4 Material und Umwelt
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The fungus Botrytis cinerea (Botryotinia fuckeliana) infects more than 500 plant species and causes a wide range of symptoms: soft rots, accompanied by collapse and water-soaking of tissues followed by the appearance of gray masses of conidia on leaves and soft fruits (gray mold), and spots that may turn brown to full-scale soft rotting on flower petals (Botrytis blight). In general, B. cinerea is responsible for severe economic losses that are either due to the damage of growing plants in the field or the rot of harvested fruits, flowers, and vegetables during storage under cold and humid conditions. B. cinerea has adapted to the plant host and its environment by evolving strategies to use plant tissues for proliferation in terms of a necrotrophic lifestyle, and to survive biotic stresses (host responses) as well as abiotic factors of the host’s environment such as sunlight and concomitant stresses. B. cinerea maintains a complex regulatory network of light-sensitive proteins and signal transduction pathways to use light for coordinating stress responses, virulence, and reproduction. Different light-controlled reproduction cycles enable B. cinerea to live in moderate climate zones by infecting and propagating in summer and resting in winter when green host tissues are unavailable.
The chemical state of antimony and vanadium species in municipal solid waste incineration bottom ash
(2023)
Due to the large quantity as residual mineral waste, municipal solid waste incineration - bottom ash (MSWI-BA) is an interesting secondary raw material that can be utilized for road construction. However, leaching of chloride, sulfate and potentially hazardous heavy metals from MSWSI-BA into the environment may cause problems in utilization of it in civil engineering. In a previous study, we performed a long-term leaching test of MSWI-BA in a lysimeter for almost six years to investigate the efficiency of the treatment process on the release of hazardous substances. While concentrations of chloride, sulfate and the majority of the heavy metals started to decrease rapidly with progressive liquid-to-solid ratio (L/S), the ecotoxic hazardous elements antimony (Sb) and vanadium (V) behaved differently. To unravel these unusual release behaviors and the oxyanion-formation of Sb and V we will apply HERFD-XANES spectroscopy to analyze their chemical state.
Iron is arguably the most essential metal in living organisms. For rock-inhabiting fungi its acquisition might be unconventional as they (1) tend to inhabit iron-deficient, oxygen-rich surfaces like marble monuments and solar panels and (2) produce the black, iron-adsorbing pigment melanin. We used a range of analytical methods, ongoing mineral dissolution experiments and gene deletion mutants of the model rock-inhabiting fungus Knufia petricola to figure out the mechanisms and substrate deteriorating effects of iron uptake by these organisms. To study both siderophore-mediated and reductive iron assimilation (RIA), genes like sidC, encoding a putative siderophore synthetase and ftr1 and fet3 encoding the subunits of an iron permease-oxidase were deleted.
At iron deficient conditions, growth of the wild type (WT) and ΔsidC mutant was similar, whereas growth of the Δftr1-fet3 mutant and the double mutant ΔsidC/Δftr1-fet3 was diminished and absent, respectively. We were not able to detect the siderophore of K. petricola and the WT and mutants were not able to grow at low concentrations of strong iron chelators. However, in a cross-feeding experiment, an overexpression strain of sidC allowed more growth of ΔsidC/Δftr1-fet3 on iron deficient medium than the WT, whereas the ΔsidC mutant could not do so at all. Compared to the WT, the sidC overexpression strain also withstood oxidative stress better and had a shorter lag time and higher growth rate. Combined, these results indicate that K. petricola relies more on RIA than siderophore-mediated uptake as it likely excretes low quantities of a primarily intracellular siderophore. Interestingly, Δftr1-fet3 had a higher iron content than the WT at iron deficient conditions. This difference disappeared upon deletion of melanin synthesis (Δpks1 vs. Δpks1/Δftr1-fet3): melanin-bound iron can likely not be used without RIA. K. petricola’s chelation incapacity implies a habitat free of competition for iron while offering us a mitigation strategy.
Die Bezeichnung „Tinte auf Papier“ bietet einen guten Einstieg in die Beschreibung der Materialität von Musikhandschriften; so haben sich zahlreiche Manuskripte erhalten, die mit Eisengallustinte auf Hadernpapier verfasst wurden.
Das Papier besteht aus Fasern meist pflanzlicher Herkunft und wird durch Entwässerung einer Fasersuspension auf einem Sieb gebildet. Der Abdruck des Schöpfsiebes (die Papierstruktur) und ein vorhandenes Wasserzeichen bieten Anhaltspunkte für Provenienz und Datierung; daneben erlaubt die Analyse der Fasern, der Füllstoffe und der Leimung eine weitere Charakterisierung des Schriftträgers.
Spätestens seit dem Mittelalter sind es Eisengallustinten, die das schwarze bis bräunliche Erscheinungsbild vieler Manuskripte auf Papier hervorrufen. Daneben lassen sich auch schwarze Rußtuschen oder farbige Auszeichnungstuschen nachweisen. Eisengallustinten werden durch Mischung einer eisenhaltigen Komponente mit Gerbstoffen hergestellt. Eisensulfat ist die am häufigsten genannte Eisen liefernde Zutat, daneben sind aber auch eisenhaltige Minerale, Nägel oder Rost denkbar. Die Gallussäure leitet sich ab aus den Galläpfeln, der krankhaften Veränderung einzelner Planzenteile verschiedener Eichenarten. Diese werden durch die Eiablage von Schlupfwespen hervorgerufen.
Wie schon beim Papier ermöglicht der materialanalytische Nachweis charakteristischer Beimischungen oder Verunreinigungen innerhalb der Tinten die Beantwortung kulturhistorischer Fragestellungen – gemeint sind hier die Unterscheidung von Original und Korrektur oder die Sichtbarmachung späterer Ergänzungen.
Black writing materials of different types and compositions have varied in use over time and different geographical regions. With this paper, we would like to contribute to their study by listing and reviewing recipes for black writing inks that were in circulation in the Carolingian Empire as well as by referencing the archaeometric analyses of the black inks used in the manuscripts. The studies presented here that involved the humanities and natural sciences provide new insights into how the scholars of the early Medieval Ages organized manuscripts.
Throughout their life cycles—from production, usage, through to disposal—materials and products interact with the environment (water, soil, and air). At the same time, they are exposed to environmental influences and, through their emissions, have an impact on the environment, people, and health. Accelerated experimental testing processes can be used to predict the long-term environmental consequences of innovative products before these actually enter the environment.
We are living in a material world. Building materials, geosynthetics, wooden toys, soil, nanomaterials, composites, wastes and more are research subjects examined by the authors of this book. The interactions of materials with the environment are manifold. Therefore, it is important to assess the environmental impact of these interactions. Some answers to how this task can be achieved are given in this Special Issue.
Colours on East Asian Maps
(2023)
Maps and colours have a close connection. Drawn or printed in black on white, subsequently added colours enhance maps with additional information. Colours were not just there to improve maps aesthetically, but they regulated how they were read and thus reinforced their meanings, significances and ideas. Colour is an important key to a more precise understanding of the map’s purposes and uses; moreover, colours are also an important aspect of a map’s materiality. The material scientific analysis makes it possible to find out more about the making of colours and the process of colouring maps. By skillfully deploying colours, map colourists were able to create mimetic representations of nature or codify information in an abstract form. The use of colours involved many considerations as to the materials. ‘Reading’ colours in this way gives a glimpse into the social lives of mapmakers as well as map users and reveals the complexity of the historical and social context in which maps were produced and how the maps were actually made. Within the scope of the three-year joint research project Coloured Maps (2018–2021), we undertook an in-depth and systematic study of hand-drawn and hand-coloured maps from East Asia in the Museum am Rothenbaum (MARKK) in Hamburg and produced between the seventeenth and twentieth centuries.
With a multi-perspective approach and transdisciplinary methods (humanities and the sciences), we were able to pool and compare the research results from different fields of research on Asian maps. The aim of this publication is to provide a first general overview of the subject of colours on maps in East Asia in the period from the seventeenth to the early twentieth century and to stimulate further research on the topic.
Vortrag über die Regelungen der AbfKlärV bezüglich P-Rückgewinnung. Diskussion der Auswirkung einer konzentrationsbezogenen Grenze auf die Pflicht zur P-Rückgewinnung. Diskussion der nach AbfKlärV zulässigen analytischen Verfahren zur Bestimmung von P in Klärschlamm und Ableitung von Empfehlungen. Vorstellung der Ergebnisse eines Ringversuchs mit 28 Laboren.
Die Europäische Kommission präsentierte am 11. Dezember 2019 den European Green Deal, ein Konzept mit dem Ziel, bis zum Jahr 2050 als erster Kontinent Klimaneutralität zu erreichen. Mit Inkrafttreten der Verordnung (EU) 2021/1119 des Europäischen Parlaments und des Europäischen Rates am 29. Juli 2021 zur Schaffung des Rahmens für die Verwirklichung der Klimaneutralität („Europäisches Klimagesetz“), ist dieses, sowie das Ziel der Reduzierung der Nettotreibhausgasemissionen um mindestens 55 % bis 2030 in der Gesetzgebung der Europäischen Union verankert. Die Stahlindustrie in der Europäischen Union mit ca. 57 Mio. t Nettotreibhausgasemissionen im Jahr 2020, die annähernd 2 % der Emissionen der Europäischen Union ausmachen (Inklusive Energie: 127 Mio. t; 4 %), bekennt sich zur erheblichen Reduzierung der CO2-Emissionen bis zum Jahr 2030 und zum Erreichen der Klimaneutralität bis zum Jahr 2050. Als Schlüsselwege zur Verwirklichung dieser Zielstellung hat sie zum einen Smart Carbon Usage (SCU) und zum anderen Carbon Direct Avoidance (CDA) in einer Roadmap formuliert. SCU umfasst CO2-reduzierende Maßnahmen in bestehenden Eisen- und Stahlproduktionsprozessen, Carbon Capture and Storage- (CCS) sowie Carbon Capture and Usage-Technologien (CCU). Wohingegen bei CDA CO2-Emissionen durch erneuerbare elektrische Energie sowie wasserstoffbasierte Reduktion des Eisenerzes gar nicht erst entstehen sollen. Der CDA-Weg, der voraussichtlich beschritten werden muss, um eine klimaneutrale Stahlproduktion zu erreichen [38], geht mit einer kostenintensiven Transformation der Stahlproduktion einher, die bereits von vielen Unternehmen der Stahlindustrie eingeleitet wurde und von der im Wesentlichen die beiden in Europa vorherrschenden Stahlproduktionsrouten Hochofen-Konverter-Route und Elektrolichtbogenofen-Route betroffen sind. Die CO2-Emissionen der Hochofen-Konverter-Route, von denen der überwiegende Anteil auf den Hochofen fällt, liegen laut einer für das Jahr 2015 erstellten Studie bei 1921 kg CO2/t Rohstahl inklusive der CO2-Last der Pellets als Einsatzmaterial sowie der Emissionen der nachgelagerten Stranggießanlagen und Walzwerke. Im Hochofen wird das Eisenerz durch Kohlenstoff (C) bzw. Kohlenstoffmonoxid (CO) – welche größtenteils aus dem Koks, der dem Hochofen zusammen mit dem Möller über die Gicht zugeführten wird, stammen – unter Entstehung von Roheisen und Kohlenstoffdioxid (CO2) reduziert. Das neben dem CO2 im Prozessgas enthaltene CO wird zum Beispiel zur Energiegewinnung in peripheren Prozessen ebenfalls unter Bildung von CO2 verbrannt. Zusätzlich zur Reduktion hat der Koks unter anderem physikalische Aufgaben, wie die Errichtung eines Stützgerüstes und die Gewährleistung der Permeabilität im Hochofenprozess. Somit ist eine vollkommene Substitution des Kokses zur Vermeidung der CO2-Emissionen im Hochofen nicht denkbar. Viele Strategien der Stahlunternehmen zum Erreichen der Klimaziele verfolgen daher den Wechsel von der Rohstahlproduktion aus der Hochofen-Konverter-Route hin zur Rohstahlproduktion im Elektrolichtbogenofen (EAF – Electric Arc Furnace) mit dem Einsatz von direkt reduziertem Eisen (Eisenschwamm, DRI – Direct Reduced Iron) aus vorgelagerten Direktreduktionsanlagen, die mit Wasserstoff (H2) als Reduktionsmittel betrieben werden können. Dabei ist die Elektrostahlerzeugung kein neuer Prozess und nimmt in der europäischen Union bereits jetzt einen Anteil von ca. 44 % der Rohstahlproduktion ein, jedoch überwiegend mit Schrott als Einsatzmaterial. Bei der Elektrostahlerzeugung mit Schrotteinsatz fallen laut der oben genannten Studie von Lüngen für das Jahr 20152 410 kg CO2-Emissionen pro Tonne Rohstahl an, von denen der Großteil auf die CO2-Last der fremd bezogenen elektrischen Energie zurückzuführen ist und daher nicht im Produktionsprozess selbst entsteht. Auch die Direktreduktion wird schon seit 1972 in der weltweit zweiten und bis heute in Westeuropa einzigen Direktreduktionsanlage in Hamburg betrieben. Während hier noch mit einem Reduktionsgas gearbeitet wird, das hauptsächlich aus einem aus Erdgas gewonnenen Wasserstoff-Kohlenstoffmonoxid-Gemisch besteht, liegt eine aktuelle Kernherausforderung in der Bereitstellung des in der Größenordnung der von der Transformation betroffenen Rohstahlproduktionskapazitäten notwendigen, mit erneuerbarer elektrischer Energie hergestellten Wasserstoffs. Wird zusätzlich der Strom für das Einschmelzen im Elektrolichtbogenofen aus erneuerbaren Quellen gewonnen und werden schließlich als Brennstoff verwendete Kohle und als Brennstoff verwendetes Erdgas durch CO2-neutrale Bio-Brennstoffe ersetzt, sind sowohl für den Einsatz von mit Wasserstoff reduziertem und auf Pellets ohne CO2-Last basiertem Eisenschwamm als auch für den Einsatz von Schrott CO2-Emissionen von jeweils nur 60 kg CO2/t Rohstahl erreichbar, was eine Reduktion der Emissionen, ausgehend von der Konverter-Hochofen-Route um 97 % und ausgehend von der Schrott-Elektrolichtbogenofen-Route um 85 % bedeuten würde.
Der Betrieb von Elektrolichtbogenöfen macht die an den Standorten vorhandenen Konverter sowie die Infrastruktur für Behandlung und Transport des Roheisens überflüssig. Die fortwährende Nutzung dieser bestehenden Anlagenstruktur dient daher unter anderem als Motivation für die Entwicklung einer zweiten Transformationsstrategie, die einen sogenannten Einschmelzer (SAF – Submerged Arc Furnace) als der Direktreduktionsanlage nachgelagerten Prozess vorsieht, in dem wiederum Roheisen erschmolzen wird, das anschließend im Konverter zu Rohstahl veredelt wird.
Die Transformation der Stahlindustrie beeinflusst einen weiteren CO2-intensiven Industriesektor, nämlich die Zementindustrie die verantwortlich ist für rund 4 % der CO2-Emissionen in der EU. Etwa zwei Drittel dieser Emissionen entfallen als Prozessemissionen auf die Entsäuerung des Rohstoffs Kalkstein (CaCO3), also auf die Abspaltung von CO2 unter Entstehung des für die Herstellung von Zementklinker notwendigen Branntkalks (CaO) als Zwischenstufe bei der Bildung der hydraulischen Phasen Tri- und Dicalciumsilikat. Als eines der fünf Themenfelder (5C-Ansatz: Clinker, Cement, Concrete, Construction, Carbonation), welche die europäische Zementindustrie entlang ihrer Wertschöpfungskette zum Erreichen der gesetzlichen Vorgaben der europäischen Union erarbeitet hat, umfasst das Feld "Cement" zum größten Teil die Reduzierung des Klinker-Zement-Faktors. Im Jahr 2017 betrug er 77 %, das heißt, dass 23 % des Klinkers durch alternative Materialien ersetzt wurden. Bis zum Jahr 2030 wird ein Faktor von 74 % und bis zum Jahr 2050 von 65 % angestrebt. Den größten Anteil an den Klinkersubstituten hat mit 33 % der Hüttensand aus der Stahlindustrie. Bei der Roheisenproduktion im Hochofen entsteht als Nebenprodukt Hochofenschlacke, die unter Zugabe von Schlackebildnern die Gangart des Möllers und mineralische Koksbestandteile abbindet, sowie weitere unerwünschte Begleitelemente wie Schwefel und Alkalien aufnimmt. Allein in Deutschland wurden im Jahr 2021 6,90 Mio. t – das entspricht 90 % der gesamten produzierten Hochofenschlacke – zu glasig erstarrtem Hüttensand granuliert. Dieser Hüttensand besitzt latent hydraulische Eigenschaften und wird daher seit mehr als 140 Jahren als Zementbestandteil eingesetzt, wodurch in Deutschland jährlich rund 4,5 Mio. t CO2-Emissionen eingespart werden. Alle Transformationsstrategien der Stahlindustrie beinhalten die notwendige Außerbetriebnahme der CO2-intensiven Hochöfen. Dies hat unter anderem zur Folge, dass die Hochofenschlacke als Nebenprodukt der Rohstahlerzeugung im Hochofen nicht mehr zur Verfügung stehen wird, wodurch die weitere Reduzierung des Klinker-Zement-Faktors erhebliche Zusatzmengen alternativer Materialien benötigen wird. Derzeit ist noch unklar, ob z.B. calcinierte Tone im benötigten Umfang erzeugt werden können.
Der Fachbereich Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und das Institut für Baustoffforschung FEhS forschen zusammen mit Industriepartnern und weiteren Forschungseinrichtungen im Rahmen zweier Projekte in den Kooperationssphären der Stahl- und Zementindustrie, die zur Bewältigung dieser Herausforderungen beitragen. Im Projekt SlagCEM wird die Produktion eines hydraulischen Zementbestandteils durch Reduktion von Konverter- bzw. Linz-Donawitz-Schlacke (LDS) untersucht. Die mit den zusätzlich aufgenommen Lichtbogenofenkapazitäten steigenden Mengen an Elektrolichtbogenofenschlacke (EOS, engl. electric arc furnace slag, EAFS) werden im Projekt DRI-EOS behandelt, welches die Produktion eines latent hydraulischen Hüttensandsubstituts zum Ziel hat.