Sanitär- und Kommunaltechnik; Umwelttechnik
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Silver nanoparticles (AgNPs) nowadays appear in close to 24% of consumer products that contain engineered nanomaterials. Thus, they are expected to be released into the environment, where their fate and effect are still undetermined. Considering the evidenced efficacy of the single particle Inductively Coupled Plasma – Mass Spectrometry (sp ICP-MS) technique in the study of nanomaterials, this work reports on the use of sp ICP-MS along with an online dilution sample introduction system for the direct analysis of untreated and spiked seawater samples, as part of a larger scale experiment studying the fate of Ag (ionic and nanoparticles) in seawater mesocosm systems. Silver nanoparticles coated with branched polyethyleneimine (BPEI@AgNPs) or ionic silver (Ag+) were introduced gradually into the seawater mesocosm tanks at very low, environmentally relevant concentrations (50 ng Ag L− 1 per day, for 10 consecutive days, up to a total of 500 ng Ag L− 1 ), and samples were collected and analyzed daily, within a consistent time window. Using very low detector dwell time (75 μs) and specialized data treatment, information was obtained on the nanoparticles’ size distribution and particle number concentration, as well as the ionic silver content, of both the AgNPs and the Ag+ treated seawater mesocosm tanks. The results for the AgNP treated samples indicated the rapid degradation of the added silver particles, and the subsequent increase of ionic silver, with recoveries close to 100% for the first days of the experiment. On the other hand, particle formation was observed in the Ag+ treated seawater tanks, and even though the number concentration of silver-containing nanoparticles increased throughout the experiment, the amount of silver per particle remained relatively constant from the early days of the experiment. In addition, the online dilution sample introduction system for the ICP-MS proved capable of handling the untreated seawater matrix without significant contamination issues and downtime, while the low dwell time and data treatment procedure developed were shown to be suitable for the analysis of nanomaterials at the low nm-scale, despite the complex and heavy matrix introduced into the ICP-MS.
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.
Der Vortrag stellt das Forschungsvorhaben RUNOFF vor, welcher auf der zweitägigen Veranstaltung „24. Projekttage der Bauforschung“ gehalten wurde. Die Präsentation erläutert zunächst die Bedeutung der Abschwemmung von Metallionen für die Bauindustrie und Umwelt. Dabei werden Faktoren, welche den Schadstofftransport im urbanen Raum begünstigen sowie Stadtentwässerungstypen vorgestellt. Anschließend folgen Folien zum wissenschaftlichen Hintergrund zur Ausbildung von Deckschichten, aktuellen Wissensstand sowie Lücken in der Korrosionsforschung von metallenen Werkstoffen unter atmosphärischen Bedingungen. Nach einer kurzen Übersicht zu den Hauptzielen des Forschungsvorhabens wurde detaillierter auf die Versuchsdurchführung sowie fünf der acht Arbeitspakete mitsamt Zwischenergebnissen eingegangen.
Bisphenol A (BPA) is used in Polycarbonate (PC), polyacrylic resins (PAR), polysulfones (PSU), epoxy resins (ER), and polyetherimides (PEI). It is also applied in recycled polyvinyl chloride (PVC). Many outdoor applications are made from these BPA-based materials which are exposed to a variety of environmental impacts, like temperature, global radiation, rain, and others. This could lead to damaging and aging of the material which might cause leaching or migration of pollutants into the environment.
Understanding the fate and behavior of the released pollutants is very important. Therefore, different transformation products (TP) will be generated and analyzed:
1. To investigate the behavior of various bisphenols in wastewater treatment plants, possible technical TP are generated by UV irradiation. Simulation of Industrial wastewater treatment is realized by using the Fenton reaction, an advanced oxidation process.
2. To study the transformation of bisphenols in surface waters, global radiation will be simulated by using UVA lamps.
3. To simulate phase 1 metabolism, an electrochemical cell coupled to a mass selective detector is applied.
The analysis of metabolites and TP are achieved by a variety of gas and liquid chromatographic techniques coupled with mass spectrometry. The elucidation of the exact structure of the obtained TP and metabolites are done by 1H- and/or 13C-NMR experiments.
Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) are a large and ever-growing class of chemicals that are widely used. Due to the strength of the C-F bond, they do not decompose but accumulate in the environment posing a risk for nature and humans alike. While the use of some PFAS, like perfluorooctanoic acid (PFOA) and perfluorooctanoic sulfonic acid (PFOS) is already regulated in the EU, new ‘precursor’ substances are used to replace them. However, these precursors may be equally harmful to the environment.
In recent years, many ‘hot spot’ sites with high PFAS contaminations in the soils have been distinguished,but no German-wide background values have been determined yet. Knowing these background values is crucial to understand the degree of PFAS contamination, underpinning future regulatory decisions.
600 soil samples are freshly taken at different sites all over Germany. PFAS are extracted from all samples. The extracts are analysed using LC-MS/MS with 30 PFAS as target compounds. Eluates are produced and analysed using targeted LC-MS/MS. To determine the amount of precursor substances not included in the targeted list, total oxidisable precursor (TOP) assays are performed with different approaches. Additionally, 50 samples taken at the same locations in 2012 are analysed to determine temporal trends of PFAS contamination. The determination of total extractable organically bound fluorine (EOF) is planned for comparison.
The aim of the project is to obtain a broad overview of the status and development of the PFAS contamination in soil in Germany. By the preparation and analysis of eluates, the leaching behaviour of the analytes and thereby their mobility in the environment is investigated, helping to understand the transport of PFAS from contaminated soil to water. The use of different TOP assay methods allows to compare their results and usability in routine analysis, thereby giving insights into the amount of PFAS contamination hidden to targeted analysis and helping inspire future analysis strategies. The future comparison of these results to EOF analysis may further underline this point. The large number of samples and the geographic distribution of the sampling is unprecedented in Germany and allows to determine high-risk sites and ‘hot spots’. In the future, the insights from the project may be used as a guide for the political regulation of uses of PFAS.
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.
Die von der Europäischen Kommission im Jahr 2021 empfohlene, systematische Abwasserüberwachung mittels PCR-Techniken wird als ein wirksames Früh-warnsystem für künftige Pandemien durch Viren und andere Krankheitserreger betrachtet. Ein generelles Problem bei jeder quantitativen Messung von Parametern im Abwasser ist die starke Schwankung des Abwasservolumens und seiner Zusammensetzung im Tages- und Jahreszeitenverlauf. Um die Konzentrationsbestimmungen von Krankheitserregern im Abwasser in Korrelation mit menschlichen Einträgen setzen zu können, könnten sog. "anthropogene Marker" eine herausragende Rolle spielen, deren Eintrag ins Abwasser menschlichen Ursprungs sind. Im Projekt werden mittels ELISA die Konzentrationen ausgewählter anthropogener Marker in deutschlandweit gesammelten Abwasserproben erhoben und analysiert.
Die Europäische Kommission präsentierte am 11. Dezember 2019 den European Green Deal, ein Konzept mit dem Ziel, bis zum Jahr 2050 als erster Kontinent Klimaneutralität zu erreichen. Mit Inkrafttreten der Verordnung (EU) 2021/1119 des Europäischen Parlaments und des Europäischen Rates am 29. Juli 2021 zur Schaffung des Rahmens für die Verwirklichung der Klimaneutralität („Europäisches Klimagesetz“), ist dieses, sowie das Ziel der Reduzierung der Nettotreibhausgasemissionen um mindestens 55 % bis 2030 in der Gesetzgebung der Europäischen Union verankert. Die Stahlindustrie in der Europäischen Union mit ca. 57 Mio. t Nettotreibhausgasemissionen im Jahr 2020, die annähernd 2 % der Emissionen der Europäischen Union ausmachen (Inklusive Energie: 127 Mio. t; 4 %), bekennt sich zur erheblichen Reduzierung der CO2-Emissionen bis zum Jahr 2030 und zum Erreichen der Klimaneutralität bis zum Jahr 2050. Als Schlüsselwege zur Verwirklichung dieser Zielstellung hat sie zum einen Smart Carbon Usage (SCU) und zum anderen Carbon Direct Avoidance (CDA) in einer Roadmap formuliert. SCU umfasst CO2-reduzierende Maßnahmen in bestehenden Eisen- und Stahlproduktionsprozessen, Carbon Capture and Storage- (CCS) sowie Carbon Capture and Usage-Technologien (CCU). Wohingegen bei CDA CO2-Emissionen durch erneuerbare elektrische Energie sowie wasserstoffbasierte Reduktion des Eisenerzes gar nicht erst entstehen sollen. Der CDA-Weg, der voraussichtlich beschritten werden muss, um eine klimaneutrale Stahlproduktion zu erreichen [38], geht mit einer kostenintensiven Transformation der Stahlproduktion einher, die bereits von vielen Unternehmen der Stahlindustrie eingeleitet wurde und von der im Wesentlichen die beiden in Europa vorherrschenden Stahlproduktionsrouten Hochofen-Konverter-Route und Elektrolichtbogenofen-Route betroffen sind. Die CO2-Emissionen der Hochofen-Konverter-Route, von denen der überwiegende Anteil auf den Hochofen fällt, liegen laut einer für das Jahr 2015 erstellten Studie bei 1921 kg CO2/t Rohstahl inklusive der CO2-Last der Pellets als Einsatzmaterial sowie der Emissionen der nachgelagerten Stranggießanlagen und Walzwerke. Im Hochofen wird das Eisenerz durch Kohlenstoff (C) bzw. Kohlenstoffmonoxid (CO) – welche größtenteils aus dem Koks, der dem Hochofen zusammen mit dem Möller über die Gicht zugeführten wird, stammen – unter Entstehung von Roheisen und Kohlenstoffdioxid (CO2) reduziert. Das neben dem CO2 im Prozessgas enthaltene CO wird zum Beispiel zur Energiegewinnung in peripheren Prozessen ebenfalls unter Bildung von CO2 verbrannt. Zusätzlich zur Reduktion hat der Koks unter anderem physikalische Aufgaben, wie die Errichtung eines Stützgerüstes und die Gewährleistung der Permeabilität im Hochofenprozess. Somit ist eine vollkommene Substitution des Kokses zur Vermeidung der CO2-Emissionen im Hochofen nicht denkbar. Viele Strategien der Stahlunternehmen zum Erreichen der Klimaziele verfolgen daher den Wechsel von der Rohstahlproduktion aus der Hochofen-Konverter-Route hin zur Rohstahlproduktion im Elektrolichtbogenofen (EAF – Electric Arc Furnace) mit dem Einsatz von direkt reduziertem Eisen (Eisenschwamm, DRI – Direct Reduced Iron) aus vorgelagerten Direktreduktionsanlagen, die mit Wasserstoff (H2) als Reduktionsmittel betrieben werden können. Dabei ist die Elektrostahlerzeugung kein neuer Prozess und nimmt in der europäischen Union bereits jetzt einen Anteil von ca. 44 % der Rohstahlproduktion ein, jedoch überwiegend mit Schrott als Einsatzmaterial. Bei der Elektrostahlerzeugung mit Schrotteinsatz fallen laut der oben genannten Studie von Lüngen für das Jahr 20152 410 kg CO2-Emissionen pro Tonne Rohstahl an, von denen der Großteil auf die CO2-Last der fremd bezogenen elektrischen Energie zurückzuführen ist und daher nicht im Produktionsprozess selbst entsteht. Auch die Direktreduktion wird schon seit 1972 in der weltweit zweiten und bis heute in Westeuropa einzigen Direktreduktionsanlage in Hamburg betrieben. Während hier noch mit einem Reduktionsgas gearbeitet wird, das hauptsächlich aus einem aus Erdgas gewonnenen Wasserstoff-Kohlenstoffmonoxid-Gemisch besteht, liegt eine aktuelle Kernherausforderung in der Bereitstellung des in der Größenordnung der von der Transformation betroffenen Rohstahlproduktionskapazitäten notwendigen, mit erneuerbarer elektrischer Energie hergestellten Wasserstoffs. Wird zusätzlich der Strom für das Einschmelzen im Elektrolichtbogenofen aus erneuerbaren Quellen gewonnen und werden schließlich als Brennstoff verwendete Kohle und als Brennstoff verwendetes Erdgas durch CO2-neutrale Bio-Brennstoffe ersetzt, sind sowohl für den Einsatz von mit Wasserstoff reduziertem und auf Pellets ohne CO2-Last basiertem Eisenschwamm als auch für den Einsatz von Schrott CO2-Emissionen von jeweils nur 60 kg CO2/t Rohstahl erreichbar, was eine Reduktion der Emissionen, ausgehend von der Konverter-Hochofen-Route um 97 % und ausgehend von der Schrott-Elektrolichtbogenofen-Route um 85 % bedeuten würde.
Der Betrieb von Elektrolichtbogenöfen macht die an den Standorten vorhandenen Konverter sowie die Infrastruktur für Behandlung und Transport des Roheisens überflüssig. Die fortwährende Nutzung dieser bestehenden Anlagenstruktur dient daher unter anderem als Motivation für die Entwicklung einer zweiten Transformationsstrategie, die einen sogenannten Einschmelzer (SAF – Submerged Arc Furnace) als der Direktreduktionsanlage nachgelagerten Prozess vorsieht, in dem wiederum Roheisen erschmolzen wird, das anschließend im Konverter zu Rohstahl veredelt wird.
Die Transformation der Stahlindustrie beeinflusst einen weiteren CO2-intensiven Industriesektor, nämlich die Zementindustrie die verantwortlich ist für rund 4 % der CO2-Emissionen in der EU. Etwa zwei Drittel dieser Emissionen entfallen als Prozessemissionen auf die Entsäuerung des Rohstoffs Kalkstein (CaCO3), also auf die Abspaltung von CO2 unter Entstehung des für die Herstellung von Zementklinker notwendigen Branntkalks (CaO) als Zwischenstufe bei der Bildung der hydraulischen Phasen Tri- und Dicalciumsilikat. Als eines der fünf Themenfelder (5C-Ansatz: Clinker, Cement, Concrete, Construction, Carbonation), welche die europäische Zementindustrie entlang ihrer Wertschöpfungskette zum Erreichen der gesetzlichen Vorgaben der europäischen Union erarbeitet hat, umfasst das Feld "Cement" zum größten Teil die Reduzierung des Klinker-Zement-Faktors. Im Jahr 2017 betrug er 77 %, das heißt, dass 23 % des Klinkers durch alternative Materialien ersetzt wurden. Bis zum Jahr 2030 wird ein Faktor von 74 % und bis zum Jahr 2050 von 65 % angestrebt. Den größten Anteil an den Klinkersubstituten hat mit 33 % der Hüttensand aus der Stahlindustrie. Bei der Roheisenproduktion im Hochofen entsteht als Nebenprodukt Hochofenschlacke, die unter Zugabe von Schlackebildnern die Gangart des Möllers und mineralische Koksbestandteile abbindet, sowie weitere unerwünschte Begleitelemente wie Schwefel und Alkalien aufnimmt. Allein in Deutschland wurden im Jahr 2021 6,90 Mio. t – das entspricht 90 % der gesamten produzierten Hochofenschlacke – zu glasig erstarrtem Hüttensand granuliert. Dieser Hüttensand besitzt latent hydraulische Eigenschaften und wird daher seit mehr als 140 Jahren als Zementbestandteil eingesetzt, wodurch in Deutschland jährlich rund 4,5 Mio. t CO2-Emissionen eingespart werden. Alle Transformationsstrategien der Stahlindustrie beinhalten die notwendige Außerbetriebnahme der CO2-intensiven Hochöfen. Dies hat unter anderem zur Folge, dass die Hochofenschlacke als Nebenprodukt der Rohstahlerzeugung im Hochofen nicht mehr zur Verfügung stehen wird, wodurch die weitere Reduzierung des Klinker-Zement-Faktors erhebliche Zusatzmengen alternativer Materialien benötigen wird. Derzeit ist noch unklar, ob z.B. calcinierte Tone im benötigten Umfang erzeugt werden können.
Der Fachbereich Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und das Institut für Baustoffforschung FEhS forschen zusammen mit Industriepartnern und weiteren Forschungseinrichtungen im Rahmen zweier Projekte in den Kooperationssphären der Stahl- und Zementindustrie, die zur Bewältigung dieser Herausforderungen beitragen. Im Projekt SlagCEM wird die Produktion eines hydraulischen Zementbestandteils durch Reduktion von Konverter- bzw. Linz-Donawitz-Schlacke (LDS) untersucht. Die mit den zusätzlich aufgenommen Lichtbogenofenkapazitäten steigenden Mengen an Elektrolichtbogenofenschlacke (EOS, engl. electric arc furnace slag, EAFS) werden im Projekt DRI-EOS behandelt, welches die Produktion eines latent hydraulischen Hüttensandsubstituts zum Ziel hat.
Die Europäische Kommission präsentierte am 11. Dezember 2019 den European Green Deal, ein Konzept mit dem Ziel, bis zum Jahr 2050 als erster Kontinent Klimaneutralität zu erreichen. Mit Inkrafttreten der Verordnung (EU) 2021/1119 des Europäischen Parlaments und des Europäischen Rates am 29. Juli 2021 zur Schaffung des Rahmens für die Verwirklichung der Klimaneutralität („Europäisches Klimagesetz“), ist dieses, sowie das Ziel der Reduzierung der Nettotreibhausgasemissionen um mindestens 55 % bis 2030 in der Gesetzgebung der Europäischen Union verankert. Die Stahlindustrie in der Europäischen Union mit ca. 57 Mio. t Nettotreibhausgasemissionen im Jahr 2020, die annähernd 2 % der Emissionen der Europäischen Union ausmachen (Inklusive Energie: 127 Mio. t; 4 %), bekennt sich zur erheblichen Reduzierung der CO2-Emissionen bis zum Jahr 2030 und zum Erreichen der Klimaneutralität bis zum Jahr 2050. Als Schlüsselwege zur Verwirklichung dieser Zielstellung hat sie zum einen Smart Carbon Usage (SCU) und zum anderen Carbon Direct Avoidance (CDA) in einer Roadmap formuliert. SCU umfasst CO2-reduzierende Maßnahmen in bestehenden Eisen- und Stahlproduktionsprozessen, Carbon Capture and Storage- (CCS) sowie Carbon Capture and Usage-Technologien (CCU). Wohingegen bei CDA CO2-Emissionen durch erneuerbare elektrische Energie sowie wasserstoffbasierte Reduktion des Eisenerzes gar nicht erst entstehen sollen. Der CDA-Weg, der voraussichtlich beschritten werden muss, um eine klimaneutrale Stahlproduktion zu erreichen [38], geht mit einer kostenintensiven Transformation der Stahlproduktion einher, die bereits von vielen Unternehmen der Stahlindustrie eingeleitet wurde und von der im Wesentlichen die beiden in Europa vorherrschenden Stahlproduktionsrouten Hochofen-Konverter-Route und Elektrolichtbogenofen-Route betroffen sind. Die CO2-Emissionen der Hochofen-Konverter-Route, von denen der überwiegende Anteil auf den Hochofen fällt, liegen laut einer für das Jahr 2015 erstellten Studie bei 1921 kg CO2/t Rohstahl inklusive der CO2-Last der Pellets als Einsatzmaterial sowie der Emissionen der nachgelagerten Stranggießanlagen und Walzwerke. Im Hochofen wird das Eisenerz durch Kohlenstoff (C) bzw. Kohlenstoffmonoxid (CO) – welche größtenteils aus dem Koks, der dem Hochofen zusammen mit dem Möller über die Gicht zugeführten wird, stammen – unter Entstehung von Roheisen und Kohlenstoffdioxid (CO2) reduziert. Das neben dem CO2 im Prozessgas enthaltene CO wird zum Beispiel zur Energiegewinnung in peripheren Prozessen ebenfalls unter Bildung von CO2 verbrannt. Zusätzlich zur Reduktion hat der Koks unter anderem physikalische Aufgaben, wie die Errichtung eines Stützgerüstes und die Gewährleistung der Permeabilität im Hochofenprozess. Somit ist eine vollkommene Substitution des Kokses zur Vermeidung der CO2-Emissionen im Hochofen nicht denkbar. Viele Strategien der Stahlunternehmen zum Erreichen der Klimaziele verfolgen daher den Wechsel von der Rohstahlproduktion aus der Hochofen-Konverter-Route hin zur Rohstahlproduktion im Elektrolichtbogenofen (EAF – Electric Arc Furnace) mit dem Einsatz von direkt reduziertem Eisen (Eisenschwamm, DRI – Direct Reduced Iron) aus vorgelagerten Direktreduktionsanlagen, die mit Wasserstoff (H2) als Reduktionsmittel betrieben werden können. Dabei ist die Elektrostahlerzeugung kein neuer Prozess und nimmt in der europäischen Union bereits jetzt einen Anteil von ca. 44 % der Rohstahlproduktion ein, jedoch überwiegend mit Schrott als Einsatzmaterial. Bei der Elektrostahlerzeugung mit Schrotteinsatz fallen laut der oben genannten Studie von Lüngen für das Jahr 20152 410 kg CO2-Emissionen pro Tonne Rohstahl an, von denen der Großteil auf die CO2-Last der fremd bezogenen elektrischen Energie zurückzuführen ist und daher nicht im Produktionsprozess selbst entsteht. Auch die Direktreduktion wird schon seit 1972 in der weltweit zweiten und bis heute in Westeuropa einzigen Direktreduktionsanlage in Hamburg betrieben. Während hier noch mit einem Reduktionsgas gearbeitet wird, das hauptsächlich aus einem aus Erdgas gewonnenen Wasserstoff-Kohlenstoffmonoxid-Gemisch besteht, liegt eine aktuelle Kernherausforderung in der Bereitstellung des in der Größenordnung der von der Transformation betroffenen Rohstahlproduktionskapazitäten notwendigen, mit erneuerbarer elektrischer Energie hergestellten Wasserstoffs. Wird zusätzlich der Strom für das Einschmelzen im Elektrolichtbogenofen aus erneuerbaren Quellen gewonnen und werden schließlich als Brennstoff verwendete Kohle und als Brennstoff verwendetes Erdgas durch CO2-neutrale Bio-Brennstoffe ersetzt, sind sowohl für den Einsatz von mit Wasserstoff reduziertem und auf Pellets ohne CO2-Last basiertem Eisenschwamm als auch für den Einsatz von Schrott CO2-Emissionen von jeweils nur 60 kg CO2/t Rohstahl erreichbar, was eine Reduktion der Emissionen, ausgehend von der Konverter-Hochofen-Route um 97 % und ausgehend von der Schrott-Elektrolichtbogenofen-Route um 85 % bedeuten würde.
Der Betrieb von Elektrolichtbogenöfen macht die an den Standorten vorhandenen Konverter sowie die Infrastruktur für Behandlung und Transport des Roheisens überflüssig. Die fortwährende Nutzung dieser bestehenden Anlagenstruktur dient daher unter anderem als Motivation für die Entwicklung einer zweiten Transformationsstrategie, die einen sogenannten Einschmelzer (SAF – Submerged Arc Furnace) als der Direktreduktionsanlage nachgelagerten Prozess vorsieht, in dem wiederum Roheisen erschmolzen wird, das anschließend im Konverter zu Rohstahl veredelt wird.
Die Transformation der Stahlindustrie beeinflusst einen weiteren CO2-intensiven Industriesektor, nämlich die Zementindustrie die verantwortlich ist für rund 4 % der CO2-Emissionen in der EU. Etwa zwei Drittel dieser Emissionen entfallen als Prozessemissionen auf die Entsäuerung des Rohstoffs Kalkstein (CaCO3), also auf die Abspaltung von CO2 unter Entstehung des für die Herstellung von Zementklinker notwendigen Branntkalks (CaO) als Zwischenstufe bei der Bildung der hydraulischen Phasen Tri- und Dicalciumsilikat. Als eines der fünf Themenfelder (5C-Ansatz: Clinker, Cement, Concrete, Construction, Carbonation), welche die europäische Zementindustrie entlang ihrer Wertschöpfungskette zum Erreichen der gesetzlichen Vorgaben der europäischen Union erarbeitet hat, umfasst das Feld "Cement" zum größten Teil die Reduzierung des Klinker-Zement-Faktors. Im Jahr 2017 betrug er 77 %, das heißt, dass 23 % des Klinkers durch alternative Materialien ersetzt wurden. Bis zum Jahr 2030 wird ein Faktor von 74 % und bis zum Jahr 2050 von 65 % angestrebt. Den größten Anteil an den Klinkersubstituten hat mit 33 % der Hüttensand aus der Stahlindustrie. Bei der Roheisenproduktion im Hochofen entsteht als Nebenprodukt Hochofenschlacke, die unter Zugabe von Schlackebildnern die Gangart des Möllers und mineralische Koksbestandteile abbindet, sowie weitere unerwünschte Begleitelemente wie Schwefel und Alkalien aufnimmt. Allein in Deutschland wurden im Jahr 2021 6,90 Mio. t – das entspricht 90 % der gesamten produzierten Hochofenschlacke – zu glasig erstarrtem Hüttensand granuliert. Dieser Hüttensand besitzt latent hydraulische Eigenschaften und wird daher seit mehr als 140 Jahren als Zementbestandteil eingesetzt, wodurch in Deutschland jährlich rund 4,5 Mio. t CO2-Emissionen eingespart werden. Alle Transformationsstrategien der Stahlindustrie beinhalten die notwendige Außerbetriebnahme der CO2-intensiven Hochöfen. Dies hat unter anderem zur Folge, dass die Hochofenschlacke als Nebenprodukt der Rohstahlerzeugung im Hochofen nicht mehr zur Verfügung stehen wird, wodurch die weitere Reduzierung des Klinker-Zement-Faktors erhebliche Zusatzmengen alternativer Materialien benötigen wird. Derzeit ist noch unklar, ob z.B. calcinierte Tone im benötigten Umfang erzeugt werden können.
Der Fachbereich Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und das Institut für Baustoffforschung FEhS forschen zusammen mit Industriepartnern und weiteren Forschungseinrichtungen im Rahmen zweier Projekte in den Kooperationssphären der Stahl- und Zementindustrie, die zur Bewältigung dieser Herausforderungen beitragen. Im Projekt SlagCEM wird die Produktion eines hydraulischen Zementbestandteils durch Reduktion von Konverter- bzw. Linz-Donawitz-Schlacke (LDS) untersucht. Die mit den zusätzlich aufgenommen Lichtbogenofenkapazitäten steigenden Mengen an Elektrolichtbogenofenschlacke (EOS, engl. electric arc furnace slag, EAFS) werden im Projekt DRI-EOS behandelt, welches die Produktion eines latent hydraulischen Hüttensandsubstituts zum Ziel hat.
Hydrogen plasma treatment of iron ores or iron oxide containing wastes can be an efficient option to produce green iron e.g. for steel production. This way iron oxide is reduced to metallic iron in the liquid form by the highly reactive species that are formed in a hydrogen plasma. Hydrogen plasma can be used at the same time to remove undesired gangue elements. The presentation shows the experimental setup, shows first results of iron ore reduction by hydrogen plasma and gives an outlook for industrial application of the technology.
Jährlich fallen in Deutschland etwa 75 Mio. t mineralische Bau- und Abbruchabfälle an, die eine vielfältig einsetzbare sekundäre Rohstoffquelle darstellen. Trotz hoher Verwertungsquoten werden Bau- und Abbruchabfälle zum Teil deponiert oder nur in Anwendungen mit geringen Qualitätsanforderungen eingesetzt, weil geeignete hochwertige Verwertungswege für solche sehr heterogen zusammengesetzte Körnungen mit hohem Feinanteil fehlen. Der Reststoff Mauerwerkbruch ist ein heterogenes SiO2-reiches Gemisch aus Ziegel-, Beton- und Leichtbeton-, Kalksandstein- und Porenbetonbruch sowie Putz- und Mörtelanhaftungen. Die uneinheitliche Zusammensetzung und mehr als 50 % Feinanteile durch die mechanische Aufbereitung verhindern eine unmittelbare Wiederverwertung als rezyklierte Gesteinskörnung. Eine Möglichkeit der effektiven Verwertung von Mauerwerkbruch stellt das rohstoffliche Recycling über einen hydrothermalen Stoffumwandlungsprozess dar, bei dem poröse Granulate entstehen. Aus den Eigenschaften der Hydrothermalgranulate, insbesondere ihrer Porenstruktur, ergeben sich Anwendungsmöglichkeiten als Filter- oder Speichermaterial, d. h. auch in Bereichen, die über den Bausektor hinausgehen. Hierbei können die Granulate Gesteinskörnungen natürlichen Ursprungs, z. B. Lavasand und Bims, oder aus natürlichen Rohstoffen hergestellte Körnungen, z. B. Blähtone, ersetzen. Somit wird ein Beitrag zur Schonung natürlicher Ressourcen und zur Energieeinsparung im Vergleich zur Blähtonherstellung geleistet.
Ziel des ZIM-Kooperationsprojekts „HYTEGRA – Hydrothermalgranulate“ war die Entwicklung des Verfahrens zur Herstellung leichter Gesteinskörnungen durch die hydrothermale Behandlung eines Gemischs quarz- und kalkreicher Reststoffe. Als Ausgangsstoffe dienten ziegelhaltiger Mauerwerkbruch als SiO2-Träger und Papierasche aus dem Altpapierrecycling als CaO-Träger. Die vollständige Prozesskette von der mechanisch-physikalischen Aufbereitung der Reststoffe über die Formgebung der Grüngranulate bis zur hydrothermalen Härtung der Leichtgranulate wurde im Labormaßstab entwickelt und erprobt. Die Anwendung der Hydrothermalgranulate als Speichermaterial zur inneren Nachbehandlung von Beton und als Pflanzsubstrat sowie als Filtermaterial in Bodenfiltern zur Abwasserbehandlung wurde untersucht.
Im Vortrag wird ein Überblick über die Ergebnisse des erfolgreich abgeschlossenen Projekts „HYTEGRA“ gegeben.
Half of global material consumption involves mineral material. The circularity is still low so that the enhanced use of secondary building material is required to close loops. Three different secondary building materials are discussed based on exemplary research results: construction and demolition waste (C&D waste), soil-like material, and incineration bottom ash (IBA). Focus was placed on the environmental compatibility of the materials examined mainly by standardized leaching tests. C&D waste was investigated after a wet treatment using a jigging machine, and soil-like material and IBA were characterized with respect to their material composition. Their environmental compatibilities in particular were studied using standard leaching tests (batch tests and column tests).
It was concluded that soil-like material can mostly be utilized even when the precautionary limit values set are exceeded by a factor of less than two. For C&D waste, the fine fraction below 2 mm and the content of brick material is problematic. IBA fulfills quality level “HMVA-2” following German regulations. Improved levels of utilization might be achievable with better treatment technologies.
As consequence of the European Green Deal and the European Commission's Circular Economy Action Plan, the product landscape in the EU will undergo fundamental changes. The legal requirements for products are being expanded, not least through the Proposal for an Ecodesign Regulation for Sustainable Products published by the European Commission in 2022. Following the current developments, requirements for the circularity of products will be increased next to the already existing minimum requirements for products’ energy efficiency. Following this development, the lead question has to be: Is the market, in particular small- and medium-sized enterprises, well prepared for this planned green transformation of our economy? The answer is: No, not yet.
What is needed are suitable standards for the implementation of these requirements to reduce additional burdens to an appropriate level and to support fair competition between all market actors concerned. The German Institute for Standardization, the German Commission for Electro-technical, Electronic & Information Technologies and the Association of German Engineers have conducted a review study with the aim of identifying fundamental needs for revising existing standards and for creating new standards - both of which are intended to support and accelerate the transformation of the current economy towards a Circular Economy. More than 700.000 normative documents were analyzed, and the results were discussed and consolidated with more than 1000 experts from manufacturers (organizations), consumer- and environmental organizations as well as from the public sector. As a result, more than 200 gaps in the standardization landscape were identified. In this study, we highlight and analyze the most important needs for standardization activities in the field of electrotechnical-, electronic- and ICT-products. In the discussion with the experts for electrotechnical-, electronic- and ICT products, it has been confirmed that a timely implementation of ambitious political decisions of a circular economy requires a normative basis to ensure its consistency. Furthermore, consensus between experts was that legislation in product regulation would be key and should not be extended to the area of waste legislation. As most important standardization activities accompanying product legislation, the following were identified: (i) creation of a set of indicators enabling a holistic assessment of product circularity, (ii) quality assurance of secondary raw materials and consumers awareness of the product circularity both enabled by appropriate analytics and (iii) clear regulation concerning product liability of repaired, refurbished or remanufactured products. One issue of relevance to all experts concerns the product safety, which must not, under any circumstances, decrease when changing product design to reach a higher degree of circularity. The mentioned and further standardization activities would be essential to kick the can down the circular economy road and are analyzed and summarized in this study.
The individual willingness to pay for sustainable products is significantly influenced by the climate crisis, but is also affected due to additional international crises as the still ongoing pandemic and the war in Ukraine. The better a product labelling is designed, the more likely consumers are to make a well-considered purchase decision at the point-of-sale, which in turn increases the product lifetime of the devices.
The results of this study are based on two consumer surveys with a total of 590 participants. Consumers were asked to make a simulated purchase decision based on the upcoming EU Energy Label for smartphones. Each consumer was presented comparison labels showing different aspects concerning durability (meaning charging cycles, robustness and IP class), repairability, energy efficiency and product price. In addition, there was a question on energy consumption, which was displayed either in Wh/h or in battery endurance per charge in hours.
The analysis of the survey shows a clear ranking of the preferred properties: 1. Durability as best option, Energy efficiency and Repairability as second and third choice. In all categories, a higher price was accepted in favor of a more environmentally friendly product design. When presenting the energy consumption in Wh/h, no reliable distinguishing between higher or lower values was observed. In contrast, higher values were clearly preferred when choosing between different battery runtimes.
Recommendations will be developed for adjustments to the upcoming EU Energy Label for smartphones and other product labels in the future showing circular economy aspects, such as the durability, repairability, recycled content used during production, recyclability or the total footprint of the product.
Wie können industriell synthetisierte Schadstoffe aus einer Stoffklasse quantifiziert werden, deren genauer Umfang unbekannt ist und auf mehrere tausend Verbindungen geschätzt wird? Im Falle der per- und polyfluorierten alkylierten Substanzen (PFAS) stellen sich Wissenschaftler*innen weltweit seit über zehn Jahren diese Frage. Neben der etablierten Methodik der Einzelstoffanalytik (engl. target analytic) existieren Summenparameteranalysen zur Quantifizierung
organisch gebundener fluorierter Verbindungen in Umweltmedien und Konsumprodukten. An der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) beschäftigen wir uns mit der Weiterentwicklung von Summenparametermethoden am Beispiel von PFAS-belasteten Umweltkompartimenten wie Böden, Klärschlämmen und Gewässerproben sowie PFAS-haltigen Konsumgütern. In diesem Beitrag stellen wir zwei ausgewählte Fallbeispiele vor und diskutieren die Vor- und Nachteile der Methoden im Vergleich zur Einzelstoffanalytik.
For the first time, µ-X-ray fluorescence (µ-XRF) mapping combined with fluorine K-edge µ-X-ray absorption near-edge structure (µ-XANES) spectroscopy was applied to depict per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) contamination and inorganic fluoride in samples concentrations down to 100 µg/kg fluoride. To demonstrate the matrix tolerance of the method, several PFAS contaminated soil and sludge samples as well as selected consumer product samples (textiles, food contact paper and permanent baking sheet) were investigated. µ-XRF mapping allows for a unique element-specific visualisation at the sample surface and enables localisation of fluorine containing compounds to a depth of 1 µm. Manually selected fluorine rich spots were subsequently analysed via fluorine K-edge µ-XANES spectroscopy. To support spectral interpretation with respect to inorganic and organic chemical distribution and compound class determination, linear combination (LC) fitting was applied to all recorded µ-XANES spectra. Complementarily, solvent extracts of all samples were target-analysed via LC-MS/MS spectrometry. The detected PFAS sum values range from 20 to 1136 µg/kg dry weight (dw). All environmentally exposed samples revealed higher concentration of PFAS with a chain length >C8 (e.g. 580 µg/kg dw PFOS for Soil1), whereas the consumer product samples showed a more uniform distribution with regard to chain lengths from C4 to C8. Independent from quantified PFAS amounts via target analysis, µ-XRF mapping combined with µ-XANES spectroscopy was successfully applied to detect both point-specific concentration maxima and evenly distributed surface coatings of fluorinated organic contaminants in the corresponding samples.
Wavelength scanning coherent optical time domain reflectometer (WS-COTDR) is a good candidate to spatially resolve the environmental information at comparatively low frequency. This paper reveals it can also work as a traditional optical time domain reflectometer (OTDR) to identify Fresnel reflection by averaging the obtained signal over the wavelength scanning range. Simultaneous distributed vibration sensing and a traditional OTDR measurement are experimentally demonstrated using the WS-COTDR system.
Wavelength scanning coherent optical time domain reflectometer (WS-COTDR) is a good candidate to spatially resolve the environmental information at comparatively low frequency. This paper reveals it can also work as a traditional optical time domain reflectometer (OTDR) to identify Fresnel reflection by averaging the obtained signal over the wavelength scanning range. Simultaneous distributed vibration sensing and a traditional OTDR measurement are experimentally demonstrated using the WS-COTDR system.
Vortrag über die Regelungen der AbfKlärV bezüglich P-Rückgewinnung. Diskussion der Auswirkung einer konzentrationsbezogenen Grenze auf die Pflicht zur P-Rückgewinnung. Diskussion der nach AbfKlärV zulässigen analytischen Verfahren zur Bestimmung von P in Klärschlamm und Ableitung von Empfehlungen. Vorstellung der Ergebnisse eines Ringversuchs mit 28 Laboren.
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.
The formation of microplastic (MP) particles (1-1000 µm) is mostly related to physicochemical degradation processes of macroplastics. Photooxidative damage is often set as the initial degradation process, which leads to embrittlement of the plastics. Mechanical processes then lead to further fragmentation and the formation of MP particles. In the environment, this can be associated with UV exposure through direct radiation from the sun, which leads to radical formation in the polymer systems on the one hand and radical formation of oxygen on the other. The result is material embrittlement usually caused by chain shortening in the polymeric system. Due to specific ecosystem conditions, the damaged polymer is fragmented by erosive, abrasive processes or wave action.
According to reference material topic for MP analysis, pristine and artificially weathered polymers are needed. Starting from granulate or macroplastics, these can be pulverised with different techniques, bottled and stored until usage. The bottled powders need to be homogen and stable over a defined time interval regarding to a specific property.
This work deals with different polymer types, aged and non-aged. It tries to answer the question under which storage conditions polymers will be stable in particle size. The powders are characterized for chemical composition and shape with FTIR, DSC and SEM. Particle size distribution was measured by laser diffraction with wet and dry dispersion. Artificially pre-aged materials seem to be more vulnerable for further aging and less stable in particle size distribution measurements.
The interaction of microcroplastics (MP) with dissolved organic matter, especially humic substances, is of great importance in understanding the behavior of microplastics in aquatic ecosystems. Surface modification by humic substances plays an essential role in transport and interaction of MP with abiotic and biotic components. Previous studies on the interaction between MP and humic substances were largely based on a model compound, humic acid (Sigma-Aldrich). In our work, we therefore investigated the interaction of natural organic matter (NOM) sampled from a German surface water with low-density polyethylene particles (LDPE). Highpressure size exclusion chromatography (HPSEC) and UV/vis absorption and fluorescence spectroscopy were used to characterize the incubation solutions after modifications due to the presence of LDPE, and Raman spectroscopy was used to characterize the incubated microplastics. While the studies of the solutions generally showed only very small effects, Raman spectroscopic studies allowed clear evidence of the binding of humic fractions to MP. The comparison of the incubation of NOM and a lignite fulvic acid which also was tested further showed that specific signatures of the humic substances used could be detected by Raman spectroscopy. This provides an elegant opportunity to conduct broader studies on this issue in the future.
Besides classical per- and polyfluorinated alkylated substances (PFAS), side-chain fluorinated polymers (SFPs) are widely applied as efficient anti-wetting and anti-greasing coatings in various daily applicated consumer products such as outdoor apparel, carpetry or paper-based food contact materials. Although the fluorinated sidechains are chemically bound to a base polymer, their release can be triggered by environmental influences or wear-off, thus contribute as significant sources of PFAS in the environment. Since only little knowledge of PFAS and SFP composition in consumer products is available, a comprehensive analytical approach might be beneficial.
A fast method for microplastic detection is thermal extraction desorption‐gas chromatography/mass spectrometry (TED‐GC/MS), which uses polymer‐specific thermal decomposition products as marker compounds to determine polymer mass contents in environmental samples. So far, matrix impacts of different environmental matrices on TED‐GC/MS performance had not yet been assessed systematically. Therefore, three solid freshwater matrices representing different aquatic bodies with varying organic matter contents were spiked with a total of eight polymers. Additionally, for the first time, the two biodegradable polymers polybutylene adipate terephthalate (PBAT) and polylactide (PLA) were analysed using TED‐GC/MS. The methodological focus of this work was on detectability, quality of signal formation as well as realisation of quantification procedures and determination of the limit of detection (LOD) values. Overall, TED‐GC/MS allowed the unambiguous detection of the environmentally most relevant polymers analysed, even at low mass contents: 0.02 wt% for polystyrene (PS), 0.04 wt% for the tyre component styrene butadiene rubber (SBR) and 0.2 wt% for polypropylene (PP), polyethylene (PE) and PBAT. Further, all obtained LOD values were increased in all matrices compared to the neat polymer without matrix. The LOD of the standard polymers were increased similarly (PS: 0.21–0.34 μg, SBR: 0.27–0.38 μg, PP: 0.32–0.36 μg, PMMA: 0.64–1.30 μg, PET: 0.90–1.37 μg, PE: 3.80–6.99 μg) and their decompositions by radical scission processes were not significantly influenced by the matrices. In contrast, matrixspecific LOD increases of both biodegradable polymers PBAT (LOD: 1.41–7.18 μg) and PLA (0.84–20.46 μg) were observed, probably due to their hetero‐functional character and interactions with the matrices. In conclusion, the TED‐GC/MS performance is not solely determined by the type of the polymers but also by the composition of the matrix.
Bisphenol A (BPA) is used in Polycarbonate, Polyacrylic resins, Polysulfones, Epoxy resins, and Polyetherimides. It is also used in recycled Polyvinyl chloride [1–3]. BPA has been classified as a substance of very high concern (SVHC) under REACH [4] due to its endocrine disrupting properties. The German competent authorities want to reduce the content of BPA in the environment. Possible substitutes for BPA are Bisphenol B (BPB), Bisphenol E (BPE),
Bisphenol F (BPF), or Bisphenol S (BPS), as they are similar in structure.
BPA-based materials have a wide area of application especially outside. These outdoor applications are exposed to different external influences, including physical, biological, mechanical and chemical influences. This results in damage and aging of the material with leaching or migration into the environment. There, the substance is transformed by various transformation processes. The emerging metabolites and transformation products (TPs) can have different properties than the parent substance. Understanding the fate and behavior of the emerging pollutants is very important.
Therefore, different transformation products of selected bisphenols will be generated and analyzed:
To investigate the fate of different bisphenols in water treatment plants technical transformation products [5] will be generated by chlorination, ozonization, the Fenton reaction, and UV-radiation.
For the investigation of the fate of Bisphenols in surface water global radiation will be simulated with UVA-lamps
Simulation of phase-I-metabolism with an electrochemical cell coupled to mass spectrometry (EC-MS).
In Deutschland werden jährlich rund 20 Millionen Tonnen künstliche Mineralwolle für die Dämmung von Dächern und Fassaden sowie für Brandschutzprodukte verwendet. Um künstliche Mineralwolle aus Rückbaumaßnahmen in den Produktionsprozess zurückführen zu können, ist eine Trennung in Glas- und Steinwolle erforderlich, um eine Vermischung der beiden Produkte, die unterschiedliche Schmelztemperaturen aufweisen, zu vermeiden. Anstatt die Mineralwolle in spezielle Labors zu schicken, was zeitaufwendig und teuer ist, wurde das Potenzial eines tragbaren Nahinfrarot-Spektrometers (NIR) für den Einsatz vor Ort getestet. 140 verschiedene Mineralwolleproben wurden untersucht, um eine NIR-basierte Methode für die Vor-Ort-Unterscheidung zwischen Glas- und Steinwolle zu etablieren. Die Validierung der Methode mit Testproben und die Anwendung auf Materialien, die aus BigBags für Deponien entnommen wurden, haben gezeigt, dass die Methode präzise und robust ist. Als Referenzmethode wurde die Röntgenfluoreszenzspektroskopie (RFA) mit einer Kalibrierung auf der Grundlage der VDI 3492 verwendet.
Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) are a group of anionic, cationic and zwitterionic synthetic products, in which the hydrogen atoms on the carbon skeleton of at least one carbon atom have been completely replaced by fluorine atoms and which include more than 4730 compounds, depending on the definition. As a result of continuous and prolific use, mainly in aviation firefighting foams, thousands of industrial and military installations have been found to contain contaminated soil, groundwater and surface water. Furthermore, current decontamination strategies of PFAS-burdened soils mainly consist of adsorption methods using adsorbents for fixation of PFAS in the ground. Hence, there is a great demand for innovative developments and chemical treatment technologies, dealing with new strategies of tackling the PFAS problem. Thus, we investigated mechanochemical treatment of PFAS contaminated soils with various additives in a ball mill and analyzed the PFAS defluorination. In this presentation the advantages of fluorine K-edge X-ray absorption near-edge structure (XANES) spectroscopy for various environment samples are shown.
In Deutschland fallen aktuell pro Jahr über 5 Mio. Tonnen Hausmüllverbrennungs-aschen (HMVA) an. Eine Verwertung dieser Aschen und Schlacken ist in Deutschland möglich und findet überwiegend im Deponiebau statt. Für die Verwertung sind in der Ersatzbaustoffverordnung Eluatgrenzwerte für Schwermetalle und einige andere Parameter vorgesehen.
Der Umgang mit HMVA könnte durch eine Einstufung als gefährlicher Abfall erschwert werden. Maßgeblich für die Einstufung eines Abfalls als gefährlich oder ungefährlich sind die gefahrenrelevanten Eigenschaften HP 1 bis HP 15 nach Anhang III der Richtlinie 2008/98/EG über Abfälle mit dort festgelegten Konzentrationsgrenzen. Für HMVA ist im Wesentlichen nur der Parameter HP 14 (Ökotoxizität) von Bedeutung. Dafür sind entscheidend die Gehalte an chemischen Verbindungen mit den Gefahrenhinweiscodes (hazard statement code, HSC) H400, H410, H411, H412 und H413. Eine detaillierte Diskussion zu den übrigen Gefahreneigenschaften bei HMVA findet sich in der Literatur. Die Einstufung als gefährlicher Abfall erfolgt nach festgelegten Rechenregeln.
Die BAM bearbeitet ein durch das UBA gefördertes Forschungsprojekt zur Erfassung und Bewertung von Analysedaten zu Aschen und Schlacken aus Abfallverbrennungsanlagen. Die Ergebnisse des Vorhabens sollen bei der Weiterentwicklung des vorhandenen Konzeptes für eine bundeseinheitlichen Untersuchung und abfallrechtlichen Einordnung von Aschen und Schlacken aus deutschen Abfallverbrennungsanlagen unterstützend herangezogen werden. Im Vortrag werden Verfahren zur quantitativen Bestimmung der einstufungsrelevanten Verbindungen vorgestellt: 1.) der Praxisleitfaden von ITAD und IGAM, 2.) Methode basierend auf der Bioverfügbarkeit und 3.) Methode basierend auf Speziierungsanalyse.
Accessing radiation damage to biomolecules on the nanoscale by particle-scattering simulations
(2023)
Radiation damage to DNA plays a central role in radiation therapy to cure cancer. The physico-chemical and biological processes involved encompass huge time and spatial scales. To obtain a comprehensive understanding on the nano and the macro scale is a very challenging tasks for experimental techniques alone. Therefore particle-scattering simulations are often applied to complement measurements and aide their interpretation, to help in the planning of experiments, to predict their outcome and to test damage models. In the last years, powerful multipurpose particle-scattering framework based on the Monte-Carlo simulation (MCS) method, such as Geant4 and Geant4-DNA, were extended by user friendly interfaces such as TOPAS and TOPAS-nBio. This shifts their applicability from the realm of dedicated specialists to a broader range of scientists. In the present review we aim to give an overview over MCS based approaches to understand radiation interaction on a broad scale, ranging from cancerous tissue, cells and their organelles including the nucleus, mitochondria and membranes, over radiosensitizer such as metallic nanoparticles, and water with additional radical scavenger, down to isolated biomolecules in the form of DNA, RNA, proteins and DNA-protein complexes. Hereby the degradation of biomolecules by direct damage from inelastic scattering processes during the physical stage, and the indirect damage caused by radicals during the chemical stage as well as some parts of the early biological response is covered. Due to their high abundance the action of hydroxyl radicals (•OH) and secondary low energy electrons (LEE) as well as prehydrated electrons are covered in additional detail. Applications in the prediction of DNA damage, DNA repair processes, cell survival and apoptosis, influence of radiosensitizer on the dose distribution within cells and their organelles, the study of linear energy transfer (LET), the relative biological effectiveness (RBE), ion beam cancer therapy, microbeam radiation therapy (MRT), the FLASH effect, and the radiation induced bystander effect are reviewed.
Metarhizium robertsii DSM 1490 is a generalist entomopathogenic fungus.
The mechanisms of pathogenesis of such fungi in insects like termites are not completely understood. Here, we report the draft genome sequence, as sequenced on the Oxford Nanopore platform. The genome has a GC% of 47.82 and a size of 45,688,865 bp
Im Rahmen des Vortrages wurde ein kurzer kurzer Einstieg in die Circular Economy und die Schnittmenge zur Politik, speziell der nationalen und europäischen Rechtssetzung gegeben. Weiter wurde an praktischen Beispielen gezeigt, wie Circular Economy bereits heute durch Normung gelingen kann und wo es Verbesserungsbedarf gibt. Außerdem wurde ein Überblick über bestehende und zukünftige Legislativvorgaben gegeben.
Fused filament fabrication (FFF) is a material extrusion-based technique often used in desktop 3D printers. Polymeric filaments are melted and are extruded through a heated nozzle to form a 3D object in layers. The extruder temperature is therefore a key parameter for a successful print job but also one of the main emission driving factors as harmful pollutants (e.g., ultrafine particles) are formed by thermal polymer degradation. The awareness of potential health risks has increased the number of emission studies in the past years. However, studies usually refer their calculated emission data to the printer set extruder temperature for comparison purposes. In this study, we used a thermocouple and an infrared camera to measure the actual extruder temperature and found significant temperature deviations to the displayed set temperature among printer models. Our result shows that printing the same filament feedstocks with three different printer models and with identical printer set temperature resulted in a variation in particle emission of around two orders of magnitude. A temperature adjustment has reduced the variation to approx. one order of magnitude. Thus, it is necessary to refer the measured emission data to the actual extruder temperature as it poses a more accurate comparison parameter for evaluation of the indoor air quality in user scenarios or for health risk assessments.
Der Koalitionsvertrag der Bundesregierung betont in seiner Präambel zur Zukunft Deutschlands in Bezug auf die notwendige Modernisierung, dass „dieser Fortschritt auch mit einem Sicherheitsversprechen einhergehen muss“. Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) stellt mit ihrem Auftrag „Sicherheit in Technik und Chemie“ und ihrer über 150-jährigen Kompetenz sicher, dass ein nachhaltiger technischer Fortschritt von einem Sicherheitsversprechen für die Bürger*innen begleitet ist.
Durch ihre Interdisziplinarität, die thematische Breite, die langjährige Erfahrung und die unabhängige Rolle als Ressortforschungseinrichtung ist die BAM in einer herausragenden Lage, als zentraler Akteur die Entwicklung unterschiedlichster Technologien unter Berücksichtigung sicherheitstechnischer Aspekte voranzubringen, das Vertrauen der Gesellschaft in diese Technologien sicherzustellen und dadurch die Basis für erfolgreiche Innovationen zu schaffen.
Der Fokus ihrer Arbeit liegt auf den fünf Themenfeldern Energie, Infrastruktur, Umwelt, Material und Analytical Sciences. Wichtige Themen betreffen dabei sowohl die Energiewende (Wasserstoff, elektrische Energiespeicher, Windenergie) als auch Bereiche der Technologiesouveränität wie die additive Fertigung, zuverlässige Materialdaten, Zustandsüberwachung und Kreislaufwirtschaft.
Die Digitalisierung und den digitalen Wandel unterstützt die BAM in Bezug auf technologieübergreifende Rahmenbedingungen besonders in der Initiative Qualitätsinfrastruktur-Digital (QI-Digital), in der gemeinsam mit weiteren zentralen Akteuren der deutschen QI Lösungen für die Qualitätssicherung in einer digitalisierten Welt entwickelt werden.
Grundvoraussetzung für sichere Technologien und Innovationen ist eine leistungsfähige Forschung und Entwicklung ebenso wie Wissens- und Technologietransfer zur Umsetzung von Forschungsergebnissen in marktfähige Produkte und Dienstleistungen. Dafür bildet die Arbeit der BAM eine wichtige Basis.
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.
Aufgrund des tieferen Eindringens der solaren Strahlung treten bei transparenten und bei transluzenten (durchscheinenden) Kunststoffen veränderte Bedingungen gegenüber opaken Proben auf. Dies kann zu speziellen Effekten und damit zu einem abweichenden Bewitterungsverhalten führen. Auch aus Mangel an geeigneten Normen werden diese Effekte häufig vernachlässigt. Deshalb initiiert der DIN-FNK auf ISO-Ebene ein entsprechendes Dokument.
Die Norm ist in der Form eines Technical Reports geplant. In einem ersten Teil sollen die Besonderheiten transparenter oder transluzenter Kunststoffe erläutert werden, um den Nutzer für mögliche Probleme zu sensibilisieren. Im zweiten Teil werden Empfehlungen für Bestrahlung oder Bewitterung herausgearbeitet. In einem dritten Teil geht es dann um Besonderheiten bei der Messung von Eigenschaftsänderungen transparenter bzw. transluzenter Kunststoffe. In informativen Anhängen sollen verschiedene Beispiele die Thematik illustrieren.
Significant Cu-deposition and precipitation only occurred in combination with carbon steel. High-alloyed materials prevent the disturbing Cu-agglomeration. Pb-deposition and precipitation only occurred in combination with carbon steel. No negative Pb-effect could be observed in combination with high-alloyed steels. High alloyed corrosion resistant alloys are suitable and shall be chosen for future design of the piping system, either in massive or in cladded form, to prevent unwanted interactions with brine components.
Microplastic particles with sizes between 1 to 1000 μm are widely distributed worldwide. Origin, transport pathways and fate are poorly known, as sampling, sample preparation and detection methods are major challenges. In addition, reference materials that mimic environmental particles are lacking. Most challenging is the yield of MP particle production and the need for resource-intensive grinding with liquid nitrogen. In this paper, a machine is designed to produce aged microplastic particles as reference material candidates with high yield. The machine is based on ultraviolet aging of a thin foil and mechanical fragmentation using clean air. An example of aging and fragmentation of high density polyethylene with additional physical and chemical characterization of shape, size, aging state by carbonyl index and density is presented.
Kunststoffdichtungsbahnen (KDB) aus PE-HD (Polyethylen hoher Dichte) werden häufig zur Abdichtung von Bauwerken in der Geotechnik verwendet. Diese Produkte werden aus einem Kunststoff mit relativ komplexer Zusammensetzung hergestellt. Um eine Aussage über die Haltbarkeit von KDB aus PE-HD treffen zu können, muss das Materialverhalten berücksichtigt werden. In diesem Zusammenhang sind die wichtigsten Aspekte der Dauerhaftigkeit die Spannungsrissbeständigkeit und die Beständigkeit gegen Oxidation. Verschiedene PE-Sorten weisen eine unterschiedliche Spannungsrissbeständigkeit auf. Um dieser Eigenschaft von PE-HD zu begegnen, werden nur KDB aus sehr hochwertigen Rohstoffen zugelassen. Auf der anderen Seite werden hohe Anforderungen an die umgebenden Schichten, wie Auflager und Schutzschicht gestellt, um möglichst geringe Spannungen zu erzeugen und damit Dehnungen die Dehnungen der KDB gering zu halten. Bestimmte Medien, die bei den betreffenden Prüfungen verwendet werden, dürfen nicht mehr in der EU in Verkehr gebracht werden. Im Folgenden sollen die Zusammenhänge in Kürze dargestellt werden. Darüber hinaus sollen Diskussionen und Änderungen der Zulassungsrichtlinie für Schutzschichten im und durch den Fachbeirat vorgestellt werden.
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.
Kunststoffdichtungsbahnen (KDB) aus PE-HD (Polyethylen hoher Dichte) werden häufig zur Abdichtung von Bauwerken in der Geotechnik verwendet. Diese Produkte werden aus einem Kunststoff mit relativ komplexer Zusammensetzung hergestellt. Um eine Aussage über die Haltbarkeit von KDB aus PE-HD treffen zu können, muss das Materialverhalten berücksichtigt werden. In diesem Zusammenhang sind die wichtigsten Aspekte der Dauerhaftigkeit die Spannungsrissbeständigkeit und die Beständigkeit gegen Oxidation. Verschiedene PE-Sorten weisen eine unterschiedliche Spannungsrissbeständigkeit auf. Um dieser Eigenschaft von PE-HD zu begegnen, werden nur KDB aus sehr hochwertigen Rohstoffen zugelassen. Auf der anderen Seite werden hohe Anforderungen an die umgebenden Schichten, wie Auflager und Schutzschicht gestellt, um möglichst geringe Spannungen zu erzeugen und damit Dehnungen die Dehnungen der KDB gering zu halten. Bestimmte Medien, die bei den betreffenden Prüfungen verwendet werden, dürfen nicht mehr in der EU in Verkehr gebracht werden. Im Folgenden sollen die Zusammenhänge in Kürze dargestellt werden. Darüber hinaus sollen Diskussionen und Änderungen der Zulassungsrichtlinie für Schutzschichten im und durch den Fachbeirat vorgestellt werden.
The roles of DHN melanin and the stress-activated MAP kinase in the rock inhabitant Knufia petricola
(2023)
Black fungi/yeasts exhibit high stress tolerance, yeast‑like or meristematic growth, and constitutive 1,8-dihydroxynaphthalene (DHN) melanin formation. Due to their slow growth, robust cell walls and the lack of sexual cycles and genetic tools, the underlying mechanisms of their phenotypic traits have remained largely unexplored. Using recently developed genetic tools, it is now possible to manipulate the genome of the rock-inhabiting model fungus Knufia petricola. Thus, gene functions and the cell biology of black fungi can be studied using CRISPR/Cas9-based genome editing and live-cell imaging with genetically encoded fluorescent proteins. Here, we are addressing the question to which extent constitutive pigment formation (melanin and carotenoids) and responses mediated by the stress-activated mitogen-activated protein (MAP) kinase contribute to the observed extremotolerance of K. petricola. The mutations of pks1, phs1 and both genes result in melanin-free (pink), carotenoid-free (black) and pigment-free (white) strains, respectively. The other putative melanogenic genes were identified in the genome, deleted to confirm their involvement in DHN melanogenesis and co-expressed in Saccharomyces cerevisiae for reconstruction of the synthesis pathway. Sak1 encoding the stress-activated MAP kinase was deleted in the wild-type and different pigment-deficient backgrounds. Growth of the obtained single, double and triple deletion mutants was tested by droplet tests on media supplemented with different stress-inducing agents. The Δsak1 mutants show slightly reduced growth rates even without environmental pressure and are hypersensitive to different stresses: e.g. osmotic, oxidative, membrane, pH and heat stress. Melanin-free Δsak1 mutants are more sensitive than black Δsak1 mutants to some but not all stress conditions, suggesting that melanin and the SAK1 pathway have complementary roles in protecting K. petricola from stress.
Iron is arguably the most essential metal in living organisms. For rock-inhabiting fungi its acquisition might be unconventional as they (1) tend to inhabit iron-deficient, oxygen-rich surfaces like marble monuments and solar panels and (2) produce the black, iron-adsorbing pigment melanin. We used a range of analytical methods, ongoing mineral dissolution experiments and gene deletion mutants of the model rock-inhabiting fungus Knufia petricola to figure out the mechanisms and substrate deteriorating effects of iron uptake by these organisms. To study both siderophore-mediated and reductive iron assimilation (RIA), genes like sidC, encoding a putative siderophore synthetase and ftr1 and fet3 encoding the subunits of an iron permease-oxidase were deleted.
At iron deficient conditions, growth of the wild type (WT) and ΔsidC mutant was similar, whereas growth of the Δftr1-fet3 mutant and the double mutant ΔsidC/Δftr1-fet3 was diminished and absent, respectively. We were not able to detect the siderophore of K. petricola and the WT and mutants were not able to grow at low concentrations of strong iron chelators. However, in a cross-feeding experiment, an overexpression strain of sidC allowed more growth of ΔsidC/Δftr1-fet3 on iron deficient medium than the WT, whereas the ΔsidC mutant could not do so at all. Compared to the WT, the sidC overexpression strain also withstood oxidative stress better and had a shorter lag time and higher growth rate. Combined, these results indicate that K. petricola relies more on RIA than siderophore-mediated uptake as it likely excretes low quantities of a primarily intracellular siderophore. Interestingly, Δftr1-fet3 had a higher iron content than the WT at iron deficient conditions. This difference disappeared upon deletion of melanin synthesis (Δpks1 vs. Δpks1/Δftr1-fet3): melanin-bound iron can likely not be used without RIA. K. petricola’s chelation incapacity implies a habitat free of competition for iron while offering us a mitigation strategy.
Cryomyces antarcticus – a cryptoendolithic black fungus endemic to Antarctica – is taxonomically classified in phylum Ascomycota, class Dothideomycetes incertae sedis. C. antarcticus has shown high capability to survive extreme environmental conditions like those found in space (ionizing radiation, vacuum, microgravity), thus fueling fundamental astrobiological questions like “searching for life beyond Earth” (Onofri et al. 2020, Extremophiles Astrobiol Model). Its extraordinary resilience has been attributed to the presence of thick, highly melanized cell walls, which may contain both DHN and DOPA melanins (Pacelli et al. 2020, Appl Microbiol Biotechnol). To better understand the contribution of DHN melanin to the overall resilience of C. antarcticus, we initially adopted chemicals e.g., tricyclazole to inhibit the DHN melanin synthetic pathway; however, these studies gave inconclusive results. Eventually, we decided to generate melanin-deficient mutants by genetic engineering. Using the genetic toolkit developed for the black fungus Knufia petricola (Voigt et al. 2020, Sci Rep; Erdmann et al. 2022, Front Fungal Biol), we designed a strategy for mutating the key enzyme (polyketide synthase)-encoding gene capks1 by transient delivery of Cas9 and capks1-specific sgRNA from AMA-containing plasmids and PCR-generated donor DNA i.e., resistance cassettes flanked by ~75-bp-long sequences homologous to capks1. For this, the melanin-PKS encoding ortholog was identified in the C. antarcticus CBS 116301 genome (mycocosm.jgi.doe.gov) and used to design primers for re-sequencing of the capks1 locus in the strain CCFEE 515. Transformation of C. antarcticus is challenging because of its very slow growth; we expect that 4-6 months are needed from obtaining enough biomass for cell wall lysis until transferring putatively resistant transformants for genotyping. Important parameters were evaluated: protoplasts can be generated, and they survive the transformation procedure, and suitable concentrations of selective agents have been identified. Nowadays, we are waiting for the first C. antarcticus mutants considered to be deficient in DHN melanogenesis.
Microcolonial black fungi ubiquitously inhabit sun-exposed natural and man-made surfaces of our planet. To promote genetic studies, which are hindered by slow growth, lack of sexual cycles and transformation difficulties, CRISPR/Cas9-based genetic tools were implemented (Erdmann et al. 2022, Front Fungal Biol). Now efficient targeted mutagenesis of the rock inhabitant Knufia petricola (Eurotiomycetes/Chaetothyriales) - as a representative of the polyphyletic group of black fungi - enables the elucidation of extremotolerance, oligotrophism, unusual types of cell division, mineral weathering and symbiotic interactions. Still more progress on assigning functions to yet unknown genes can be expected if a forward genetics approach is available. We chose the two-component Activator/ Dissociation (Ac/Ds) transposon system from maize for generating a collection of insertional mutants by in-vivo mutagenesis of K. petricola. For the optimal use of this genetic tool, an inducible promoter for the expression of the Ac transposase (AcTPase) and by this the regulatable transposition of the resistance cassette-containing Ds transposon is desired. However, endogenous promoters for nitrate assimilation and galactose catabolism - often used in fungi for regulatable gene expression - are not inducible by their substrates in K. petricola suggesting that the regulatory networks for nutrient acquisition differ significantly in oligotrophic fungi. Therefore, the metabolism-independent Tet-on system was combined with the AcTPase coding sequence and subsequently transformed into Ds-carrying K. petricola strains. In total, four auxotrophic Ac|Ds starter strains containing the Ds transposon at different position of ade2 or ura3 were generated. The cultivation of these strains with doxycycline for induction of TET::Ac and subsequent selection of cells on ADE/URA-lacking media resulted in prototrophic colonies (revertants) for some but not all Ac|Ds strains. Currently, the transposition events in the obtained revertants are studied to validate the procedure. First amplicon sequencing of excision sites revealed footprint patterns, proving the transposon jumped.
DHN (1,8-dihydroxynaphthalene) melanin is produced by Ascomycetes via slightly differing synthetic routes. Polyketide synthases release YWA1, AT4HN or T4HN. YWA1 and AT4HN are deacetylated by ‘yellowish-green’ hydrolases, and T4HN is converted by a core set of enzymes to DHN. Final polymerization steps are accomplished by multicopper oxidases. The melanogenic genes are tightly, partially or not clustered in the genomes, and are often regulated in a spatial and/or temporal fashion. By contrast, microcolonial fungi/black yeasts – a polyphyletic group of Ascomycetes dwelling in hostile habitats such as bare rock surfaces – feature constitutive DHN melanogenesis. Here, we report on the DHN melanogenic genes of Knufia petricola (Eurotiomycetes/Chaetothyriales).
Based on recently published research on leaching control mechanisms in electric arc furnace (EAF) slags, it is assumed that a FeO/SiO2 ratio of around one leads to low leached V and Cr concentrations. This ratio influences the mineral phase composition of the slag toward higher amounts of spinel and a lower solubility of calcium silicate phases by suppressing the formation of magnesiowuestite and highly soluble calcium silicate phases. To evaluate this hypothesis, laboratory and scaled up tests in an EAF pilot plant were performed on slag samples characterized by elevated V and Cr leaching and a high FeO/SiO2 ratio. Prior to the melting experiments, the optimum FeO/SiO2 ratio was calculated via FactSageTM. In the melting experiments, the ratio was adjusted by adding quartz sand, which also decreased the basicity (CaO/SiO2) of the slag. As a reference, remelting experiments without quartz sand addition were conducted and additionally, the influence of the cooling rate of the slag was examined. The remelted (without quartz sand) and the remelted modified slags (with quartz sand) were analyzed chemically and mineralogically and the leaching behavior was investigated. The modification of the slags yielded a minimized release of V and Cr, supporting the hypothesis that the FeO/SiO2 ratio influences the mineralogy and the leaching behavior.
1. Projektreffen mit dem Umweltbundesamt für das Projekt MARKERIA (VH1802).
Ziel des Projektes ist es, die Eignung der Bestimmung eines oder mehrerer der genannten anthropogenen Marker im Abwasser zur Volumenkorrektur („Kalibration“) im SARS-CoV-2-Monitoring von Abwässern auf der Basis eines von der BAM zu erhebenden Messdatensatzes zu evaluieren.
ESI-CorA ist ein nationales Verbundprojekt mit dem Ziel des Nachweises von SARS-CoV-2 im Abwasser.
Das UBA hat als Teilprojekt das Projekt MARKERIA (VH1802) an die BAM vergeben.
Ziel des Projektes ist es, die Eignung der Bestimmung eines oder mehrerer der genannten anthropogenen Marker im Abwasser zur Volumenkorrektur („Kalibration“) im SARS-CoV-2-Monitoring von Abwässern auf der Basis eines von der BAM zu erhebenden Messdatensatzes zu evaluieren.
Vortrag zum Kick-off des Projektes.
Ziel des Projektes ist es, die Eignung der Bestimmung eines oder mehrerer der genannten anthropogenen Marker im Abwasser zur Volumenkorrektur („Kalibration“) im SARS-CoV-2-Monitoring von Abwässern auf der Basis eines von der BAM zu erhebenden Messdatensatzes zu evaluieren.
2. Projekttreffen mit dem Umweltbundesamt zum Projekt MARKERIA (VH1802).
Ziel des Projektes ist es, die Eignung der Bestimmung eines oder mehrerer der genannten anthropogenen Marker im Abwasser zur Volumenkorrektur („Kalibration“) im SARS-CoV-2-Monitoring von Abwässern auf der Basis eines von der BAM zu erhebenden Messdatensatzes zu evaluieren.
Natural and synthetic estrogens are key endocrine-disrupting chemicals. Despite occurring at ultra-trace levels (below ng L-1), it is believed that they are contributing to an increase in feminized fish and other endocrine disruptive effects, and hence, their inclusion in the Watch list was not unexpected. One of the main sources ofestrogens to surface waters is wastewater effluent. Once in surface waters, they can partition into different compartments, i.e., water and suspended particulate matter. For this reason, there is an urgent need for a methodology to monitor estrogen levels below the environmental quality standards (EQS) set by the Water Framework Directive requirements.
In this study, a precise and accurate gas chromatography-mass spectrometry method (GC-MS/MS) for the analysis of estrone (E1), 17β-estradiol (17β-E2), 17α-estradiol (17α- E2), 17-alpha-ethinylestradiol (EE2), and estriol (E3) in whole water samples with ng L-1 limit of quantification (LOQ) was developed and validated in accordance with CEN/TS 16800:2020 guidelines.
Monitoring programs should generate high-quality data on the concentrations of substances and other pollutants in the aquatic environment to enable reliable risk assessment. Furthermore, the need for comparability over space and time is critical for analysis of trends and evaluation of restoration of natural environment. Additionally, research work and exercises at the European level have highlighted that reliable measurements of estrogenic substances at the PNEC level are still challenging to achieve.
The project EDC-WFD Metrology for monitoring endocrine disrupting compounds under the EU Water Framework Directive aims to develop traceable analytical methods for determining endocrine disrupting compounds and their effects, with a specific focus on three estrogens of the first watch list (17-beta-estradiol (17βE2), 17-alpha-ethinylestradiol (EE2), and estrone (E1)). Estrogens 17-alpha-estradiol (17E2) and estriol (E3) will be included to demonstrate the reliability of the developed methods and to support the requirements of Directive 2013/39/EC, Directive 2009/90/EC and Commission Implementation Decision (EU) 2018/840, hence improving the comparability and compatibility of measurement results within Europe. During the EDC-WFD project four selected effect-based methods (EBM) will be deeply investigated in order to improve their rationale use and their support in water quality assessment. In particular, the EBM sensitivity, specificity and accuracy on reference materials with single or mixture solutions of the five substances at a concentration of EQS values will be explored.
This contribution will present the objectives and methods applied within the EDC-WFD project.
Small-angle X-ray scattering (SAXS) can be used for structural determination of biological macromolecules and polymers in their native states (e.g. liquid phase). This means that the structural changes of (bio-)polymers, such as proteins and DNA, can be monitored in situ to understand their sensitivity to changes in chemical environments. In an attempt to improve the reliability of such experiments, the reduction of radiation damage occurring from exposure to X-rays is required. One such method, is to use scavenger molecules to protect macromolecules against radicals produced during radiation exposure, such as reactive oxygen species (ROS). In this study we investigate the feasibility of applying the compatible solute, osmolyte and radiation protector Ectoine (THP(B)), as a scavenger molecule during SAXS measurements of the single-stranded DNA-binding protein Gene-V Protein (G5P/GVP). In this case, we monitor the radiation induced changes of G5P during bio-SAXS measurments and the resulting microscopic energy-damage relation was determined from microdosimetric calculations by Monte-Carlo based particle scattering simulations with TOPAS/Geant4 and a custom target-model. This resulted in a median-lethal energy deposit of pure G5P at 4 mg mL−1 of E1/2 = 7 ± 5 eV, whereas a threefold increase of energy-deposit was needed under the presence of Ectoine to reach the same level of damage. This indicates that Ectoine increases the possible exposure time before radiation-damage to G5P is observed. Furthermore, the dominant type of damage shifted from aggregation in pure solutions towards a fragmentation for solutions containing Ectoine as a cosolute. These results are interpreted in terms of indirect radiation damage by reactive secondary species, as well as post-irradiation effects, related to preferential-exclusion of the cosolute from the protein surface. Hence, Ectoine is shown to provide a non-disturbing way to improve structure-determination of proteins via bio-SAXS in future studies.
The soil-feeding habit is an evolutionary novelty found in some advanced groups of termites. The study of such groups is important to revealing interesting adaptations to this way-of-life. The genus Verrucositermes is one such example, characterized by peculiar outgrowths on the head capsule, antennae and maxillary palps, which are not found in any other termite. These structures have been hypothesized to be linked to the presence of a new exocrine organ, the rostral gland, whose structure has remained unexplored.
We have thus studied the ultrastructure of the epidermal layer of the head capsule of Verrucositermes tuberosus soldiers.We describe the ultrastructure of the rostral gland, which consists of class 3 secretory cells only. The dominant secretory organelles comprise rough endoplasmic reticulum and Golgi apparatus, which provide secretions delivered to the surface of the head, likely made of peptide-derived components of unclear function. We discuss a possible role of the rostral gland of soldiers as an adaptation to the frequent encounter with soil pathogens during search for new food resources.
Energy efficient products often have a higher purchase price than less efficient alternatives. However, the life cycle costs are often lower due to the lower operating costs. From a purely economic point of view, efficient appliances are not only more ecological but often also more economical and, accordingly, should be purchased more frequently than less efficient appliances. However, this is not always the case. Information deficits are one of the major reasons of this discrepancy: the purchase price is visible during the purchasing process, but the follow-up costs are not, at least not in their exact amount. The EU Energy Label can be considered as a solution to close this gap. During the past decades, there has been a discussion on whether it would be better to communicate the monetary costs associated with energy consumption, since their calculation by the consumer is difficult or needs a high level of cognitive effort.
In this study, experiments and field studies on a total of 19 product groups were evaluated with regard to the question of whether the indication of costs instead of physical units affects the decision-making process of the consumer. It has been assessed under which circumstances it might positively influence the purchase decision of the customer, i.e. helping him or her to arrive at a more “energy efficient” decision. Overall, the results indicate that monetary claims possibly exceed the effect of claims on a physical basis when the costs or the differences between the alternatives available seem “relevant” to the consumer.
Antibiotic resistance is a growing global problem which poses a massive threat to human health. Although human activity contributes to the acceleration of the process, bacteria have a self-driven stabilisation mechanism to protect themselves from such and other external threats: biofilm formation. Nonetheless, it is the adhesion of a single bacterial cell to a surface that triggers the formation of such network of biomolecules and microorganisms, as well as its hazardous consequences. The main objective of this work was to quantify the adhesion force of a single E. coli cell on a Ti substrate via the AFM-related single-cell force spectroscopy, with both the cell and the substrate material being of high clinical relevance. A set of 25 x 25 force displacement curves was acquired with a maximum force of 3.2 nN without dwell time, yielding a topography map and an adhesion force map that showed to be correlated. A mean adhesion force of 0.85 ± 0.175 nN was measured and the presence of cell appendages on the bacterial cell wall was verified through individual force-displacement curves. Bacterial viability was assessed after the measurements via live/dead staining.
Showcasing research from the Federal Institute for Material Research and Testing Berlin and Fraunhofer Institute for Celltherapy and Immunology Branch Bioanalytics and Bioprocesses Potsdam.
Bio-SAXS of single-stranded DNA-binding proteins: Radiation protection by the compatible solute ectoine.
We aimed to increase the possible undisturbed exposure time during bio-SAXS measurements of single-stranded DNA-binding proteins. Therefore small angle X-ray scattering was performed on Gene-V Protein (G5P/GVP), which is involved in DNA repair processes. To achieve this, irradiations were performed in presence and absence of the hydroxyl-radical scavenger and osmolyte Ectoine, which showed efficient radiation protection and prevented protein aggregation, thus allows for a non-disturbing way to improve structure-determination of biomolecules.
This paper discusses the feasibility of a novel strategy based on the combination of bioprinting nano-doping technology and laser ablation-inductively coupled plasma time-of-flight mass spectrometry analysis for the preparation and characterization of gelatin- based multi-element calibration standards suitable for quantitative imaging. To achieve this, lanthanide up-conversion nanoparticles were added to a gelatin matrix to produce the bioprinted calibration standards. The features of this bioprinting approach were com- pared with manual cryosectioning standard preparation, in terms of throughput, between batch repeatability and elemental signal homogeneity at 5 μm spatial resolution. By using bioprinting, the between batch variability for three independent standards of the same concentration of 89 Y (range 0–600 mg/kg) was reduced to 5% compared to up to 27% for cryosectioning. On this basis, the relative standard deviation ( RSD ) obtained between three independent calibration slopes measured within 1 day also reduced from 16% (using cryosectioning ) to 5% (using bioprinting), supporting the use of a single standard preparation replicate for each of the concentrations to achieve good calibration performance using bioprinting. This helped reduce the analysis time by approximately 3-fold. With cryosectioning each standard was prepared and sectioned individually, whereas using bio-printing it was possible to have up to six different standards printed simultaneously, reducing the preparation time from approximately 2 h to under 20 min (by approxi- mately 6-fold). The bio-printed calibration standards were found stable for a period of 2 months when stored at ambient temperature and in the dark.
Climate change may increase the overall susceptibility of peatlands to fire. Smoldering fires in peatlands can cause substantial emissions of greenhouse gases. It is, however, less clear how smoldering affects the soil pore water quality. In this study, soil samples were collected from agricultural fen and disturbed bog study sites in Germany and Lithuania to quantify the effect of peat burning on pore water composition. The samples were air dried and smoldered under ignition temperature (approximately 200 °C) with different durations (0, 2, 5, and 10 h). Pore water samples were extracted from the soil to determine dissolved organic carbon (DOC) concentrations, dissolved organic matter (DOM) fractions, fluoride, extractable organically bound fluorine (EOF), and sulfate concentrations. The results showed that soil smoldering changes the peat pore water chemistry and that changes differ between fens and bogs. The smoldering duration is likewise influential. For fen grasslands, 2 and 5 h of smoldering of peat caused a >10-fold increase in DOC (up to 1600 mg L−1) and EOF concentrations. The fluoride (up to 60 mg L−1) and sulfate concentrations substantially exceededWHOdrinking water guidelines. In contrast, the temperature treatment decreased theDOC concentrations of samples from raised bogs by 90 %. The fluoride concentrations decreased, but sulfate concentrations increased after smoldering of the bog samples. DOC, fluoride, and sulfate concentrations of bogs varied significantly between the smoldering duration treatments. For all peat samples, the extracted DOMwas dominated by humic-like substances before smoldering, but the fraction of low molecular weight substances increased after smoldering combustion. In conclusion, smoldering alters the biogeochemical processes in both peatland types and possibly impair the water quality of adjacent water resources especially in fen peat landscapes.
Unsere Alltagssprache bedient sich so manchem Vorbild aus der Welt der Insekten. In Sinnsprüchen, Sprichwörtern, Redewendungen und Zitaten finden Fliegen und Mücken dabei besonders häufig Verwendung und dies meist in Form der Allegorie als wichtiges rhetorisches Gestaltungsmittel. Die eng mit dem Menschen verbundene Lebensweise der Stubenfliege z. B. bietet dafür die geschichtliche und kulturelle Basis.
Redensarten sind ein sprachliches Spiegelbild gelebter Kultur, was den Vergleich mit anderen Sprachen interessant macht. So hat jede Sprache ein charakteristisches Portfolio von ihnen, die sinnverwandt sein, aber auch bei wörtlicher Übersetzung zu Missverständnissen führen können.
Sprachen sind nicht gegeneinander isoliert. Während ihrer Differenzierung gab es immer auch aktiven Austausch von einzelnen Sprachelementen. Diesen Prozess zu rekonstruieren ist Aufgabe der vergleichenden Sprachwissenschaft, die sich dabei auch Methoden der biologisch-phylogenetischen Analyse bedient.
Permanente und nachhaltige Deckung von Grundbedürfnissen der Nahrungs- und Materialversorgung, aber auch das Ausnutzen von Arbeitshilfen, der Gebrauch von Versuchstieren in der Wissenschaft und die Freude an tierischer Begleitung in der Freizeit waren Beweggründe für die Domestikation von Tieren. Haustiere gehen auf eine zu ihrer Art gehörige Stammform einer Wildtierart zurück. Haustier und Wildtier sind somit Angehörige einer biologischen Spezies. Bei der Domestikation von Tieren spielte zwischenartliche Introgression keine Rolle. Die Domestikation von Haustieren durch Separation von kleinen Gruppen von Wildtieren erfolgte nur wenige Male an wenigen Orten (primäre Domestikationszentren). Haustiere bilden artübergreifend auffällig ähnliche morphologische und ethologische Merkmale aus (Domestikationssyndrom). Domestikation bei Wirbeltieren erfolgt primär über Selektion auf zutrauliches und zahmes Verhalten und unterliegt einem sehr komplexen pleiotropen Netzwerk von Regelkreisen. Die Domestikation ist ein koevolutiver Prozess und das Resultat eines bilateralen wechselseitigen Zusammenfindens von Prädispositionen und reziproken Valenzen der jeweiligen Partner von Haustier und Mensch.
This study reflects typical consumer textile washing behaviour while taking into account existing standards in the household appliance and garment industries. Two garments were washed repeatedly with artificial dirt and detergent 30 times. The collected washing water was separated using fractional filtration. Textile physical tests were used to follow property changes of the garments, the microplastic release is determined using thermoextraction/desorbtion–gas chromatography/mass spectrometry and the total organic carbon was measured as a sum parameter for the organic bonded carbon. This article shows the importance of a reality‐based approach when investigating microplastics of textile origin in the laundry care process. Deposits of detergent and dirt on the textiles were detected. The total mass of sieve residues was much higher than the release of synthetic polymers. The cotton content of the garments causes a much higher fibre release than synthetic fibres. Both will lead to false results by purely gravimetric analysis because nonpolymer fibres will be included microplastic mass. The results cannot be generalised only by the main polymer type, knowledge of the textile construction must be included for final evaluation.
Ratiometric green–red fluorescent nanosensors for fluorometrically monitoring pH in the acidic range were designed from 80 nm-sized polystyrene (PS) and silica (SiO2) nanoparticles (NPs), red emissive reference dyes, and a green emissive naphthalimide pH probe, analytically and spectroscopically characterized, and compared regarding their sensing performance in aqueous dispersion and in cellular uptake studies. Preparation of these optical probes, which are excitable by 405 nm laser or LED light sources, involved the encapsulation of the pH-inert red-fuorescent dye Nile Red (NR) in the core of self-made carboxylated PSNPs by a simple swelling procedure and the fabrication of rhodamine B (RhB)-stained SiO2-NPs from a silane derivative of pH-insensitive RhB. Subsequently, the custom-made naphthalimide pH probe, that utilizes a protonation-controlled photoinduced electron transfer process, was covalently attached to the carboxylic acid groups at the surface of both types of NPs. Fluorescence microscopy studies with the molecular and nanoscale optical probes and A549 lung cancer cells confirmed the cellular uptake of all probes and their penetration into acidic cell compartments, i.e., the lysosomes, indicated by the switching ON of the green naphthalimide fluorescence. This underlines their suitability for intracellular pH sensing, with the SiO2-based nanosensor revealing the best performance regarding uptake speed and stability.
Detailed knowledge about soil composition is an important prerequisite for many applications, for example precision agriculture. Current standard laboratory methods are complex and time-consuming but could be complemented by non-invasive optical techniques. Its capability to provide a molecular fingerprint of individual soil components makes Raman spectroscopy a very promising candidate. A major challenge is strong fluorescence interference inherent to soil, but this issue can be overcome effectively using shifted excitation Raman difference spectroscopy (SERDS). A customized dual-wavelength diode laser emitting at 785.2 and 784.6 nm was used to investigate 117 soil samples collected from an agricultural field along a distance of 624 m and down to depths of 1 m. To address soil spatial heterogeneity, a raster scan approach comprising 100 measurement spots per sample was applied. Based on the Raman spectroscopic fingerprint extracted from intense fluorescence interference by SERDS, 13 mineral soil constituents were identified, and even closely related molecular species could be discriminated, for example polymorphs of titanium dioxide and calcium carbonate. For the first time, the capability of SERDS is demonstrated to predict the calcium carbonate content as an important soil parameter using partial least squares regression (R2 = 0.94, root mean square error of cross-validation RMSECV = 2.1%). Our findings demonstrate that SERDS can extract a wealth of spectroscopic information from disturbing backgrounds enabling qualitative and quantitative soil analysis. This highlights the large potential of SERDS for precision agriculture but also in further application areas, for example geology, cultural heritage and planetary exploration.
The chemical state of antimony and vanadium species in municipal solid waste incineration bottom ash
(2023)
Due to the large quantity as residual mineral waste, municipal solid waste incineration - bottom ash (MSWI-BA) is an interesting secondary raw material that can be utilized for road construction. However, leaching of chloride, sulfate and potentially hazardous heavy metals from MSWSI-BA into the environment may cause problems in utilization of it in civil engineering. In a previous study, we performed a long-term leaching test of MSWI-BA in a lysimeter for almost six years to investigate the efficiency of the treatment process on the release of hazardous substances. While concentrations of chloride, sulfate and the majority of the heavy metals started to decrease rapidly with progressive liquid-to-solid ratio (L/S), the ecotoxic hazardous elements antimony (Sb) and vanadium (V) behaved differently. To unravel these unusual release behaviors and the oxyanion-formation of Sb and V we will apply HERFD-XANES spectroscopy to analyze their chemical state.
As industrial demand for graphene-based materials (GBMs) grows, more attention falls on potential environmental risks. The present article describes a first assessment of the environmental releases of GBMs using dynamic probabilistic material flow analysis. The model considered all current or expected uses of GBMs from 2004 to 2030, during which time there have already been significant changes in how the graphene mass produced is distributed to different product categories. Although the volume of GBM production is expected to grow exponentially in the coming years, outflow from the consumption of products containing GBMs shows only a slightly positive trend due to their long lifetimes and the large in-use stock of some applications (e.g., GBM composites used in wind turbine blades). From consumption and end-of-life phase GBM mass flows in 2030, estimates suggest that more than 50% will be incinerated and oxidized in waste plants, 16% will be landfilled, 12% will be exported out of Europe, and 1.4% of the annual production will flow to the environment. Predicted release concentrations for 2030 are 1.4 ng/L in surface water and 20 μg/kg in sludge-treated soil. This study’s results could be used for prospective environmental risk assessments and as input for environmental fate models.
Small-angle X-ray scattering (SAXS) can be used for structural determination of biological macromolecules and polymers in their native states (e.g. liquid phase). This means that the structural changes of (bio-)polymers, such as proteins and DNA, can be monitored in situ to understand their sensitivity to changes in chemical environments. In an attempt to improve the reliability of such experiments, the reduction of radiation damage occurring from exposure to X-rays is required. One such method, is to use scavenger molecules to protect macromolecules against radicals produced during radiation exposure, such as reactive oxygen species (ROS). In this study we investigate the feasibility of applying the compatible solute, osmolyte and radiation protector Ectoine (THP(B)), as a scavenger molecule during SAXS measurements of the single-stranded DNA-binding protein Gene-V Protein (G5P/GVP). In this case, we monitor the radiation induced changes of G5P during bio-SAXS measurments and the resulting microscopic energy-damage relation was determined from microdosimetric calculations by Monte-Carlo based particle scattering simulations with TOPAS/Geant4 and a custom target-model. This resulted in a median-lethal energy deposit of pure G5P at 4 mg mL−1 of E1/2 = 7 ± 5 eV, whereas a threefold increase of energy-deposit was needed under the presence of Ectoine to reach the same level of damage. This indicates that Ectoine increases the possible exposure time before radiation-damage to G5P is observed. Furthermore, the dominant type of damage shifted from aggregation in pure solutions towards a fragmentation for solutions containing Ectoine as a cosolute. These results are interpreted in terms of indirect radiation damage by reactive secondary species, as well as post-irradiation effects, related to preferential-exclusion of the cosolute from the protein surface. Hence, Ectoine is shown to provide a non-disturbing way to improve structure-determination of proteins via bio-SAXS in future studies.
The release of hazardous compounds from construction products can harm human health and the environment. To improve the sustainability of construction materials, the leaching of substances from construction products and their potential environmental impact should be assessed. Twenty-seven construction products from different product groups were examined with a combination of standardized leaching tests (dynamic surface leaching test and percolation test) and biotests (algae, daphnia, fish egg, luminescent bacteria, umu and Ames fluctuation tests). To identify the released substances, extensive qualitative and quantitative chemical analyses were performed, including gas chromatographic and liquid chromatographic screening techniques.
Results: Many of the tested eluates caused signifcant ecotoxic efects. Particularly high ecotoxicities were observed for grouts (lowest ineffective dilution (LID) up to 16384) and cork granules (LID up to 24578). The results of ecotoxicity tests allow the prioritization of the eluates that should be subjected to detailed chemical analyses. Organic screening by different methods and ranking the identifed substances based on recorded hazard classification is a suitable approach to identify the relevant toxic substances.
Conclusions: Determining the ecotoxicity of eluates from construction products records the summary effect of all leachable substances. This instrument is especially useful for construction products of complex and largely unknown composition. The ecotoxicological and the chemical–analytical approach complement each other in an ideal way to characterize the potential hazard of eluates from construction products and to identify the environmentally hazardous components in these eluates. Our results confirm that the proposed harmonized methods for testing eluate toxicity are an adequate and applicable procedure to move toward a more sustainable way of building and to reduce toxic effects of construction products in their use phase in the environment.
Remote gas sensors mounted on mobile robots enable the mapping of gas distributions in large or poorly accessible areas. A challenging task however, is the generation of three-dimensional distribution maps from these spatially sparse gas measurements. To obtain high-quality reconstructions, the choice of optimal measuring poses is of great importance. Remote gas sensors, that are commonly used in Robot Assisted Gas Tomography (RAGT), require reflecting surfaces within the sensor’s range, limiting the possible sensing geometries, regardless of whether the robots are ground-based or airborne. By combining ground and aerial robots into a heterogeneous swarm whose agents are equipped with reflectors and remote gas sensors, remote inter-robot gas measurements become available, taking RAGT to the next dimension – releasing those constraints. In this paper, we demonstrate the feasibility of drone-to-drone measurements under realistic conditions and highlight the resulting opportunities.
In recent years, thermoextraction/desorption-gas chromatography/mass spectrometry (TED-GC/MS) has been developed as a rapid detection method for the determination of microplastics (MP) mass contents in numerous environmentally relevant matrices and, in particular, for the measurement of polymers in water samples without time-consuming sample preparation. The TED-GC/MS method was applied to investigate a typical European municipal wastewater system for possible MP masses. Such investigations are important in view of the recent revision of the Urban Wastewater Treatment Directive. Four different representative sampling sites were selected: greywater (domestic wastewater without toilet), combined sewer, and influent and effluent of a wastewater treatment plant (WWTP). All samples were collected by fractional filtration. Filtration was carried out over mesh sizes of 500, 100, 50, and in some cases, 5 µm. Polyethylene (PE), polypropylene (PP), and polystyrene (PS) were detected in all samples, with the PE fraction dominating in all cases. Styrene-butadiene rubber which serves as an indication of tire abrasion, was only found in the influent of the WWTP. The highest MP mass contents were found in the combined sewer, so MP can become a source of pollution during heavy rain events when the capacity limits of the effluent are reached, and the polluted effluent is released uncontrolled into the environment. Based on the studies, MP retention from the WWTP could be estimated to be approximately 96%. Few trends in polymer type or mass contents were detected within the different fractions of the samples or when comparing samples to each other.
Tracking waterborne microplastic (MP) in urban areas is a challenging task because of the various sources and transport pathways involved. Since MP occurs in low concentrations in most wastewater and stormwater streams, large sample volumes need to be captured, prepared, and carefully analyzed. The recent research in urban areas focused mainly on MP emissions at wastewater treatment plants (WWTPs), as obvious entry points into receiving waters. However, important transport pathways under wet-weather conditions are yet not been investigated thoroughly. In addition, the lack of comprehensive and comparable sampling strategies complicated the attempts for a deeper understanding of occurrence and sources. The goal of this paper is to (i) introduce and describe sampling strategies for MP at different locations in a municipal catchment area under dry and wet-weather conditions, (ii) quantify MP emissions from the entire catchment and two other smaller ones within the bigger catchment, and (iii) compare the emissions under dry and wet-weather conditions. WWTP has a high removal rate of MP (>96%), with an estimated emission rate of 189 kg/a or 0.94 g/[population equivalents (PEQ · a)], and polyethylene (PE) as the most abundant MP. The specific dry-weather emissions at a subcatchment were ≈30 g/(PEQ · a) higher than in the influent of WWTP with 23 g/(PEQ · a). Specific wet-weather emissions from large sub-catchment with higher traffic and population densities were 1952 g/(ha · a) higher than the emissions from smaller catchment (796 g/[ha · a]) with less population and traffic. The results suggest that wet-weather transport pathways are likely responsible for 2–4 times more MP emissions into receiving waters compared to dry-weather ones due to tire abrasion entered from streets through gullies. However, more investigations of wet-weather MP need to be carried out considering additional catchment attributes and storm event characteristics.
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.
This dataset contains the processed and analysed small-angle X-ray scattering data associated with all samples from the publications "Bio-SAXS of Single-Stranded DNA-Binding Proteins: Radiation Protection by the Compatible Solute Ectoine" (https://doi.org/10.1039/D2CP05053F).
Files associated with McSAS3 analyses are included, alongside the relevant SAXS data, with datasets labelled in accordance to the protein (G5P), its concentration (1, 2 or 4 mg/mL), and if Ectoine is present (Ect) or absent (Pure). PEPSIsaxs simulations of the GVP monomer (PDB structure: 1GV5 ) and dimer are also included.
TOPAS-bioSAXS-dosimetry extension for TOPAS-nBio based particle scattering simulations can be obtained from https://github.com/MarcBHahn/TOPAS-bioSAXS-dosimetry which is further described in https://doi.org/10.26272/opus4-55751.
This work was funded by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) under grant number 442240902 (HA 8528/2-1 and SE 2999/2-1). We acknowledge Diamond Light Source for time on Beamline B21 under Proposal SM29806. This work has been supported by iNEXT-Discovery, grant number 871037, funded by the Horizon 2020 program of the European Commission.
We investigated the selection dynamics between a benzalkonium chloride (BAC)-tolerant Escherichia coli strain (S4) and a sensitive wild type under four conditions: in the absence of antibiotics and in the presence of three different sub-inhibitory concentrations of the antibiotic ciprofloxacin in liquid cultures. The wild type was selected over the BAC-tolerant strain in the absence of antibiotics, while the opposite was observed at all ciprofloxacin concentrations investigated.Furthermore, we assessed the evolvability of resistance of the two strains to inhibitory concentrations of ciprofloxacin by performing a serial dilution evolution experiment with gradually increasing ciprofloxacin concentrations. The wild type had a higher probability to develop resistance to ciprofloxacin than the tolerant strain. By the end of the evolution experiment both strains evolved to grow at the highest ciprofloxacin concentration investigated, which was 2048 ×MIC of the wild type.
The most massive design on the Baltic shore used geosynthetic materials, the landslide protection construction in Svetlogorsk (1300 m long, 90,000 m2 area, South-Eastern Baltic, Kaliningrad Oblast, Russian Federation) comprises the geotextile and the erosion control geomat coating the open-air cliff slopes. Due to changes in elastic properties during long-term use in the open air, as well as due to its huge size, this structure can become a non-negligible source of microplastic pollution in the Baltic Sea. Weather conditions affected the functioning of the structure, so it was assessed that geosynthetic materials used in this outdoor (open-air) operation in coastal protection structures degraded over time. Samples taken at points with different ambient conditions (groundwater outlet; arid places; exposure to the direct sun; grass cover; under landslide) were tested on crystallinity and strain at break. Tests showed a 39–85% loss of elasticity of the polymer filaments after 3 years of use under natural conditions. Specimens exposed to sunlight are less elastic and more prone to fail, but not as much as samples taken from shaded areas in the grass and under the landslide, which were the most brittle.
Assessing co-selection of biocide and antibiotic resistance in wastewater microbial communities
(2022)
Biocides are used for a wide range of purposes, including disinfectants or preservatives. Biocides play a major role in the prevention of microbial infections in healthcare and animal husbandry. The use of biocides often leads to the discharge of active biocidal substances into wastewater streams, causing the exposure of wastewater microbial communities to subinhibitory concentrations. In turn, it is known that wastewater treatment plants (WWTP) are hotspots for antibiotic resistant bacteria. Since similar mechanisms confer resistance to biocides and antibiotics, exposure to biocides can result in co-selection of antibiotic resistant bacteria in WWTP due to biocides. Here, we investigate the magnitude and the drivers of co-selection of antibiotic resistance in natural wastewater microbial communities upon biocide exposure. Microbial communities will be sampled at the WWTP Ruhleben in Berlin and characterized regarding their biocide and antibiotic resistance. Changes in the resistance level after exposure to different biocides will be determined by enumerating resistant and non-resistant E. coli and heterotrophic bacteria on selective plates with and without several biocides and antibiotics. Moreover, we are establishing a synthetic community comprising about 100 environmental E. coli isolates each with different antimicrobial resistance traits. Each isolate will be tagged with a unique DNA-barcode. All isolates will be pooled and exposed to different biocides at various concentrations. The barcode labeling enables us to determine the abundance of each isolate at the beginning and end of the experiment by transposon-tag sequencing. The project results will inform risk assessment of the effects of biocidal residues on antimicrobial resistance selection in WWTP.
The project is part of the BIOCIDE consortium funded within the call on Aquatic pollutants by JPI-AMR, JPI-OCEANS and JPI-WATER.
Impact-based classification of extreme rainfall events using a simplified overland flow model
(2023)
In this study, we present a new rainfall classification method based on the potential of individual rainstorm events to generate and sustain overland flow on a simplified urban model surface. Conventional rainfall classification approaches using peak intensities or rainfall sums can lead to mis-judgements of the impact of rainfall events, as they do not explicitly consider the potential of rain to generate and sustain substantial amounts of overland flow on typical sealed urban surfaces. The new method of impact-based rainfall classification proposed here comprises three steps: Identification of rainfall events from high-resolution time series, computation of overland flow depths for each event, and impact-based classification of rainfall events as a function of the magnitude of overland flow. The accuracy of this approach was evaluated by its ability to describe seasonal and annual occurrences of and variations in rainstorm impacts for high-resolution series at three different urban stations in Germany.
Analytical methods based on the selectivity of antibodies, often called immunoassays, are a back-bone of clinical laboratory diagnostics. To bring them to the field, i.e., to make immunoanalytical methods portable, hopefully even faster, more sensitive, and robust, advanced materials are re-quired. Materials can be novel labels, e.g., chemical or particle labels, such as fluorophores or na-noparticles. Carrier particles, such as magnetic or polymer beads, make it possible to adopt the as-says to meso- or microfluidic set-ups and encoding them opens the path to multiplex analysis. Spe-cialty electrodes can enable for higher sensitivity in electrochemical detection. Without research into better materials, efforts to bring analysis to the point-of-need will not bear fruit.
Throughout their life cycles—from production, usage, through to disposal—materials and products interact with the environment (water, soil, and air). At the same time, they are exposed to environmental influences and, through their emissions, have an impact on the environment, people, and health. Accelerated experimental testing processes can be used to predict the long-term environmental consequences of innovative products before these actually enter the environment.
We are living in a material world. Building materials, geosynthetics, wooden toys, soil, nanomaterials, composites, wastes and more are research subjects examined by the authors of this book. The interactions of materials with the environment are manifold. Therefore, it is important to assess the environmental impact of these interactions. Some answers to how this task can be achieved are given in this Special Issue.
In urban waters, a multitude of organic micropollutants, often termed emerging pollutants, has been found over the last decades. Analytical methods suitable for trace analysis are needed that are desirably also fast, inexpensive and, if possible, robust and portable. Immunoanalytical, i.e., antibody-based, methods which are available in a broad range of formats, can be profitably used here to screen for the distribution and to monitor the trends of concentration levels of contaminants of emerging concern in the environment. Some of these formats are single-analyte but high-throughput methods. To use them wisely, indicator substances, sometimes called anthropogenic markers, should be selected and used in screening approaches, i.e., as indicators for contamination and the pre-selection of samples at which to have a closer look by multiplex methods like LC-MS/MS. Other methods are suitable to be performed on portable instrumentation in the field (on-site) or in facilities such as wastewater treatment plants for on-line monitoring of the treatment and elimination process. Furthermore, array technologies have been established that allow for parallel (multiplex) analysis of several analytes of interest.
The microtiter-plate based ELISA (Enzyme-linked Immunosorbent Assay) is the method of choice for the analysis of a large number of samples [1]. ELISAs are available to monitor for anthropogenic markers such as the antiepileptic carbamazepine, the analgesic diclofenac, the antihistaminic cetirizine, the steroid hormone estrone, the antimicrobial sulfamethoxazole, psychoactive caffeine and cocaine, the priority pollutant bisphenol A, and the bile acid isolithocholic acid. For on-site screening and monitoring, simpler formats, like mix-and-read assays, e.g., the Fluorescence Polarization Immunoassay (FPIA) [2] or Lateral-flow Immunoassays (LFIA) [3] are more suitable tools, the latter based on dipsticks or little cassettes, with which users have become very familiar during the COVID-19 pandemic via rapid antigen tests. The suitability of multi-analyte formats such as immunomicroarrays depends on the choice of a signal-producing system that provides small uncertainties and good reproducibility of the measurements. Bead-based (“suspension”) arrays, read out in flow cytometers, are a powerful platform for multiplex assays [4]. Electrochemical formats, run on portable devices, provide additional advantages as no light source is required. They are most promising for stand-alone analysers and biosensors [5].
The speed, low cost and on-site capabilities of these methods allow to gather a lot more data on anthropogenic compounds which enables to quantify inputs, differences in degradation power of elimination processes, dilution phenomena and a more precise image of individual water cycles which is demonstrated by several examples.
Immunoanalytical Techniques, i.e., antibody-based analytical methods, have been used for decades in clinical diagnostics. What makes them attractive for other fields of application is their short time-to-result and high sensitivity. Microplate-based assays such as ELISA have been adopted early in environmental and food analysis. Yet, to make immunoassays even faster, more sensitive, robust, and, most desirable, portable, advanced materials, sometimes developed for other purposes, can be profitably used to achieve these goals. Materials can be novel labels, e.g., chemical or particle labels, such as fluorophores or nanoparticles. Carrier particles, such as magnetic or polymer beads, make it possible to adopt the assays to meso- or microfluidic set-ups and encoding them opens the path to multiplex analysis. Specialty electrodes can enable for higher sensitivity in electrochemical detection. All this broadens the scope of application and lowers effort and cost for analysis at the point-of-need.
A vast number of emerging pollutants is being detected in the environment. Another lingering problem are health-threatening contaminants, such as mycotoxins, that deteriorate food and feed, and the pathogens themselves. Analytical methods, suitable for trace analysis, are needed that are desirably also fast, inexpensive and, if possible, robust and portable. It is set out, how immunoana-lytical, i.e., antibody-based methods, which are elaborated in a broad range of formats, can be profitably used to gain insights on the distribution and concentration trends of the target analytes at the point-of-need.
Sugarcane bagasse is commonly combusted to generate energy. Unfortunately, recycling strategies rarely consider the resulting ash as a potential fertilizer. To evaluate this recycling strategy for a sustainable circular economy, we characterized bagasse ash as a fertilizer and measured the effects of co-gasification and co-combustion of bagasse with either chicken manure or sewage sludge: on the phosphorus (P) mass fraction, P-extractability, and mineral P phases. Furthermore, we investigated the ashes as fertilizer for soybeans under greenhouse conditions. All methods in combination are reliable indicators helping to assess and predict P availability from ashes to soybeans. The fertilizer efficiency of pure bagasse ash increased with the ash amount supplied to the substrate. Nevertheless, it was not as effective as fertilization with triple-superphosphate and K<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>, which we attributed to lower P availability. Co-gasification and co-combustion increased the P mass fraction in all bagasse-based ashes, but its extractability and availability to soybeans increased only when co-processed with chicken manure, because it enabled the formation of readily available Ca-alkali phosphates. Therefore, we recommend co-combusting biomass with alkali-rich residues to increase the availability of P from the ash to plants.