4 Material und Umwelt
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This application note presents how EnviroESCA can be used to analyze bacterial samples under near ambient pressure conditions in various states of hydration using different levels of humidity. Such investigations of bacterial cell wall surfaces in their hydrated state are essential for studying biological interfaces at work.
The use of innovative near-ambient pressure (NAP-)XPS instrumentation allows the detailed analysis of irregularly-surfaced biofilms. NAP-XPS enables the surface analysis of bacterial samples in their natural hydrated state without complex sample preparation techniques such as freeze-drying or fast-freezing, which are needed for XPS analysis in ultrahigh vacuum.
In this study, nanoscopic particles of magnesium Fluoride (MgF2) and calcium fluoride (CaF2) also known as nano metal fluorides (NMFs), were evaluated for their potential to improve wood durability. Even though these fluorides are sparingly soluble, their synthesis in the form of nano-sized particles turns them into promising candidates for wood preservation. Their distinct property of low-water solubility is proposed to maintain long-lasting protection of treated wood by reducing the leaching of fluoride. Analytical methods were used to characterize the synthesized NMFs and their distribution in treated wood specimens. Transmission electron microscopy images showed that these fluoride particles are smaller than 10 nm. In nano metal fluoride (NMF) treated specimens, aggregates of these particles are uniformly distributed in the wood matrix as confirmed with scanning electron microscopy images and their corresponding energy-dispersive X-ray spectroscopy maps. The fluoride aggregates form a protective layer around the tracheid walls and block the bordered pits, thus reducing the possible flow path for water absorption into wood. This is reflected in the reduced swelling and increased hydrophobicity of wood treated with NMFs. The biocidal efficacy of NMFs was tested against brown-rot fungi (Coniophora puteanaand Rhodonia placenta), white-rot fungus (Trametes versicolor), and termites (Coptotermes formosanus). The fungal and termite tests were performed in accordance with the EN 113 (1996) and EN 117 (2012) standards, respectively. Prior to fungal tests, the NMF treated wood specimens were leached according to the EN 84 (1997)standard. Compared to untreated specimens, the NMF treated wood specimens have a higher resistance to decay caused by brown-rot fungi, white-rot fungus, and termites. Although all NMF treatments in wood reduce the mass loss caused by fungal decay, only the combined treatment of MgF2 and CaF2 has efficacy against both brown-rot fungi and white-rot fungus. Similarly, wood treated with the combined NMF formulation is the least susceptible to attack by C. formosanus.It is proposed that combining MgF2 and CaF2changes their overall solubility to promote the release of fluoride ions at the optimal concentration needed for biocidal efficacy against fungi and termites. In this thesis, it was proven that even after leaching, sufficient fluoride was present to protect NMF treated wood from fungal decay. This shows that NMFs are robust enough for above ground contact outdoor applications of wood, where permanent wetness cannot be avoided according to Use Class 3.2, as per the EN 335 (2013) standard. Also, they pose a low risk to human health and the environment because they are sparingly soluble. Since NMFs significantly reduce the decay of wood, the CO2 fixed in it will be retained for longer than in unpreserved wood. Overall, the novel results of this study show the potential of NMFs to increase the service life of building materials made from non-durable wood.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde die biologische Prüfmethode der Checkliste zur stoffli-chen Bewertung im Rahmen des Aufnahmeverfahrens für weitere Topfkonservierungsmittel in den Anhang 1 zur Vergabegrundlage RAL-UZ102 „Emissionsarme Innenwandfarben“ überarbeitet. Der Test für den Einsatz von Konservierungsmitteln in seiner jetzigen Fassung besteht seit nahezu 20 Jah-ren und erfolgt ausschließlich an weißer Dispersionsfarbe für den Innenraum. Die hierbei ermittelten Höchstmengen für den Einsatz von Topfkonservierern werden z.Zt. auch auf andere Innenraumbau-produkte übertragen. Ziel war es zu klären, ob die Anforderungen an die Topfkonservierung bei Far-ben tatsächlich für andere Innenraumbauprodukte übernommen werden können. Die im Vorhaben durchgeführten Versuche deuten darauf hin, dass dies nicht ohne weiteres möglich ist. Nach Rückspra-che mit Vertretern aus der Industrie wurde das Keimspektrum für die Prüfung zudem um Hefe- und Schimmelpilze erweitert. Des Weiteren wurde eine künstliche Alterung eingeführt und überprüft, ob dies einen Einfluss auf den Gehalt an Isothiazolinonen hat. Die Konzentration von Isothialzolinonen wurde mittels Ultra-Hochleistungsflüssigkeitschromatographie kontrolliert und hinsichtlich einer Kor-relation mit dem Wachstum von Mikroorganismen ausgewertet. Da die in den Innenraumbauproduk-ten zugesetzten Isothiazolinone als Kontaktallergene bekannt sind, ist es ein Ziel des „Blauen Engel“-Umweltzeichens, die geringste erforderliche Menge an Konservierungsmittel in den Produkten zu ver-wenden, ohne die positive Auswirkung der Topfkonservierung zu gefährden. Daher sind die Optimie-rung der Leistungsstärke von Konservierungsmitteln und die Kontrolle der Hygiene im Herstellungs-prozess von zunehmender Bedeutung. Um Einblicke in den Herstellungsprozess von Farben zu gewin-nen, wurden im Rahmen des Vorhabens vier Farbwerke besichtigt, in denen weiße Innenraumfarben produziert werden, die mit dem Umweltzeichen „Blauer Engel“ ausgezeichnet sind. Gemeinsam mit den Fachleuten vor Ort wurde diskutiert, welche Maßnahmen zur Verbesserung der Werkshygiene er-griffen werden können, um den Einsatz von Topfkonservierern möglichst gering zu halten. Des Weite-ren wurde in dem Forschungsvorhaben untersucht, ob eine schnellere Bestimmung der Keimzahl in den Rohstoffen mittels quantitativer Polymerasekettenreaktion bereits im Farbwerk realisierbar ist.
Bei dem Vortrag werden die potentiellen mikrobiologischen Einflüsse im Falle der Lagerung von Wasserstofflagerung in unterirdischen geologischen Formationen vorgestellt, die Zusammenarbeit mit internen und auch externen Partnern. Der Fokus liegt dabei auf UGF; anaerobe Umgebungen, Sulfate reduzierenden Bakterien, methanogenen Archaea, weiterleitenden Systeme und die Kombination der Untersuchung abiotisch/biotische
Normativ ist der Holzschutz in Deutschland durch die DIN 68800-Reihe geregelt. Die Normungsarbeit in CEN/TC 38 bildet dafür den Rahmen, der national angepasst und fachspezifisch erweitert wurde. Zusammen mit dem Kommentar ergeben beide ein in Europa einzigartiges Regelkompendium im Holzschutz. In Zukunft wird die Regelsetzung noch stärker durch internationale Zusammenarbeit bestimmt sein. Der interkontinentalen Marktöffnung sollten Verständigungen auf gemeinsame Qualitätsstandards vorausgehen.
Uninvited and welcomed guests in museums – biological management of clothes moths and woodworms
(2020)
In museums and historic houses clothes, moths (Tineola bisselliella, Tinea pellionella) and the furniture beetle (Anobium punctatum) are the most economically important pests on textiles or wooden artifacts, respectively. Their management is essential to protect cultural ethnological heritage and natural history collections for future generations.
Pest management strategies have changed over time. Today, intensive knowledge on pest biology and overall material science are key cornerstones in IPM concepts - also for the Museum environment. The important first steps for sustainable pest management are risk assessment, early pest detection and identification of pathways of infestation. These steps are followed by physical and biological means of control, which have lately gained more importance than applying biocides. Several potentially effective biological enemies of clothes moths and woodworm have been known for a long time, but their promotion for pest control in Museums and historic houses is just beginning.
This short review summarizes current concepts of pest life cycle interruption by applying good quarantine and very specific biological measures. The lessons learned from recent faunistic surveys, life-history studies as well as behavioral observations of parasitoids and predators of clothes moths and woodworm may supplement the pest management tool box. The need for further research in this field is addressed.
Uninvited and Welcomed Guests in Museums – Biological management of
clothes moths and woodworms
(2019)
In museums and historic houses clothes, moths (Tineola bisselliella, Tinea pellionella) and the furniture beetle (Anobium punctatum) are the most economically important pests on textiles or wooden artifacts, respectively. Their management is essential to protect cultural ethnological heritage and natural history collections for future generations.
Pest management strategies have changed over time. Today, intensive knowledge on pest biology and overall material science are key cornerstones in IPM concepts - also for the museum environment. The important first steps for sustainable pest management are risk assessment, early pest detection and identification of pathways of infestation. These steps are followed by physical and biological means of control, which have lately gained more importance than applying biocides.
Several potentially effective biological enemies of clothes moths and woodworm have been known for a long time, but their promotion for pest control in museums and historic houses is just beginning.
This short review summarizes current concepts of pest life cycle interruption by applying good quarantine and very specific biological measures. The lessons learned from recent faunistic surveys, life-history studies as well as behavioral observations of parasitoids and predators of clothes moths and woodworm may supplement the pest management tool box. The need for further research in this field is addressed.
Gemeiner Nagekäfer und Kleidermotte sind unerwünscht im Museum. Kulturgüter mit Anteilen von Holz, Federn, Wolle, Haare, etc. wie ethnologische oder naturkundliche Sammlungsstücke, aber auch Bilderahmen oder Freilichtmuseen werden von ihnen gerne besucht. Dabei sind es die Jugendstadien (Larven) dieser Insekten, die sich von ungeschützten Exponaten oder Depotstücken, die diese natürlichen Materialien enthalten, ernähren. Die Entwicklung der Larven findet verborgen im Inneren der Materialien statt. Die geflügelten erwachsenen Formen, die sich im freien Raum bewegen, sich fortpflanzen und den Neubefall herbeiführen, treten saisonal sehr begrenzt auf. Eine frühzeitige Detektion der Schädlinge, als erwachsenes Insekt oder als Larve, ist dadurch erschwert. Es gilt folglich deren Präsenz und erste Anzeichen eines Befalls zuverlässig und vor allem frühzeitig feststellen zu können, um geeignete Maßnahmen zum Schutz des Kulturgutes einzuleiten.
Neben dem Wissen um die Materialeigenschaften des Kulturgutes sind umfängliche Kenntnis über die Biologie der Schädlinge, zu ihren grundsätzlichen Lebensansprüchen und insbesondere zum Verhalten, das zum Neubefall führt, wichtig. Die Larvenstadien von Holz- und Textilschädlingen zeichnen sich durch hohe Toleranzen gegenüber extremen Temperaturen und Luftfeuchten aus. Für sie ungünstige Bedingungen können sie sehr lange in Ruhephasen überdauern. Nicht erkannter, versteckter Befall von Materialien sind häufige Infektionsquellen für Neubefall von Sammlungen. Verborgene natürliche Befallsquellen im eigenen Museumssystem spielen bei Neubefall von Exponaten eine größere Rolle als der Zuflug von Schadinsekten aus Reservoiren von außen.
Der Vortrag stellt beispielhaft Lebenszyklen relevanter Schädlingsarten vor und zeigt Möglichkeiten gezielter Interventionen auf, die in ein IPM Konzept einfließen können. Dies umfasst vorbeugende Maßnahmen wie geeignetes Klima in Ausstellungs- und Lagerräumen, das sogenannte Monitorring sowie eine konsequente Quarantäne bis hin zu physikalischen, biologischen oder chemischen Bekämpfungsmaßnahmen.
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.
In recent years, the fabrication of laser-generated surface structures on metals such as titanium surfaces have gained remarkable interests, being technologically relevant for applications in optics, medicine, fluid transport, tribology, and wetting of surfaces.
The morphology of these structures, and so their chemistry, is influenced by the different laser processing parameters such as the laser fluence, wavelength, pulse repetition rate, laser light polarization type and direction, angle of incidence, and the effective number of laser pulses per beam spot area.
However, the characterization of the different surface structures can be difficult because of constraints regarding the analytical information from both depth and the topographic artifacts which may limit the lateral and depth resolution of elemental distributions as well as their proper quantification. A promising technique to investigate these structures even at the nano-scale is Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS), a very surface sensitive technique that at the same time allows to perform depth-profiling, imaging and 3D-reconstruction of selected ion-sputter fragment distributions on the surface.
In this study we combine chemical analyses such as Energy Dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and high-resolution scanning electron microscopy (SEM) analyses with ToF-SIMS to fully characterize the evolution of various types of laser-generated micro- and nanostructures formed on Ti and Ti alloys at different laser fluence levels, effective number of pulses and at different pulse repetition rates (1 – 400 kHz), following irradiation by near-infrared ultrashort laser pulses (925 fs, 1030 nm) in air environment or under argon gas flow.
We show how this combined surface analytical approach allows to evaluate alteration in the surface chemistry of the laser-generated surface structures depending on the laser processing parameters and the ambient environment.