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Bestimmung kanzerogener aromatischer Amine aus verbotenen Azofarbstoffen der Textilindustrie

Spaltung und Extraktion von aromatischen Aminen aus Azofarbstoffen auf Textilien; Bestimmung bestimmter kanzerogener Verbindungen

Mikrobieller Abbau von Azofarbstoffen

Die in der Textilbranche verwendeten synthetischen Farbstoffe sind schwer abbaubar, weshalb ihre gezielte Elimination heute ueber Faellungs- und Adsorbtionsverfahren praktiziert wird. Die dadurch entstehenden Probleme der Schlammbeseitigung und Traegerregeneration sind aber noch nicht zufriedenstellend geloest. Mit der Methode der Langzeitadaption sind deshalb Mikroorganismen gewonnen worden, die bestimmte Farbstoffe abbauen koennen. Die biochemischen und genetischen Grundlagen dieser neuerworbenen Faehigkeit werden nun im Detail untersucht. Entsprechend photolytischem Abbau in der Natur. Frage nach Abbauweg und Metaboliten. Methoden: Modellverbindungen aus der Reihe der Stilbencarbonsaeuren und -sulfonsaeuren. Batchversuche und kontinuierliche Fermenter. Die-Away-Tests. Animpfung aus Wasser, Abwasser, Klaeranlagen. Isolierung von Reinkulturen mit Abbaufaehigkeit.

Abbau von sulfonierten Azofarbstoffen

Azofarbstoffe stellen die mengenmaessig wichtigste Klasse an Farbstoffen dar. Jaehrlich werden mehrere hunderttausend Tonnen dieser Farbstoffe produziert und fuer die Faerbung von Papier, Leder, Textilien und anderen Artikeln verwendet. Die meisten industriell eingesetzten Azofarbstoffe enthalten neben der Azobindung 1-3 Sulfonsaeuregruppen und sind unter aeroben Bedingungen biologisch nicht abbaubar. Im Institut fuer Mikrobiologie wird daher versucht, eine Spaltung der Azobindung durch anaerobe Reduktion zu erreichen und diese anaerobe Vorbehandlung mit einem nachfolgenden aeroben Abbau der entstandenen sulfonierten Aminoaromaten zu verbinden. Hierdurch konnte an verschiedenen Modellverbindungen eine Mineralisierung sulfonierter Azofarbstoffe gezeigt werden. Die Kopplung der anaeroben und aeroben Verfahren wurde einerseits mit immobilisierter Biomasse in einem Bioreaktor oder mit suspendierten Zellen durch einen zweistufigen Anaerob/aerob-Prozess erreicht. Die Steigerung der anaeroben Reduktionsraten durch die Zugabe von redoxaktiven Chinonen wird derzeit eingehend untersucht, mit dem Ziel, die Raum-Zeit-Ausbeuten bei dem anaeroben Reduktionsprozess zu erhoehen. Des weiteren wird versucht, die Faehigkeit einiger hochgradig adaptierter Bakterien zur aeroben Reduktion von Azofarbstoffen zu nutzen, indem die Azoreduktasen kloniert und mittels genetischer Techniken fuer den Abbau industriell relevanter Azofarbstoffe optimiert werden sollen.

Using nitrogen isotope fractionation to assess redox reactions of organic contaminants

Compound-specific stable isotope analysis (CSIA) offers new avenues for assessing transformation pathways of organic micropollutants. Fractionation of stable isotopes in individual compounds is usually indicative for an ongoing (bio)chemical reaction and thus allows one to identify such processes in complex environments as well as studying the mechanisms of degradation. However, a more comprehensive exploitation of stable isotope analysis in contaminant studies is currently hampered as both isotope effects and reaction pathways of many organic pollutants, especially those with N-containing functional groups, are not understood adequately on a mechanistic level. In fact, reactions at N-containing structural moieties (e.g., nitro-, amino-, and azo-compounds, amides, ureas) are often the initial site of attack for transformation processes of contaminants such as pesticides, pharmaceuticals, or explosives. In this project, we will develop approaches to study isotope effects during the oxidation of substituted anilines. Our principal goal is to investigate the multielement isotope fractionation of aromatic N-alkyl amines for a comprehensive application of CSIA to enzyme- and mineral-catalyzed oxidations and addition reactions of this compound class. From the combined evaluation of carbon, hydrogen, and nitrogen isotope fractionation and the corresponding apparent kinetic isotope effects, we will be able to identify the typical bonding changes at the reactive atoms in a set of probe compounds covering substituted aromatic N-methyl and N,N-dimethyl amines as well as N,N-dimethyl di- and triazines. On the basis of the interpretation of multielement isotope effects we will be able to delinate the different, sometimes competing transformation processes of micropollutants containing reactive N-alkyl amine moieties.

Water Detoxification Using Innovative vi-Nanocatalysts (CLEAN WATER)

Objective: The concept of the project is based on the development of innovative nanostructured UV-Visible photocatalysts for water treatment and detoxification by using doped TiO2 nanomaterials with visible light response. The project aims at an efficient and viable water detoxification technology exploiting solar energy and recent advances in nano-engineered titania photocatalysts and nanofiltration membranes for the destruction of extremely hazardous compounds in water. To this aim, the UV-vis responding titania nanostructured photocatalysts will be stabilized on nanotubular membranes of controlled pore size and retention efficiency as well as on carbon nanotubes exploiting their high surface area and unique electron transport properties to achieve photocatalytically active nanofiltration membranes. This will be the crucial component for the fabrication of innovative continuous flow photocatalytic-disinfection-membrane reactors for the implementation of a sustainable and cost effective water treatment technology based on nanoengineered materials. Comparative evaluation of the UV-visible and solar light efficiency of the modified titania photocatalysts for water detoxification will be performed on specific target pollutants focused mainly on cyanobacterial toxin MC-LR and endocrine disrupting compounds (EDC) in water supplies as well as classical water pollutants such us phenols, pesticides and azo-dyes. Particular efforts will be devoted on the analysis and quantification of degradation products. The final goal is the scale up of the photocatalytic reactor technology and its application in lakes, tanks and continuous flow systems for public water distribution.

Praxisnahe chromatographische Online-LC/LC-MS-Verfahren für die Analyse wassertechnischer oder biotechnologischer Prozesse

Effiziente Prozesskontrolle ist sowohl in der chemischen Industrie als auch in der verarbeitenden Industrie und Umwelttechnik von Bedeutung. Chemische und biochemische Prozesse können durch eine stoffbezogene, prozessintegrierte Analytik detailliert aufgeklärt und optimiert werden. Ziel dieses Projektes ist es, an Hand von praxisrelevanten, problematischen Prozesswässern zu zeigen, wie die LC- bzw. LCMS- Prozessanalysentechnik der effizienten Überwachung und Regelung von Anlagen dient und gleichzeitig mechanistische Informationen von wassertechnischen und biotechnologischen Prozessen zur Steuerung liefert. Die Online-Flüssigchromatographie, gekoppelt mit Massenspektrometrie, bietet gegenüber Summenparametern den Vorteil einer prozessbegleitenden stoffspezifischen Mehrkomponentenerfassung. Erarbeitet werden die Operationsmodi und Systemanforderungen an eine kontinuierliche Online-Flüssigchromatographie sowie eine vollautomatisierte Probenahme. Es werden Anwendungen der Online-LC bzw. Online-LC-MS zur Verfahrensentwicklung und zum Monitoring in Kläranlagen entwickelt. Angewendet wird das Online-LC-MS-Verfahren zur Kontrolle des biologischen Abbaus von neuen, industriell wichtigen Azofarbstoffen in einem mehrstufigen Bio-Membran-Reaktor. Anhand der stoffspezifischen prozessanalytischen Daten wird es möglich, die Abbaubarkeit einzelner Verbindungen in jedem Prozessschritt zu beobachten und mit leicht kontrollierbaren Praxis-Summenparametern wie Farbzahlen, Redoxpotenzial und CSB-/BSB-Werten zu korrelieren. Hier gibt es eine besonders enge Kooperation mit dem Arbeitskreis Bongards und Firmen wie Clariant und LANXESS.

Studie zur Entfernung von Azo-Farbstoffen und deren Zusatzstoffen im Textilabwasser durch Photokatalyse mit einer anschließenden biologischen Aufbereitungsstufe

Kleinere Betriebe aus der Textil- und Farbstoffindustrie produzieren große Mengen an Abwasser mit komplexer Zusammensetzung, die teilweise behandelt in Flüsse eingeleitet werden. Diese Prozessabwässer haben einen hohen Anteil an refraktären Substanzen die z.T. toxisch sind und somit ist ein natürlicher biologischer Abbau der Abwasserinhaltsstoffe nicht möglich. Ziel dieses Projektantrages ist durch Kombination photokatalytischer und biologischer Verfahren die Behandlung von Abwässer und Abwasserteilströmen aus der Textilindustrie zu untersuchen und so ein kontinuierliches Abwasserbehandlungsverfahren zu ermöglichen. Die Abwässer aus den Textilindustrien sollen mit Hilfe von TiO2 und Sonnenlicht oxidiert werden. Zusätzlich soll untersucht werden, ob bei einer partiellen Oxidation die Toxizität der Abwässer gegenüber der Biologie abnimmt.

Entwicklung und Erprobung einer kathodischen Nano-Filtrationsmembran für die reduktive Behandlung und Filtration von wasserunlöslichen Farbstoffen und Farbpigmenten zur Aufbereitung von Textilabwasser mit dem Ziel der Wasserkreislaufführung sowie...

Mit einem neuartigen Verfahren sollen im Abwasser der Färberei und Druckerei enthaltene Farbmittel, lösliche wie dispergierbare oder unlösliche Farbmittel in zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Schritten zunächst reduktiv und dann oxidativ behandelt werden. Zu diesem Zweck soll eine Anlage entwickelt werden, die aus einer Elektrolysezelle und einer anschließenden Oxidationskammer besteht. In der Elektrolysezelle werden die Farbstoffe kathodisch reduziert. Die Reduktion hat das Ziel Azofarbstoffe, Anthrachinonfarbstoffe und Pigmente in eine wasserlösliche Form zu überführen. Infolge der Spaltung der Azofarbstoffe entstehen Produkte mit kleinerem Molekulargewicht. Vermutlich werden aromatische Amine gebildet, deren Hydrophilie im Vergleich zum Dispersionsfarbstoff deutlich größer ist.Die erhöhte Wasserlöslichkeit der Produkte ist entscheidend für die Wirksamkeit bzw. Wirtschaftlichkeit der anschließenden oxidativen Behandlung, die in homogener Phase weitaus effektiver abläuft. Der selektive Transfer der löslichen Produkte in die Oxidationskammer soll über einen Filtrationsprozess mit einer Ultra- bzw. Nanofiltrationsmembran erfolgen. Die Membran hält die dispers gelösten Farbstoffpartikel zurück. Zur Optimierung des Filtrationsprozesses und der Elektrolyse soll die Elektrolyse direkt an der Membran stattfinden. Zu diesem Zweck muss eine elektrisch leitende Membran entwickelt werden, an der gleichzeitig die kathodische Reduktion und der Filtrationsprozess ablaufen können. Bei dem Filtrationsprozess kommt es zu einer Anreicherung der Farbstoffpartikel an der Membran bzw. der Kathodenoberfläche. Auf diese Weise gelangt der Farbstoff in unmittelbaren Kontakt mit der Kathode, so dass der Elektronenübertrag auf das Substrat erleichtert wird.Bei der Entwicklung der Membran muss berücksichtigt werden, dass diese bei einem dauerhaften Einsatz in einer Abwasserbehandlungsanlage stabil gegenüber den elektrochemischen Vorgängen, höheren Drücken und der Katholytzusammensetzung ist.Ein weiteres Projektziel ist die Strukturaufklärung der Reduktions- und Oxidationsprodukte. Dazu werden im wesentlichem zwei Analysensysteme verwendet. Mit dem schon im Projekt OXITEX erfolgreich eingesetzten LC-QTOF können höhermolekulare bzw, wasserlösliche Produkte anhand der gemessenen Präzisionsmassehinsichtlich ihrer Summenformel und ggfs. Struktur chara.kterisiert werden. Kleinere unpolare Verbindungen werden mittels GCxGC-(TOF)MS erfasst. Hier ist eine Identifizierung der über Elektronenstoßionisierten Analyten mit umfangreichen Datenbanken bzw. Vergleichssubstanzen möglich. Die ermittelten Strukturen sollen Aufschluss über den Reaktionsverlauf geben. So soll z.B. die Frage geklärt werden, ob die Reduktion in höheren Konzentrationen Zwischenprodukte liefert, oder ob ein weitergehender bzw.unspezifischer Abbau vorliegt. Auch die Annahme, dass infolge der Reduktion aus Azoverbindungen vorwiegend aromatische Amine entstehen, soll untersucht werden.

Belastung der Allgemeinbevölkerung mit aromatischen Aminoverbindungen - Der Einfluss von Ernährung und Bekleidung

Obwohl aromatische Aminoverbindungen im allgemeinen keine Endprodukte der chemischen Industrie darstellen, konnten neuere und eigene Untersuchungen (siehe PUG U97009) zeigen, dass der Mensch in weit größerem Umfang diesen Verbindungen ausgesetzt ist, als bisher angenommen. Aufgrund des krebserregenden Potentials eines Großteils dieser Verbindungen ist es wichtig, entsprechende innere Belastungen und deren Quellen und Aufnahmewege zu identifizieren, um gegebenenfalls zu einer Reduzierung der Aufnahmen gelangen zu können. Ziel der vorgelegten Studie ist es, einen Beitrag zur Frage zu leisten, in welchem Ausmaß der Mensch krebserregenden aromatischen Ammen einerseits über Nahrungsmittel (aminhaltige Pflanzenschutzmittel) und andererseits durch Bekleidung (aminhaltige Azo- u. Anthrachinon-Farbstoffe) ausgesetzt ist. Hierzu sollen unterschiedliche Personengruppen der Allgemeinbevölkerung mittels Biologischen Monitorings (renale Ausscheidung von Metaboliten) und mittels Biochemischen Effektmonitorings (Hämoglobinaddukte aus Blut) untersucht werden. Die Ergebnisse sollen über den sog. HERP-lndex (Human Exposure/Rodent Potency) bezüglich ihrer Gefährdung für den Menschen eingeordnet und bewertet werden. Lifestyle-Einflüsse, insbesondere der Einfluss einer ökologisch bewussten Ernährung, sollen untersucht werden. Somit würden die Ergebnisse erstmals einen Überblick über die umweltbedingte Belastung der Allgemeinbevölkerung mit krebserregenden aromatischen Ammen aus verschiedensten Quellen geben.

Pruefung der gentoxischen Wirkung von Dihydroxybenzidin

Azoverbindungen sind nach Inkorporation in den Organismus des Saeugers in die korrespondierenden Amine spaltbar. Azofarbstoffe, die ein krebserzeugendes Amin freisetzen koennen, werden selbst als kanzerogen angesehen und eingestuft gemaess Paragraph 35 (4) 2 GefStoffV. Farbstoffe auf Basis krebsausloesender Amine (Benzidin, 3,3'-Dichlor-, 3,3'-Dimethoxy, oder 3,3'-Dimethylbenzidin gehoeren dazu), unterliegen deshalb laut TRGS 614 Verwendungsbeschraenkungen. Zu 3,3'-Dihydroxybenzidin, das zu den genannten und als krebserzeugend eingestuften Benzidinen sehr nah strukturverwandt ist, liegen derzeit keine Informationen zu mutagenen oder krebserzeugenden Wirkungen vor. Ziel des Projektes ist es, Informationen zur mutagenen bzw. krebserzeugenden Wirkung von 3,3'-Dihydroxybenzidin zu erhalten. Die Substanz soll in den gaengigen Mutagenitaetstests auf ihre Wirkungen untersucht werden. Diese Pruefungen sollen in Anlehnung an die Pruefstrategie des TGD und an die Datenlage zur Mutagenitaet der als krebserzeugend eingestuften Benzidine erfolgen. Damit soll eine Datenlage geschaffen werden, die es ermoeglicht, 3,3'-Dihydroxybenzidin mit den og. Benzidinen bzgl. der mutagenen Wirkung vergleichend zu betrachten.

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