Umwelt-Material-Interaktionen
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- 7.6 Korrosion und Korrosionsschutz (42)
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- 1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien (34)
- 4.0 Abteilungsleitung und andere (34)
- 4.2 Material-Mikrobiom Wechselwirkungen (32)
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.
Der Vortrag fasst die Schnittmenge zwischen Normung und Politik bezüglich einer zirkulären Wirtschaft (Circular Economy) zusammen. Es wird an konkreten Schlüsselgremien und praktischen Beispielen gezeigt, wie Circular Economy bereits heute durch Normung gelingen kann und welche Zuarbeit durch die Politik von den Normungsgremien erbeten wird.
Eines haben die Krisen dieses Jahrzehnts gemeinsam: Sie motivieren zum Handeln. Bezüglich der Klimakrise wird eine grundlegende Änderung unseres Wirtschaftens als wesentlicher Lösungsweg gesehen. Die aktuell praktizierte lineare Wertschöpfung führte zu Ressourcenknappheit und -abhängigkeit und trug aktiv zur Verstärkung des Klimawandels bei. Wie wir in diesem Jahrzehnt unseren Absprung von gewohnten Produktions-, Konsum- und Verwertungsmustern gestalten, wird entscheidend für die nächsten Jahrzehnte sein. Die Frage, wie bis 2030 die Transformation hin zu einer zirkulären Wirtschaft gelingen kann, wurde u.a. von der Circular Economy Initiative Deutschland beantwortet. Sie nennt zehn Handlungsschwerpunkte, wobei „Standardisierung“ mit an wichtigster Stelle steht. Dieses beruht auf Gegenseitigkeit. Auf der diesjährigen G7 Standardisation High-level Conference wurde Circular Economy zu dem Themabereich mit dem größten Potential für Klimaschutzmaßnahmen gesehen.
In 2022 haben DIN, DKE und VDI mit über 500 Fachexperten aus Wirtschaft, Wissenschaft und Politik an einer Normungsroadmap Circular Economy gearbeitet. Die BAM war in fünf von sieben Schwerpunktthemen beteiligt. Ziel der Roadmap ist es, einen Handlungsrahmen für die Normung und Standardisierung zu schaffen, der die Transformation hin zu einer Circular Economy fördert. Normen und Standards bilden den untergesetzlichen und technischen Rahmen, auf denen eine zirkuläre Wirtschaft aufwachsen kann. Sie definieren Schnittstellen und stellen eine klare Kommunikation zwischen den verschiedenen Phasen des zirkulären Kreislaufes sicher – sie machen einen Kreislauf erst möglich.
In der Präsentation sind die Highlights der Normungsroadmap Circular Economy dargestellt. Die Roadmap liefert einen Überblick über die aktuelle Normungslandschaft sowie die An- und Herausforderungen zu Schwerpunktthemen wie Elektrotechnik, Kunststoffe, Verpackungen, Textilien, Bauwerke, etc. Mit >250 Normungs- und Standardisierungsbedarfen zeigt die Roadmap konkrete Handlungsfelder auf, ebenfalls mit Überschneidungen zum Geschäftsfeld der BAM.
Der Vortrag umfasst eine Einsortierung der Circular Economy in der Normung, skizziert die Inhalte der DIN/DKE/VDI-Normungsroadmap Circular Economy bezüglich Digitalisierung, Elektrotechnik und IKT sowie Batterien und zeigt Schnittstellen zur Politik. Zum Schluss zeigt der Vortrag erste Ansätze zur Umsetzung der in der Normungsroadmap beschriebenen Normungsbedarfe.
The properties of nanomaterials are influenced not only by their chemical composition but also by physical properties (such as size, geometry and crystal structure). For the reliable determination and assessment of behaviour and effects of nanomaterials as well as for the determination of the exposure of humans and environment a comprehensive physical-chemical characterization of nanomaterials is essential. This is an important prerequisite to identify them as nanomaterials and to interpret and compare test results and - in future – to forecast interaction and effects of nanomaterials.
In 2006, the OECD launched a sponsorship program for the testing of nanomaterials in which 11 nanomaterials were thoroughly investigated using a variety of methods. The aim of the project was, among other things, to find out where problems occur and where there are gaps in the measurement and test procedures and where are changes required. An important outcome of the sponsorship program was the finding that the OECD Test Guidelines should in several cases be extended to the specific needs in testing of nanomaterials. The existing standardized test methods of the OECD for physical-chemical characterization have not been developed for nanomaterials in particular. A high demand for an extension of the test guidelines was identified. Germany complied with the OECD's request in 2017 and has agreed to extend the “Test Guideline on Particle Size Distribution / Fiber Length and Diameter Distributions Test Guideline” for Manufactured Nanomaterials (MN). UBA commissioned BAM and BAuA with the preparation of the Test Guideline. The aim of the project is the development of a harmonized test protocol for a valid and reproducible determination of particle size and size distribution which is one of the most relevant physical-chemical properties for MNs.
Different measuring methods provide different results for the size distribution of the particles. This is caused by the different measuring principles of the methods. Each method measures a specific parameter that ultimately determines particle size. First, the measured quantity differs for each method (Scattered light intensity, 2D image / projection, electric mobility, etc.). Second, the calculated diameters of the MN may differ (Feret Diameter, Area Projection, Mobility Diameter, Aerodynamic Diameter, Hydrodynamic Diameter). Third, a measuring method provides a size distribution which is measured either mass-based, surface-based or number-based. A conversion between the results requires additional parameters and thus possibly increases the measurement error.
In addition to the technical differences, the individual parameters are strongly influenced by the structure and material of the nanoparticles. For example, a surface functionalization can lead to very different results in the size distribution. The suitability of measurement methods differs with the material of the MN. As a result, two very different results can be measured for the particle size distribution using two different methods, which are nevertheless both correct. Several large projects in recent years therefore concluded that nanomaterials should be characterized by at least two complementary method. Imaging techniques are regarded as one of these methods for the characterization, the complementary methods are supposed to be statistical methods.
The different results for the size distribution of nanomaterials become problematic for the registration of new MN. A comparable and reproducible size distribution is a prerequisite for a standardized registration. In the future, the particle size distribution in the EU will also decide on the classification of a substance as a nanomaterial or as a non-nanomaterial. Especially in borderline cases, a standardized and comparable measurement methodology is therefore essential.
This presentation was held in an OECD Webinar introducing the newly developed and published OECD TG 125 on particle size and size distribution. The presentation is explaining the structure if the TG 125 and addresses all included methods and methodologies in a short and understandable way for the broader public. The presentation includes sections about nano-particles and nano-fibres.
In arid sun-exposed environments, rock-inhabiting fungi dominate microbial communities on rock surfaces. Fungi are known to enhance rock weathering, although the exact mechanisms are not completely understood. These natural processes can be simulated by reproducible experimental systems. Particularly attractive are genetically amenable rock-weathering fungi, where certain traits can be knocked-out to identify weathering-relevant functions. Here, we studied the effect of the rock-inhabiting fungus Knufia petricola A95 and its melanin-deficient mutant (ΔKppks) on the weathering of a Fe-bearing olivine. We examined the olivine dissolution kinetics and looked at the olivine-fungus interface. For the former we inoculated olivine powder with the fungus in batch and mixed flow reactors and analysed the medium solution by ICP-OES, for the latter biofilm-covered olivine sections from flow-through reactors were analysed by FIB-TEM.
In general olivine dissolution was lower when olivine was incubated without fungi: the abiotic olivine dissolution rates were lowest and the surface of the abiotically reacted olivine sections showed no etching. Various chemical analyses show Fe (oxyhydr)oxide precipitation on top of the abiotically reacted olivine, indicating its role in inhibiting olivine dissolution. Both the wild type (WT) and ΔKppks solubilised and bound significant amounts of Fe released by olivine dissolution. Fe (oxyhydr)oxide precipitation was thus reduced, explaining the enhanced olivine dissolution in their presence. Particularly efficient at preventing Fe precipitation were attached WT cells: the inhibition of olivine dissolution almost completely disappeared. The attachment capacity of the WT is most likely caused by the production of WT-specific extracellular polymeric substances. Our presented experimental systems allowed the precipitation of Fe (oxyhydr)oxides and included a rock-inhabiting fungus and thus simulated weathering processes relevant to natural ecosystems.
Any surface in the environment acts as hotspot for microbial attachment and activity. These biofilms represent the interface between humans and the environment.
While in the past biofilms were often seen as disturbance, we now start to understand the enormous potential of beneficial biofilms. They can be used in a broad range of applications and are sources for new microorganisms and traits. After all, biofilms represent a great example for a collaborative lifestyle.
Bei der vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Förderinitiative „BonaRes“ steht die nachhaltige Nutzung der knappen Ressource Boden im Fokus. Das durch BonaRes geförderte Verbundprojekt „Intelligence for Soil“ (I4S) hat sich die Entwicklung eines integrierten Systems zur ortsspezifischen Steuerung der Bodenfruchtbarkeit zur Aufgabe gemacht, welches Empfehlungen zur Anpassung der Düngung und anderer Maßnahmen gibt, um die Bodenfunktionen zu verbessern und Umweltbelastungen zu vermindern. Das System soll aus drei Hauptkomponenten bestehen:
- Mobile Sensorplattform zur hochauflösenden Kartierung der Bodeneigenschaften (BonaRes Mapper). Die Sensorplattform enthält Bodensensoren zur komplexen Erfassung bewirtschaftungsrelevanter Bodeneigenschaften in situ.
- Dynamische Bodenmodelle (Nährstoff-, Wasser-, C-Haushalt) zur Verarbeitung der Sensordaten und Erzeugung entscheidungsrelevanter Informationen,
- Entscheidungsunterstützungssystem (EUS), welches in die Bodenmodelle agronomische und sozioökonomische Randbedingungen integriert, Düngungsempfehlungen ausspricht und Bodenfunktionen bewertet. Der Output des EUS sind insbesondere Düngungskarten für die ortsspezifische Düngung im Rahmen von Precision Agriculture.
Der Erhalt und die Verbesserung der Fruchtbarkeit von Böden durch landwirtschaftliche Bewirtschaftungsmaßnahmen erfordert sorgfältig geplante Entscheidungen, die auf einer detaillierten Erfassung der Bodeneigenschaften und einem vertieften Verständnis der Bodenprozesse beruhen. Durch konventionelle, flächeneinheitliche Bewirtschaftungen (z.B. Düngung) können zum einen Ertragsverluste durch zu geringe Bewirtschaftungsintensität auf dem einen Teil der Fläche verursacht werden, während andere Teile des Feldes zu hohe Dosen erhalten und es dadurch zu Umweltbelastungen oder zu Verschwendung von Ressourcen kommt. Trotz der Verfügbarkeit von Technologien für ortsspezifische Düngung ist die Akzeptanz ortsspezifischer Bewirtschaftung (Precision Agriculture) in der Praxis noch gering. Ein wesentlicher Grund dafür ist das Fehlen von kostengünstigen Methoden zur Erfassung der bewirtschaftungsrelevanten Bodenmerkmale. Für die elementanalytische Untersuchung von Böden vor-Ort ist eine zuverlässige Analytik und Prozessüberwachung wie z.B. durch RFA oder LIBS erforderlich.
Calcium sulfate minerals are abundant in natural and engineered environments and they exist in the form of three hydrates: gypsum (CaSO4·2H2O), bassanite (CaSO4·0.5H2O), and anhydrite (CaSO4). Due to their relevance in natural and industrial processes, the formation pathways of these calcium sulfate phases from aqueous solution have been the subject of intensive research1.
The state-of-the-art of the calcium sulfate formation mechanisms builds upon and goes beyond what we have come to appreciate in the astounding intricacy of other mineral formation processes from ions in aqueous solutions. The original, and rather naive, 'textbook' image of these phenomena, stemming from the adaptation of classical nucleation and growth theories, has increased in complexity due to the discovery of a variety of precursor and intermediate species2. These include solute clusters (e.g. prenucleation clusters, PNCs), liquid(-like) phases, as well as amorphous and nanocrystalline solids etc.. In this context, a number of studies have already revealed that nucleation in the CaSO4-H2O system is non-classical, where the formation of the different crystalline phases involves several steps including a common amorphous precursor1, 3, 4.
In this contribution we show that the formation of the amorphous phase involves the aggregation of small primary particles into larger disordered aggregates exhibiting a "brick-in-the-wall" structure5, 6. The actual crystallization occurs by the restructuring and coalescence of the particles ("bricks") into a given calcium sulfate phase depending on the physicochemical conditions of the solution. Importantly, the rearrangement process does not continue until a (nearly-)perfect homogeneous single crystal is obtained. Instead it comes to a stop, or at least significantly slows down. Such a process thus yields a final imperfect mesocrystal, composed of smaller domains rather than a continuous crystal structure, within which the domains are separated by an amorphous (i.e. less ordered) calcium sulfate phase.
Hence, the non-classical crystallization process of CaSO4 yields a final imperfect mesocrystal with an overall morphology resembling that of a single crystal, yet composed of smaller nano-domains. Importantly, these observations reveal that organic-free calcium sulfate mesocrystals grown by a particle mediated-pathway preserve in the final crystal structure a “memory” or “imprint” of their non-classical nucleation process, something that has been overlooked until now. Furthermore, the nano-scale misalignment of the structural sub-units within these crystals can propagate through the length-scales, and be expressed macroscopically as misaligned zones/domains in large single crystals. Indeed, by considering large anhydrite crystals from the famous Naica Mine (“Cueva de los cristales”) we observed a suite of correlated self-similar void defects spanning multiple length-scales7. These flaws, in the macroscopic crystal, stem from “seeds of imperfection” originating from a particle-mediated nucleation pathway. Hence, building a crystal could be viewed as Nature stacking blocks in a game of Tetris, whilst slowly forgetting the games core concept and failing to fill rows completely.
Simple particulate matter sensors are gaining popularity due to their low price, easy handling and good temporal resolution. In this presentation, we report on the performance of a Sharp optical PM sensor GP2Y1010AU0F, which costs less than 15 €.
The sensor is built around an infrared emitting diode (ILED) and a phototransistor detecting the light scattered from the aerosol particle. An electronic circuit shapes the detected light in a pulsed signal. The manufacturer advises sampling the output signal 280 microseconds after the ILED pulse. The measured output voltage is an indicator of dust concentration.
We have built two identical simple PM monitoring devices using Raspberry Pi 3 computer interfacing the PM sensor with Microchip’s MCP3002 ADC via SPI. The ADC is capable of more than 100 ksamples/s at 10-bit resolution. The Rpi3 was pulsing the sensor at 10Hz, digitizing and saving the data and sending the results wirelessly.
Sensor’s output pulse shape was sampled with 10 microsecond time steps and saved, thus making offline analysis possible. A time jitter of output pulses can be observed and suggests a peak fitting as a better approach to the signal readout compared to the single sampling at a fixed time after pulse triggering We compared both methods.
Neuartige Materialien, die bekannte (Werk-)Stoffe mit neuen Funktionalitäten ausstatten, spielen eine zunehmend wichtige Rolle im Bereich der Materialforschung und -prüfung. Das Spektrum neuartiger Materialien reicht von der gezielten Oberflächenfunktionalisierung und -strukturierung makroskopischer Materialien, dünnen Beschichtungen bis hin zu mikro- und nanoskaligen Kompositmaterialien und funktionalen Materialien an der Schnittstelle zur Biologie, Biotechnologie, nachhaltige Energiespeicherung und Sensorik. Dabei bieten neuartige Materialien die Chance, Werkstoffe und Produkte mit erweiterter oder verbesserter Funktionalität zu erhalten und Sicherheit bereits im Designprozess zu berücksichtigen. Durch dieses breite Anwendungsspektrum und die Herausforderungen, die solche Materialien für die Sicherheit in Chemie und Technik mit sich bringen, sind diese in allen Themenfeldern der BAM repräsentiert (Material, Analytical Sciences, Energie, Infrastruktur und Umwelt).
Die Aufgaben der BAM erstrecken sich dabei von der Herstellung von Referenzmaterialien für Industrie, Forschung und Regulation, über die Erstellung von standardisierten Referenzverfahren für nachhaltige Messungen im Umwelt- und Lebenswissenschaftsbereich bis hin zur Bereitstellung von belastbaren und zitierbaren Referenzdaten. Durch die genaue Charakterisierung neuartiger Materialien können potentiell problematische Substanzen identifiziert und deren Risiken besser abgeschätzt werden. In diesem Beitrag werden einige aktuelle Beispiele aus diesen Bereichen vorgestellt.
Most microorganisms live in environments where nutrients are limited and fluctuate over time. Cells respond to nutrient fluctuations by sensing and adapting their physiological state. Recent studies suggest phenotypic heterogeneity in isogenic populations as an alternative strategy in fluctuating environments, where a subpopulation of cells express a function that allows growth under conditions that might arise in the future. It is unknown how environmental factors such as nutrient limitation shape phenotypic heterogeneity in metabolism and whether this allows cells to respond to nutrient fluctuations. Here, we show that substrate limitation increases phenotypic heterogeneity in metabolism, and this heterogeneity allows cells to cope with substrate fluctuations. We subjected the N2-fixing bacterium Klebsiella oxytoca to different levels of substrate limitation and substrate shifts, and obtained time-resolved single-cell measurements of metabolic activities using nanometre-scale secondary ion mass spectrometry (NanoSIMS). We found that the level of NH4+ limitation shapes phenotypic heterogeneity in N2 fixation. In turn, the N2 fixation rate of single cells during NH4+ limitation correlates positively with their growth rate after a shift to NH4+ depletion, experimentally demonstrating the benefit of heterogeneity. The results indicate that phenotypic heterogeneity is a general solution to two important ecological challenges - nutrient limitation and fluctuations - that many microorganisms face. Currently, we use NanoSIMS to develop a new approach that defines functionally-relevant, phenotypic biodiversity in microbial systems. In the last part of my presentation, I will highlight why the concept of phenotypic diversity is relevant for the understanding of antimicrobial resistance.
Phenotypic heterogeneity in disinfection: sources and consequences for antimicrobial resistance
(2022)
A summary of projects here at BAM which investigate the influence of phenotypic heterogeneity on the outcome of disinfection and the influence on antimicrobial resistance. This presentation was given in the Theory Seminar of the Quantitative and Theoretical Biology group of Prof. Oliver Ebenhöh at HHU Düsseldorf
Sunlight, the major source of energy, drives life but in excess it provokes UV-induced DNA damage, accumulation of reactive oxygen species, desiccation, osmotic stresses and so on. Biological strategies to survive excess light include protection, avoidance and active utilisation. Phototrophic organisms including cyanobacteria, green algae and plants use all three strategies. Fungi occupying phototrophic niches may profit from the surplus photosynthetic products which also obliges them to cope with the same light-induced stresses. One way of handling these stresses would be to use similar signalling pathways to sense the presence and to interact with their phototrophic partners. Obviously, the levels of adaptation and responses to light will depend on the environment as well as fungal genotype and phylogenetic position. Black fungi – a polyphyletic group – accumulate the dark pigment DHN melanin in their cell walls and often occupy light-flooded habitats from phyllosphere to rock surfaces. Here we compare two sequenced melanised fungi of different lifestyles in their response to light.
The Leotiomycete Botrytis cinerea is an aggressive pathogen that primarily infects the above-ground parts of plants. It possesses large numbers of photoreceptors that respond to a broad spectrum of light. As a consequence, light controls morphogenesis in which it induces conidiation for disease spreading and represses sclerotial development for survival and/or sexual recombination. Cellular components involved in photo-perception and regulation of morphogenesis, stress responses and virulence have been identified and appear to regulate propagation, survival and infection. These include phytochromes, a group of photoreceptors which are particularly enriched in the Leotiomycetes and that mediate coordinated responses to light and elevated temperatures. Assuming that photo-regulation may be equally important for fungi that live in mutualistic relationships with phototrophs either by forming composite organisms or biofilms, we investigate the role of light in the rock-inhabiting Eurotiomycete Knufia petricola. Like other black yeasts, K. petricola grows slowly, does not form specialised reproductive structures and constitutively produces DHN melanin as well as carotenoids. Combining K. petricola with the cyanobacterium Nostoc punctiforme, we developed a model system for studying biofilm formation and bio-weathering. A genetic toolbox to manipulate this model system is being developed. K. petricola strain A95 possesses ten putative photoreceptors, more than found in filamentous Eurotiomycetes suggesting that light plays an important role for abiotic and biotic interactions in extremo-tolerant and symbiosis-capable fungi.
Fungi that share light-flooded habitats with phototrophs may profit from their excess photosynthetic products. Sunlight-associated stresses are however multiple: high temperatures, UV radiation with associated DNA damage, accumulation of reactive oxygen species (ROS), desiccation and osmotic stresses. Ascomycota dominating light-flooded habitats accurately sense and respond to changes in light using it as a cue to coordinate growth, stress responses as well as to establish pathogenic or symbiotic relationships. Two species from two light-flooded habitats – phyllosphere and sun-exposed solid surfaces – were analysed for their photoreceptor distribution.
In both habitats phototroph-associated and black [dihydroxynaphthalene (DHN) melanin-containing] fungi are prevalent. This diversity was sampled with the plant-associated fungus Botrytis cinerea (Leotiomycetes), while Knufia petricola (Eurotiomycetes) was included as a typical biofilm-former on sun-exposed solid surfaces e.g. rocks, building facades, roofs, and solar panels. The analysis has shown that genomes of black fungi contain more photoreceptors than animal pathogens and saprophytes such as Aspergillus nidulans and Neurospora crassa1,2. B. cinerea that causes the grey mould disease by infecting the above-ground parts of more than 200 dicots has a highly sophisticated photosensory and signalling system that helps to avoid light and to locate susceptible hosts1.
Rock-inhabiting Dothideomycetes and Eurotiomycetes including Knufia petricola possess equal numbers of photoreceptors along with the same set of protective metabolites i.e. melanin, carotenoids and mycosporines2. This similarity between black fungi from plant and rock surfaces suggests that photoperception and -regulation are important for sun-stressed fungi that receive nutrients through cooperation with phototrophs. CRISPR/Cas9-based genetic tools for manipulating K. petricola were established3 and are currently used for elucidating the functions of the different photoreceptors in the biology of rock-inhabiting fungi.
This work was supported by the grant SCHU 2833/4-1 from the German Research Foundation (DFG) and internal funds of the BAM.
Fungi that share light-flooded habitats with phototrophs may profit from excess photosynthetic products. But to cope with sunlight-associated stresses it is important for fungi to accurately sense and respond to changes in light. To test the hypothesis that light is an environmental cue that Ascomycota use to coordinate growth, stress responses as well as to establish pathogenic or symbiotic relationships, the photoreceptor (PR) distribution in species from different ecological niches was analysed. The genomes of black fungi from phyllosphere and exposed solid surfaces contain multiple photoreceptors (PRs). The filamentous foliar plant pathogen Botrytis cinerea (Leotiomycetes) has a highly sophisticated photosensory and signalling system that helps to avoid light and to locate susceptible hosts. Rock-inhabiting Dothideo- and Eurotiomycetes including Knufia petricola possess equal numbers of PRs along with the same set of protective pigments. This similarity between black fungi from plant and rock surfaces suggests that photoperception and photoregulation are important for fungi that avoid loss of energy and nutrients through cooperation with phototrophs.