Umwelt-Material-Interaktionen
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In a laboratory test, transparent high‐density polyethylene (HDPE) jerrycans have been exposed to both UV radiation and 55 wt‐% nitric acid solution at (41 ± 2)°C, for up to 20 days. For comparison, UV radiant exposure (21 days) and nitric acid exposure (up to 6 weeks) were performed separately, at nearly equal temperatures. The damages are compared with FTIR spectroscopy in ATR and HT‐gel permeation chromatography(GPC) on a molecular level and with hydraulic internal pressure testing as a component test. For the used jerrycans, relevant oxidation can only be found after the combined exposure. This is caused by the decomposition of nitric acid into nitrous gases by UV radiation, which is also observed at lower concentrations (28 wt‐%). After 6 days of laboratory exposure, this is rated as critical, which corresponds to about 1/10 year in Central Europe, according to the UV radiant exposure. The gradual increase in oxidative damage shows the reproducibility of the test.
Functionalized nanomaterials (NM) with their unique size-dependent properties are of increasing relevance for current and future developments in various fields such as medical and pharmaceutical industry, computing, electronics or food and consumer products. The performance and safety of NM are determined by the sum of their intrinsic physicochemical properties.1 Besides other key parameters, the particle surface chemistry, which is largely controlled by the chemical nature and density of functional groups and ligands, must be considered for a better performance, stability, and processibility of NM, as well as their interaction with the environment. Thus, particle standards with well-designed surfaces and methods for functional group quantification can foster the sustainable development of functional and safe(r) NM.2 Here we provide a brief overview of the ongoing research in division Biophotonics to design tailored amorphous silica reference particles with bioanalytically relevant functional groups and ligands, for the development of standardized and validated surface functional group quantification methods.
The overall interest in nanotoxicity, triggered by the increasing use of nanomaterials in the material and life sciences, and the synthesis of an ever increasing number of new functional nanoparticles calls not only for standardized test procedures1,2 and for efficient approaches to screen the potential genotoxicity of these materials, but also for standardized and validated methods for surface analysis.
4,5 The analysis and quantification of surface chemistry is hence in the focus of an increasing number of standardization organizations and interlaboratory comparisons with different analytical methods are being done.5 For the monitoring of nanomaterial synthesis and the fast assessment of the number of functional groups such as carboxyl and amino functionalities, which are very commonly used functionalities in the life sciences, simple and validated methods are needed that can be performed with common laboratory instrumentation. 5,6 Here we provide a brief overview of the ongoing research in division Biophotonics employing quantitative NMR (qNMR), conductometry, and colorimetric and fluorometric optical assays for the determination of the total and the accessible number of carboxyl and amino groups on differently sized polymer and silica nano- and microparticles.5-7
Zur Weiterentwicklung der Probenpräsentation wurde ein Adapter entwickelt, der Emissionsprüfkammer und Bewertungstrichter miteinander verbindet und dadurch eine der direkten Messung vergleichbare Geruchsbewertung ermöglicht. Die analytischen Messungen zeigen, dass es kaum Unterschiede in der Zusammensetzung der Probenluft in der Kammer im Vergleich zum Probenbehälter gibt. Bei den olfaktorischen Messungen kam es jedoch bei der Bewertung der Probenluft mit Hilfe des Adapters zu Minderbefunden. Anschließende Untersuchungen zeigten, dass beim Ausschalten des Geräts Umgebungsluft über den Trichter in den Adapter strömt und zu einer Verdünnung der Probenluft führt. Um dies zu vermeiden, werden derzeit weitere Messungen durchgeführt.
Eine weitere Versuchsreihe wurde durchgeführt, um den Messaufwand bei der Bewertung der empfundenen Intensität zu reduzieren. Die entwickelte „größer-oder-kleiner/gleich“ Abfrage kann hier hilfreich sein. Die Untersuchungen im Luftqualitätslabor und im Rahmen eines Ringversuches mit verschiedenen Laboren, zeigen, dass die Abfrage in fast allen Fällen zu den gleichen Ergebnissen führt, wie die normgerechte aber aufwendigere Ermittlung der empfundenen Intensität mithilfe des Vergleichsmaßstabes.
Das Grundproblem der heute verfügbaren und normativ geregelten Prüfverfahren für Zinküberzüge besteht neben den realitätsfernen Prüfbedingungen vor allem in der subjektiv geprägten Auswertung der Prüfergebnisse. Die systematische Betrachtung der Entwicklungen der letzten Jahre zeigt, dass die üblichen Verfahren den aktuellen Anforderungen damit schon vom Ansatz her nicht gerecht werden können und auch die bisher betriebene, fortlaufende Variation und Anpassung von Prüfbedingungen keinen grundlegend neuen Lösungsansatz bieten können. Ein solcher ergibt sich nur, wenn die Zinküberzüge hinsichtlich der kinetischen Eigenschaften der Deckschichtbildung und -auflösung umfassend beschrieben werden können, was nur durch den Einsatz elektrochemischer Untersuchungsmethoden mittels Gelelektrolyten möglich ist.
Aus diesem Grund wurde im Verbundforschungsvorhaben GELELEK auf der Basis elektrochemischer Methoden unter Verwendung eines Gelelektrolyten ein Normenvorschlag für eine Prüfnorm erarbeitet und zur Normungsreife geführt, welcher den Anforderungen an ein Messsystem für Feldanwendungen entspricht.
Im Verbundforschungsvorhaben GELELEK wurde eine gezielte Kombination von Laboruntersuchungen mit Untersuchungen im Feld und Bauteilen unter realen Einsatzbedingungen angestrebt. Randbedingungen für eine gesicherte Messung von atmosphärisch bewitterten Zinküberzügen unter Einsatz von Gelelektrolyten wurden erarbeitet und im Normenvorschlag festgeschrieben. Darüber hinaus wurde ein mobiles Messgerät für Messungen mit Gelelektrolyten an realen Bauteilen entwickelt. Nach Abschluss des Forschungsvorhabens steht Industrievertretern und Prüfinstituten ein wissenschaftlich gesichertes Messverfahren basierend auf Kennwerten zur Verfügung, um Zinküberzüge und deren momentane Schutzwirkung unter praxisrelevanten Bedingungen einschätzen und normativ geregelt prüfen zu können.
Der vorliegende Forschungsbericht gibt einen Überblick über die Motivation zur Durchführung des Forschungsvorhabens, wichtige Arbeitsschritte, Details zur entwickelten Prüfmethode sowie Einsatzmöglichkeiten für Prüfinstitute und Unternehmen.
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. Here, the stabilizing extracellular biofilm matrix together with physiological changes on the single cell level leads to an increased resilience towards harsh environmental conditions, antimicrobials, the host immune response and established cleaning procedures. Persistent microbial adhesion on e.g., medical implants, in water supply networks or food-processing industry is often associated with chronic inflammation, nosocomial and foodborne infections, enhanced biofouling and product contamination. To prevent persistent microbial colonization, antibacterial surface strategies often target the initial steps of biofilm formation and impede adhesion of single cells before a mature biofilm is being formed. While chemical coatings have been widely used, their restricted biocompatibility for eukaryotic cells and attenuated antibacterial-effects due to compound release limit their areas of application and alternative strategies focus on modified surfaces topographies to impede bacterial adhesion. In this work, we used ns-UV laser treatment (wavelength 248 nm and a pulse duration of 20 ns) to generate laser-induced periodic surface structures (LIPSS) with different submicrometric periods ranging from ~210 to ~610 nm on commercial poly(ethylene terephthalate) (PET) foils. Following structurally and chemically analyses, PET samples were subjected to bacterial colonization studies with Escherichia coli TG1, a bacterial test strain with a strong biofilm formation capacity due to the formation of nanofiber-like cell-appendages (pili). Bacterial adhesion tests revealed that E. coli repellence decisively depends on the spatial periods of the LIPSS with the strongest reduction (~91%) in cell adhesion observed for LIPSS periods of 214 nm. Scanning electron microscopy and additional biofilm studies using a pili-deficient E. coli TG1 strain revealed the importance of extracellular appendages in the bacterial repellence observed here, thus, pointing out new antibiotics-free strategies for antibacterial surfaces by impeding nanofiber-mediated bacterial adhesion.
The processing of laser-induced periodic surface structures (LIPSS) represents a simple and robust way for the nanostructuring of solids that allows creating a wide range of surface functionalities featuring applications in optics, tribology, medicine, energy technologies, etc. While the currently available laser and scanner technology already allows surface processing rates at the m2/min level, industrial applications of LIPSS are sometimes hampered by the complex interplay between the nanoscale surface topography and the specific surface chemistry. This typically manifests in difficulties to control the processing of LIPSS and in limitations to ensure the long-term stability of the created surface functions. This presentation aims to identify some unsolved scientific problems related to LIPSS, discusses the pending technological limitations, and sketches the current state of theoretical modelling. Hereby, it is intended to stimulate further research and developments in the field of LIPSS for overcoming these limitations and for supporting the transfer of the LIPSS technology into industry.
The roles extracellular polymeric substances (EPS) play in mineral attachment and weathering were studied using genetically modified biofilms of the rock-inhabiting fungus Knufia petricola strain A95. Mutants deficient in melanin and/or carotenoid synthesis were grown as air-exposed biofilms. Extracted EPS were quantified and characterised using a combination of analytical techniques. The absence of melanin affected the quantity and composition of the produced EPS: mutants no longer able to form melanin synthesised more EPS containing fewer pullulan-related glycosidic linkages. Moreover, the melanin-producing strains attached more strongly to the mineral olivine and dissolved it at a higher rate. We hypothesise that the pullulan-related linkages, with their known adhesion functionality, enable fungal attachment and weathering. The released phenolic intermediates of melanin synthesis in the Δsdh1 mutant might play a role similar to Fe-chelating siderophores, driving olivine dissolution even further. These data demonstrate the need for careful compositional and quantitative analyses of biofilm-created microenvironments.