Sanitär- und Kommunaltechnik; Umwelttechnik
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Die voranschreitende Digitalisierung, die Globalisierung sowie die daraus resultierende beschleunigte technologische Entwicklung bringen heute für die Industrieländer Herausforderungen im Hinblick auf Wachstum, Beschäftigung und Strukturwandel mit sich, denen nur mit einer entsprechenden Innovationsdynamik und -dichte begegnet werden kann. Grundvoraussetzung hierfür ist eine leistungsfähige Forschung und Entwicklung ebenso wie Wissens- und Technologietransfer zur Umsetzung von Forschungsergebnissen in marktfähige Produkte und Dienstleistungen. Europa hat sich im Rahmen des Lissabon-Prozesses zum Ziel gesetzt, den Anteil der Forschungsausgaben am Bruttoinlandsprodukt auf 3 % zu steigern. Um die Forschungsinfrastruktur in der Bundesrepublik zu stärken und global wettbewerbsfähig zu bleiben, hat die Bundesregierung mit der Hightech-Strategie 2025 einen weiteren wichtigen Schritt zur Förderung des wissenschaftlich-technischen Fortschritts in Deutschland getan.
Forschungsprogramme sind sowohl für Forschungseinrichtungen als auch für Mittelgeber ein wichtiges Instrument für die Darstellung und Steuerung ihrer Aktivitäten. Dies gilt auch für die Bundeseinrichtungen mit Forschungs- und Entwicklungsaufgaben, zu denen die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) zählt. Die BAM verfügt über einen klaren gesetzlichen Auftrag für die Sicherheit in Technik und Chemie. Ihre Forschung ist mit der Wahrnehmung öffentlicher Aufgaben verbunden. Das Forschungsprogramm zeigt Perspektiven im Bereich ihres Aufgabenfeldes sowie ihrer damit verbundenen Forschungsaktivitäten transparent und politisch nutzbar auf und dient darüber hinaus der Koordinierung der Ressortforschung. Das Forschungsprogramm der BAM wird alle zwei Jahre aktualisiert. Es gibt einen Überblick über die aktuellen und zukünftigen Forschungsthemen und die hierfür erforderlichen Rahmenbedingungen.
Halomonas elongata is a halophilic γ-proteobacterium that synthesizes and accumulates the compatible solute ectoine to cope with osmotic stress in saline environments. Ectoine possesses protecting properties and stabilizes proteins as well as whole cells against stresses like ionizing radiation and cytotoxins. These properties make ectoine a highly demanded ingredient in cosmetics and pharmaceuticals. To date H. elongata is the industrial Producer strain of ectoine, but several metabolic factors for optimum ectoine production remain to be explored.
In this work, we used up to date Metabolic engineering approaches following the ‘Push, Pull, Block – strategy’ to examine targets that contribute to ectoine synthesis. Firstly, the basics of glucose catabolism were inspected to PUSH and enhance carbon flow towards ectoine synthesis. Secondly, lysine biosynthesis was targeted to BLOCK a pathway that is competing for precursors with ectoine synthesis. Thirdly, the mechanosensitive (MS) channels of H. elongata have been examined as possible excretion routes for ectoine. An overexpression of the ectoine excretion channels potentially could PULL out product at the end of ectoine synthesis and increase overall ectoine flux. For the interrogation of central metabolic pathways, we established the new molecular tool CRISPR-mediated interference (CRISPRi) for targeted modulation of gene expression.
PUSH Glucose catabolism through the Entner-Doudoroff (ED) and Emden-Meyerhof-Parnas (EMP) pathway was targeted with CRISPRi and examined on gene expression level for ist response to changing salinity and different carbon sources. Changing salinity did not influence gene expression levels of glucose catabolism but the carbon source glucose triggered glycolysis through the (ED) pathway. When gene expression of the ED pathway was downregulated with CRISPRi, the growth rates remained constant. The observations indicate a metabolic overflow mechanism for glycolysis, in which fluxes are constantly high - even at lower salinity when no resources are demanded for ectoine synthesis. The further analysis of glucose to product conversion rates will advise optimum conditions for future industrial cultivation processes.
BLOCK Lysine biosynthesis was downregulated with CRISPRi, which led to a significant increase in ectoine production. Hence, the blockage of lysine biosynthesis would be a valuable strategy for the optimization of the industrial producer strain in future studies.
PULL MS channels and ectoine regulation are inevitably connected in osmoadaptation. Therefore, ectoine excretion, growth performance and gene expression levels of the MS channels were monitored in steady state conditions and in response to osmotic shock in the wildtype strain and in a MS channel deletion mutant. We observed that the MS channels were essential for the survival of osmotic shock but surprisingly their presence reduced cell growth under high salinity. The MS channels were only partially responsible for ectoine excretion.
Thus, alternative ectoine excretion channels must exist and remain to be explored.
This file contains all the data used for the figures shown in the Dissertation of Ruben Gerrits with the title "An experimental study of fungal olivine weathering".
In this study, the weathering-affecting, rock-inhabiting fungus, Knufia petricola A95 and the Fe-bearing olivine (Fe0.2Mg1.8SiO4) were selected to investigate fungi-induced effects on mineral dissolution. The availability of a melanin-deficient mutant (ΔKppks) of K. petricola A95, that produced more extracellular polymeric substances (EPS) than the wild type (WT), enabled comparative studies of the role of melanin and EPS in weathering processes.
Hydrothermale Herstellung von Filter- und Speichermaterialien aus SiO2- und CaO-reichen Reststoffen
(2019)
Aus SiO2- und CaO-reichen Sekundärrohstoffen können in einem hydrothermalen Stoffumwandlungsprozess poröse Körnungen (Hydrothermalgranulate HTG) hergestellt werden. Die Erhärtung der HTG erfolgt dabei in einem Autoklav bei ca. 200 °C und 1,6 MPa Sattdampf ähnlich dem Prozess der Kalksandsteinherstellung. Festigkeit und Gefüge der HTG entwickeln sich durch die Ausbildung von Calciumsilicathydraten (CSH-Phasen), die durch die Reaktion zwischen Quarzpartikeln (SiO2) und Kalk (CaO) entstehen. SiO2-Lieferant ist ziegelhaltiger Mauerwerkbruch, der als Hauptmineralphase Quarz enthält. Papierasche kann mit ihren Anteilen an Freikalk und anderen reaktive Calciumverbindungen als Kalkersatz dienen. Über die Mischungszusammensetzung und die Reaktionsbedingungen werden die Eigenschaften der Reaktionsprodukte gezielt gesteuert. Die HTG haben Rohdichten kleiner als 2000 kg/m³. Ihr Gefüge ist durch ein eher ungeordnetes System an Mesoporen und kleinen Makroporen mit Porenweiten kleiner 100 nm gekennzeichnet. Diese Porenstruktureigenschaften legen eine Anwendung der HTG als Filter- oder Speichermaterial nahe. Sie können natürliche Rohstoffe, wie Bims, Lavasand und fluviale Sande, aus Primärrohstoffen hergestellte Produkte, wie Blähton, Keramik und Aktivkohle, sowie erdölbasierte Kunststoffadditive ersetzen, wobei die typischen Filter- und Speichereigenschaften der herkömmlichen Produkte nahezu erreicht werden. Dadurch wird einerseits für Reststoffe, die gegenwärtig ein hohes Verwertungsdefizit aufweisen, eine hochwertige Wieder- bzw. Weiterverwertungsmöglichkeit geschaffen und die Abfallmenge vermindert. Andererseits erfolgt eine Schonung von knapper werdenden natürlichen mineralischen Rohstoffen und Erdöl. In einem Forschungsprojekt werden derzeit die technischen Möglichkeiten der hydrothermalen Herstellung von leichten porösen Körnungen aus Mauerwerkbruch, Kalk und Papierasche sowie die Anwendung der HTG als Filtermaterial in Bodenfiltern zur Abwasserreinigung und als Wasserreservoir in Substraten von Pflanzwänden und zur inneren Nachbehandlung hochfester Betone systematisch untersucht. Der Beitrag berichtet insbesondere über die experimentelle Entwicklung der hydrothermalen Synthesestrategie, die nachfolgende Charakterisierung der HTG und die Beziehungen zwischen Gefügekennwerten und technischen Eigenschaften der Körnungen.
Mineralische Bauabfälle stellen in den Industrienationen den größten Abfallstrom dar. Allein in Deutschland fallen jährlich mehr als 50 Mio. Tonnen Bauschutt an, der hauptsächlich aus Beton- und Mauerwerkbruch besteht. Dabei nehmen die Verwertungs- und Recyclingquoten bei den bereits etablierten herkömmlichen Einsatzgebieten für aufbereitete Bau- und Abbruchabfälle mit zunehmender Heterogenität des Materials ab. Ein höherwertiges Recycling mit dem Ziel das aufbereitete Material beispielsweise in Betonprodukten einzusetzen erfolgt heute in Deutschland lediglich im Rahmen von Pilotprojekten. So können die groben Körnungen des Betonbruchs als rezyklierte Gesteinskörnung im Beton eingesetzt werden. Besonders eingeschränkte Verwertungsmöglichkeiten liegen für Mauerwerkbruch vor, einem Gemisch aus Beton, Ziegel, Kalksandstein, Porenbeton, Mörtel, Natursteinen und anderen mineralischen Bestandteilen. Die Ursache hierfür ist neben der heterogenen Zusammensetzung des Materials auch dessen feine Kornverteilung, die durch den bei der mechanischen Aufbereitung zwangsläufig anfallenden Feinkornanteil von 30 bis über 40 Prozent bedingt ist.
Defizite in der Verwertung bestehen also besonders bei heterogenen feinkörnigen Gemischen. Hier müssen Ansätze gefunden werden, um eine hochwertige Wiederverwertung zu ermöglichen. Dafür ist eine möglichst gute Trennung der einzelnen Materialfraktionen ein bewährter Ansatz. Während Metalle mittels Band- und Wirbelstromabscheidern und leichte Fremdbestandteile über Windsichtung und Dichtesortierung ausgetragen werden können, ist eine Trennung der Materialien Ziegel, Mörtel und Beton, insbesondere für die feinen Fraktionen, derzeit technologisch und wirtschaftlich nicht umsetzbar.
Ein rohstoffliches Recycling dieser heterogen zusammengesetzten Abfälle unter Nutzung ihrer chemisch-mineralogischen Zusammensetzung ohne eine vorherige Trennung in die einzelnen Materialfraktionen bietet sich als Alternative an. Ergebnisse zur Herstellung von Leichtgranulaten aus Mauerwerkbruch und Tonen in einem thermischen Prozess ähnlich der Blähtonherstellung wurden bereits mehrfach veröffentlicht. Diese Recycling-Granulate (RCG) könnten unter anderem als leichte Gesteinskörnung für Betone verwendet werden.
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.
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.
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.
Es lässt sich feststellen, dass eine Vielzahl unterschiedlicher flüchtiger organischer Verbindungen aus Bauprodukten freigesetzt werden kann. Hierbei gibt es in den meisten Bauproduktgruppen sowohl emissionsarme als auch emissionsreiche Produkte. Manche Verbindungen sind produktgruppenspezifisch; so werden beispielsweise Siloxane aus Silikondichtmassen freigesetzt, andere Verbindungen sind eher unspezifisch wie Formaldehyd und Essigsäure, die aber in unterschiedlichen Konzentrationen aus einer Vielzahl von Produkten abgegeben werden und zu den am häufigsten emittierten Verbindungen zählen. Es ist darauf hinzuweisen, dass VOC-Analytik und Gerüche im Allgemeinen keinen Zusammenhang zeigen. Gerade bei modernen, dichten Bauten mit geringem natürlichem Luftwechsel sind hohe Schadstoffkonzentrationen zu erwarten, wenn nicht emissionsarme Materialien und Produkte zum Einsatz kommen.