Die Verwendung von Pikrinsäure (2,4,6-Trinitrophenol) als Sprengstoff hat zu bedeutenden Umweltbelastungen geführt. Die Toxizität der Pikrinsäure (PA) und dessen mutagenes Reduktionsprodukt 2-Amino-4,6-Dinitrophenol schafft ein wirtschaftliches Interesse, die großen Mengen an PA in Altlasten und Abwasserströmen mikrobiologisch zu entfernen. Die Basis für die geplanten Arbeiten sind Bakterien der Gattungen Nocardioides und Rhodococcus, die über Reduktion des aromatischen Ringes und Bildung eines Hydrid-Meisenheimer (H-Pikrat) Komplexes PA als alleinige Stickstoffquelle verwenden. Zwei Enzyme aus Nocardioides simplex übertragen H von NADPH auf PA unter Bildung des H-Pikrat Komplexes. Teile der für den PA-Abbau vermeintlichen genetischen Information aus Rhodococcus opacus HL PM-1 wurden mit der Differential-Display-Technik gefunden. Ziel ist es, die Gene und Genfunktionen des gesamten PA-Abbauweges zu identifizieren und zu charakterisieren, sowie die biochemischen Kenntnisse zu vertiefen. Dies ist entscheidend für die Entwicklung von Systemen zur Entfernung von PA und für die Erschließung von neuartigen Degradationssystemen für TNT.
In diesem Projekt soll die wichtige Thematik der Entfernung von NOM (Natural Organic Matter) aus Trinkwasser im Aufbereitungsprozess aus der grundlegenden Sicht der Kolloidwissenschaften untersucht werden. Dieses Thema ist eine zentrale Frage der menschlichen Gesundheit und bei Oberflächenwasser wird meist ein Polykation (cPE) zur Bindung und Präzipitation der negativ geladenen NOM Moleküle eingesetzt. Trotz der hohen Bedeutung dieser Fragestellung gibt es nur wenige fundamentale, kolloidchemische Arbeiten zu dieser Thematik. Dieser ist Ansatz dieses Projekts, in dem wir aufgereinigte Huminsäure (HA, Hauptbestandteil von NOM) als Modellsystem nehmen und seine Komplexierung mit unterschiedlich modifiziertem kationischen (quaternisierten) Chitosan (q-Chit) untersuchen wollen. Tests mit australischen Partnern haben bereits vielversprechende Resultate bei der NOM Abtrennung mit q-Chit gezeigt. Seine Hauptvorteile sind Biokompatibilität und Variabilität des molekularen Aufbaus aufgrund einfacher chemischer Modifikation. q-Chit wird hier maßgeschneidert synthetisiert, wobei Parameter wie Ladungsdichte, Mw und Hydrophobizität systematisch variiert werden. Das Phasenverhalten soll als Funktion des Mischungsverhältnisses untersucht werden, inklusive einer quantitativen Bestimmung der im Zweiphasengleichgewicht in Lösung verbleibenden Menge an HA. Dies wird ergänzt durch umfangreiche thermodynamische Untersuchungen (ITC) und der Bestimmung der mesoskopischen Struktur der gebildeten Komplexe mit Hilfe von Licht, Röntgen- und Neutronenstreuung. Wichtig ist auch die zeitliche Entwicklung der Systeme, die durch kinetische Strukturmessungen verfolgt wird. Diese umfassende thermodynamische, strukturelle und kinetische Charakterisierung soll systematische Korrelationen zwischen den cPEs und der Stärke ihrer Wechselwirkungen mit HA liefern. Hieraus soll abgeleitet werden welche molekularen Motive wichtig sind, um die Entfernung von HA aus Wasser zu optimieren. Diese Motive werden in einer optimierten Synthese entsprechend verwendet. q-Chit ist im Fokus, aber später soll auch quaternisiertes verzweigtes Polyethylenimin (PEI) eingesetzt werden, bei dem es sich um kompaktes globuläres Polykation mit hoher Ladungsdichte handelt. Sein Einfluss auf Phasenverhalten und Struktur in Mischungen mit HA soll untersucht werden, mit dem Fokus auf Mischungen in denen auch (lineares) q-Chit enthalten ist, da man einen ausgeprägten Synergismus bei der Wechselwirkung mit den sehr unterschiedlichen anionischen Molekülen der HA erwarten kann. Auf dieser Basis einer umfassenden physiko-chemischen Charakterisierung wollen wir ein solides grundlegendes Verständnis der in Mischungen aus cPE und HA vorliegenden Wechselwirkungen generieren. Dieses soll die Grundlage sein für systematische Verbesserungen bei der Entfernung von NOM aus Trinkwasser, einer der zentralen aktuellen technologischen Herausforderungen der Menschheit.
Teilprojekt A05 hat zum Ziel die Auswirkungen von Mikroplastik-Partikeln (1 bis 5 Mikro m) auf zellulärer Ebene zu untersuchen. An vier Modell-Zelllinien sollen Aufnahme, intrazelluläre Verteilung, Abbau/Ausscheidung, sowie physiologische Effekte untersucht werden. Weitere Studien werden an einfachen Gewebeverbünden (2D- und 3D-Mikrogeweben) sowie an Primärzellen der Modellorganismen des SFB durchgeführt. Neben den Mikroplastik-Partikeln des SFB werden auch Tonmineralien und Celluloseacetat-Partikel vergleichbarer Größe und Oberflächenbeschichtung untersucht, um spezifische MP-Effekte von etwaigen generischen Effekten nach Kontakt mit Mikro m-Partikeln abzugrenzen.
Organische Aerosole (OA) stellen einen omnipräsenten Hauptbestandteil atmosphärischer Aerosole dar und beeinflussen zahlreiche atmosphärische Prozesse und Umweltaspekte. Die quantitative Bestimmung beispielsweise von Klimaeffekten der OA wird durch eine Anzahl von Faktoren limitiert, einschließlich eines unvollständigen Verständnisses wie emittierte VOCs zur Bildung von atmosphärischen OA beitragen. Ein Großteil der OA Bestandteile wird sekundär (sekundäres organisches Aerosol (SOA)) in der Atmosphäre durch chemische Gasphasenprozesse sowie nachfolgender Gas-Partikel-Partitionierung (gasSOA) oder durch chemische Prozesse in der wässrigen Phase (aqSOA) gebildet. Jedoch können durch reine Gasphasenansätze, die Eigenschaften von realem SOA nicht erklärt werden. Außerdem neigen gasSOA Ansätze dazu das Gesamt-SOA zu unterschätzen. Aus verschiedenen Labor- und Feldstudien wurde geschlussfolgert, dass die aqSOA Bildung eine ebenso große Bedeutung wie die gasSOA Bildung haben könnte. Somit, gibt es ein wachsendes wissenschaftliches Interesse in Bezug auf Prozesse, die zur aqSOA Bildung führen. Jedoch ist die aqSOA Prozessierung, d.h. die sekundäre Bildung und chemische Alterung von aqSOA, bis jetzt nur wenig verstanden und in aktuellen Multiphasenchemiemechanismen kaum berücksichtigt. Um diesen wissenschaftliche Sachverhalt eingehender zu studieren, sind weitere Untersuchungen mit detaillierteren Multiphasenchemiemechanismen und erweiterten Prozessmodellen erforderlich. Um das aktuelle Verständnis der aqSOA Prozessierung und ihre Bedeutung für die Chemie der Troposphäre sowie den damit verbundenen wissenschaftlichen Fragestellungen zu verbessern, zielt das vorliegende Projekt auf Entwicklung eines fortgeschrittenen chemischen aqSOA Mechanismus und eines modernen Mehrphasenmodells. Das angestrebte Modell wird, neben anorganischen Chemie, die Radikal- und Nichtradikalchemie von organischen Verbindungen in der Gasphase und Flüssigphase nahezu-explizit beschreiben. Darüber hinaus wird das angestrebte moderne Mehrphasenmodell eine adäquate Beschreibung von Komplex-/Salzbildungsprozessen und Effekten von nicht-idealen Lösungen enthalten. Mit Hilfe dieses modernen Mehrphasenmodells soll die chemische aqSOA-Prozessierung detailliert mit begleitenden Modellstudien untersucht werden. Die Modellstudien werden sich vor allem darauf konzentrieren (i) die Hauptbildungswege für aqSOA zu identifizieren, (ii) die Bedeutung von radikalischen, nicht-radikalischen und nicht-oxidativen Prozessen für aqSOA in verschiedenen Umweltregimen aufzuklären und (iii) den Einfluss von chemischen Wechselwirkungen von aqSOA und anorganischen Aerosolbestandteilen auf dessen troposphärische Verweildauer zu untersuchen. Insgesamt sollen mit dem neuen Multiphasenmodell und den assoziierten Studien, neue Erkenntnisse erzielt werden über die aqSOA Prozessierung sowie deren Bedeutung für die OA-Gesamtmasse und andere verknüpfte Themen wie die troposphärischen Oxidationskapazität.
Fällt ein Regentropfen auf eine Wasseroberfläche oder platzt dort eine Gasblase, so wird in einem komplizierten strömungsmechanischen Prozess eine Vielzahl kleinster Tröpfchen produziert und in die Luft geschleudert. Diese Tröpfchen können ursprünglich im Wasser vorhandene Mikroplastikpartikel in die Luft übertragen. Da sowohl Regen als auch platzende Gasblasen in natürlichen und technischen Systemen wie Ozeanen, Pfützen oder Kläranlagen extrem häufige Ereignisse sind, liegt hier ein potenziell hochrelevanter Migrationspfad von Mikroplastik aus der Hydro- in die Atmosphäre vor. Dieser Prozess soll im vorliegenden Projekt durch eine Kombination aus Modell-Experimenten und Computersimulationen im Detail untersucht und verstanden werden.