Umwelt-Material-Interaktionen
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- 4.0 Abteilungsleitung und andere (34)
- 4.2 Material-Mikrobiom Wechselwirkungen (32)
Das Verhalten von Erdböden gegenüber metallenen Konstruktionswerkstoffen ähnelt in vielen Fällen der von neutralen Wässern. Der in natürlichen Erdböden vorhandene Wasseranteil bildet mit den löslichen Inhaltsstoffen eine Elektrolytlösung. Eine merkbare Korrosionsgeschwindigkeit tritt erst dann auf, wenn der Boden einen bestimmten Wassergehalt aufweist, der eine Sauerstoffdiffusion im Boden zur Oberfläche des Metalls gewährleistet. Von maßgebendem Einfluss auf die korrosionsverursachende Wirkung der Böden ist neben dem Feuchtegehalt, der die Leitfähigkeit des Bodens bestimmt, der pH-Wert. Verschiedene Bodenarten besitzen unterschiedliche Wasser- und Sauerstoffdurchlässigkeiten, sowie Unterschiede der gelösten Inhaltsstoffe wie Chloride oder Sulfate, wodurch sich das Korrosionsverhalten von Metallen in verschiedenen Böden stark unterscheidet. In der DIN 50929-3 werden Böden in vier verschiedene Bodenklassen mit Korrosionsbelastungen von sehr niedrig bis hoch unterteilt. Durch verschiedene Bodenanalysen und örtliche Gegebenheiten kann nach DIN 50929-3 zwar die Korrosivität eines Bodens bestimmt werden, jedoch ist die Reproduzierbarkeit eines Bodens (Prüfmediums) praktisch nicht möglich.
Es gibt jedoch Überlegungen, wie die Einstellung einer Bodenklasse durch Verwendung von Normsand und der Zugabe von Stoffen erzielt werden kann, wodurch die Reproduzierbarkeit eines Bodens ermöglicht wird.
Das korrosionsverhalten von metallenen Werkstoffen in Erdböden besitzt unter Betrachtung der Dauerhaftigkeit sowie aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten eine entscheidende Bedeutung. Um zu überprüfen, ob ein metallener Werkstoff für eine bestimmte Bodenklasse geeignet/ beständig ist, müssen oftmals elektrochemische Korrosionsuntersuchungen im Boden durchgeführt werden. Da sich natürliche Böden aufgrund ihrer organischen Bestandteile mit der Zeit verändern, sind die Ergebnisse der Korrosionsuntersuchungen nicht reproduzierbar.
Ziel dieser Untersuchungen ist es, künstliche Böden herzustellen, die aufgrund ihrer Eigenschaften (Bodenparameter) Bodenklassen der DIN 50292-3 zuzuordnen sind um zukünftig reproduzierbare Ergebnisse im Labor generieren zu können.
Moderne Vitrinen sollen gleichzeitig eine hohe Dichtigkeit und die Abwesenheit jeglicher Fremdstoffe in den Vitrinen gewährleisten. Diese Anforderungen sind zeitgleich kaum erfüllbar, da es emissionsfreie Materialien (vor allem Kleb- und Beschichtungsstoffe) nicht gibt. Um die potentiellen Emissionen zu minimieren wurde ein Messverfahren entwickelt, welches inzwischen als BEMMA-Schema (Bewertung von Emissionen aus Materialien für Museumsausstattungen) in die Museumswelt Einzug genommen hat.
Die erfolgreiche Bewertung der für den Bau verwendeten Materialien gemäß BEMMA-Schema resultiert nicht in einer emissionsfreien Vitrine, sondern soll bei der Auswahl geeigneter Materialien zur Herstellung möglichst emissionsarmer Vitrinen helfen. Konkrete handwerkliche Durchführungen beim Bau, Dichtheits-anforderungen, wie auch die Aufstellbedingungen (Umgebung der Vitrine) beeinflussen die Emissionscharakteristik der fertigen Vitrine in der Praxis. Eine saubere Vitrine hilft nichts in einer belasteten Umgebung oder auch bei emittierenden Exponaten. Inzwischen liegen Erfahrungen mit dem Schema seit 2012 vor.
Der Messablauf sieht vor, dass von den Materialien kleine Muster mit der Mikrokammer (Markes) innerhalb von 2 Tagen untersucht werden. Dabei wird mit Silikagelkartuschen auf Ameisen- und Essigsäure, mit DNPH auf Aldehyde und Ketone und mit Tenax® sowohl auf VOC als auch für die spezifische Oxim-Analytik die Abluft der Mikrokammern untersucht. Die Bewertungskriterien basieren auf den Ergebnissen einer Vorstudie mit ca. 150 verschiedenen Produkten im Zeitraum 2010 bis 2012.
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.
Non-specific Gd-based contrast agents (GBCAs) have long been routinely used in clinical magnetic resonance imaging (MRI). However, the interaction of such contrast agents with tissue components is not yet fully understood.
Alongside cells, the extracellular matrix (ECM) is an important component of mammalian tissue. It is a three-dimensional network of macromolecules that provides structural and biochemical support to the surrounding cells. Many diseases, including inflammation, fibrosis, and tumour invasion, are associated with characteristic ECM changes. The ECM consists of structural proteins (e.g., collagen, elastin) and proteoglycans, which are composed of glycosaminoglycans (GAGs) covalently linked to a protein core. GAGs are long, linear polysaccharides consisting of repeated disaccharide units widely varying in molecular mass, disaccharide structure, and sulfation degree. Characteristic of GAGs is their ability to form complexes with cations such as lanthanides. Thus, GAGs could be a potential binding partner for GBCA molecules as a whole or for dechelated Gd.
Currently, there are still many unanswered questions about the interaction of contrast agents with ECM components. This study therefore investigated the uptake and distribution of different GBCAs in spheroids that mimic biological tissue and have different ECM expressions.
Chinese hamster ovary (CHO) cells and GAG-depleted CRL-2242 cells were used to prepare spheroids. These were then incubated for several minutes with gadolinium chloride and various linear and macrocyclic GBCAs. Cryosections of the spheroids were used for imaging measurements with a low-dispersion laser ablation system coupled to an inductively coupled plasma time-of-flight mass spectrometer (LA/ICP-ToF-MS). Gelatine doped with multi-element solutions was used for matrix-matched quantification of Gd and other relevant elements such as Cu, Fe and Zn.
Although all spheroids were incubated with identical Gd concentrations, significant differences in the amount of Gd taken up were observed. Gadolinium chloride is absorbed more strongly than the contrast agents and accumulates mainly in the outer regions of the spheroids. In contrast, after incubation with the linear and macrocyclic contrast agents, Gd is detected in the interior of both types of spheroids.
Using nanofiber-like cell appendages, secreted proteins and sugars, bacteria can establish initial surface contact followed by irreversible adhesion and the formation of multicellular biofilms, often with enhanced resistance towards antimicrobial treatment and established cleaning procedures. On e.g. medical implants, in water supply networks or food-processing industry, biofilms can be a fertile source of bacterial pathogens and are repeatedly associated with persisting, nosocomial and foodborne infections. Nowadays, the emergence of resistances because of extensive usage of antibiotics and biocides in medicine, agriculture and private households have become one of the most important medical challenges with considerable economic consequences. In addition, aggravated biofilm eradication and prolonged cell-surface interaction can lead to increased biodeterioration and undesired modification of industrial and medical surface materials. Various strategies are currently developed, tested, and improved to realize anti-bacterial surface properties through surface functionalization steps avoiding antibiotics.
In this study, contact-less and aseptic large-area short or ultrashort laser processing is employed to generate different surface structures in the nanometer- to micrometer-scale on technical materials such as titanium-alloy and polyethylene terephthalate (PET). The laser processed surfaces were subjected to bacterial colonization studies with Escherichia coli test strains and analyzed with reflected-light and epi-fluorescence microscopy. Depending on the investigated surfaces, different bacterial adhesion patterns were found, ranging from bacterial-repellent to bacterial-attractant effects. The results suggest an influence of size, shape and cell appendages of the bacteria and – above all – the laser-processed nanostructure of the surface itself, emphasizing the potential of laser-processing as a versatile tool to control bacterial surface adhesion.
Interface between the atmosphere and mineral substrates is the oldest terrestrial habitat. Morphologically simple microbial biofilms were the first settlers on these inhospitable surfaces at times when the Earth was inhabited only by microorganisms and the solid substrates represented only by natural rock surfaces i.e. lithosphere. Miniature, self-sufficient microbial ecosystems continue to develop on subaerial (i.e. air-exposed) solid surfaces at all altitudes and latitudes where direct contact with the atmosphere and solar radiation occurs – on rocks, mountains, buildings, monuments, solar panels. All these sub-aerial biofilms develop under fluctuating and hostile conditions – and thus frequently harbour stress-tolerant black fungi inherently able to cope with the stresses of bright sunlight and constantly changing atmospheric conditions. Black fungi – a polyphyletic group of Ascomycetes– accumulate the dark pigment DHN melanin, diverse carotenoids and mycosporines in their cells and thus successfully colonise sunlight-flooded habitats from phyllosphere to rock surfaces. Various chemical and physical extremes and fluctuating environments belong to the challenges effectively mastered by black fungi. In our laboratory we isolate novel black fungi from man-made habitats like building materials and solar panels. Using Knufia petricola A95 as a model we conduct experiments to clarify interactions of black fungi with inorganic substrates. We use available mutants to determine the functional consequences of changes in the outer cell wall envelopes – from excreted EPS to layers of protective pigments. A genetic toolbox to manipulate this Chaetothyriales representative is in further development. Our long-term goal is to understand the fundamental mechanisms how black fungi are able (i) to adhere to dry atmosphere-exposed surfaces, (ii) to survive multiple stresses and (iii) to change the underlying substrates including rocks.
After their discovery on rock surfaces in cold and hot deserts, a polyphyletic group of ascomycetous black fungi was found to dominate a range of hostile environments – natural and man-made, from salterns to dishwashers, roofs and solar panels. Together with bacteria and algae they may establish subaerial biofilms and cause weathering of the surfaces they grow on. Their impressive survival abilities as well as their constitutive protective pigmentation and cluster-like microcolony organisation are similar in environmental isolates as well as in heat-tolerant opportunistic pathogens of animals and humans. We selected the rock-inhabiting fungus Knufia petricola (class Eurotiomycetes, order Chaetothyriales) that exhibits all the characteristics of microcolonial black fungi such as yeast-like cell growth, absence of reproductive structures and constitutive dihydroxynaphthalene (DHN) melanogenesis (Nai et al. 2013, Fungal Genet Biol). We developed protocols to efficiently generate and transform protoplasts resulting in stable homokaryotic transformants by targeting genes involved in pigment synthesis. The differences between the wild-type fungus and its melanin-deficient mutants were tested in geomicrobiological experiments and measured are now discussed in detail, with special accent on the possible effects of the mutation on EPS and other exuded substances.