Umwelt-Material-Interaktionen
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Materials are key for our modern communities. In particular metals play important roles in all areas of our daily life - from building materials to high tech products.
Due to the increasing consumption of metals and corresponding waste production, an elevated release into the environment takes place. Furthermore, metals in direct contact with the environment undergo corrosion leading to a release into the (aquatic) environment. Thus, lifespan of products/buildings are substantially reduced – hence unnecessary economic costs arise. Thus, research in this regard is needed within the force field of metal/material - environment.
Evaluating the environmental impact of materials as well as developing “safe” materials, new analytical methods are highly needed. One promising powerful tool is single cell-ICP-ToF-MS for multi-elemental analysis on a single cell/organism level.
Within this presentation the concept, strength as well as challenge of single cell-ICP-MS are briefly introduced. Two application examples are presented: (i) assessing the environmental impact of metals and (ii) the impact of the environment on metal-based materials and the derivation of potential environmental-friendly material protection strategies. These applications highlight the strength of new analytical approaches to explore the durability and safety of newly developed materials. Thus, analytical chemistry is one corner stone to transformation of modern society into circular economy (CEco).
(i) Diatoms are located at the bottom of the food chain. Thus, toxicological relevant metals taken up by diatoms possibly accumulate within the food web causing harmful effects. Diatoms are common test system in ecotoxicology. To investigate potential metal uptake and effects, we developed an on-line single cell-ICP-ToF-MS approach for multi-elemental diatom analysis. Our approach is a new potential tool in ecotoxicological testing for metal-based materials.
(ii) Next to classical corrosion processes, microorganisms are responsible for so called microbially influenced corrosion (MIC). MIC is a highly unpredictable process relying on interaction pathways between cells and the metal surface. Sheding light on MIC processes and derivate potential protection strategies, we applied single cell-ICP-ToF-MS for MIC research on a single bacteria/archaea level. It turned out that microorganism are taking up particular metals from alloys - thus, single bacteria-ICP-ToF-MS will enable development of corrosion protection strategies.
The development of the microbiologically influenced corrosion ( MIC ) -specific inductively coupled plasma-time of flight-mass spectrometry ( ICP-ToF-MS ) analytical method presented here, in combination with the investigation of steel-MIC interactions, contributes significantly to progress in instrumental MIC analysis. For this, a MIC-specific staining procedure was developed, which ensures the analysis of intact cells. It allows the analysis of archaea at a single cell level, which is extremely scarce compared to other well-characterized organisms. The detection method revealed elemental selectivity for the corrosive methanogenic strain Methanobacterium -affiliated IM1. Hence, the possible uptake of individual elements from different steel samples was investigated and results showed the cells responded at a single-cell level to the different types of supplemented elements and displayed the abilities to uptake chromium, vanadium, titanium, cobalt, and molybdenum from solid metal surfaces. The methods developed and information obtained will be used in the future to elucidate underlying mechanisms, compliment well-developed methods, such as SEM-EDS, and develop novel material protection concepts.
Transparent polycarbonate coated with CeO2 nanozymes repel Pseudomonas aeruginosa PA14 biofilms
(2022)
Highly transparent CeO2/polycarbonate surfaces were fabricated that prevent adhesion, proliferation, and the spread of bacteria. CeO2 nanoparticles with diameters of 10–15 nm and lengths of 100–200 nm for this application were prepared by oxidizing aqueous dispersions of Ce(OH)3 with H2O2 in the presence of nitrilotriacetic acid (NTA) as the capping agent. The surface-functionalized water-dispersible CeO2 nanorods showed high catalytic activity in the halogenation reactions, which makes them highly efficient functional mimics of haloperoxidases. These enzymes are used in nature to prevent the formation of biofilms through the halogenation of signaling compounds that interfere with bacterial cell–cell communication (“quorum sensing”). Bacteria-repellent CeO2/polycarbonate plates were prepared by dip-coating plasma-treated polycarbonate plates in aqueous CeO2 particle dispersions. The quasi-enzymatic activity of the CeO2 coating was demonstrated using phenol red enzyme assays. The monolayer coating of CeO2 nanorods (1.6 µg cm−2) and the bacteria repellent properties were demonstrated by atomic force microscopy, biofilm assays, and fluorescence measurements. The engineered polymer surfaces have the ability to repel biofilms as green antimicrobials on plastics, where H2O2 is present in humid environments such as automotive parts, greenhouses, or plastic containers for rainwater.
Antifoulingmittel im Wasser
(2019)
In den vergangen Jahren hat das Umweltbewusstsein in der Bevölkerung stark zugenommen und somit auch das Interesse an der Vermeidung von anthropogenen (Schad-)Stoffen in der Umwelt. Eine (neue) Substanzklasse, deren Umweltauswirkungen noch nicht vollständig untersucht sind und die in den vergangenen Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen hat, sind (metallbasierte) Nanomaterialien. Im Gegensatz zu bspw. Elementspezies weisen Nanomaterialien eine Vielzahl von Eigenschaften auf und lassen sich nicht über nur ein Merkmal beschreiben - dies stellt eine große analytische Herausforderung dar. Hier haben sich vor allem die Feld-Fluss-Fraktionierung (AF4) und die single-particle-ICP-MS als leistungsstarke analytische Methoden herausgestellt. In (aquatischen) Umweltmatrizes (z.B. Oberflächengewässern) liegen neben artifiziellen auch natürliche Partikel vor, was eine weitere große Herausforderung für den Nachweis von Nanomaterialien darstellt.
Neben dem Nachweis von anthropogenen Stoffen in der Umwelt ist zudem deren ökotoxikologische Bewertung wichtig. In der aquatischen Ökotoxikologie werden hierzu Testorganismen mit den jeweiligen Substanzen über die Wasserphase exponiert. Effektkonzentrationen (EC50) werden dabei auf Basis der Konzentrationen in der Wasserphase abgeleitet - tatsächlich bioakkumulierte Mengen werden hierbei jedoch meist nicht ermittelt; eine weitere große Herausforderung besteht zudem in der Bewertung von Mischungstoxizitäten. Gängige Testorganismen sind u.a. Kieselalgen (Diatomeen). Diatomeen stehen am Anfang der Nahrungskette - toxikologisch relevante Metalle/Nanomaterialien können sich hierüber im Nahrungsnetz der Oberflächengewässer anreichern und ggf. nachhaltig auswirken.
Im ersten Teil des Vortrages werden zunächst neue elementanalytische Methoden zum Nachweis von metallbasierten Nanopartikeln in Umweltmatrizes auf Basis der AF4/ICP-SFMS sowie stabilen Isotopenlabeln am Beispiel von Eisennanopartikeln vorgestellt.
Im zweiten Teil wird eine neue elementanalytische Methode als komplementäre Technik zur ökotoxikologischen Bewertung von (Schad-)Stoffen vorgestellt. Die neue Methode basiert auf der on-line Kopplung von HPLC mit der single-cell-ICP-(ToF)-MS (sc-ICP-(ToF)-MS) [1, 3-5]. Hierüber konnten wir erfolgreich die automatisierte Multielementanalytik einzelner Diatomeen realisieren und zur Analyse von mit Metallen inkubierten Diatomeen (cyclotella meneghiniana) einsetzen. Wir konnten zeigen, dass die sc-ICP-ToF-MS zukünftig eine leistungsstarke, komplementäre Technik in der aquatischen Ökotoxikologie zum z.B. Test von Metallen und Nanomaterialien darstellt.