Sanitär- und Kommunaltechnik; Umwelttechnik
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Surfaces of metallic copper and copper alloys effectively inactivate microorganisms and viruses. However, the exact inactivation mode is still under debate. Main factors are assumed to include direct contact with the metallic surface, influx of Cu(I)/Cu(II) ions and the generation of reactive oxygen species (ROS). Laser-induced periodic surface structures (LIPSS) are frequently reported to act antibacterial, mainly by prevention of bacterial adhesion due to a limited number of possible adhesion points or by increasing the overall surface of intrinsically antibacterial materials. In time-kill experiments with E. coli and S. aureus we analyzed the impact of LIPSS on the toxicity of metallic copper and brass. We also conducted ROS accumulation assays and conclude that the application of LIPSS is not generally straight forward to obtain or improve antibacterial surfaces. Thus, the antibacterial effects of LIPPS.
Bacteria are ubiquitous and colonize all types of surfaces, including those in close proximity to humans, such as skin, food, and everyday objects. This raises the question of whether their presence represents a problem to be mitigated or a potential source of benefit to be harnessed, thereby stimulating scientific inquiry into the role of surface-associated bacteria in diverse domains ranging fromhuman health to industrial biotechnology. Aim: The objective of this project is to explore the impact of modifying surface topography on bacterial adhesion behavior. By manipulating the physical characteristics of the substrate, the attachment and detachment dynamics of bacteria can potentially be modified, leading to novel strategies for controlling bacterial colonization in various applications, such as medical devices. Escherichia coli (E. coli) and Staphylococcus aureus (S. aureus) were tested on LIPSS-covered Fused Silica samples.
Design and construction of a rainfall simulator to test metal runoff at atmospheric conditions
(2023)
A rainfall simulator was presented as an environmental assessment tool to quantify wash-off concentrations from metallic materials. It is part of the RUNOFF-project, which studies and re-assesses the durability of roofing and facade materials under current atmospheric conditions in Germany.
Studying building materials is important as they have a significant impact on achieving a variety of goals and targets within the sustainable developments goals (SDGs). The durability of materials is essential to reach sustainability. However, the durability of metallic materials is strongly depended on climate conditions, which have changed as a result of technical measures in industry, climate change and increasing urbanisation. In Germany at least, the data base is not up-to-date leading to prediction models regarding corrosion resistance and durability of metallic materials which can no longer be trusted and therefore need to be re-assessed and updated. Also, not only the demand for sustainable but also environmentally friendly building materials has increased dramatically. A number of construction materials produce chemical hazards, and therefore have negative impacts on water quality, soils health and ecosystems. To limit these impacts, environmental assessment methods and tools are needed to measure and quantify the inputs and outputs of building materials throughout their lifetime.
Im Verbundprojekt RUSEKU wurde die Probenahme von Wasserproben entscheidend weiterentwickelt. Wichtig ist hierbei zu gewährleisten, dass genügend Merkmalsträger in jeder Probe untersucht werden. Es muss daher eine für den Probenahmeort repräsentative Beprobung hinsichtlich des Wasservolumens in Abhängigkeit der Partikelanzahl gewährleistet sein.
Das Hauptaugenmerk lag im vorliegenden Projekt auf einer praxisnahen Beprobungsstrategie. Es wurden verschiedene Konzepte ausprobiert.
• Grundsätzlich hat sich gezeigt, dass eine Stichprobe eine Momentaufnahme des MP-Massengehaltes zeigt. Es wird eine hohe Statistik, also eine Vielzahl an Messungen am gleichen Probenahmeort, benötigt, um eine valide Aussage über den MP-Gehalt zu machen.
• Es zeigt sich, dass eine integrale Probenahme über mehrere Wochen mit dem SK routinemäßig möglich ist. Die erfassten MP-Massen sind reproduzierbar und robust.
• Die DFZ ist für Stichproben geeignet. Partikel < 50 µm werden eventuell unterschätzt
• Die fraktionierte Filtration kann für Stich- und Mischproben direkt im Feld genutzt werden. Fraktionen von 10 und 5 µm werden später im Labor Vakuum filtriert. Es erfolgt eine Fraktionierung der Probe mit Siebmaschenweiten von 1000, 500, 100, 50, 10 und 5 µm.
• Die fraktionierte Filtration kann auch anschließend an die Beprobung mit dem SK zur Anwendung kommen. Wird die mit dem SK gewonnene Wasserprobe fraktioniert filtriert, kann neben einem MP-Gesamtgehalt auch eine Einschätzung über die Partikelgrößen gewonnen werden.
• Für Wässer mit geringen Partikelzahlen wurde ein Messfiltertiegel entwickelt. Dieser hat eine Maschenweite von 6 µm. Seine Anwendung kann mögliche Verluste beim Transferieren vom Probenahmetool zum Messgefäß und mögliche Kontaminationen reduzieren.
Die Optimierung der Probenahmestrategie wurde durch Modellversuche und Simulationen unterstützt. Modellversuche zum Sinkverhalten und Simulationen von MP in realen Gewässern verdeutlichten das komplexe Verhalten der Partikel. Es konnte gezeigt werden, dass Partikel ab einer bestimmten Größe (und kleiner) bei genügend starker Turbulenz sich in der Wassersäule unabhängig von ihrer Dichte verhalten und so auch MP mit kleiner Dichte (z.B. PE) in der gesamten Wassersäule zu finden sind. Es konnte mit dem TEM die Existenz von NP gezeigt werden.
Ein wesentlicher Aspekt des RUSEKU Projektes war die Beprobung realer Kompartimente. Beprobt wurde neben Oberflächengewässern, das urbane Abwassersystem der Stadt Kaiserslautern, Waschmaschinenabwasser und Flaschenwasser.
• In Oberflächengewässern wurde hauptsächlich PE gefunden. Je nach Probe und Gewässer konnten auch PP, PS, PET, PA, SBR und Acrylate nachgewiesen werden.
• Im urbanen Abwassersystem der Stadt Kaiserslautern konnte an allen Probenahmestandorten MP nachgewiesen werden. Es wurde hauptsächlich PE, neben geringeren Mengen an PP, PS und SBR gefunden. Nach einem Regenereignis war der SBR Anteil deutlich erhöht.
• Die Beprobung eines realen Wäschepostens, bestehend aus T-Shirts und Hemden mit PA/CO oder PES/CO Mischgewebe, zeigte einen PA- und PES-Austrag im Waschwasser. Der überwiegende Teil der detektierten Fasern ist aber auf Baumwolle zurückzuführen. Reine gravimetrische Messungen zur Detektion von MP führen zu einer starken Überschätzung.
• In Flaschenwasser (PET-Flaschen) konnte MP detektiert werden. PET wurde nur im stillen Mineralwasser, nicht in Mineralwasser mit Kohlensäure gefunden werden. Teilweise wurde auch das MP-Material des Verschlusses im Wasser detektiert.
• Für Luftproben konnte ein Aufbau zur größenselektiven Beprobung getestet werden.
Neben der Probenahme hat das Projekt auch gezeigt, dass die TED-GC/MS geeignet für die MP-Detektion im Routinebetrieb ist. Die TED-GC/MS konnte weiter optimiert werden. Es wurden MP-Massen bestimmt.
Im Projekt wurden erste realitätsnahe Referenzmaterialien für die MP Detektion hergestellt. Die Herstellung von realitätsnahen Polymeren in ausreichender Homogenität und Menge hat sich als große Herausforderung herausgestellt.
A new concept for the ecotoxicological assessment of plastics under consideration of aging processes
(2023)
Microplastics are widely distributed in aquatic and terrestrial environments, but up to now less is known about (eco)toxicological impacts under realistic conditions. Research so far has focused mainly on impacts on organisms by fresh, single‐origin plastic fragments or beads. However, plastics found in the environment are complex in composition, this means different polymer types and sources, with and without additives and in all stages of age, and therefore, in a more or less advanced stage of degradation. For oxidized degradation products that might be released from plastic materials during aging, there is a lack of information on potentially adverse effects on aquatic biota. The latter is of particular interest as oxidized degradation products might become more water soluble due to higher polarity and are more bioavailable, therefore. The present study focused on plastic leachates of polystyrene (PS) and polylactic acid (PLA), which were derived from alternating stress by hydrolysis and ultraviolet (UV) radiation—representing a realistic scenario in the environment. Test specimens of PS, PLA, or a PLA/PS layer (each 50%) were alternately exposed to UV radiation for 5 days followed by hydrolysis for 2 days, for several weeks alternating. Ecotoxicological effects of the storage water (artificial freshwater) of the test specimens and additionally, in a second experimental setup, the effects of five potential polymer degradation products were detected by 72 h algae growth inhibition tests with Desmodesmus subspicatus. Results clearly indicate inhibitory effects on algae growth by contaminants in the storage water of stressed plastics with increasing growth inhibition of proceeding hydrolysis and UV stress times. Different polymers caused variable inhibitions of algae growth with stronger inhibitions by PS and less effects by PLA and the mixed layer of both. Moreover, not microplastic particles but the resulting dissolved degradation products after aging caused the ecotoxicological effects—with strong effects by the oxidized degradation products. The existing data highlight the relevance of plastic aging as a framework for microplastic ecotoxicity evaluation and allow a proof of concept.
Microplastics are widely distributed in aquatic and terrestrial environments, up to now less is known on toxicological impacts under realistic conditions. Research so far has focused mainly on the impacts on organisms by fresh plastic fragments or beats. However, plastic materials found in the environment are mainly a mixture of different polymers and particularly degraded during aging processes. Although especially oxidized degradation products might escape from plastic materials during aging, there is a lack of information on potentially adverse effects on aquatic biota. The latter is of particular interest as oxidized chemicals become more water soluble due to higher polarity and are more bio-available, therefore.
The present study focussed on plastic leachates of polystyrene (PS) and polylactic acid (PLA), which were derived from alternating stress by hydrolysis and UV radiation. Test specimen of PS, PLA or PS/PLA blends (each 50 %) were alternatingly maintained in water at 45 °C for five days and UV radiated at 45 °C for two days, for in total six weeks. Ecotoxicological effects of potentially generated degradation products of plastic materials in the storage water (mineral water, pH: 7.2) were detected by algae growth inhibition tests with Desmodesmus suspicatus and photosystem II inhibition tests with Raphidocelis subcapitata.
Results clearly indicate inhibitory effects on algae growth by contaminants in the storage water of stressed plastic materials with increasing growth inhibition of proceeding hydrolysis and UV stress times. Here, different plastics cause variable responses of algal growth. First chemical analyses indicate dissolved monomers and their oxidation products of plastic materials as possible driver of detected ecotoxicological effects, since detected microplastic particles do not seem to harm algae.
The existing data highlight the relevance of plastic aging as a framework for microplastic ecotoxicity evaluation and allow a proof of concept.