Sanitär- und Kommunaltechnik; Umwelttechnik
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Black microcolonial fungi (MCF) are persistent inhabitants of rock surfaces in hostile desert environments. In these niches, MCF have evolved mineral-weathering and symbiotic capabilities as well as mechanisms to cope with multiple stresses such as solar irradiation, temperature extremes and low water activity. Due to their stress tolerance these ascomycetes are prominent in modern terrestrial ecosystems – like man-made material surfaces from roof to solar panels. MCF interactive capabilities support their facultative symbiotic relationships with cyanobacteria and ensure their rock-weathering geochemical activity.
Using the rock-inhabiting fungus K. petricola A95 (Chaetothyriales), we developed transformation protocols and deleted genes responsible for production of the protective pigments melanins and carotenoids. To confirm that the mutant phenotypes were not due to hidden mutations, melanin synthesis was restored by complementing the mutants with the respective wild type genes. Strains of K. petricola carrying gene variants for fluorescent proteins EGFP and DsRed are available. We successfully labelled the cytoplasm, nuclei, peroxisomes and mitochondria. Targeted and ectopic integrations result in stable transformants suitable for further phenotypical characterization. As K. petricola is a non-pathogenic fungus with all characteristic features of MCF, including meristematic growth, melanized cell-walls, extracellular polymeric substances and extensive pigment production, our results will shed light on protective role of pigments during cell wall maturation and oxidative stress defence in rock-inhabiting MCF. Genes involved in environmental sensing or substrate and phototroph interactions are currently targeted. With the help of a mutant collection and fluorescently labelled K. petricola we will be able to investigate interactions of MCF with environmental stressors, mineral substrates, soil matrices and phototrophic symbionts.
A Genetic Toolbox for Exploring the Life Style of the Rock-inhabiting Black Fungus Knufia petricola
(2019)
After their discovery on rock surfaces in cold and hot deserts, a polyphyletic group of ascomycetous black fungi was found to dominate a range of hostile environments – natural and man-made, from salterns to dishwashers, roofs and solar panels. Together with bacteria and algae they may establish sub-aerial biofilms and cause weathering of the surfaces they grow on. Their impressive survival abilities as well as their constitutive protective pigmentation and cluster-like microcolony organisation are similar in environmental isolates as well as in heat-tolerant opportunistic pathogens of animals and humans. The exact genetic properties that ensure their survival in extreme environments can be studied if some black fungi were amenable to genetic manipulations. We selected the rock-inhabiting fungus Knufia petricola (class Eurotiomycetes, order Chaetothyriales) that grows moderately in axenic culture and exhibits all the characteristics of black yeasts such as yeast-like cell growth, absence of reproductive structures and constitutive dihydroxynaphthalene (DHN) melanogenesis. For this environmental strain we developed protocols to efficiently generate and transform protoplasts resulting in stable homokaryotic transformants by targeting genes involved in pigment synthesis and expressing fluorescent reporter genes. Hence, endogenous and foreign genes can be expressed from episomal AMA1-containing plasmids and genome-integrated DNA constructs. Moderate rates of homologous recombination allow for both ectopic and targeted integrations. CRISPR-Cas9 was further validated as a strategy for obtaining selection marker-free mutants and silencing via RNA interference as an approach to study essential genes. Availability of this genetic toolbox and an annotated genome sequence is paving the way for studying interactions of K. petricola and other black yeasts with environmental stressors, material surfaces, soil matrices and phototrophic symbionts.
The Motivation of RASEM (Robot-assisted Environmental Monitoring):
Monitoring of the air quality in industrial environments is inevitable to meet safety Standards.
Because of economic and practical reasons, measurements are carried out sparsely in terms of time and space.
Newest developments on the field of low cost sensor technology enable cost efficient long term monitoring of gases and dust
Occupational health is an important topic, especially in industry, where workers are exposed to airborne by-products (e.g., dust particles and gases). Therefore, continuous monitoring of the air quality in industrial environments is crucial to meet safety standards. For practical and economic reasons, high-quality, costly measurements are currently only carried out sparsely, both in time and space, i.e., measurement data are collected in single day campaigns at selected locations only.
Recent developments in sensor technology enable cost-efficient gas monitoring in real-time for long-term intervals. This knowledge of contaminant distribution inside the industrial environment would provide means for better and more economic control of air impurities, e.g., the possibility to regulate the workspace’s ventilation exhaust locations, can reduce the concentration of airborne contaminants by 50%.
This paper describes a concept proposed in the project “Robot-assisted Environmental Monitoring for Air Quality Assessment in Industrial Scenarios“ (RASEM). RASEM aims to bring together the benefits of both – low- and high-cost – measuring technologies: A stationary network of low-cost sensors shall be augmented by mobile units carrying high-quality sensors. Additionally, RASEM will develop procedures and algorithms to map the distribution of gases and particles in industrial environments.
In arid sun-exposed environments, rock-inhabiting fungi dominate microbial communities on rock surfaces. Fungi are known to enhance rock weathering, although the exact mechanisms are not completely understood. These natural processes can be simulated by reproducible experimental systems. Particularly attractive are genetically amenable rock-weathering fungi, where certain traits can be knocked-out to identify weathering-relevant functions. Here, we studied the effect of the rock-inhabiting fungus Knufia petricola A95 and its melanin-deficient mutant (ΔKppks) on the weathering of a Fe-bearing olivine. We examined the olivine dissolution kinetics and looked at the olivine-fungus interface. For the former we inoculated olivine powder with the fungus in batch and mixed flow reactors and analysed the medium solution by ICP-OES, for the latter biofilm-covered olivine sections from flow-through reactors were analysed by FIB-TEM.
In general olivine dissolution was lower when olivine was incubated without fungi: the abiotic olivine dissolution rates were lowest and the surface of the abiotically reacted olivine sections showed no etching. Various chemical analyses show Fe (oxyhydr)oxide precipitation on top of the abiotically reacted olivine, indicating its role in inhibiting olivine dissolution. Both the wild type (WT) and ΔKppks solubilised and bound significant amounts of Fe released by olivine dissolution. Fe (oxyhydr)oxide precipitation was thus reduced, explaining the enhanced olivine dissolution in their presence. Particularly efficient at preventing Fe precipitation were attached WT cells: the inhibition of olivine dissolution almost completely disappeared. The attachment capacity of the WT is most likely caused by the production of WT-specific extracellular polymeric substances. Our presented experimental systems allowed the precipitation of Fe (oxyhydr)oxides and included a rock-inhabiting fungus and thus simulated weathering processes relevant to natural ecosystems.
Vorstellung des REFOPLAN-Projekts extraWERT Erhebung zusätzlicher Wertstoffpotenziale in Klärschlamm
(2019)
Auf dem Regionalgruppentreffen wurden erste Projektergebnisse vorgestellt und die Probenahmestrategie diskutiert. Vorgestellt wurde eine Rückberechnung der mittleren Wertstoffgehalte aus dem Klärschlamm-Monitoring 2014 (Krüger und Adam) und erste Auswertungen der Klärschlammbericht-Rohdaten aus NRW und Hessen.
Im Projekt extraWERT geht es um die Ermittlung von Nährstoffpotenzialen in Abwasser und Klärschlamm. Neben kommunalen Kläranlagen soll auch die Industrie als Quelle für nährstoffreiche Abfallströme betrachtet werden. Mit dem Vortrag sollten Mitglieder des MIV zu einer Projektbeteiligung bewegt werden. Es sollen rohes und gereinigtes Abwasser von direkt einleitenden Betrieben auf Makronährstoffe untersucht werden, neue Erkenntnisse werden insbesondere für die Nährstoffe Calcium und Magnesium erwartet.
Die landwirtschaftliche Klärschlammverwertung ist in der Bundesrepublik Deutschland seit Jahren rückläufig. Neben den Risiken durch Schadstoffeinträge gibt es in Deutschland Regionen mit einem stark erhöhten Nährstoffüberschuss. Um die Grundwasserbelastung zu verhindern wurde u.a. das Düngerecht verschärft, was die Flächenkonkurrenz zwischen Klärschlamm und Wirtschaftsdünger vergrößern wird.
Es ist davon auszugehen, dass sich die neuen Regelungen im Düngerecht und der Klärschlammverordnung massiv auf die landwirtschaftliche Verwertung von Klärschlamm und damit auf die Kreislaufwirtschaft verschiedener Nährstoffe auswirken werden. In diesem Beitrag werden erste Ergebnisse des Projekts extraWERT vorgestellt.
Die landwirtschaftliche Klärschlammverwertung ist in der Bundesrepublik Deutschland seit Jahren rückläufig, hatte im Jahr 2017 jedoch noch einen Anteil von rund 18 % [20]. Diese Art der Verwertung wird kontrovers diskutiert, da der Klärschlamm im Rahmen der Abwasserreinigung eine Schadstoffsenke darstellt. In vergangenen Jahrzehnten wurden insbesondere die hohen Gehalte an Schwermetallen im Klärschlamm als kritisch für eine landwirtschaftliche Verwertung eingestuft. Diese Belastung konnte allerdings durch Absenkung der Einträge von Schmermetallen in das Abwasser signifikant gesenkt werden. Neben Schwermetallen kamen jedoch auch organische Schadstoffe wie Pharmazeutika, Kosmetika und Haushaltschemikalien in den Fokus der Diskussion über den Einsatz von Klärschlamm auf Agrarflächen. Heute geraten zunehmend weitere Inhaltsstoffe in den Fokus, deren Auswirkungen noch nicht abschließend geklärt sind, weshalb eine einheitliche Bewertung über Grenzwerte nicht darstellbar ist. Beispiele für diese neuen Stoffgruppen sind Mikroplastik, Nanopartikel, Antibiotikaresistenzen und persistente organische Spurenstoffe. Neben den angesprochenen Risiken gibt es in Deutschland Regionen mit einem stark erhöhten Nährstoffüberschuss. In der Kritik steht vor allem eine nicht ordnungsgemäße Düngung mit Stickstoff, welche mit Nitratauswaschungen in das Grundwasser einhergeht. Um diese Grundwasserbelastung zu verhindern wurde u.a. das Düngerecht erneut verschärft, was die Flächenkonkurrenz zwischen Klärschlamm und Wirtschaftsdünger weiter vergrößern wird. Auf Druck der EU-Kommission stehen zudem weitere Anpassungen im Düngerecht bevor, da die beschlossenen Änderungen aus Kommissionssicht nicht ausreichen, um die Nitratrichtlinie einzuhalten. Vor dem Hintergrund der angeführten Probleme wurde im Koalitionsvertrag der 18. Legislaturperiode (2013) festgeschrieben, „die Klärschlammausbringung zu Düngezwecken [zu] beenden und Phosphor und andere Nährstoffe zurück[zu]gewinnen“ [5]. Die novellierte AbfKlärV beinhaltet allerdings kein grundsätzliches Aufbringungsverbot und eine Rückgewinnungspflicht besteht lediglich für den Nährstoff Phosphor. Es ist davon auszugehen, dass sich die neuen Regelungen im Düngerecht und der Klärschlammverordnung massiv auf die landwirtschaftliche Verwertung von Klärschlamm und damit auf die Kreislaufwirtschaft verschiedener Nährstoffe auswirken werden. Zur Ermittlung dieser Auswirkungen wird seit Oktober 2018 im Auftrag des Umweltbundesamtes das REFOPLAN-Projekt „extraWERT“ (FKZ 3718 26 330 0) von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Kooperation mit dem Institut für Siedlungswasserwirtschaft (ISA) der RWTH Aachen durchgeführt. In diesem Beitrag werden erste Ergebnisse dieses Projekts vorgestellt.
Der mitteleuropäische Mensch hält sich 80 – 90 % der Zeit in Innenräumen auf. Je nach Aktivität atmet er 10 – 20 m³ bzw. 12 - 24 kg Luft täglich, das ist weit mehr als das Doppelte der Summe an Essen und Trinken. Die technischen Voraussetzungen für die Bestimmung von Emissionen aus Bauprodukten in die Luft liegen vor – harmonisierte horizontale Prüfnorm EN 16516. Es dürften mittlerweile zig-tausende Emissionsdatensätze vorliegen. Defizite gibt es bei der Kennzeichnung zur Unterscheidung emissionsarmer und emissionsreicher Produkte, die bestehende CE-Kennzeichnung ist unvollständig, ersatzweise gibt es nationale Regelungen.
Gerade bei modernen, dichten Bauten mit geringem natürlichen Luftwechsel sind hohe Schadstoffkonzentrationen zu erwarten, wenn nicht emissionsarme Materialien und Produkte zum Einsatz kommen.