Sanitär- und Kommunaltechnik; Umwelttechnik
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Une transition mondiale vers des systèmes énergétiques plus durables, abordables et fiables a été initiée par l’accord de Paris et l’Agenda 2030 des Nations unies pour un développement durable. Il s’agit là d’un défi industriel majeur car les systèmes et infrastructures énergétiques résilients au changement climatique exigent de se positionner pour le long terme. Se pencher sur le comportement dans la durée des matériaux structurels - principalement des métaux et des alliages - s’impose alors comme une nécessité. Dans cette optique, « La corrosion : un défi pour une société durable »présente une série de cas montrant l’importance de la tenue à la corrosion et de la protection anticorrosion des métaux et des alliages pour le développement de systèmes durables, économiques et fiables de production d’énergie.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Estrogens are endocrine disrupting chemicals and of high concerns due to demonstrated harmful effects on the environment and low effect levels. For monitoring and risk assessment, several estrogens were included in the "watch list" of the EU Water Framework Directive which sets very low environmental quality standard (EQS) levels for Estrone (E1) and 17β-Estradiol (E2) of 0.4 ng L−1 and for 17α-Ethinylestradiol (EE2) of 0.035 ng L−1 requiring sensitive detection methods, as well as extensive sample preparation. A sensitive, derivatization-free, isotope dilution calibration HPLC-MS/MS method for a panel of 5 selected estrogens (including the 3 estrogens of the EU WFD watchlist), and a procedure for the reproducible preparation of a representative whole water matrix including mineral water, humic acids and solid particulate matter are presented. These are used in a diligent comparison of classical solid phase extraction (SPE) on hydrophilic-lipophilic balanced (HLB) phase to SPE on an estrogen-specific molecularly imprinted polymer phase (MISPE) for ultra-trace levels of the analytes (1–10 ng L−1). Additionally, a two-step procedure combining HLB SPE disks followed by MISPE is evaluated. The tow-step procedure provides superior enrichment, matrix removal and sample throughput while maintaining comparable recovery rates to simple cartridge SPE. Estimated method quantification limits (MQLs) range from 0.109–0.184 ng L−1 and thus meet EQS-levels for E1 and E2, but not EE2. The representative whole water matrix provides a reproducible comparison of sample preparation methods and lays the foundation for a certified reference material for estrogen analysis. The presented method will serve as the basis for an extended validation study to assess its use for estrogen monitoring in the environment.
Flexible, niedrigdichte Schäume aus Biokunststoffen im Extrusionsverfahren herzustellen war bisher industriell noch nicht möglich. Im Verarbeitungstechnikum Biopolymere des Fraunhofer IAP wurde in einem Projekt die Eignung von PBS-basierten Biokunststofftypen für Schaumanwendungen erforscht und weiterentwickelt.
Water treatment with activated carbon (AC) is an established method for the removal of organic micropollutants and natu ral organic matter. However, it is not yet possible to predict the removal of individual pollutants. An appropriate material characterization, matching adsorption processes in water, might be the missing piece in the puzzle. To this end, this study examined 25 diferent commercially available ACs to evaluate their material properties. Frequently reported analyses, including N2 adsorption/desorption, CHNS(O), point of zero charge (PZC) analysis, and X-ray photoelectron spectroscopy, were conducted on a selected subset of powdered ACs. Inorganic elements examined using X-ray fuorescence and X-ray difraction spectroscopy revealed that relative elemental contents were distinctive to the individual AC’s raw material and activation procedure. This study also is the frst to use thermogravimetric analysis (TGA) coupled to Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) to conduct quantitative analyses of functional surface oxygen groups (SOGs: carboxylic acid, anhydride, lactone, phenol, carbonyl, and pyrone groups) on such a large number of ACs. The comparably economical TGA method was found to provide good surrogates for the PZC by pyrolytic mass loss up to 600 ◦C (ML600), for the oxygen content by ML1000 and for the carbon content by oxidation. Mass loss profles depict the AC’s chemistry like fngerprints. Furthermore, we found that SOG contents determined by TGA-FTIR covered a wide individual range and depended on the raw material and production process of the AC. TGA and TGA-FTIR might therefore be used to identify the suitability of a particular AC for a variety of target substances in diferent target waters. This can help practitioners to control AC use in waterworks or wastewater treatment plants.
Near-infrared (NIR) spectroscopy is a promising candidate for low-cost, nondestructive, and highthroughput mass quantification of microplastics in environmental samples. Widespread application of the technique is currently hampered mainly by the low sensitivity of NIR spectroscopy compared to thermoanalytical approaches commonly used for this type of analysis. This study shows how the application of NIR spectroscopy for mass quantification of microplastics can be extended to smaller analyte levels by combining it with a simple and rapid microplastic enrichment protocol. For this purpose, the widely used flotation of microplastics in a NaCl solution, accelerated by centrifugation, was chosen which allowed to remove up to 99 % of the matrix at recovery rates of 83–104 %. The spectroscopic measurements took place directly on the stainless-steel filters used to collect the extracted particles to reduce sample handling to a minimum. Partial least squares regression (PLSR) models were used to identify and quantify the extracted microplastics in the mass range of 1–10 mg.
The simple and fast extraction procedure was systematically optimized to meet the requirements for the quantification of microplastics from common PE-, PP-, and PS-based packaging materials with a particle size < 1 mm found in compost or soils with high natural organic matter content (> 10 % determined by loss on ignition). Microplastics could be detected in model samples at a mass fraction of 1 mg g-1. The detectable microplastic mass fraction is about an order of magnitude lower compared to previous studies using NIR spectroscopy without additional enrichment. To emphasize the cost-effectiveness of the method, it was implemented using some of the cheapest and most
compact NIR spectrometers available.
An investigation of microplastic (MP) occurrence in a municipal wastewater treatment plant (WWTP) effluent with tertiary treatment was carried out. Representative sample volumes of 1 m3 were taken by applying a fractionated filtration method (500, 100, and 50 µm mesh sizes). The detection of MP mass fractions by thermal extraction desorption–gas chromatography/mass spectrometry (TED-GC/MS) was achieved without the previously required additional sample pretreatment for the first time. Different types of quantification methods for the evaluation of TED-GC/MS data were tested, and their accuracy and feasibility have been proven for real samples. Polyethylene, polystyrene, and polypropylene were identified in effluent samples. The polymer mass content varied significantly between 5 and 50 mg m−3. A correlation between the MP load and the quantity of suspended matter in the WWTP effluents, particle size distribution, particle type, and operation day (i.e., weekday, season, and capacity) was not found. It can be concluded that a meaningful assessment of WWTPs requires a comprehensive sampling campaign with varying operation conditions.
Rechtliche Vorgaben der Klärschlammverordnung und deren Auswirkungen auf die Phosphor-Rückgewinnung
(2022)
Im Abfalltechnik-Ausschuss der Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Abfall (LAGA) wurde eine Vollzugshilfe zur Klärschlammverordnung erarbeitet, die nach Verabschiedung durch die Umweltministerkonferenz Mitte Mai 2020 als LAGA-Merkblatt M-39 veröffentlicht wurde. Im vorliegenden vierten Arbeitsbericht der DWA-Arbeitsgruppe KEK-1.1 werden verschiedene Aspekte der ab dem Jahr 2029 geltenden Regelungen aufgegriffen und damit einige Punkte des LAGA M-39 hinsichtlich der technischen Auswirkungen für den Kläranlagenbetreiber konkret ausgeführt.
Zur Weiterentwicklung der Probenpräsentation wurde ein Adapter entwickelt, der Emissionsprüfkammer und Bewertungstrichter miteinander verbindet und dadurch eine der direkten Messung vergleichbare Geruchsbewertung ermöglicht. Die analytischen Messungen zeigen, dass es kaum Unterschiede in der Zusammensetzung der Probenluft in der Kammer im Vergleich zum Probenbehälter gibt. Bei den olfaktorischen Messungen kam es jedoch bei der Bewertung der Probenluft mit Hilfe des Adapters zu Minderbefunden. Anschließende Untersuchungen zeigten, dass beim Ausschalten des Geräts Umgebungsluft über den Trichter in den Adapter strömt und zu einer Verdünnung der Probenluft führt. Um dies zu vermeiden, werden derzeit weitere Messungen durchgeführt.
Eine weitere Versuchsreihe wurde durchgeführt, um den Messaufwand bei der Bewertung der empfundenen Intensität zu reduzieren. Die entwickelte „größer-oder-kleiner/gleich“ Abfrage kann hier hilfreich sein. Die Untersuchungen im Luftqualitätslabor und im Rahmen eines Ringversuches mit verschiedenen Laboren, zeigen, dass die Abfrage in fast allen Fällen zu den gleichen Ergebnissen führt, wie die normgerechte aber aufwendigere Ermittlung der empfundenen Intensität mithilfe des Vergleichsmaßstabes.
Warum eine Kreislaufwirtschaft ohne Abfallverbrennung nicht funktionieren wird, beschreibt die Dechema im Positionspapier „Abfallverbrennung in der Zukunft“. Experten der Fachgruppe „Abfallbehandlung und Wertstoffrückgewinnung“ von ProcessNet, einer gemeinsamen Initiative der Dechema und der VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen, haben es erstellt.
Per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) bilden eine sehr komplexe Schadstoffgruppe mit über 6300 Einzelsubstanzen, die in vielfältiger Form in die Umwelt eingetragen werden. Für ein effektives Monitoring dieser Schadstoffklasse benötigt es ein Zusammenspiel aus Summenparameter-Analytik zur hot-spot-Identifizierung und Klassifizierung von Belastungssituationen sowie einer nachgeschalteten target-Analytik zur Identifizierung von Eintragswegen, die zugleich ein tieferes Verständnis von Transformationsprozessen ermöglicht. In diesem Beitrag präsentieren wir eine optimierte Extraktions-Methode für die PFAS-Summenparameteranalytik. Mit Hilfe dieser können bisher verwendete zeit- und kostenintensive Festphasenextraktionen (SPE) umgangen und PFAS-Extraktionseffizienzen gesteigert werden. Die methodische Bestimmungsgrenze (LOQ) war mit 10,30 μg/kg (Fluor pro Bodenprobe) ausreichend für alle 9 untersuchten Realbodenproben.
Plants and microorganisms, besides the climate, drive nitrogen (N) cycling in ecosystems. Our objective was to investigate N losses and N acquisition strategies along a unique ecosystem-sequence (ecosequence) ranging from arid shrubland through Mediterranean woodland to temperate rainforest. These ecosystems differ in mean annual precipitation, mean annual temperate, and vegetation cover, but developed on similar granitoid soil parent material, were addressed using a combination of molecular biology and soil biogeochemical tools. Soil N and carbon (C) contents, δ15N signatures, activities of N acquiring extracellular enzymes as well as the abundance of soil bacteria and fungi, and diazotrophs in bulk topsoil and rhizosphere were determined. Relative fungal abundance in the rhizosphere was higher under woodland and forest than under shrubland. This indicates toward plants' higher C investment into fungi in the Mediterranean and temperate rainforest sites than in the arid site. Fungi are likely to decompose lignified forest litter for efficient recycling of litter-derived N and further nutrients. Rhizosphere—a hotspot for the N fixation—was enriched in diazotrophs (factor 8 to 16 in comparison to bulk topsoil) emphasizing the general importance of root/microbe association in N cycle. These results show that the temperate rainforest is an N acquiring ecosystem, whereas N in the arid shrubland is strongly recycled. Simultaneously, the strongest 15N enrichment with decreasing N content with depth was detected in the Mediterranean woodland, indicating that N mineralization and loss is highest (and likely the fastest) in the woodland across the continental transect. Higher relative aminopeptidase activities in the woodland than in the forest enabled a fast N mineralization. Relative aminopeptidase activities were highest in the arid shrubland. The highest absolute chitinase activities were observed in the forest. This likely demonstrates that (a) plants and microorganisms in the arid shrubland invest largely into mobilization and reutilization of organically bound N by exoenzymes, and (b) that the ecosystem N nutrition shifts from a peptide-based N in the arid shrubland to a peptide- and chitin-based N nutrition in the temperate rainforest, where the high N demand is complemented by intensive N fixation in the rhizosphere.
Die große Herausforderung in der Detektion von Mikroplastik (MP)‑Partikeln (1-1000 µm) besteht darin, sie neben Millionen von natürlichen Partikeln in Umweltproben nachzuweisen. Zum Aufspüren von Senken, Eintragspfaden und für Monitoring-Kampagnen ist ein schnelles, automatisiertes Verfahren unerlässlich. Ein solches Verfahren wurde an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) mit der ThermoExtraktion/Desorption-Gaschromatographie-Massenspektrometrie (TED-GC/MS) in den letzten Jahren entwickelt.
Schwarze mikrokoloniale Pilze besiedeln zunehmend von Menschen geschaffene Habitate, wie schadstoffbelastete Böden, Statuen, Gebäudefassaden und Dächer. Sie verfärben und zersetzen die Oberflächen von anfälligen Materialien oder reduzieren die Lichtausbeute von Solaranlagen. Die Biologie dieser Pilze und ihre Relevanz für die Materialforschung stehen im Fokus unserer Studien an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM). Mit einer Kollektion schwarzer Pilze, die von Solaranlagen isoliert wurden, bringen wir klima- und materialrelevante Biodiversität in den Stammbaum des Lebens. Die Überlebensstrategien dieser Organismen versuchen wir mit molekularbiologischen und genetischen Untersuchungsansätzen zu entschlüsseln.
Portable, antikörperbasierte Analysenverfahren für die Schadstofferfassung im Wasserkreislauf
(2021)
Die Wasseranalytik wird bestimmt von zwei Hauptbedarfen, einerseits der Erfassung der Gewässergüte und Grundwassergüte als Basis für die Bereitstellung einwandfreien Trinkwassers und zum anderen des Monitorings der Wasserqualität in den Prozessen der Wasseraufbereitung und der Abwasserreinigung. Für beide Anwendungsbereiche ist eine laborbasierte Analytik eher hinderlich, werden die Analysenergebnisse doch eigentlich vor Ort benötigt, um etwa Beprobungskampagnen rasch anpassen zu können. Des Weiteren werden die Daten auch schnell benötigt, um zeitnah in die technischen Prozesse einzugreifen. Organische Kontaminanten werden meist über chromatographische Verfahren, häufig gekoppelt mit einer massenspektrometrischen Detektion, in instrumentellen Labormethoden erfasst, und die hochauflösende Massenspektrometrie und die Non-target-Analytik haben viel zum Wissen über das Vorkommen, insbesondere von sogenannten „Emerging Contaminants“, beigetragen, sowie zum Verständnis der beteiligten Eintragspfade und Abbauwege. Moderne, portable Analysenmethoden und insbesondere Sensoren werden zukünftig aber ihren Platz in der Schadstofferfassung im Wasserkreislauf einnehmen. Dies gilt insbesondere für antikörperbasierte Analysenverfahren, da erst diese oft die nötige Selektivität und Sensitivität in die Detektionsmethoden einbringen.
Due to its large mineral fraction, incineration bottom ash (IBA) from municipal solid waste incineration is an interesting raw material that can be used for road construction or to produce secondary building materials. However, leaching chloride, sulfate, and potentially harmful heavy metals may cause problems in using IBA in civil engineering. Investigating leaching behavior is crucial for the assessment of the environmental compatibility of IBA applications. Various test procedures are available for that purpose. In the present study, a long-term leaching test of a wet-mechanically treated IBA was performed in a lysimeter for almost six years.
While concentrations of chloride, sulfate and the majority of the heavy metals started to decrease rapidly with progressive liquid-to-solid ratio (L/S), antimony (Sb) and vanadium (V) behaved differently. At the beginning of the lysimeter test, the Sb and V concentrations were low, but after approximately one year of operation at an L/S ratio of around 0.8 L/kg, a steady increase was observed. It was shown that this increase is the result of low Ca concentrations due to the formation of CaCO3.
With the data, the solubility products from Ca-antimonate and Ca-vanadate were calculated. The unusual leaching behavior of Sb and V should be kept in mind when considering field scenarios and evaluating the impact on the environment.
Viele Menschen erfreuen sich an Schmetterlingen. Besonders die farbfrohen Tagfalter lösen angenehme Gefühle aus. In der kulturellen Entomologie haben Schmetterlinge daher einen hohen Stellenwert, so auch in der schöngeistigen Literatur. Eine aktuelle stichprobenartige Untersuchung von 54 Büchern der deutschsprachigen Belletristik mit Insektenbezug im Titel oder auf dem Cover zeigte, dass sich zwei Drittel von ihnen des Schmetterlingnarrativs bedienten. Die folgende Analyse setzte das Ergebnis in einen historischen Bezug zur Verwendung von Insektenvorbildern in der Unterhaltungsliteratur und in Autorenbiografien. Die besondere Stellung der Schmetterlinge wird dabei geschichtlich als Relikt einer kulturellen Genese mit mythologisch-religiösen Wurzeln interpretiert. Im antiken Griechenland wurde die Bezeichnung Psyche mit bewusster Doppelbedeutung für Schmetterling und Seele verwendet. Im Hellenismus wurden die Seele und Seelenwesen wie z. B. die Daimons (Genien) oftmals mit Schmetterlingsflügeln dargestellt. Auch in den levantinischen Religionen wurden einzelne Gottheiten und Schutzgeister mit Flügeln nach Schmetterlingsart, jedoch aus Vogelfedern bestehend, abgebildet. Mit der Entstehung und Verbreitung der monotheistischen Lehren gingen viele dieser geflügelten Glaubenswesen dann in die Engelschöre über. Auch wenn die Flügel der Engel letztendlich wahrscheinlich von denen der Vögel abzuleiten sind, bleibt ein starker emotionaler Bezug zu den Schmetterlingen, der weit über den rein ästhetischen ausstrahlt.
Ein wesentliches Ziel der deutschen Industriepolitik besteht darin, Rahmenbedingungen zu schaffen, welche die Positionierung nachhaltiger Produkte und Prozesse innerhalb globaler Wertschöpfungsketten ermöglichen und ökoeffiziente Fertigungsprozesse langfristig sichern. In diesem Beitrag werden aktuelle Forschungsarbeiten zur Bewertung der Umweltwirkungen der schweißtechnischen Fertigungskette anhand ausgewählter Schmelzschweißverfahren unter Berücksichtigung vor- sowie nachgelagerter Fertigungsschritte dargestellt. Eine weit verbreitete und standardisierte Methode zur Abschätzung der Umweltwirkungen eines Produkts oder Prozesses ist die Ökobilanzierung. Hierbei stellen die Sachbilanzierung, das heißt die Ermittlung sämtlicher relevanter Energie- und Ressourcenverbräuche
während der schweißtechnischen Fertigung, aufgrund des hohen Dokumentationsaufwands, sowie die Ableitung assoziierter Wirkkategorien das größte Hindernis für eine Etablierung und Akzeptanz der Ökobilanzierung in der Praxis dar. Gleichwohl wird seitens Unternehmen, welche als Zulieferer von OEM’s (engl.: original equipment manufacturer) agieren, die Dokumentation des fertigungsspezifischen CO2-Verbrauches gefordert.
Ein weiterer Aspekt der Arbeiten beinhaltet Methoden zur automatisierten Erfassung von schweißtechnischen Produktionsdaten sowie deren Nachverfolgbarkeit. Anhand unterschiedlicher Schweißverfahren werden die aus den Produktionsdaten abgeleiteten Energie- und Ressourcenverbräuche automatisiert in die relevanten Umweltwirkungen überführt. Die analysierten Schweißprozesse umfassen dabei ein breites für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) relevantes Spektrum. Durch die softwareseitige Bereitstellung der aufgestellten Umweltprofile ist der Anwender in der Lage, Schweißprozesse unter ökologischen Aspekten zu bewerten und die effizienteste Variante zu identifizieren.
Der Bedarf nach schnellen und kostengünstigen Analysemethoden in der (Trink-)Wasseranalytik steigt mit dem zunehmenden Eintrag pharmazeutisch aktiver Substanzen in die Umwelt.
Insbesondere die Kontamination mit Antibiotika erscheint neben ökotoxikologischen Effekten vor allem in Hinblick auf die Evolution resistenter Keime im Wasser besorgniserregend.
Wir berichten hier über die Entwicklung eines magnetpartikelbasierten Immunoassays (MBBA) zur Detektion des Breitbandantibiotikums Amoxicillin (AMX) in Wasserproben, der im Vergleich zum entsprechenden Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA) eine wesentlich kürzere Analysendauer sowie einen breiteren Messbereich mit niedrigerer Nachweisgrenze aufweist. Das angewendete Assayprinzip ist dabei leicht auf weitere Analyten übertragbar und ermöglicht die Implementierung in einen Immunosensor.
The scientific and practical challenge of detecting microplastics (MPs) in the environment in a targeted and rapid manner is solved by innovative coupling of thermogravimetric analysis with mass spectrometric methods.
Fast identification and quantitative determination of most thermoplastic polymers and elastomers is possible by using thermal extraction Desorption gas chromatography–mass spectrometry (TED-GC–MS).
Die Thermische Abfallbehandlung in Abfallverbrennungsanlagen sorgt für eine Inertisierung des Restmülls bei gleichzeitiger Minimierung von abgas- und abwasserseitigen Emissionen. Da der Großteil der Rückstände in verwertbare Sekundärprodukte überführt wird, fördert die thermische Abfallbehandlung die Verwirklichung einer Circular Economy in Europa.
The influence of interfacial pH between AISI 4135 steel and seawater under different polarization potentials on the formation of calcareous deposits has been studied. An interfacial pH of 9.61 at −0.9 V vs. SCE using state of the art iridium oxide microelectrode was found to be the critical pH for the precipitation of magnesium hydroxide. Calcareous deposits with a double-layer structure comprising an inner-brucite layer and an outer-aragonite layer were found to form at potentials between −1.0 V and −1.2 V vs. SCE. Furthermore, the facilitation of hydrogen permeation into steel induced by the formation of calcareous deposits was verified using the Devanathan-Stachurski electrochemical test. The mechanism of calcareous deposits facilitates hydrogen permeation into steel is related to its inhibition on hydrogen recombination and escape processes.
Microbial communities in the immediate environment of socialized invertebrates can help to suppress pathogens, in part by synthesizing bioactive natural products. Here we characterized the core microbiomes of three termite species (genus Coptotermes) and their nest material to gain more insight into the diversity of termite-associated bacteria.
Sampling a healthy termite colony over time implicated a consolidated and highly stable microbiome, pointing toward the fact that beneficial bacterial phyla play a major role in termite fitness. In contrast, there was a significant shift in the composition of the core microbiome in one nest during a fungal infection, affecting the abundance of wellcharacterized Streptomyces species (phylum Actinobacteria) as well as less-studied bacterial phyla such as Acidobacteria. High-throughput cultivation in microplates was implemented to isolate and identify these less-studied bacterial phylogenetic group.
Amplicon sequencing confirmed that our method maintained the bacterial diversity of the environmental samples, enabling the isolation of novel Acidobacteriaceae and expanding the list of cultivated species to include two strains that may define new species within the genera Terracidiphilus and Acidobacterium.
Museumsvitrinen sollen Kunst- und Kulturgut „ins rechte Licht“ setzen und vor Diebstahl oder Vandalismus schützen. Vergleicht man historische Schauvitrinen, die zumeist aus einfachen Glasscheiben in Holzrahmungen bestehen, mit heutigen Konstruktionen, lässt sich eine Entwicklung zu hochtechnisierten Gebilden ablesen, die deutlich mehr Ansprüchen genügen müssen als in der Vergangenheit.
Zahlreiche Beispiele verdeutlichen, dass Kunstwerke nicht nur außerhalb, sondern auch innerhalb von Museen oder Archiven ungünstigen Umwelteinflüssen ausgesetzt sind. So können Einbauten bzw. Dekorationen in Ausstellungsräumen, Aufbewahrungsbehältnisse in Depoträumen oder Ausstellungsvitrinen flüchtige Substanzen, sogenannte VOCs (Volatile Organic Compounds) freisetzen, die zu irreversiblen Veränderungen an den Objekten führen und diese schädigen. Hierzu zählen organische Säuren, wie Ameisen- oder Essigsäure, aber auch Verbindungen, die Sulfide enthalten. Hier wird die an der BAM entwickelte BEMMA-Bewertungsmethode vorgestellt, die von Museen verwendet werden kann Materialien mit einem geringeren Emissionspotential auszusuchen.
Fluorides are well-known as wood preservatives. One of the limitations of fluoride-based wood preservatives is their high leachability. Alternative to current fluoride salts such as NaF used in wood protection are low water-soluble fluorides. However, impregnation of low water-soluble fluorides into wood poses a challenge. To address this challenge, low water-soluble fluorides like calcium fluoride (CaF2) and magnesium fluoride (MgF2) were synthesized as nanoparticles via the fluorolytic sol−gel synthesis and then impregnated into wood specimens. In this study, the toxicity of nano metal fluorides was assessed by termite mortality, mass loss and visual analysis of treated specimens after eight weeks of exposure to termites, Coptotermes formosanus. Nano metal fluorides with sol concentrations of 0.5 M and higher were found to be effective against termites resulting in 100% termite mortality and significantly inhibited termite feeding. Among the formulations tested, the least damage was found for specimens treated with combinations of CaF2 and MgF2 with an average mass loss less than 1% and visual rating of “1”. These results demonstrate the efficacy of low water-soluble nano metal fluorides to protect wood from termite attack.
In this work the flexural rigidity of individual large diameter multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) was investigated. The bending modulus were obtained by detecting the resonance frequencies of mechanically excited cantilevered carbon nanotubes using the so-called dynamic scanning electron microscopy technique, and applying the Euler–Bernoulli beam theory. For the nanotubes studied, we determined a modulus of up to 160 GPa. This agrees with values reported by other authors for MWCNTs produced by catalytic chemical vapor deposition, however, it is 6-8 times smaller than values reported for single and multi-walled carbon nanotubes produced by arc-discharge synthesis. Toxicological studies with carbon nanotubes have been showing that inhaled airborne nanofibers that reach the deep airways of the respiratory system may lead to serious, asbestos-like lung diseases. These studies suggested that their toxicity critically depends on the fiber flexural rigidity, with high rigidity causing cell lesions. To complement the correlation between observed toxicological effects and fiber rigidities, reliable and routinely applicable measurement techniques for the flexural rigidity of nanofibers are required.
A simple and fast prediction scheme is presented for train induced ground and building vibrations. Simple models such as (1-dimensional) transfer matrices are used for the vehicle-track-soil interaction and for the building-soil interaction. The wave propagation through layered soils is approximated by a frequency-dependent homogeneous half-space. The prediction is divided into the parts “emission” (excitation by railway traffic), “transmission” (wave propagation through the soil) and “immission” (transfer into a building). The link between the modules is made by the excitation force between emission and transmission, and by the free-field vibration between transmission and immission. All formula for the simple vehicle-track, soil and building models are given in this article. The behaviour of the models is demonstrated by typical examples, that is the mitigation of train vibrations by elastic track elements, the low- and high-frequency cut-offs characteristic for layered soils, and the interacting soil, wall and floor resonances of multi-storey buildings. It is shown that the results of the simple prediction models can well represent the behaviour of the more time-consuming detailed models, the finite-element boundary-element models of the track, the wavenumber integrals for the soil, and the three-dimensional finite-element models of the building. In addition, measurement examples are given for each part of the prediction confirming that the methods provide reasonable results. As the prediction models are fast in calculation, many predictions can be done, for example to assess the environmental effect along a new railway line. The simple models have the additional advantage that the user needs to know only a minimum of parameters. So, the prediction is fast and user-friendly, but also theoretically and experimentally well-founded.
Der Verwertung von Bodenmaterialien wird auf Grund des Volumens dieses Stoffstromes eine hohe umweltpolitische Bedeutung beigemessen. Dabei ist unter Gewährleistung des Vorsorge- und Nachhaltigkeitsprinzips eine möglichst hochwertige Verwertung anzustreben, um natürliche Ressourcen zu schonen und die Beseitigung von Abfällen weitestgehend zu vermeiden.
Die vorgesehene Novelle der BBodSchV enthält in den Paragraphen 6 bis 8 neue Vorgaben hinsichtlich des Auf- und Einbringens von Bodenmaterialien unterhalb oder außerhalb einer durchwurzelbaren Bodenschicht. So soll die Möglichkeit eingeräumt werden, Bodenmaterialien mit Feststoffgehalten von regulierten Stoffen zwischen dem einfachen und doppelten Vorsorgewert einer weiteren Verwertung zuzuführen unter der Voraussetzung, dass die Eluatwerte eingehalten werden.
Im Rahmen eines Forschungsvorhabens des Umweltbundesamtes (FKZ: 3716 74 203 0) wurden unterschiedliche Bodenmaterialien (Baggergut, Bankettschälgut, Stadt- und Auenböden, Bergematerial), die unter diese Kriterien fallen, mit besonderem Fokus auf PAK hinsichtlich ihres Verwertungspotentials untersucht.
Dabei wurden auch die Auswirkungen der Umstellung des Elutionsverfahrens von einem Wasser-Feststoffverhältnis (W/F) von 10 l/kg auf ein W/F von 2 l/kg auf die Einstufung von Bodenmaterialien betrachtet.
Insbesondere für die Stoffgruppe der PAK konnte gezeigt werden, dass sich mit Verabschiedung der neuen Regelungen zusätzliche Verwertungsmöglichkeiten von Bodenmaterialien außerhalb der durchwurzelbaren Bodenschicht eröffnen und deren Deponierung teilweise vermieden werden kann.
Indonesien gilt aufgrund seiner vielen Vulkane als einer der Hotspots für Geothermie. Doch Salz und Hitze setzen den Geothermie‐Anlagen zu und gefährden ihre Sicherheit und Wirtschaftlichkeit. Ein Team an der BAM hat günstigen, lokal verfügbaren Baustahl jetzt so beschichtet, dass ein nachhaltiger und sicherer Betrieb der Geothermie‐Kraftwerke möglich ist ‐ auch unter Extrembedingungen.
Das BAM‐Team will das Beschichtungssystem nun den Anwendern in Indonesien zur Verfügung stellen, damit es unter Realbedingungen in einem Geothermie‐Kraftwerk getestet werden kann. Der Schutz vor Korrosion ist mitentscheidend, weil sie die Lebensdauer dieser Kraftwerke bestimmt. Unsere Arbeit könnte die Effizienz der Energieproduktion mit Geothermie wesentlich verbessern.
Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung eines bestehenden pyrometallurgischen Prozesses zur Rückgewinnung von Tantal und Niob aus metallurgischen Reststoffen mit vorwiegend niedriger Wertstoffkonzentration.
Zur näheren Erforschung der im vorliegenden Stoffsystem ablaufenden Reduktionsprozesse wurden in einem Elektrolichtbogenofen Schmelzversuche im Pilotmaßstab durchgeführt. Als Reduktionsmittel diente Koks, welcher mithilfe einer Argon-gespülten Eisenlanze in die flüssige mineralische Schmelze eingebracht wurde. Während der Reduktionsbehandlung werden Refraktärmetalle wie Tantal und Niob in ihre Carbide überführt und anschließend in der erschmolzenen eisenbasierten Metallphase am Boden des Reaktors angereichert. Neben Tantal und Niob gelangt auch ein Teil des im Einsatzmaterial enthaltenen Titans als unerwünschtes Begleitelement in die Metallphase.
Sein Großteil verbleibt jedoch als Oxid in der Schlacke und wird dort hauptsächlich im Mineral Perowskit (CaTiO3) gebunden. Die erstarrten Schlackeproben wurden mit verschiedenen Methoden wie Röntgenfluoreszensanalyse, Röntgenbeugung und Rasterelektronenmikroskopie mit gekoppelter energiedispersiver Röntgenanalyse untersucht, um die Bildung tantalhaltiger Mineralphasen zu verschiedenen Stadien des Reduktionsprozesses zu verfolgen.
Die hier gewonnenen Erkenntnisse zeigen, dass weniger die durch das Einblasen von Koks verursachte Reduktionsreaktion, sondern das Absinken der tantalreichen Eisentröpfchen in der flüssigen mineralischen Schmelze, gefolgt von ihrer Anreicherung in die Metallphase, für die Kinetik ausschlaggebend ist.
Das Element Phosphor ist für alle Lebewesen essenziell und wird beispielsweise von Pflanzen in Form von Phosphaten aufgenommen.
In der landwirtschaftlichen Produktion werden dem Boden die Phosphate durch Wachstum und Ernte der Pflanzen entzogen und müssen ihm in Form von Phosphatdüngemitteln wieder zugeführt werden, um die Nahrungsmittelproduktion zu sichern. Rohphosphat stellt die Grundlage unserer derzeitigen Phosphatdüngemittel dar, ist aber gleichzeitig ein endlicher Rohstoff.
Des Weiteren sind insbesondere sedimentäre Rohphosphate oftmals mit erheblichen Konzentrationen toxischer Schadstoffe wie Cadmium, Uran und Thorium belastet. Eine Kreislaufführung des Phosphats sollte erfolgen, um natürliche Rohstoffvorkommen zu schonen und den Eintrag von Schadstoffen auf unsere Böden zu unterbinden.
Da das Recycling von tantalhaltigen Post-Consumer-Abfällen praktisch nicht existiert, stellen metallurgische Reststoffe eine äußerst wichtige Rohstoffquelle für das Tantalrecycling dar. Die meisten Zinnerze enthalten von Natur aus erhebliche Mengen an Refraktärmetallen. Diese Elemente werden in den Schlacken der pyrometallurgischen Primärzinngewinnung angereichert. Aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Wertstoffkonzentration und ihrer Funktion als zusätzlicher Schlackenbildner stellen diese Schlacken einen wertvollen Rohstoff für die Verhüttung tantalhaltiger Reststoffe dar. In der vorliegenden Arbeit wird ein existierendes Verfahren zur Tantalrückgewinnung diskutiert, dem hauptsächlich pyrometallurgische Rückstände geringer Wertstoffkonzentration als Einsatzstoff dienen. Mit Hilfe des Verfahrens sollte dasoxidisch vorliegende Tantal vollständig reduziert und in der Metallphase angereichert werden. Weiterhin sollte vermieden werden, dass unerwünschte Elemente wie Titan in die Metallphase überführt werden. Ziel der Untersuchung war es, die ablaufenden Reduktionsprozesse besser zu verstehen, um so Ansätze für die Prozessoptimierung identifizieren zu können.
Bei den von der Bundesanstalt für Materialforschung und ‐prüfung (BAM) zugelassenen Kunststoff‐Dränelementen sind drei verschiedene Varianten von überlappenden Querstößen nach den Einbauanleitungen zulässig. Das Wasserableitvermögen innerhalb dieser Querstöße wurde vom SKZ – Das Kunststoffzentrum und von der KIWA Deutschland GmbH in Abstimmung mit der BAM gemessen. Dabei zeigte sich bei den gewählten Prüfbedingungen (einem hydraulischer Gradienten i = 1, Auflasten von 20 und 50 kPa sowie den Bettungen hart/weich und weich/weich) praktisch keine Verringerung gegenüber dem Wasserableitvermögen im Kunststoff‐Dränelement selbst. Eine solche war insbesondere dann nicht zu beobachten, wenn die Dränkerne im Überlappungsbereich direkt aufeinandergelegt wurden (Variante A). Werden die Kunststoff‐Dränelemente als Ganzes entweder dachschindelartig hinsichtlich der Strömungsrichtung (Variante B) oder in einer gerade umgekehrten Anordnung (Variante C) übereinandergelegt, so genügt dabei eine Überlappungslänge von 20 cm, damit ausreichend Wasser durch die zwischen den Dränkernen liegende Trennschicht aus Filter‐ und Trägergeotextil strömt. Der bisher in der GDA‐Empfehlung E2‐20 für die Bemessung angesetzte Abminderungsfaktor von 1,2 für Querstöße kann daher für die hier untersuchten, zugelassenen Produkte bei einer genügend großen Überlappung entfallen. Entsprechende Hinweise werden zukünftig in den Zulassungsscheinen gegeben.
Antifoulingmittel im Wasser
(2019)
Elementanalytische Verfahren werden heute zu mehr eingesetzt als bloß zur Bestimmung von Metallgesamtgehalten in diversen Probenmatrizes. Sie stellen heute ein wichtiges Werkzeug zur Beantwortung lebenswissenschaftlicher Fragen aus Umwelt, Medizin und Biologie dar. In der vorliegenden Arbeit kommt die single-cell-ICP-Flugzeitmassenspektrometrie (single-cell-ICP-TOF-MS) zur Multielementanalytik in einzelnen Kieselalgen (Diatomeen) zum Einsatz und wird zukünftig ein wichtiges Werkzeug z.B. bei der Beantwortung
ökotoxikologischer Fragestellung sein.