Die Ozonierung ist eine etablierte Technologie zur effizienten Oxidation von organischen Spurenstoffen in der Wasseraufbereitung. Ein wesentlicher Nachteil bei der Anwendung von Ozon ist die Bildung von stabilen und potenziell toxischen Ozonungsprodukten (OPs). Kritisch sind wegen ihrer Langlebigkeit vor allem biologisch stabile OPs. Unmöglich kann die Reaktion aller relevanter CECs mit Ozon, die dabei entstehenden OPs und deren biologische Stabilität untersucht werden. Vielmehr ist es notwendig, basierend auf dem systematischen Studium funktioneller Gruppen Kenntnisse zu generieren, die auf andere Stoffe übertragbar sind. Bislang wurden solche systematischen Studien aber nicht durchgeführt. Noch größer ist die Wissenslücke bei den im Abwasser vorliegenden organischen Kohlenstoffverbindungen (engl.: effluent organic matter, EfOM). Zwar belegt die Ozonzehrung von EfOM dessen Reaktivität gegenüber Ozon, aber welche funktionellen Gruppen reagieren, welche Produkte gebildet werden und wie biologisch stabil diese sind, ist gerade für EfOM mit Heteroatomen (N, S) nicht untersucht. Dieses Vorhaben will beide Lücken durch ein komplementäres analytisches und experimentelles Vorgehen schließen, mit dem gemeinsamen methodischen Ansatz der Einführung einer Markierung in die OPs durch Verwendung von 18O-Ozon und der nachfolgenden Detektion und Identifizierung der OPs mithilfe der (ultra-hochauflösenden) Massenspektrometrie. Das Vorhaben basiert auf der zentralen Hypothese, dass die Reaktion von Ozon sowohl mit bestimmten funktionellen Gruppen organischer Spurenstoffe als auch mit äquivalenten Gruppen des EfOM zu einer vorhersagbaren Bildung von OPs führt. Es zielt darauf ab, i) unser Verständnis der Reaktivität verschiedener funktioneller Gruppen gegenüber Ozon zu verbessern, wobei der Schwerpunkt auf der Identifikation biologisch schwer abbaubarer Funktionen innerhalb der OPs liegt, ii) ozon-reaktive funktionelle Gruppen im EfOM basierend auf bestehendem Wissen zur Transformation von Spurenstoffen zu identifizieren, wobei der Schwerpunkt auf N- und S-haltigen funktionellen Gruppen liegt, welche potentiell chemisch stabile OPs bilden, und iii) die Bedeutung des EfOM im Hinblick auf die Bildung biologisch schwer abbaubarer OPs in der Ozonierung von Abwasser zu bewerten. Dazu soll der biologische Abbau der OPs anhand deren spezifischen funktionellen Gruppen in Säulen-Abbauversuchen und einer simulierten Grundwasseranreicherung untersucht werden. Mit dem neuen Ansatz der Markierung sind wir in der Lage, OPs von CECs ebenso wie von EfOM sicher zu detektieren, besser zu identifizieren und ihre Stabilität gut zu verfolgen. Das Vorhaben generiert ein systematisches und übertragbares Verständnis zur Bildung stabiler OPs basierend auf funktionellen Gruppen organischer Moleküle, von CECs wie von EfOM. Erst wenn die Stabilität der möglichen OPs untersucht ist, wird auch eine systematische toxikologische Bewertung der Ozonung als Wasseraufbereitungsmethode möglich.
Entwicklung massenspektrometrischer Verfahren zur Bestimmung von Luftschadstoffen. Luftschadstoffmessung Quecksilber, halogenierter Kohlenwasserstoffe, organischer Schwefelverbindungen.
Pflanzen können zwischen 10 und 80% ihres P-Bedarfs aus Unterböden decken, aber in welchen Bindungsformen P im Unterboden von Wäldern vorliegt, wie gut es dort zugänglich ist und v.a. wie lange der Sauerstoff in den Unterboden-Phosphaten verweilt, ist nur wenig verstanden. Dieses Projekt hat zum Ziel, die Hypothese zu testen, dass mit zunehmendem P-Mangel im Oberboden die Pflanzen verstärkt auf P im Unterboden zugreifen. Als Grundlage hierfür werden wir in der ersten Phase des SPP aufklären, (i) wie hoch die P-Vorräte in den Unterboden der Versuchsstandorte sind, welche Bindungsformen dominieren und welche delta18O-Signaturen Bodenphosphate dort aufweisen, (ii) wie Pflanzenwurzeln die P-Gradienten im Unterboden verändern, (iii) wie gut die Phosphate im Unterboden für Mikroorganismen und damit 18Oisotopenaustauschreaktionen zugänglich sind, (iv) ob und wie abiotische, positionsabhängige isotopenaustauschreaktionen stattfinden können, anhand derer sich Informationen zur Verweilzeit der Phosphate im Unterboden ableiten lassen, und (v) welche Zusammenhänge zur Isotopensignatur in Phosphaten des Xylemsaftes bestehen. Die P-Bindungsformen und Konzentrationen werden mittels sequenziellen Fraktionierungsverfahren, NanoSIMS, XANES-und NMR-Spektroskopie erfasst. Isotopenbestimmungen und -austauschexperimente erfolgen mittels massenspektrometrischen und Raman-spektroskopischen Analysen unter Einbeziehung quantenchemischer Modellierungen.
Um aktuelle Umwelt- und Klimaveränderungen in einem längeren zeitlichen Kontext bewerten zu können, insbesondere anthropogene und natürliche Einflüsse auf den atmosphärischen Aerosoleintrag in die Atmosphäre zu verstehen, werden Informationen über die Zusammensetzung der Atmosphäre in der Vergangenheit benötigt. Eisbohrkerne aus den Polarregionen oder Gletschern sind wertvolle Umwelt- und Klimaarchive, da sie unter anderem das mit dem Schnellfall deponierte Aerosol enthalten. Daher kann die Analyse von partikel-gebundenen Spurenstoffen in Eisbohrkernen stoffliche Informationen über zurückliegende Umwelt- und Klimabedingungen liefern. Bis heute konzentrieren sich diese Bemühungen auf anorganische Substanzen und nur wenige organische Analyten. Ein Großteil der in diesen Bohrkernen enthaltenen Informationen geht dadurch verloren. Dies charakterisiert das Hauptziel des Vorhabens, durch Erarbeitung organischer spurenanalytischer Methoden basierend auf LC-HRMS (Flüssigchromatographie in Kombination mit hochauflösender Massenspektrometrie) eine ausgewählte Palette von Markersubstanzen zu quantifizieren. Zielmoleküle sind insbesondere neue Marker für biogene sekundäre organische Aerosole (biogenic SOA) und Biomasseverbrennungs-Marker. Die Auswahl dieser Verbindungen basiert einerseits auf dem zu erwartenden Informationsgewinn über die Quellen und deren Zusammensetzung (terrestrische Vegetation/Waldbrände), andererseits auf der atmosphärischen Lebensdauer der Marker, da nur langlebige Marker weit entfernt liegende Regionen erreichen können. Zusätzlich zur Analyse dieser Zielanalyten sollen auch ââ‚ Ìnon-target screening-Methoden zum Einsatz kommen. In enger Zusammenarbeit mit einem etablierten Eisbohrkernlabor am PSI in der Schweiz werden die entwickelten Analysetechniken auf einen Eisbohrkern aus dem Belukha-Gletscher im Sibirischen Altai Gebirge angewendet.
Messung der Stromdichten von Impuls, Waerme, Wasserdampf und Gasen durch die Phasengrenze Wasser-Luft in Abhaengigkeit von meteorologischen Parametern (Windgeschwindkeit, Feuchte usw.). Simulation der 'Air-Sea-Interaction' an einem ringfoermigen, abgeschlossenen Wind-Wasserkanal. Untersuchung mit Hilfe stabiler Isotope des Wassers, Kohlendioxid, Edelgasen. Massenspektrometrische Bestimmungsmethoden. Entwicklung von Temperatursonden fuer Grenzschichttemperatur. Untersuchung an anderen Modellfluessigkeiten statt Wasser; Untersuchung des Kapillarwellen-Einflusses.
Die Grenzfläche zwischen Ozean und Atmosphäre ist durch einen allgegenwärtigen, < 1 mm dicken marinen Oberflächenfilm, den sogenannten sea-surface microlayer (SML), charakterisiert. Der SML ist nicht nur direkter UV-Strahlung und atmosphärischen Oxidantien ausgesetzt, sondern zeichnet sich im Vergleich zum unterliegenden Wasser auch durch höhere Konzentrationen an organischen Stoffen aus. Bisher ist unklar, welche Bedeutung die dadurch bedingten SML-spezifischen abiotischen Prozesse für die Umsetzung und die Emission organischer Stoffe insgesamt haben und wie man diese Prozesse parametrisieren kann. In diesem Projekt, das eng mit anderen Projekten der interdisziplinären Forschungsgruppe â€ÌBiogeochemische Prozesse und Ozean/Atmosphäre- Austauschprozesse in marinen Oberflächenfilmen (BASS)â€Ì verbunden ist, sollen daher molekulare Details SML-spezifischer Reaktionen (Photochemie, heterogene Oxidation, Radikalchemie) genauer untersucht werden. Ziel ist es, Reaktionsprodukte und -geschwindigkeiten quantitativ zu erfassen und Unterschiede zwischen Reaktionen im SML und in der freien Wassersäule herauszuarbeiten. Basierend auf der Expertise der drei beteiligten Arbeitsgruppen im Bereich Photochemie, Reaktionskinetik, Laserspektroskopie, Analytik und theoretischer Modellierung, soll ein molekulares Verständnis ausgewählter Reaktionen und des Einflusses der komplexen SML-Reaktionsumgebung erreicht werden. Dazu sollen experimentelle Verfahren wie Schwingungs-Summenfrequenzerzeugung, hochempfindliche Chromatographie-Massenspektrometrie und gepulste Laserphotolyse-Langwegabsorption mit Methoden der Quantenchemie und Molekulardynamik kombiniert werden. Arbeitsschwerpunkte bilden die Oxidationskinetik von Halogen- bzw. Hydroxyl-Radikalreaktionen in der flüssigen Phase, die Ozonolyse von Fettsäure-Monoschichten und die durch Photosensibilisatoren verstärkte Bildung von reaktiven Radikalen bzw. Zersetzung von organischen Schichten. Neben wohldefinierten Labor-Modellsystemen werden auch natürliche Proben analysiert werden. Dabei stellt sich z.B. die Frage nach den Einflussfaktoren der während einer Algenblüte zunehmenden Bildung von oberflächenaktiven Stoffen im SML und der Bedeutung der durch die Sonne bedingten Photolyse auf die abiotische Umsetzung organischer Stoffe. Flankierend werden im Projekt auch die eingesetzten Untersuchungsmethoden weiterentwickelt; das beinhaltet sowohl die Ausarbeitung von Messprotokollen zur Quantifizierung bestimmter organischen Substanzklassen (z.B. Carbonyle und Kohlenhydrate) im SML, die Synthese und Charakterisierung von neuartigen oberflächenaktiven Photosensibilisatoren (z.B. Benzoyl-Benzoesäure-funktionalisierte Lipide) sowie die Entwicklung und Erprobung mehrstufiger Modellierungsverfahren zur theoretischen Beschreibung von Struktur-Reaktivitätsbeziehungen der Fettsäure-Ozonolyse (z.B. Beschreibung des Einflusses sterischer und elektronischer Effekte der organischen Matrix).
Bei akuten Umweltschadensfällen in Nordrhein-Westfalen steht das Landesamt für Natur, Umwelt und Klima (LANUK) rund um die Uhr für Sondereinsätze bereit. „Jeder Einsatz dient dem Schutz von Mensch und Natur – wir sind zur Stelle, wenn es darauf ankommt“, betont LANUK-Präsidentin Elke Reichert. Auch in Fällen von Umweltkriminalität werde das Landesamt für Natur, Umwelt und Klima immer häufiger zu einem wichtigen Glied in der Kette der Beweisführung. Mit speziell ausgerüsteten Umweltmesswagen, dem sogenannten Sondereinsatz, werden Ermittlungsbehörden und Einsatzkräfte mit wissenschaftlicher Expertise und modernster Messtechnik direkt vor Ort unterstützt. Diese Expertise hat in Nordrhein-Westfalen einen hohen Stellenwert und bietet eine wichtige Schnittstelle zwischen Umwelt- und Ermittlungsbehörden Die Einrichtung der Vernetzungsstelle Umweltkriminalität im Januar 2024 und die Schulungen, die für die Polizei angeboten werden, haben die fachlichen und analytischen Möglichkeiten des LANUK bei den Einsatzkräften bekannter gemacht. Die Zahl der Einsätze hat als Folge im Jahr 2024 einen historischen Höchstwert von 57 Einsätzen verzeichnet. Das Einsatzspektrum reicht von illegalen Lagerungen und Einleitungen von Chemikalien oder Abfällen bis zu Bränden, Stofffreisetzungen und komplexen Unfällen, bei denen es um den Schutz von Mensch und Umwelt geht. Aktuell war der Sondereinsatz beispielsweise bei mehreren illegalen Boden- und Abfallablagerungen im Kreis Heinsberg und in Erkelenz gefragt. Auch an Untersuchungen zu illegalen Drogenlaboren oder Einleitungen in Gewässer wird der Sondereinsatz immer wieder beteiligt. Durch die interdisziplinäre Kompetenz des LANUK erhalten die Ermittlungsbehörden fachliche Grundlagen für die Beantwortung komplexer Fragestellungen und für daraus folgende Konsequenzen. „Nachhaltiger Umweltschutz ist eine Frage der Wachsamkeit“, erklärte die Präsidentin des LANUK, Elke Reichert. Bei Ereignissen, die Umweltschäden oder Gefahren für Menschen bedeuten können, müsse schnell gehandelt werden. Das könne nur gelingen, wenn die Fachleute und Behörden ohne Umwege eine sichere Einschätzung der Gefährdungslage für gemeinsames weiteres Handeln erhielten. „Oft ist das LANUK die erste Fachinstanz, die mit konkreten Analysen entscheidende Erkenntnisse und damit auch Hinweise für Ermittlungsbehörden liefert.“ Sie unterstreicht: „Für die Ermittlungsarbeit ist es elementar, schnell Klarheit zu schaffen. Mit der mobilen Labortechnik im Sondereinsatz können wir direkt vor Ort gefährliche Substanzen identifizieren und so die Behörden dabei unterstützen, die richtigen Maßnahmen zu ergreifen.“ Elke Reichert macht deutlich: „Unser Ziel ist es, jeden Einsatzort so zu verlassen, dass Menschen und Umwelt bestmöglich geschützt sind“. Die Einsätze beginnen meist mit einem Anruf bei der rund um die Uhr besetzten Nachrichtenbereitschaftszentrale des LANUK. Dort koordinieren die Mitarbeitenden des LANUK alles Weitere – egal, ob die lokale Feuerwehr, die Bezirksregierungen, Kommunen oder Polizei Unterstützung benötigen. Rund ein Drittel der Einsätze wird von Feuerwehren angefordert, ein weiteres Drittel von den Bezirksregierungen, die übrigen von Polizei und anderen Behörden. Die Einsatzgründe variieren: „Bei vielen Einsätzen ist zu Beginn nicht klar, ob es sich um einen Unfall, ein natürliches Phänomen oder einen Fall von Umweltkriminalität handelt“ berichtete LANUK-Präsidentin Elke Reichert. Immer wieder gäbe es Fälle, bei denen durch Ermittlungen im Nachgang auch Umweltkriminalität als Ursache festgestellt werde. Der Sondereinsatz umfasst ein Kernteam aus sechs Fachleuten, zwei Frauen und vier Männern, ergänzt durch 18 weitere Mitarbeitende aus unterschiedlichen naturwissenschaftlichen und technischen Fachbereichen des LANUK. Die beiden LKW des Sondereinsatzes verfügen jeweils über eine eigenständige Stromversorgung. In die Sondereinsatzfahrzeuge installierte und mitgeführte Messtechnik ermöglicht spezialisierte Untersuchungen direkt am Einsatzort. Dazu gehört ein mobiles Massenspektrometer (GC-MS), mit dem mehr als 1000 flüchtige organische und anorganische Stoffe gemessen werden können. An Bord des großen Messwagens steht ebenfalls ein mobiles Rasterelektronen-Mikroskop mit Röntgensonde zur Verfügung. Damit können Proben mehr als 100.000fach vergrößert werden. Form, Größe und elementare Bestandteile von Proben, z. B. von Asbest, können damit sichtbar gemacht werden. Zur Bestimmung zahlreicher Stoffe befindet sich weitere mobile Messtechnik an Bord. Als „Umweltfeuerwehr des Landes Nordrhein-Westfalen“ verfügen beide Fahrzeuge über eine Sondersignalanlage (Blaulicht). Die Vernetzung mit der Zentralstelle für Umweltkriminalität bei der Staatsanwaltschaft Dortmund, den verschiedenen Dienststellen der Kriminalpolizei und dem Landeskriminalamt hat sich als sehr wirksam erwiesen. Die systematische Zusammenarbeit sorgt dafür, dass Schadensfälle am Ort des Geschehens fachlich bewertet werden können – ob Freisetzung von Chemikalien, illegaler Entsorgung von Abfällen oder der Ausbreitung unbekannter Substanzen. Präsidentin Reichert bringt es auf den Punkt: „Wir setzen auf vernetztes Wissen, engagierte Teams und den Anspruch, aus jedem Einsatz zu lernen. Umweltschäden sind oft unsichtbar, aber die Folgen können gravierend sein. Es ist unsere Aufgabe, unser Fachwissen, unsere Möglichkeiten des Messens und Bewertens zu nutzen und damit die Behörden in NRW in der Umsetzung von Maßnahmen zu stärken – für mehr Sicherheit und nachhaltigen Schutz“. zurück
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