produkt im Perkolationstests eluiert und die Eluate nachfolgend in den 29 teilnehmenden Laboren hinsichtlich ihrer Ökotoxizität untersucht. Hierbei wurden insgesamt plausible Ergebnisse und gute (<50 %) bis sehr gute (<20 %) Reproduzierbarkeiten erzielt. Es wird empfohlen, für die Produktgruppen Dachbahnen, Kunstrasen und Sportböden sowie Fugenmörtel Vergabekriterien für den Blauen Engel zu entwickeln
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.
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.
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.
We investigated the selection dynamics between a benzalkonium chloride (BAC)-tolerant Escherichia coli strain (S4) and a sensitive wild type 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 opposite was observed at all ciprofloxacin concentrations investigated.Furthermore, we assessed the evolvability of resistance of the two strains to inhibitory concentrations of ciprofloxacin 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.
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.
In dieser Präsentation wurden dem Beirat Umwelt die High-Lights und der weitere Ausblick des Foresight Process MIC vorgestellt. Im Fokus stehen hierbei insbesondere die neu angelaufenen Projekte:
COST Action Euro-MIC
MIC im Endlager
Hydrogen: MIC & Wasserstoffversprödung
Biorezeptivität von Betonoberflächen
Mitigation schwarze Pilze
WIPANO ResTest
Rechtliche Vorgaben der Klärschlammverordnung und deren Auswirkungen auf die Phosphor-Rückgewinnung
(2022)
Im Abfalltechnik-Ausschuss der Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Abfall (LAGA) wurde eine Vollzugshilfe zur Klärschlammverordnung erarbeitet, die nach Verabschiedung durch die Umweltministerkonferenz Mitte Mai 2020 als LAGA-Merkblatt M-39 veröffentlicht wurde. Im vorliegenden vierten Arbeitsbericht der DWA-Arbeitsgruppe KEK-1.1 werden verschiedene Aspekte der ab dem Jahr 2029 geltenden Regelungen aufgegriffen und damit einige Punkte des LAGA M-39 hinsichtlich der technischen Auswirkungen für den Kläranlagenbetreiber konkret ausgeführt.
BAM is currently building up a platform of novel nanoRMs relying on iron oxide nanoparticles of different shape, size and surface chemistry. Iron oxide was chosen as a core material because of its relevance to the material and life sciences.
As a first candidate of this series, we present cubic iron oxide nanoparticles with a nominal edge length of 8 nm. These particles were synthesized by thermal decomposition of iron oleate in high boiling organic solvents adapting well-known literature procedures. After dilution to a concentration suitable for electron microscopy (TEM and SEM) as well as for small-angle X-ray scattering (SAXS) measurements, the candidate nanoRM was bottled and assessed for homogeneity and stability by both methods following the guidelines of ISO 17034 and ISO Guide 35.
The particle sizes obtained by both STEM-in-SEM and TEM are in excellent agreement with a minimum Feret of 8.3 nm ± 0.7 nm. The aspect ratio (AR) of the iron oxide cubes were extracted from the images as the ratio of minimum Feret to Feret resulting in an AR of 1.18 for TEM to 1.25 for SEM. Alternatively, a rectangular bounding box was fitted originating from the minimum Feret and the longest distance through the particle in perpendicular direction. This led to AR values of 1.05 for TEM and 1.12 for SEM, respectively. The results confirm the almost ideal cubic shape.
Micro-(nano-)encapsulation technology involves building a barrier between the core and the environment and offers several benefits to preserve the functional and physicochemical properties of core material. Tremendous progress has been made in synthesizing well-defined capsules to achieve desired properties such as particle size, chemical composition, and controlled release of loaded compounds.
Encapsulation of volatile organic compounds (VOCs) that could evaporate with a defined rate is of immense interest for application in emission reference materials (ERM). These are urgently needed for quality assurance and quality control purposes (QA/QC) required by test standards for the determination of chemical emissions of construction and other materials for interior use. As such ERMs are hardly available on the market, the EU-funded EMPIR project MetrIAQ was started to fill this gap by developing a material with temporally constant emission of VOCs typically found in indoor air.
Micro-(nano-)encapsulation technology involves building of a barrier between the core and the environment and offers a number of benefits to preserve the functional and physicochemical properties of core material. Tremendous progress has been made in synthesizing well-defined capsules to achieve desired properties such as particle size, chemical composition, and controlled release of the payload.
Encapsulation of volatile organic compounds (VOCs) that could evaporate with a defined rate is of immense interest for application in emission reference materials (ERM). These are urgently needed for quality assurance and quality control purposes (QA/QC) required by test standards for the determination of chemical emissions of construction and other materials for interior use. As such ERMs are hardly available on the market, the EU-funded EMPIR project MetrIAQ [1] was started to fill this gap by developing a material with temporally constant emission of VOCs typically found in indoor air.
Different capsules in a size range between 5 and 50 μm were synthesized through an interfacial polyaddition/polycondensation reaction in direct (water-in-oil) system. As VOC several types of hydrophobic liquid materials were used. After synthesis, the morphology and physicochemical properties of capsules were characterized by electron microscopy, FTIR and DSC/TGA. An encapsulation efficiency up to 90% could be reached. The emission kinetic of volatile agents was studied in emission test chambers at 23 °C and 50% RH for 14 days. First results indicate that variation of the cross-linking grade of the shell material is one important parameter to adjust the desired emission rate. The overall aim is to achieve a consistent emission profile that decreases by less than 10 % over a target period of at least 14 days.
Mitogen-activated protein (MAP) kinases are highly conserved in animals, plants, and fungi and represent fundamental parts of signaling networks in eukaryotic cells. Black DHN (1,8-dihydroxynaphthalene) melanin and orange carotenoids are produced by many fungi in specific cell types/under certain conditions for protecting cells from abiotic and/or biotic stresses. Microcolonial black fungi constitutively produce DHN melanin, contain the conserved carotenogenic gene cluster, exhibit slow yeast-like growth and survive in extreme environments. Thus, the question arises to which extent pigment formation and responses mediated by the stress-activated MAP kinase module contribute to the observed extremotolerance. We address this question in the rock inhabitant Knufia petricola, the only representative of the extremotolerant black fungi that is genetically amendable. Here, the mutations of pks1, phs1 and both genes result in melanin-free (pink), carotenoid-free (black) and pigment-free (white) strains, respectively (Voigt Knabe et al. 2020, Sci Rep). The gene encoding the stress-activated MAP kinase was deleted in the wild-type and different pigment-deficient backgrounds. In addition, strains were generated that express a GFP-SAK1 fusion protein from the sak1 locus to follow the cytosolic/nuclear shuttling of SAK1 upon stress. Growth of the obtained single, double and triple deletion mutants was tested by dropping cell suspensions on solid media supplemented with different stress-inducing agents. The Δsak1 mutants show slightly reduced growth rates even under non-stress conditions and are hypersensitive to different stress conditions: reduced growth is observed on media inducing, for instance, osmotic, oxidative, membrane, and pH stress, and upon incubation at 30 °C (heat stress). Melanin-free Δsak1 mutants are more sensitive than black Δsak1 mutants to some but not all stress conditions, suggesting that melanin and the SAK1 pathway have complementary roles in protecting K. petricola from stress.
The exposure to antimicrobial substances drives the evolution of antimicrobial resistance. Biocides are antimicrobials used as disinfectants, antiseptics and preservatives. They find application on a large scale in the industrial and medical sector, but also in private households. In terms of mass, the worldwide use of biocides exceeds that of antibiotics. Thus, despite their important role in preventing the spread of pathogens, due to their ubiquity, biocides are suspected to be drivers of the antimicrobial resistance crisis. In our work at BAM we try to understand how biocides contribute to the emergence of AMR, what the underlying adaptation principles and mechanisms are and how they compare to those found for antibiotics. Within our group, I mainly focus on the following two questions: How does phenotypic heterogeneity in bacteria affect the ability to survive treatment with biocides? And what are the consequences of phenotypic heterogeneity for the evolution of resistance to biocides and antibiotics?
I will share published and unpublished results which demonstrate that phenotypic heterogeneity can enable the survival of biocide treatment and, through this, facilitate the evolution of AMR. On the other hand, we find that adaptation to a biocide can unexpectedly impair the ability to evolve resistance against an antibiotic.
Phenotypic heterogeneity in disinfection: sources and consequences for antimicrobial resistance
(2022)
A summary of projects here at BAM which investigate the influence of phenotypic heterogeneity on the outcome of disinfection and the influence on antimicrobial resistance. This presentation was given in the Theory Seminar of the Quantitative and Theoretical Biology group of Prof. Oliver Ebenhöh at HHU Düsseldorf
The exposure to antimicrobial substances drives the evolution of antimicrobial resistance (AMR). Biocides are antimicrobials used as disinfectants, antiseptics and preservatives. They find application on a large scale in the industrial and medical sector, but also in private households. In terms of mass, the worldwide use of biocides exceeds that of antibiotics. Thus, despite their important role in preventing the spread of pathogens, due to their ubiquity, biocides are suspected to be drivers of the antimicrobial resistance crisis. In our work we try to understand how biocides contribute to the emergence of AMR, what the underlying adaptation principles and mechanisms are and how they compare to those found for antibiotics.
Here, I present results which demonstrate that phenotypic heterogeneity in E. coli, namely the formation of tolerant persister cells, can enable the survival of disinfection and consequentially facilitate the evolution of AMR. Using experimental evolution that selects for tolerance, we find that mutations in lipid A biosynthesis arise following periodic treatment with benzalkonium chloride (BAC), a widely used disinfectant. BAC tolerance is associated with additional, diverse mutations as well as changes in the susceptibility to antibiotics from different classes and changes in motility and biofilm formation, suggesting extensive regulatory re-wiring in the evolved clones. Remarkably, we find that fitness costs (growth rate reduction) incurred by BAC tolerance are alleviated in the presence of antibiotics. These findings demonstrate the complexity underlying the adaptation to antimicrobials and highlight the links between persistence to disinfectants and resistance evolution to antimicrobials.