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)
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.
Microbiologically induced corrosion due to bacterial biofilms causes several problems in industrial systems, technical applications and in medicine. Prior to the formation of a biofilm on a substrate, planktonic cells attach on the surface. Hence, the properties of the surface play a key role in biofilm formation and are of great importance for the development of strategies to prevent bacterial attachment and biofilm formation.
This project aims at clarifying to which extent surface micro-/nanostructuring and chemical functionalization affects bacterial attachment and whether a synergistic combination of the two can be used to control bacterial adhesion. To answer these questions, model surfaces with regular patterns of 5-10 micrometers in size have been prepared, which provide distinct zones differing in terms of their chemistry or nano-roughness. This was achieved by micro contact printing of self-assembled monolayers with different functional groups and deposition of patterned ZnO nanorod arrays for studying the effect of surface chemistry and morphology, respectively. Typical contrasts studied were combinations of positively/negatively charged, hydrophobic/hydrophilic or flat/rough.
The attachment behavior of bacteria on tailored surfaces were studied in a flow chamber as a function of time. The strain Pseudomonas fluorescens SBW25 was chosen as a model organism. DNA-intercalating dyes such as Syto9 have a high affinity to adsorb on ZnO nanorods. To overcome this limitation a genetic modification was performed by introducing a gene which expresses a green fluorescent protein in P. fluorescens SBW25 enabling the quantitative evaluation of the flow chamber studies by means of fluorescence microscopy. Further analysis of the attachment behavior was performed by means of scanning electron microscopy.
The presentation will summarize the results of our systematic study on the role of individual parameters on bacterial attachment and highlight synergistic combinations, showing an inhibition or enhancing effect. As the investigations with model substrates enable a precise control of the surface parameters, this approach can be applied to different microorganisms and material systems to achieve a correlative description of bacterial adhesion on solid surfaces.
Weathering reference materials are used to characterize the harshness of an exposure, aiming on either reproducibility of a specific exposure or on the comparability between various kinds of weathering exposure.
The materials that are used as weathering reference materials differ in their sensitivities (as well as in interactions and interferences of the latter), conditioned by the different processes which lead to the respective property change. It is also essential to take into account the necessary measurement equipment for the respective property change, in order to allow timely intervention.
What are the key issues on choosing a weathering reference material?
What can be learned from the weathering reference materials, investigated so far?
Possibilities and limitations are discussed on the basis of existing weathering reference materials. Conclusions are drawn, for establishing new weathering reference materials.
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.
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.
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.
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.
Der mitteleuropäische Mensch hält sich 80 – 90 % der Zeit in Innenräumen auf. Je nach Aktivität atmet er 10 – 20 m³ bzw. 12 - 24 kg Luft täglich, das ist weit mehr als das Doppelte der Summe an Essen und Trinken. Die technischen Voraussetzungen für die Bestimmung von Emissionen aus Bauprodukten in die Luft liegen vor – harmonisierte horizontale Prüfnorm EN 16516. Es dürften mittlerweile zig-tausende Emissionsdatensätze vorliegen. Defizite gibt es bei der Kennzeichnung zur Unterscheidung emissionsarmer und emissionsreicher Produkte, die bestehende CE-Kennzeichnung ist unvollständig, ersatzweise gibt es nationale Regelungen.
Gerade bei modernen, dichten Bauten mit geringem natürlichen Luftwechsel sind hohe Schadstoffkonzentrationen zu erwarten, wenn nicht emissionsarme Materialien und Produkte zum Einsatz kommen.