Umwelt-Material-Interaktionen
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- 4 Material und Umwelt (155)
- 6 Materialchemie (59)
- 4.1 Biologische Materialschädigung und Referenzorganismen (58)
- 7 Bauwerkssicherheit (55)
- 6.6 Physik und chemische Analytik der Polymere (44)
- 7.6 Korrosion und Korrosionsschutz (42)
- 4.3 Schadstofftransfer und Umwelttechnologien (35)
- 4.0 Abteilungsleitung und andere (34)
- 1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien (33)
- 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.
The story of how black fungi survive harsh conditions on sun-exposed desert rocks and material surfaces is fascinating. In the presentation examples of how knowledge of these organisms can be of practical value (e.g., in biodeterioration studies, such as on stone markers in cemeteries) would be given. Among other stories, the example of how roof tiles amended with a titanium oxide layers as a biocide actually selected for the black fungi will be told. A hypothesis about how these organisms would likely be found on solar panels and some early BAM work in that area will be presented. This then brings the connection to a study ripe for investigation in North Carolina. The talk presents the development of a study aiming at deciphering the influence of microbial biofilm formation on the energy conversion efficiency of solar photovoltaic panels or modules at two facilities (one facility under the impact of high intensity of animal agriculture and high deposition of ammonia from atmosphere and the other with low animal agriculture and lower atmospheric ammonia deposition) in North Carolina. The main hypothesis of the study is that microbial biofilm formation on solar photovoltaic panels will lead to significant decreases in energy conversion efficiency of solar photovoltaic modules and biofilm formation will also be accelerated by high ammonia concentration in the ambient atmosphere and high nitrogen deposition.
Sunlight is an important environmental factor is almost all ecosystems by being a source of energy, information, and stress. All organisms must protect themselves from the harmful effects of light such as UV radiation, ROS accumulation, heat, and desiccation. Finally, light qualities and quantities can be used for decision making, timing and as guide for directed growth when they are sensed and transduced into intracellular signals. Botrytis cinerea and other plant pathogens infecting the sun-exposed parts of the plant must cope with the high light conditions the host plant seeks. Further they experience an altered light spectrum (‘green gap’) when they colonize shaded parts of the plant; it is depleted for blue and red light that is absorbed by the plant chlorophyll and enriched for green and far-red light that is reflected or transmitted by the plant tissue. As these ambient light conditions trigger the shade avoidance response in the plant, the pathogens may trigger their own ‘shading response’ such as the upregulation of virulence determinants and inoculum production. B. cinerea maintains a highly sophisticated light signaling machinery that senses different light qualities to trigger a variety of responses, that are protection, morphogenesis, positive and negative tropisms, and entrainment. These characteristics render B. cinerea a valuable model to enlighten the role of light in parasitic fungus-plant interactions and beyond. The vegetative mycelium – the core of all infection and developmental programs – is not visibly pigmented and thus considered to be sensitive to biotic and abiotic stresses. However, the vegetative hyphae have a very limited half-life and are usually restricted to the invasive growth phase in which they are protected from light by the plant tissue. Fast colonization of host tissues and by this proper nutrient acquisition enables the rapid formation of long-lasting reproduction structures (melanized conidiophores with conidia, sclerotia) on the surfaces of rotted plant tissues. Depending on the light and temperature conditions, conidiation or sclerotial development is initiated. Taken together, B. cinerea uses light-regulated signaling networks to avoid light whenever possible; for example, by minimizing the half-life of sensitive cells that are hiding in plant tissues and by scheduling critical steps such as conidiogenesis, conidial germination and penetration of plant tissues for the night.
Sunlight is an almost unavoidable environmental cue and plays a fundamental role in the biology of pro- and eukaryotic organisms. To cope with sunlight-associated stresses e.g., high temperatures, UV radiation, accumulation of reactive oxygen species, desiccation, and osmotic stress, it is important for organisms to accurately sense and respond to changes in light. The benefits of light are obvious for green organisms such as cyanobacteria, algae and plants which use light as an energy source (photosynthesis). Fungi that can share light-flooded habitats with phototrophs may profit from their excess photosynthetic products. Examples are the plant pathogen Botrytis cinerea, the gray mold fungus, and the rock inhabitant Knufia petricola, a microcolonial black fungus which forms multispecies biofilms with bacteria and algae.
Spectral encoding of cells or particles and the discrimination of multiple spectral codes are a critical process in flow cytometry (FCM). Typical issues in spectral encoding are, e.g., the spectral overlap of codes, or the increasing complexity of instruments . The exploitation of the photoluminescence lifetime (LT) as an encoding parameter could be used to circumvent both of these issues, as it adds another dimension to the parameter space, or, when used as a stand-alone parameter, requiring only one excitation light source and one detector. While LT encoding was considered already decades ago it is still not implemented as a routine technique in FCM yet, mainly due to the challenge of very few photons being available within the limited transition time of a cell or particle through the laser spot.
Recently, we demonstrated LT-FCM based on luminophores with ns LTs in a compact and low-cost flow cytometer. Measurements on polymer microbeads containing luminophores with distinctly different excited state LTs enabled the complete discrimination of three LT codes and five codes in total could be identified.
Now, we have extended our approach towards considerably longer LTs by custom-made polymer microbeads loaded with different ratios of InP/ZnS and AgInS2 quantum dots. The use of these materials significantly expands the usable time range for LT encoding to up to several hundred ns. Our studies demonstrate the possibility to further increase the number of viable LT codes for multiplexing in LT-FCM without the need for extensive hardware modifications.
Fluorescent semiconductor nanocrystals, also known as quantum dots (QDs), enabled many advancements in biotechnology, photovoltaics, photocatalysis, quantum computing and display devices. The high versatility of this nanomaterial is based on their unique size-tunable photoluminescence properties, which can be adjusted from the visible to the near-infrared range. In contrast to other nanomaterials, QDs made the transition from a laboratory curiosity to the utilization in commercial products, like the QLED television screen or in smartphone displays. The best investigated QDs are composed of heavy metals like cadmium or lead, which is not the best choice in terms of toxicity and environmental pollution. A more promising material is Indium Phosphide (InP), which is also currently used by Samsung, Sony and co. in the QLED displays.
In this contribution, I would like to give you a sneak peek behind the curtains of nanomaterial synthesis and show how this material is produced, how to stabilize their structural properties, and assess their toxicity in environmentally relevant conditions. Furthermore, I would like to present a synthesis method to accomplish the last open challenge in display technology of a blue luminescent LED based on QDs by introducing a new element to the InP QDs.
Dihydroxynaphthalene (DHN) melanin is produced by different Ascomycetes via slightly differing biosynthetic routes. The polyketide synthases (PKS) release the heptaketide YWA1, the hexaketide AT4HN or the pentaketide T4HN. The first two products are deacetylated by ‘yellowish-green’ hydrolases to T4HN, and T4HN is further converted by a core set of enzymes to DHN. Final polymerization steps are accomplished by multicopper oxidases. DHN melanogenesis is often regulated in a spatial and temporal fashion resulting e.g. in melanized reproduction, survival and/or infection structures. Remarkable is the regulation of the DHN melanogenesis in the foliar plant pathogen Botrytis cinerea: it involves two differently expressed PKSs providing the precursor in conidia and sclerotia, respectively (Schumacher 2016, Mol Microbiol). In contrast, a polyphyletic group of Ascomycetes (microcolonial fungi/ black yeast) dwelling in hostile habitats such as bare rock surfaces in hot and cold deserts, exhibits constitutive melanogenesis. Here, DHN melanin builds a protective layer around all vegetative cells thus contributing to the survival of diverse environmental stresses even without specialized reproduction structures. As part of our continuing research on microcolonial rock-inhabiting fungi, we chose the genetically amenable Knufia petricola strain A95 (Nai et al. 2013, Fungal Genet Biol; Noack-Schönmann et al. 2014, AMB Express) for detailed studies. DHN-deficient mutants generated by targeted mutation of biosynthetic genes were studied with regard to the architecture of the cell wall and the EPS (extracellular polymeric substances) matrix, attachment to and weathering of olivine, as well as the tolerance to abiotic and biotic stresses. We will discuss the critical role of the outer cell surface (DHN melanin and EPS) in adhesion to the substrate and subsequent damage of the colonized surface.
Microbiologically influenced corrosion (MIC) is a highly unpredictable process dictated by the environment, microorganisms, and the respective electron source. Interaction pathways between cells and the metal surface remain unclear. The development of this novel single cell-inductively coupled plasma-time of flight-mass spectrometry analytical method and a MIC-specific staining procedure facilitate the investigation of steel-MIC interactions. With this it is possible to analyze the multi-elemental fingerprint of individual cells. The detection method revealed elemental selectivity for the corrosive methanogenic archaeal strain Methanobacterium-affiliated IM1. The interface between material and environmental analysis thus receives special attention, e.g., when considering MIC on solid steel. Hence, the possible uptake of individual elements from different steel samples is investigated. Results showed the cells responded at a single-cell level to the different types of supplemented elements and displayed the abilities to interact with chromium, vanadium, titanium, cobalt, and molybdenum from solid metal surfaces. The information obtained will be used in the future to elucidate underlying mechanisms and develop possible material protection concepts, thus combining modern methods of analytical sciences with materials research.
Bei der Bestrahlung und Bewitterung von polymeren Werkstoffen wird die Degradation durch eine Absorption von Strahlung initiiert und meistens durch weitere Klimagrößen, wie z.B. Wärme, Feuchte und atmosphärische Gase beeinflusst. Die Messung einer effektiven Bestrahlungsstärke und ihre zeitliche Integration sind deshalb von großer Bedeutung.
Photochemische Prozesse werden beim Sehen oder allgemeiner bei Farbstoffen schon durch sichtbare (VIS) Strahlung, dagegen bei der Erythembildung der Haut und der Photodegradation von Polymeren erst durch die energiereicheren Photonen der ultravioletten (UV) Strahlung initiiert. Die spektrale Empfindlichkeit des Auges und die Erythembildung sind im VIS- bzw. UV-Bereich sehr stark wellenlängenabhängig, was durch die Angabe der mit der spektralen Hellempfindlichkeit V() des Auges bewerteten VIS-Strahlung in Lux (lx) bzw. die mit der Erythem-Wirkfunktion bewertete UV Strahlung als dimensionsloser UV-Index berücksichtigt wird. Spektrale Empfindlichkeiten.
Die Photodegradation von Polymeren ist im UV-Bereich ebenfalls stark wellenlängenab-hängig, was bisher nicht berücksichtigt wurde. Seit Mitte der 70er Jahre, als die lx- bzw lxh- Messung bei der Strahlungsbeanspruchung langsam durch die Ermittlung der radiometrischen UV-Bestrahlungsstärke bzw. der UV-Bestrahlung im gesamten UV-Bereich abgelöst wurde, gab es hier bei der Bewitterungsprüfung keine weiteren Fortschritte auf dem Gebiet der Charakterisierung der Strahlungsbeanspruchung im UV-Bereich.
Seit Jahren liegen zahlreiche Ergebnisse über die spektrale Empfindlichkeit von Photo-degradationsprozessen vor, die zeigen, dass die spektrale Empfindlichkeit im Bereich der Globalstrahlung bei ca. 300 nm, am größten ist und im langwelligen UV-Bereich bei ca. 400 nm gegen Null geht. Die Messungen der radiometrischen Größen UV-Gesamt-bestrahlungsstärke und UV-Gesamtbestrahlung erfasst deshalb über weite Wellen-längenbereiche Strahlungsanteile, die für die Photodegradation bedeutungslos sind und mittelt über potenziell bedeutsame Änderungen im kurzwelligen UV-Bereich hinweg.
Es wird das Konzept eines neuen UV-Radiometers vorgestellt, dessen spektrale Empfindlichkeit einer mittleren spektralen Empfindlichkeit der Photodegradation von Polymeren entspricht. Die effektive UV-Bestrahlungsstärke und UV-Bestrahlung kann dadurch wesentlich genauer erfasst werden.
The VAMAS/TWA 45 Project 2 “Development of standardized methodologies for characterisation of microplastics with microscopy and spectroscopy methods” involving 85 participants around the world is primarily discussed with respect to the results received and a first data evaluation. Status of the Project "Guidelines for defining reference materials for plastic degradation in marine environment" is reported and two new project proposals are presented: "Development of standardized methodologies for characterisation of nanoplastics (starting soon, BAM as leader?) and "Development of analytical protocols for the identification and quantification of microplastics of fibrous shape (still in negotiation)".
Microbiologically Influenced Corrosion of Cast Iron Containers for High-Level Nuclear Waste Disposal
(2022)
Ductile and corrosion resistant cast iron is investigated as a potential container material to store high-level nuclear waste (HLW) in deep geological repositories (DGR) in claystone bedrock. The dynamic corrosion process is dependent on the conditions present in the DGR which are influenced and/or controlled by geochemical parameters (e.g., redox potential, pH, presence of and ionic concentration in (pore-)water), physical parameters (e.g., pressure), and the influence of metabolically active microorganisms. Cast iron corrosion will occur at the intersection of container and its decontaminable coating with the bentonite backfill material which contains natural microbial populations.
The conditions in a DGR are simulated in microcosm experiments to investigate the impact of microbiologically influenced corrosion (MIC); the microcosms contain: B27 bentonite, synthetic pore water, N2 or N2-CO2 atmosphere, cast iron coupons, as well as the bacterium Desulfosporosinus burensis (isolated from repository depth in Buré, France). Three coupon configurations will be used: untreated, coated with decontaminable coating, and coated with decontaminable coating which has been damaged to simulate possible damages. The microcosms will be examined for bio- and geochemical parameters, such as pH, redox potential, mineral phases, sulphate concentration, Fe(II):Fe(III), changes in microbial populations, and the corrosion process for formation of corrosion products, and potential microbial influence, after a 270-day incubation period at 25°C under anaerobic conditions. In subsequent experiments, the sorption behavior of lanthanides and actinides onto the membranes of viable cells and spores of D. burensis, as well as the surface of corroded cast iron coupons will be investigated.
In the modern world there is an increased understanding that design and performance monitoring of materials have to be tested in connection to chemical, physical and (micro)biological challenges. A systematic study on how biofilms interact with materials and what could be done to engineer biofilms and/or materials in order to maximize the resistance of the material (surface) or the resistance the biofilm-modified material (bulk) is in strong need. In the Department “Materials and the Environment” of the BAM new experimental platform is being developed. With the help of different type of device for high throughput and microbiologically-controlled environment simulation we establish a new approach to clarify the mechanisms of biofilm/material interactions. Despite the focus on fundamental research, the main results of this project proposal will be transferable into material technology and construction chemistry and will influence the development of standardization in this topic. As the interactions of biofilms and materials have implications for most constructions as well as climate change, the results of the research generates additional value.
In dieser Präsentation wurden dem Beirat Umwelt die High-Lights und der weitere Ausblick des Foresight Process MIC vorgestellt. Im Fokus stehen hierbei insbesondere die neu angelaufenen Projekte:
COST Action Euro-MIC
MIC im Endlager
Hydrogen: MIC & Wasserstoffversprödung
Biorezeptivität von Betonoberflächen
Mitigation schwarze Pilze
WIPANO ResTest
Der Fachbereich 7.6 untersucht seit einiger Zeit an Auslagerungsständen auf dem Testgelände in Horstwalde Korrosion im maritimen Bereich. Im Moment läuft das System mit künstlichem Meerwasser und simuliert die Bewitterung von Metallproben unter angenäherten klimatischen Bedingungen ähnlich zum natürlichem Habitat. Im Laufe der Zeit konnte nicht intendierter mikrobieller bewuchs beobachtet werden. Es stellte sich die Frage, welche Mikroorganismen vorlagen und ob diese einen Einfluss auf die Korrosionsuntersuchungen haben könnte. Aus diesem Grund wurden 16S-rRNA Untersuchungen durchgeführt welche alle drei Domänen des Lebens widerspiegeln Bakterien, Archaea und Eukaryoten. Es konnte gezeigt werden, dass über 95% der vorliegenden Biomasse Grünalgen waren, die durch Licht Eintrag in den Container Photosynthese betrieben und dadurch an Biomasse zunahmen. Des weiteren konnten Bakterien detektiert werden, welche in der Regel halophilen und aeroben Habitaten zu finden sind. Allerdings wurden auch Sulfat reduzierende Bakterien (MIC) detektiert, wenn auch in einem geringen prozentualen Anteil. Es muss allerdings Berücksichtigt werden, dass die mikrobielle Zusammensetzung sich im Laufe der Zeit weiter ändern kann. Als Ursprung der Biomasse wird, das künstliche Sediment vermutet. Außerdem wäre es für zukünftige Experiment denkbar, das System mit echtem Sediment aus dem marinen Habitat anzuimpfen.
Der Vortrag beschäftigt sich mit den gängisten Methoden zur Probennahme, -vorbereitung und Detektion von Mikroplastik. Das Zusammenspiel von Fragestellung und Methode wird betont. Es wird auf das Dikussionspapier Analytik des BMBF-Forschungsschwerpunktes Plastik in der Umwelt besonders hingewiesen sowie Bemühungen zur Normierung der Methoden auf deutscher und internationaler Ebene dargestellt.
Mikroplastik Detektion mit Thermoanalytischen Methoden: Analytik, Referenzmaterial, Ringversuche
(2024)
Ich dem Vortrag geht es um die Vorstellung von thermoanalytischen Methoden für die Mikroplastik-Detektion. Verschiedene Kopplungsmöglichkeiten werden gezeigt und die Funktionsweise der TED-GC/MS wird erklärt. Im zweiten Teil werden Referenzmaterialien für die Mikroplastik-Analytik diskutiert. PET -Tabletten des PlasticTrace Projektes werden vorgestellt. Am Ende wird der VAMAS Ringversuch zur Mikroplastik-Detektion gezeigt.
Mikroplastik findet sich in Ozeanen, Seen, Flüssen und Bächen. Es kann in unserem Boden, in der Luft und sogar in Organismen nachgewiesen werden. Jedes Jahr werden weltweit Millionen Tonnen freigesetzt. Doch wo und wie landet Mikroplastik in der Umwelt? Und wie können wir diese winzigen Partikel nachweisen?
Rock-inhabiting black fungi are adapted to survive extreme stresses such as radiation and lack of water and are thus able to colonise arid material surfaces like solar panels and marble monuments. Black fungi can typically grow as one of two cell types: depending on the environmental conditions, they are able to form yeast-like cells or hyphal filaments. Knufia petricola is one member of the rock-inhabiting black fungi which functions as a model reference species. As there is no mathematical model for biofilm formation of RIF, we are going to develop a model for K. petricola which describes fungal growth on the level of individual cells adn biofilm formation.
Paragraphs 6 to 8 of the proposed amendment to the German Federal Soil Protection and Contaminated Sites Ordinance contain new requirements regarding the application of soil-like material outside of a rootable soil layer. For example, it is intended to enable reusing of soil-like materials containing regulated substances in concentrations between the single and double precautionary values (PV), provided that the limit values for the eluate are complied with. The aim of a running project (funding code UFOPLAN 3716 74 203 0, German Federal Environmental Agency) is to fill data deficits for soil-like materials which meet the above-mentioned criteria to promote circular economy and conservation of natural resources. Different soil-like materials of various origin (for example dredged material, banquet peeling material, urban and meadow soils) are considered with a special focus on PAHs. A major challenge in sample acquisition is the relatively narrow target range of the PAH content between 3 and 6 mg/kg dm considering a high measurement uncertainty at this concentration level.
The contents of PAHs, heavy metals and other inorganic elements in solid matter are determined following established standards. In addition, the soil-like materials are characterized concerning particle size, pH, conductivity, SOM, TOC and carbonate content. To determine the eluate concentration, column tests according to DIN 19528 and batch tests according to DIN 19529 at a liquid/solid ratio (L/S) of 2 l/kg and 10 l/kg are performed comparatively.
The results show that the new requirements of the planned amendment to the Federal Soil Protection and Contaminated Sites Ordinance certainly opens additional possibilities for reuse of soil-like materials. Even most soil-like materials within 2-3 x PV comply with the eluate value for PAH (0.2 μg/l) both in the batch test and in the column test at L/S 2 l/kg. Selected inorganic substances lead to similar evaluations. Therefore, the application of such soil-like materials outside of rootable soil layers would be possible. Previously, those materials were often used for landfill construction. In the future, a utilization in the adjacent environment by backfilling, recultivation, renaturation, composting or landscaping would be conceivable.
Monitoring von Mikroplastik
(2021)
Das Auftreten von Mikroplastik (MP) in aquatischen Ökosystemen ist bereits vielfältig dokumentiert. MP sind Kunststoffpartikel mit einer Größe kleiner als 5000 µm. Sie gelangen entweder als primäres MP (bspw. Zusätze in Kosmetikartikeln) oder als sekundäres MP (Fragmentierung größerer Kunststoffteile) in die Umwelt. Über die Existenz von Kunststoffpartikeln und deren Verbleib in terrestrischen Systemen ist wenig bekannt. Bis heute ist es unklar, ob MP im Boden durch Bodenerosion in die aquatische Umwelt transportiert wird und Boden somit als MP-Quelle für Gewässer fungiert, oder ob Partikel im Boden zurückgehalten werden und Boden eine MP-Senke darstellt. Hierzu sind aussagekräftige Messungen von Proben notwendig.
Das Fehlen harmonisierter Verfahren für die Probenahme, Probenaufbereitung und Detektion erschwert die aktuelle Diskussion. In den wenigen bisher veröffentlichten Studien fanden hauptsächlich spektroskopische Methoden wie FTIR- oder Raman-Mikroskopie als Detektionsverfahren Anwendung. Diese liefern in der Regel Aussagen über Partikelanzahlen.
Im vorliegenden Projekt soll als Analysemethode die von uns entwickelte ThermoExtraktionDesorption-GasChromatograpie-MassenSpektrometrie (TED-GC-MS) genutzt werden. Bei dieser Methode wird die Probe bis 600 °C erhitzt; die Zersetzungsgase werden auf einer Festphase sorbiert, anschließend in ein GS-MS-System überführt und dort desorbiert, getrennt und identifiziert. Die Methode erlaubt auf schnellem Wege über den Nachweis von spezifischen Zersetzungsprodukten die Identifikation einzelner Polymere, aber auch die quantitative Bestimmung des MP-Massegehaltes in einer Bodenprobe.
Ziel des vorliegenden Projektes ist die Entwicklung eines systematischen Protokolls zur Probenahme, Probenaufarbeitung und anschließenden Analyse mittels TED-GC-MS von MP in terrestrischen Proben. Neben der Erstellung einer systematischen Probenahmestrategie sind Probenaufarbeitungsschritte wie die Reduktion der anorganischen Matrix mittels Dichteseparation sowie die oxidative Zersetzung organischer Matrixbestandteile notwendig.
Im vorliegenden Tagungsbeitrag präsentieren wir die Anwendung der TED-GC-MS für die Bestimmung von MP in verschiedenen terrestrischen Umweltmatrizen.
Luminescent nanocrystals like core/shell semiconductor quantum dots and lanthanide doped nanophosphors as well as gold nanoclusters with emission in the visible (vis) and particularly in the near infrared (NIR) and short wavelength infrared (SWIR) region have been increasingly used as reporters in the life sciences and for bioimaging studies in the last years. This has led to sophisticated core-shell particle architectures of different chemical composition utilizing semiconductor quantum dots and lanthanide-based nanocrystals and initiated the design of gold nanoclusters with different ligands. In addition, this led to an increasing number of quantitative spectroscopic studies focusing on the key performance parameter photoluminescence quantum yield to identify optimum particle structures. In the following, an overview of different classes of nanocrystalline emitters and their photophysics is provided and examples for the absolute characterization of the photoluminescence properties of these different vis/NIR/SWIR emitters are shown including excitation power density-dependent studies on the ensemble and single particle level. Also, the impact of such measurements on a profound mechanistic understanding of the underlying nonradiative deactivation pathways is highlighted as required for reporter design.
Neubewertung von metallenen Dach- und Fassadenmaterialien unter Dauerhaftigkeits- und Umweltaspekten
(2023)
Metallene Dach- und Fassadenmaterialien unterliegen nach ihrer Installation infolge von Korrosions- und Abschwemmprozessen einem Abtrag von Metallionen. Durch Regenereignisse gelangen diese in umliegende Gewässer und Böden. Die verwendeten metallenen Werkstoffe, wie z.B. Kupfer und Zink bilden zeitabhängig schützende Deckschichten aus, die die Dauerhaftigkeit der Werkstoffe gewährleisten und damit den Austrag von Metallionen signifikant begrenzen. Die Geschwindigkeit der Deckschichtbildung sowie die erreichte Schutzwirkung sind von verschiedenen Umwelteinflüssen und klimatischen Bedingungen abhängig. Diese haben sich in den letzten Jahrzehnten in Europa stark verändert, so dass es einer aktuellen Datenbasis für die Bewertung der Dauerhaftigkeit und der Umweltauswirkungen bedarf. Im Rahmen eines Forschungsvorhabens werden aktuell Feldstudien zur Ermittlung des Runoffs und der Schutzwirkung der gebildeten Deckschichten durchgeführt. Ergänzt werden diese durch Laborversuche mit künstlicher Beregnung.
Der Vortrag stellt den aktuellen Stand des Forschungsprojekts RUNOFF vor. Dabei liegt der Fokus auf die Neubewertung der Dauerhaftigkeit von Zink und feuerverzinktem Stahl. Unter bewitterten Bedingungen erreichen beide Materialien stabile, karbonathaltige Deckschichten bereits nach einer Auslagerungszeit von zwei Monaten. In den parallel zu den Feldversuchen laufende Laborversuche werden aktuell der Einfluss dreier Faktoren (Ph-Wert, Winkel des Probenmaterials, Niederschlagsintensität) auf das Abschwemmverhalten von Zinkionen mithilfe eines an der BAM konstruierten Niederschlagsimulators untersucht.
Die Untersuchungen und Ausführungen im Vortrag belegen, dass verfügbare Modellvorstellungen zur Beschreibung der Deckschichtbildung und Korrosion von Zink unter aktuellen atmosphärischen Bedingungen in Europa nicht mehr gültig sind und neu bewertet werden müssen. So können beispielsweise bisher verfügbare Prognosemodelle den Korrosionsfortschritt nicht mehr ausreichend beschreiben, da durch die Verringerung des Schwefeldioxidgehaltes der Luft veränderte Mechanismen vorliegen.
Die Untersuchungen und Ausführungen im Vortrag belegen, dass verfügbare Modellvorstellungen zur Beschreibung der Deckschichtbildung und Korrosion von Zink unter aktuellen atmosphärischen Bedingungen in Europa nicht mehr gültig sind und neu bewertet werden müssen. So können beispielsweise bisher verfügbare Prognosemodelle den Korrosionsfortschritt nicht mehr ausreichend beschreiben, da durch die Verringerung des Schwefeldioxidgehaltes der Luft veränderte Mechanismen vorliegen.
Die Untersuchungen und Ausführungen im Vortrag belegen, dass verfügbare Modellvorstellungen zur Beschreibung der Deckschichtbildung und Korrosion von Zink unter aktuellen atmosphärischen Bedingungen in Europa nicht mehr gültig sind und neu bewertet werden müssen. So können beispielsweise bisher verfügbare Prognosemodelle den Korrosionsfortschritt nicht mehr ausreichend beschreiben, da durch die Verringerung des Schwefeldioxidgehaltes der Luft veränderte Mechanismen vorliegen.
Die Untersuchungen und Ausführungen im Vortrag belegen, dass verfügbare Modellvorstellungen zur Beschreibung der Deckschichtbildung und Korrosion von Zink unter aktuellen atmosphärischen Bedingungen in Europa nicht mehr gültig sind und neu bewertet werden müssen. So können beispielsweise bisher verfügbare Prognosemodelle den Korrosionsfortschritt nicht mehr ausreichend beschreiben, da durch die Verringerung des Schwefeldioxidgehaltes der Luft veränderte Mechanismen vorliegen.
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.
Die Kreislaufwirtschaftsinitiative der Europäischen Kommission fordert eine grundlegende Erweiterung bestehender Rechtsrahmen. Anforderungen zu einer gesetzlich vorgeschriebenen Lebensdauer, Reparierbarkeit, Recyclingfähigkeit, etc. von Produkten sollen unter der Ökodesign-Richtlinie geregelt werden. Bei diesem Vorhaben steht der Normungsauftrag M/543 im Zentrum. Es wurde 2015 von der Europäischen Kommission vergeben und bislang sind acht horizontale bzw. generische EN-Normen geplant. Trotz der zu erwartenden hohen Reichweite dieses Vorhabens scheinen die Inhalte und der eigentliche Zweck der zu erarbeitenden Normen vielen Marktakteuren noch nicht vollständig bekannt zu sein, daher sollen im Rahmen des Webinars diese Inhalte kurz vorgestellt werden.
For centuries, churches, secular buildings and museums have been furnished with valuable works of art. Many works of art are UV- and light-sensitive. It is well known that especially UV radiation causes damage and discoloration in paintings, textiles, plastics, wood and other materials. In particular, the wavelengths between 280 and 410 nm cause color changes, embrittlement or destruction of e.g. plastics over time. Therefore, strongly UV-absorbing glasses are advantageous for architecture and are necessary for the protection of cultural assets. As restorers in all disciplines become more and more aware, the demands placed on buildings and their furnishings in terms of climate are becoming increasingly detailed and precise. The aim in each case is to preserve the valuable artwork.
For some years now, the industry has been offering the protection of cultural objects by installing special UV-protective glasses. Currently, UV protection for church buildings is realized by laminated safety glass equipped with appropriate UV-protective plastic films. Technically, this always means a second pane of glass in front of the windows, which is installed outside the building. This creates climatic gaps that are difficult to control and deterioration due to ageing effects can be expected. At the same time, this protective glazing is not invisible and has a considerable aesthetic influence on the interior and exterior appearance of the building. Meanwhile, the preservation of historical monuments accepts such aesthetic cuts on buildings in order to protect the artwork in the interior from UV light. To this day, however, the long-term durability of UV protection provided by inserted plastic films is still controversial.
To date the only available alternative on the market is a mouth-blown UV protection glass which uses a so-called overlay to provide UV protection. This shows that UV protection can also be achieved by glasses without plastic films thus realizing an exclusive inorganic protection which normally is more stable than a polymeric one. So far there are not enough studies to prove long-term durability.
The aim of this project is to provide existing glazing or new glazing to be created with a highly transparent layer that ensures this UV-protective filter function below 400 nm. The glass coating is to be applied to the glass over a large area and fired into the surface like a classic ceramic enamel paint with the same technics. In addition, it should be long-term durable in its function. It means, that the glass has to be fused at temperatures below 630 °C during the firing process, its chemical durability has to be high, its coefficient of thermal expansion has to be as close as the one of the substrate (usually float glass) and the glass has to absorb the UV-radiation within a thin thickness (thinner as 100 µm).
In this project, the long-term durability of commercial UV-protective glasses is examined. New low melting glasses containing UV-absorbing ions are being developed. Their UV-absorption as a thin layer is analyzed as well as their chemical durability and their thermal properties.
We are grateful to BMWI for the financial support in the frame of the Central Innovation Programme for SMEs (ZIM).
Der Vortrag stellt eine Ergebniszusammenfassung des WIPANO-Vorhabens GELELEK im Hinblick auf eine Normung dar. Dafür wird das Projekt zunächst kurz vorgestellt, um anschließend auf normungsrelevante Parameter einzugehen. Dazu gehören insbesondere die Umgebungs- und Messbedingungen, die Herstellungsparameter der Gelpads, das Messverfahren selbst sowie die messbaren Proben. Ein erster Ausblick auf den Normvorschlag wird gegeben.