4 Material und Umwelt
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- 4.1 Biologische Materialschädigung und Referenzorganismen (91) (entfernen)
Eingeladener Vortrag
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Microbiologically influenced corrosion (MIC) is an expensive but unpredictable problem for the industries. The most well-known culprit for MIC is the sulfate-reducing microorganisms (SRM), such as members from the genus Desulfovibrio. It has been widely accepted that SRM can contribute significantly to MIC through the production of hydrogen sulfide (HS-) or in some cases a direct electron uptake from the metal surface. However, in a real environmental system, SRM is not exclusive and often involved with other microorganisms that may also contribute to MIC, such as methanogens.
Methanogenic archaea can produce methane (CH4) using H2+CO2, formate, methylated amines or acetate. Methanogens are highly abundant in the environment and many are found in very extreme conditions, such as high temperature and high salinity. Previous researches have demonstrated that methanogens are capable of MIC, though the specific mechanisms are still under investigation. In the oil and gas industry, methanogens are not considered as the main contributor for MIC since the corrosion rates are often too low. However, the tests for methanogen-induced MIC are usually performed at static conditions, which cannot represent the system accurately. Here, we developed a novel anaerobic system to evaluate the corrosion potential of methanogens under flow conditions. We will use the Methanococcus maripaludis KA1 strain, which was isolated from a crude oil tank, as the organism of interest. A separate system for Desulfovibrio alaskensis will be established for corrosion rate comparisons. Furthermore, we will study the synergistic effects of M. maripaludis and D. alaskensis on MIC under flow.
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.
X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) provides elemental and chemical information from the outermost ~10 nm of the sample surface. This is in the same order of magnitude as the thickness of the outer bacterial membrane of gram-negative bacteria, as well as outer membrane molecules as exopolysaccharides and lipopolysaccharides, commonly attached to the cell surface. With the development of near-ambient pressure (NAP)-XPS, bacteria can be analysed with minimal sample preparation.
EnviroESCA is a laboratory based NAP-XPS instrument, equipped with a monochromated Al Kα radiation source and a differentially pumped energy analyser connected to an exchangeable sample environment. It allows for measurements in various gas-atmospheres, including water vapor, which makes it possible to characterise bacteria and other biological samples close to their natural, hydrated state. Artificial model-biofilms of exopolysaccharides, planktonic Pseudomonas Fluorescens and biofilms of Escherichia Coli have been characterised in hydrated and dried state.
High-resolution XPS-spectra from carbon, oxygen, nitrogen and phosphorous can be assigned to carbohydrates, lipids and proteins in general agreement with literature. Especially the carbon 1s peak is of interest. A series of measurements of an E. coli biofilm from 11 mbar in humid environment to 1 mbar air reveal changes in the C1s peak, which suggests that the bacterial surface undergo substantial Change.
A fundamental question in ecology is how biodiversity affects ecosystem function. Biodiversity is commonly estimated based on genetic variation. We investigated a new approach that defines and measures biodiversity in complex microbial communities. We used the variation in multiple functionally-relevant, phenotypic traits measured in parallel in single cells as a metric for microbial phenotypic diversity. We studied phenotypic diversity and ecosystem functioning throughout different photosynthetic layers dominated by divergent microbial communities in the gradient of Lago di Cadagno. We determined genetic diversity by 16S and 18S amplicon sequencing and bulk ecosystem functioning (photosynthesis). In addition, we determined phenotypic diversity using single-cell technologies such as nanometer-scale secondary ion mass spectrometry (NanoSIMS) correlated with confocal laser scanning microscopy (CLSM) and scanning flow-cytometry. We measured functional trait variation between individuals in 13CO2 fixation, 15NH4+ uptake, and variation in physio-morphological cell traits, such as cell size, shape, and auto-fluorescence for various pigments related to photosynthesis. We used the distances between individuals in a multidimensional trait space to derive phenotypic trait-based diversity indices, such as trait richness, trait evenness, and trait divergence. We find that phenotypic trait divergence associates with ecosystem functioning, whereas genetic diversity does not. Including activity-based, single-cell phenotypic measurements with NanoSIMS provided an additional accuracy to the trait-based diversity assessment and allowed us to formulate hypotheses on the mechanisms that shape the correlation between phenotypic diversity and eco-system function. Together, our results show that phenotypic diversity is a meaningful concept to measure microbial biodiversity and associate it with ecosystem functioning.
Without precaution, insects may cause serious damage to Museum collections. Quarantine of potentially infested objects can be logistically challenging. Anoxia under controlled nitrogen atmosphere is a most compatible but also time-consuming method to eradicate insect pests in all kinds of different materials. Treatment results are usually effected by duration, temperature, humidity and residual oxygen content. During a two-year research project, 34 relevant pest insect species of all developmental stages were tested in several different materials (wood, paper, wool) to monitor treatment success and to determine optimum treatment parameters. Duration of Treatment ranged from one to three weeks at temperatures of 20 - 27 °C.
As expected, results showed significant differences in mortality among tested species. Highest tolerance of hypoxic conditions was found in older larvae of Hylotrupes bajulus. However, this species is an unlikely museum pest. Anobiids and other wood boring beetles are more often an issue related to cultural heritage. Tested imbedding materials in general had no mortality lowering influence. A combination of three weeks exposure time at up to 0.5 % residual oxygen and at 24 °C and 50 % RH is recommended for infested artefacts.
Environmental sustainability and –stability of Materials concerning the Migration of pollutants
(2018)
MaUS is an acronym for ”Material und Umweltsimulationen“. Plastics are in the focus of environmental politics due to their long-term behaviour and therefore to their persistence. Not only that they appear as visible contaminants in the sea and on the beach, but their unknown behaviour concerning their additives as well as the related transformation products are anxious. Therefore, we wish to establish a certified reference method to provide a method for testing plastics.
Aim of this project is the development of fast motion standard reference methods for testing plastics regarding to their environmental compatibility. To establish these testing methods, we use polystyrene (PS) and polypropylene (PP) with environmental relevant brominated flame retardants, known for their persistent bioaccumulative and toxic (PBT) properties. In case of PS the material contains 1 wt% of 1,2,5,6,9,10-hexabromocyclododecan (HBCD) and in case of PP 0.1 wt% bromodiphenylether (BDE-209), which is known as a substance of very high concern (SVHC). Furthermore, we use polycarbonate (PC), which is still used as material in baby flasks and releases Bisphenol A (BPA), an estrogenic active substance.
As an additional material PTFE is used for its importance as a source for two ubiquitous environmental substances (PFOS and PFOA), whose toxicological effects are still incompletely known.
The focus in this current work is set on the transfer of potential pollutants out of applied materials mentioned above into environmental compartments like water or soil. Here an accelerated aging concept should be developed to shortened time consuming natural processes. For these resulting simulations we use a programmable weathering chamber with dry and wet periods and with high and low temperatures. These programmes run for several weeks and according to a defined sampling schedule we take water samples, run a clean-up procedure by SPE (Molecular imprinted polymers (MiPs) resp. polymer-based cartridges (Waters Oasis HLB)) and analyse them by HPLC-UV resp. LC-MS/MS. Of most interest in case of flame retardants are photocatalytic transformation products. Therefore, we conduct a non-target-screening resp. a suspected target-screening by LC-MS/MS and HRMS.
Gegenstand des Projekts ist die Prüfung der Umweltbeständigkeit und -verträglichkeit von Materialien und Produkten hinsichtlich der Emission von potenziellen Schadstoffen in die Umwelt. Hierzu werden chemisch-physikalische Einflüsse (Bewitterung) und mikrobielle Beanspruchungen an Modellmaterialien evaluiert. So werden die Freisetzungsraten von Schadstoffen in Abhängigkeit der Beanspruchung beschrieben. Als Modellmaterialien kommen die Polymere Polycarbonat, Polytetrafluorethylen, Polystyrol und Polypropylen zum Einsatz. Synergistische Effekte der Bewitterungsparameter und der mikrobiologischen Beanspruchung sollen dabei ebenso betrachtet werden, wie die gezielte Alterung. Auch findet eine Beschreibung des Verhaltens der ausgetragenen Schadstoffe in den Umweltkompartimenten Boden oder Wasser statt. Hier sind mit Hilfe der zu entwickelnden Screening- und non-Target-Analyseverfahren die Transformation und der Metabolismus durch Mikroorganismen zu beschreiben. Aus den Ergebnissen sollen Korrelationen zwischen den künstlichen Alterungsverfahren und realen Szenarien abgeleitet werden, die es gestatten, Schnellprüfverfahren zu etablieren, die die Simulation der realen Beanspruchungen im Zeitraffermodell anwendbar machen. Somit sollen standardisierbare Schnellbeanspruchungs-verfahren erarbeitet werden, die als Prüfeinrichtungen etabliert werden und von externen Auftraggebern zur Prüfung der Umweltbeständigkeit und -verträglichkeit von neuen Materialien genutzt werden können. Die Umweltwirkungen (chemisch-physikalisch und mikrobiologisch) sollen so definiert eingesetzt werden, dass eine reproduzierbare Prüfung möglich wird. Aus diesen Verfahren und Methoden sollen Normen abgeleitet werden, die eine standardisierte Materialprüfung ermöglichen.
Gegenstand der vorzustellenden Arbeiten ist die Prüfung der Umweltbeständigkeit und -verträglichkeit von Materialien und Produkten hinsichtlich der Emission von potenziellen Schadstoffen in die Umwelt. Hierzu werden chemisch-physikalische Einflüsse (Bewitterung) und mikrobielle Beanspruchungen an Modellmaterialien evaluiert. So werden die Freisetzungsraten von Schadstoffen in Abhängigkeit der Beanspruchung beschrieben. Als Modellmaterialien kommen die Polymere Polystyrol (PS) und Polypropylen (PP) zum Einsatz, die jeweils mit polybromierten Flammschutzmitteln (PBFSM) versehen sind. Synergistische Effekte der Bewitterungsparameter und der mikrobiologischen Beanspruchung sollen dabei ebenso betrachtet werden, wie die gezielte Alterung. Auch findet eine Beschreibung des Verhaltens der ausgetragenen Schadstoffe in den Umweltkompartimenten Boden oder Wasser statt. Hier sind mit Hilfe der zu entwickelnden Screening- und non-Target-Analyseverfahren die Transformation und der Metabolismus durch Mikroorganismen zu beschreiben. Auch soll mit Hilfe der RFA und der LA-ICP-MS die Abreicherung der PBFSM in den Modellmaterialien beschrieben werden. Aus den Ergebnissen sollen Korrelationen zwischen den künstlichen Alterungsverfahren und realen Szenarien abgeleitet werden.
Mikroskopische Pilze, die sich schnell auf verfügbaren Oberflächen ausbreiten können und die wir (wenn sie sich ansammeln), auch mit bloßem Auge erkennen können, werden Schimmelpilze genannt. Da diese Organismen verschiedene organische Kohlenstoffverbindungen als Nahrung benutzen, werden sie sich bei wachstumfördernden Feuchtigkeitsbedingungen in Bibliothekbeständen schnell ausbreiten können. Im Vortrag werden Haupteigenschaften aller Pilze, sowie auch aktuelle Methoden der Identifizierung dieser Organismen erörtert.
Benutzung geeigneter Lebendkulturen als Referenzorganismen geben der Materialprüfung und -forschung eine Möglichkeit des reproduzierbaren Experimentierens mit verschiedenen Materialien und Simulation von Bedingungen im Gebrauch. Vorteile unserer Testverfahren sind: (i) Zeitraffung und Kontrollierbarkeit der Umweltparameter; (ii) Benutzung einer naturnahen Vergesellschaftung; iii) gezielte Variationen der Prüfbedingungen im Labor.
Ziel dieser Untersuchungen ist einerseits biogene Schäden an neuen Materialien zu verfolgen und zu modellieren, und damit eine bessere Planungsgrundlage für die Materialentwicklung anzubieten. Andererseits werden mit den Referenzorganismen mikrobiologisch moderne und zeitraffende Techniken angeboten, die neue Behandlungsmethoden oder Pflegeverfahren für die Bestandserhaltung erwarten lassen.