Die rasante Urbanisierung und Industrialisierung in den vergangenen Jahrzehnten hat zu einer Vielzahl von Umweltkontaminationen mit halogenierten organischen Verbindungen (HOCs) sowohl in China als auch Europa geführt. Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist es, neue Erkenntnisse und ein vertieftes Prozessverständnis für die Synthese von biobasierten nFe(0)/Pd/C-Kompositen und deren Reaktionen mit HOCs in der Grundwasserreinigung zu gewinnen. Dies beinhaltet die Identifizierung von Synthese-optionen für Partikel mit maßgeschneiderten und verbesserten Eigenschaften mithilfe der Hydrothermalen Karbonisierung (HTC). Ein tiefgreifendes mechanistisches Verständnis der beteiligten Prozesse, d.h. Sorption, Reaktion und Transport reaktiver Spezies so-wie Katalyse sowie deren Synergien dient einer zielgerichteten Optimierung der Partikel und der Erkundung ihrer Anwendungsgebiete. Die nFe(0)/Pd/C-Komposite sollen speziell für die in-situ Grundwasserreinigung geeignet sein und verbesserte Eigenschaften insbesondere für solche Anwendungsfälle besitzen, bei denen bekannte Konzepte der in-situ-Sanierung mit Nanopartikeln (Nanoremediation) nicht greifen. Die synergistische Kombination verschiedener Wirkprinzipien erlaubt Multikatalyse-Prozesse sowie die sequentielle Behandlung von verschiedenen Kontaminanten. Zunächst werden verschiedene Optionen für die Einbettung von Metallen in oder auf die Kohlepartikel untersucht, die erhaltenen Produkte detailliert durch physikalisch-chemische Methoden charakterisiert und auf ihre Reaktivität getestet. Danach werden Reaktionen in Batch-Ansätzen für die Aufklärung der zugrundeliegenden Mechanismen, wie das Zusammenspiel von Pd, Kohleoberfläche und Fe-Spezies, der beteiligten Reaktionswege und reaktiven Spezies, durchgeführt. Weiterhin werden Optionen für Multikatalyse und sequentielle Reduktions-/Oxidationsprozesse untersucht. Abschließend werden die entwickelten Materialien und Prozesse im Labor für die Behandlung von Wasser von kontaminierten Standorten in Deutschland und China erprobt. Dieses kooperative Forschungsvorhaben von chinesischen und deutschen Partnern wird zu einem signifikanten Fortschritt in der Sanierungsforschung für industriell kontaminierte Standorte, insbesondere auch in China, führen.
Nachhaltige Landwirtschaft agiert in einem Spannungsfeld zwischen Produktivität und Erhalt der Bodengesundheit. Kupfer wird in großem Umfang als Fungizid und Düngemittel eingesetzt, hat jedoch auch negative Auswirkungen auf die Bodengemeinschaft. Kupfertoxizität wird in der Regel durch Adsorption im Boden und Aufnahme durch Organismen erklärt, aber die Möglichkeit anderer toxischer Pfade, z. B. die Bildung von Radikalen, wird noch nicht in Betracht gezogen. Die Relevanz von Radikalen im Boden wurde zuvor in unseren Studien gezeigt, in denen Nanopartikel auf Kupferbasis bei sehr niedrigen, umweltrelevanten Konzentrationen negative Effekte auf Bodenorganismen hatten, einschließlich Reaktionen in deren antioxidativem System. Überraschenderweise war dies nur bei stark adsorbierenden, tonreichen Böden der Fall, die für die Landwirtschaft sehr relevant sind. Die Kombination von Kupfer und Ton in Böden ist in der Lage, reaktive Sauerstoffspezies (ROS) zu bilden oder weit verbreitete polyaromatische Schadstoffe in umweltbeständige freie Radikale (EPFR) umzuwandeln, die negative Folgen für Bodenorganismen, aber auch für die menschliche Gesundheit haben können. Die Bildung dieser Radikale beruht auf Elektronentransferprozessen, bei denen Übergangsmetalle wie Kupfer oder Eisen (insbesondere in nanopartikulärer Form), Tonminerale und organische Stoffe als Quelle und/oder Transporteur von überschüssigen Elektronen dienen. Alle diese Stoffgruppen kommen natürlich im Boden vor, werden aber auch durch landwirtschaftliche Aktivitäten eingebracht. In diesem Projekt werde ich mehrere repräsentative Stoffgruppen kombinieren, die ein landwirtschaftliches Bodensystem simulieren und für die Radikalbildung relevant sind. Das radikalbildende Potenzial sowohl natürlicher als auch anthropogener Stoffe, d.h. verschiedener Arten von Ton- und Eisenmineralen, organischer Substanz und anthropogenem Kupfer, wird einzeln und in Kombination ermittelt. Die Radikalbildung wird chemisch untersucht, indem die ROS- und EPFR-Bildung in künstlichen Bodenlösungen und Böden gemessen wird, aber auch biochemisch und ökologisch anhand der antioxidativen und Fitness-Reaktion von Springschwänzen (Folsomia candida). Um die Laborergebnisse auf die Freilandsituation zu übertragen, werden die Faktoren, die im Labor als am auffälligsten identifiziert wurden, zur Identifizierung potenzieller radikalbildender Hotspots im Feld verwendet; dabei werden Podsole mit Fluvisolen (schwankendere Redoxbedingungen aufgrund ihrer Nähe zu Flüssen) im Hinblick auf die Korrelation zwischen ihren Bodeneigenschaften und dem Auftreten von ROS und EPFR verglichen. Die Identifizierung der Bodenfaktoren für die Radikalbildung im Labor und auf dem Feld wird Auswirkungen auf den Bodenschutz, die Risikobewertung von Nanopestiziden und die landwirtschaftliche Bewirtschaftung haben und direkte Empfehlungen für eine nachhaltige Bewirtschaftung des Bodens mit Hinblick auf deren Potenzial zur Radikalbildung ermöglichen.
So far, there is little knowledge on the fate of nanoparticles and nanoparticle-associated pollutants in soils. From the state of the art we presume nanoparticle aging in soils to change their surface characteristics, their sorption capacity and mobility. However, the processes controlling nanoparticles aging in soils are hardly investigated. We hypothesize that engineered inorganic nanoparticles (EINP) in soil undergo pedogenic processes such as chemical weathering, accumulation of organic matter and aggregation and that these processes govern both, the mobility of EINP and their sorption capacity for contaminants. Thereby we will mainly address the two key hypothesis of INTERNANO that (i) nanoparticle aging involves reversible and irreversible changes and (ii) that nanoparticle mobility and their interactions with pollutants are determined by environmental conditions rather than by original surface characteristics. We will expose nanoparticle to soils and soil suspensions under various, defined conditions. At the end of the respective incubation time we will study the change in surface properties, aggregation state and contaminant sorption onto nanoparticles, using methods, which are suitable for nano-scale analyses (light scattering, HR TEM, XANES). Size effects on aging will be analysed exemplarily for TiO2 EINPs. The derived process knowledge will help to evaluate the environmental significance of nanoparticles in soils and serve as a basis to predict risks associated with nanoparticle leaching from soils.
Natürliche Nanopartikel (NNP) und bodenstämmige Kolloide werden zunehmend als hoch relevante Transportform von Elementen in wässrigen Phasen von Ökosystemen anerkannt. Zur elementaren Zusammensetzung dieser Partikel und deren Größenspanne liegen erste Erkenntnisse vor, jedoch fehlen weiterhin wichtige fundamentale Informationen über deren zeitliche Dynamiken und deren Herkunft. Die Ziele dieses Projektes sind (i) die zeitlichen Dynamiken von NNP und Kolloiden aufzudecken, (ii) den Einfluss von signifikant erhöhten Abflussereignissen auf den Export von NNP und Kolloid-bedingtem Transport aufzuklären und (iii) die potentielle Herkunft von Bachwasser-NNP und Kolloiden zu erklären. Um eine Vorstellung über die Validität der Ergebnisse (iv) auf europäischer Skala und durch verschiedene Ökosysteme zu bekommen, werden die Analysen an Bachwasserproben von verschiedenen Dauerbeobachtungsflächen durch Europa durchgeführt. Diese Standorte, mit denen ich bereits erste eigene wissenschaftliche Kooperationen etablieren konnte, bieten Daten über die Böden, die Gewässerchemie und Stoffflüsse innerhalb des Ökosystems. Die Analytik wird mit Hilfe von Kombinationsverfahren der Feld Fluss Fraktionierung (FFF) durchgeführt. Für ausgewählte Proben wird größen- und elementspezifische Analytik von NNP und Kolloiden mit der Analyse von Lignin Phenolen, der natürlichen Häufigkeitsermittlung von 13C, Radiokarbondatierung und zusätzlicher d56Fe Analytik kombiniert. Durch die Kombination der Daten sollte es möglich sein das Vorkommen und die Variabilität von NNP und Kolloiden als vorherrschende Elementtransportform, sowie deren Herkunft aus verschiedenen Bodenhorizonten und die generelle Validität meiner Ergebnisse auf unterschiedliche Standorte in Europa besser verstehen zu können.
Ultrafeine Partikel haben in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Diese sogenannten Nanopartikel sind vielfaeltig anwendbar, wie z.B. als Ausgangsmaterialien fuer hochfeste Werkstoffe, in Gassensoren, als Katalysatoren, in Arzneimitteln und in Testaerosolen fuer die Heissgasentstaubung. Es wurde eine Anlage zur Nanopartikelerzeugung durch Laserverdampfung entwickelt. Zur Herstellung wird Aluminiumoxidkeramik, Graphit, Kupfer oder Aluminium mit einem C02-Laser verdampft. Aus der Kondensation entstehen kugelfoermige Primaerpartikel in einem Groessenbereich zwischen 10 und 500 Nanometern. Nach der Erstarrung koennen die Partikel durch Agglomeration unregelmassig geformte Ketten oder Flocken bilden. Deshalb wird das Aerosol so weit verduennt, dass Kollisionen der Partikel unwahrscheinlich werden und damit die Agglomerationswahrscheinlichkeit stark reduziert wird. Das zu verdampfende Material, in Form eines runden Targets, ist unter einen Drehteller montiert, der in Rotation versetzt und gleichzeitig horizontal verschoben wird. Der Laserstrahl wird von unten auf das Target fokussiert und hinterlasst durch die Targetbewegung eine spiralfoermige Bahn auf der Materialoberflaeche. Das Material verdampft lokal im Laserfokus. Der Dampf wird durch radial zustroemendes Argon in einen Sinterkegel unterhalb des Targets transportiert, wo in der heissen Zone die Kondensation und Koagulation stattfindet. In diesem Bereich bleiben die Partikel durch Absorption der Laserstrahlung fluessig, unterhalb der heissen Zone erstarren sie. Durch die Volumenaufweitung des Kegels nach unten und das seitliche Zustroemen von Argon nimmt die Partikelkonzentration von oben nach unten stark ab. Die Partikel werden auf einer Filtermembran abgeschieden und mit einem Rasterelektronenmikroskop auf Groesse, Form und Agglomerationsgrad untersucht. Neben dem Ziel der Nanopartikelerzeugung werden die zugrundeliegenden Prozesse Verdampfung, Kondensation und Koagulation sowohl experimentell als auch theoretisch detailliert untersucht.
Ziel: The objective of our project is to investigate the impact of different natural and anthropogenic environmental and climatic parameters (CO2, ozone, UV-B, drought, nanoparticles, soil and airborne pollutants) on the potentiality for increases of allergenic components in Ragweed pollen. Methode: Acquisition of the complete transcriptome/proteome under constant and the different climatic parameters listed above will be carried out. In addition secondary metabolite analyses and electron microscopy will be performed. In addition secondary metabolite analyses and electron microscopy will be performed.
Die Bildung neuer Partikel und ihr anschließendes Wachstum in der Troposphäre sind wichtige Prozesse, die die Zusammensetzung der Atmosphäre und den globalen Klimawandel beeinflussen. Nach der Entstehung der Nanopartikel durch Keimbildung wird ihr Wachstum von organischen Molekülen bestimmt. Zurzeit wird die Bildung der extrem geringflüchtigen Verbindungen, die für das Wachstum von Nanopartikeln benötigt werden, ausschließlich auf Basis von Gasphasenchemie diskutiert. Die Partikelembryonen selbst bieten jedoch eine einzigartige nanoskalige Umgebung, die chemische Reaktionen innerhalb der neu gebildeten kondensierten Phase beeinflussen können. Eine physikalisch-chemische Besonderheit von Nanometerpartikeln ist der zunehmende Innendruck (Laplace pressure). Da bindungsbildende chemische Reaktionen (z. B. Oligomerisierung) bei höheren Drücken begünstigt werden, gewinnen solche Reaktionen in kleinen Partikeln an Bedeutung. Daher könnten Partikelgrößen-abhängige chemische Reaktionen eine entscheidende Rolle im Lebenszyklus von atmosphärischen Aerosolen spielen, indem sie die Lücke zwischen der anfänglichen Bildung von Partikelembryonen und ihrem Wachstum in Größen schließen, in denen ihre Überlebenswahrscheinlichkeit größer wird und sie schließlich als Wolkenkondensationskeime dienen können. Obwohl motiviert durch atmosphärenchemische Fragestellungen, kann das erarbeitete Wissen über größenabhängige chemische Reaktionen auch zu einem besseren Verständnis von Gleichgewichtsreaktionen in organischen Nanoreaktoren führen sowie - in einem sehr allgemeinen Sinn - ebenfalls Beiträge zum Verständnis der Entstehung des Lebens liefern.
Nanopartikel (NP) sind neuartige Schadstoffe, deren Umweltverhalten sich grundlegend von molekularen Schadstoffen unterscheidet. Die Sorption von natürlichen organischen Substanzen (NOM) an NP ist ein Schlüsselfaktor für das weitere Umweltverhalten der NP wie Aggregation oder Sorption auf Oberflächen. Verfügbaren Daten zum Verhalten von NP beschränken sich auf Laborstudien unter stark vereinfachte Bedingungen. Für die Modellierung des Verbleibs von NP in der Umwelt ist es daher unerlässlich, die Sorptionsmechanismen unter umweltrelevanten Bedingungen zu erforschen. Dafür haben wir eine neue Methode entwickelt und validiert, bei der die NP mittels eines Dialysebeutels im Kontakt mit den gelösten Komponenten des Gewässers gebracht werden. Diese Methode ermöglicht es erstmals Partikel mit einer realistischen NOM Oberflächenbeschichtung (Coating) zu erhalten. Moderne Methoden der Oberflächencharakterisierung erlauben es zudem, die Zusammensetzung und Eigenschaften von NP Coatings detailliert zu untersuchen. Ziel dieses Projekts ist es, die Sorptionsmechanismen unter Umweltbedingungen, ihren Einfluss auf die kolloidale Stabilität und ihren Zusammenhang mit dem initialen NP Coating zu erforschen und vorherzusagen. Dazu werden die Zusammensetzungen und die Eigenschaften der unter Feldbedingungen gebildeten NP Coatings für fünf TiO2-Nanopartikeltypen, einschließlich der aus kommerziellen Produkten extrahierten Partikel, untersucht. Diese Partikel werden in 60 ausgewählten Gewässern, welche einer großen Bandbreite an wasserchemischen Parametern entsprechen, mittels Dialysebeutelmethode exponiert. Nach der Entnahme werden die Partikel mit XPS, FT-IR, ToF-SIMS und AFM analysiert, um die Oberflächenzusammensetzung, den Sorptionsmodus und die Schichtdicke des Coatings zu bestimmen. Zur Untersuchung der Schichtdicke mittels AFM wird eine neu entwickelte Probenpräparationsmethode weiterentwickelt und validiert. Die molekulare Zusammensetzung und Stabilität der NP Coatings werden mittels direkter Messung von Molekülen auf der Partikeloberfläche mit einer neu entwickelten Laser-Desorptions-Ionisation ultrahochauflösender FT-ICR MS Methode sowie sequentieller Extraktion, gefolgt von Elektrospray-Ionisation FT-ICR MS untersucht. Zudem werden Experimente zur Aggregationskinetik der exponierten NP durchgeführt. Dazu werden Proben der 60 Gewässer mit und ohne natürliche Kolloide verwendet, um Hetero- und Homoaggregation zu berücksichtigen. Die gewonnenen Daten werden in ein multivariates Machine-Learning-Modell einfließen, um die Beziehung zwischen initialem Coating, Coating mit NOM nach Exposition, der Gewässerchemie und der Aggregation der Partikel zu bestimmen und um die Eigenschaften des Coatings und die Aggregationsrate aus den vorliegenden Wasserparametern vorherzusagen. Die Modellergebnisse werden wertvolle Beiträge für die Vorhersage des Umweltverhaltens von Nanopartikeln in natürlichen Gewässern liefern.
Hintergrund: Obwohl Nanopartikel und Kolloide (NPC) als Vektoren für P-Verluste und P-Neuverteilungen in Waldsystemen fungieren, fehlen grundsätzlichen Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen steuernden Umweltfaktoren und dem Schicksal, Transport und der zusammensetzung von NPC und ihrer P-Beladung. Wir postulieren, dass hydrologisch bedingte NPC-Verluste und -umverteilungen eine dreifache Gefahr für das langfristige biogeochemische Recycling von P in Waldökosystemen und damit die Ökosystemernährung darstellen. Projektziel: Aufklärung der Bedeutung und Steuerung von NPC-Verlusten und -umverteilungen für die langfristige Effizienz des P-Recycling in Waldökosystemen. Projekt-Hypothesen: Mobile Kolloide in Waldökosystemen entstammen hauptsächlich dem organischen Oberboden (alle WPs), (ii) Laterale Flüsse vom kolloidalen P während Starkregenereignissen begrenzen langfristig die maximale P-Wiederverwertungseffizienz von Waldökosystemen (WP1), (iii) P ist überwiegend mit organischen Kolloiden assoziiert und größtenteils bioverfügbar, was eine weitere Limitierung der P-Wiederverwertung im Wald darstellt (WP2), (iv) Die Kolloidverlagerung in Wäldern führt zu P-reichen und P-armen Stellen (laterale Umverteilung) bzw. zu einem P-Transfer aus oberflächennahen organischen Horizonten zum mineralischen Unterboden und damit zu einer P-Festlegung in diesem Horizont (WP3), und (v) Abnehmende atmosphärische Einträge von organischen Säuren und Kalkung erhöhen den pH Wert und reduzieren das austauschbare bzw. gelöste Al3+ im Waldoberboden, was die Mobilisierung bzw. den Verlust von kolloidalem P fördert (WP4). Methodik: Wir werden die Konzentration und Zusammensetzung von Kolloiden in den Wasserproben i) aus den Streulysimetern, ii) aus dem lateralen Fluss in Bodeneinschnitte (trenches) und iii) aus den Oberläufen von Bächen an den Versuchsstandorten in Bad Brückenau, Conventwald, Vessertal und Mitterfels bestimmen. Die Kolloide werden mittels Feld Fluss Fraktionierung fraktioniert bzw. isoliert und in Kombination mit ICP-MS, TOC und TN Analyse, sowie TEM gekoppelt mit Energiedispersiver Röntgenspektroskopie charakterisiert. Aufgaben/Arbeitspakete: WP1: Entnahme von Wasserproben aus dem lateralen Fluss in Bodeneinschnitten (trenches) (mit Puhlmann/Weiler und Julich/Feger). Entsprechend unserer Hypothese sollte die Gesamtmenge von NPCs aus präferenziellen Fließwegen, dem lateralen Fluss und den Oberläufen der freigesetzten Menge aus der organischen Bodenoberschicht gleich sein. WP2: Untersuchung der Bioverfügbarkeit der NPC aus dem 'interflow' und den Oberläufen durch Inkubationsexperimente mit Enzymen um Phosphatester und Inositol-Phosphate nachzuweisen (mit Kaiser/Hagedorn/Niklaus). (Text gekürzt)
Bakterielle Sensoren mit genetisch programmierten Schaltkreisen erkennen Umweltschadstoffe wie Antibiotika mit hoher Selektivität und Sensitivität. Sie eignen sich für die effiziente Überwachung großer Flächen oder abgeschiedener Gebiete, weil die Bakterien keine elektrischen Energiequellen oder Wartung benötigen und ein einfacher Biofilm alle Elemente zur Detektion enthält. Diese hochattraktiven, nachwachsenden Sensoren werden heute oft deshalb nicht genutzt, weil die Auswertung bakterieller Sensor-Antworten aufwändige Infrastruktur erfordert, die im Feld nicht verfügbar ist. Andererseits wurden in den letzten Jahren hybride Sensor-Materialien für die Umweltanalytik auf Basis von Nanoplasmonik und Photolumineszenz (PL) entwickelt. Ihre optischen Eigenschaften hängen von der Konzentration bestimmter Analyten ab. Sie lassen sich effizient mit Laserdioden anregen und mit einfachen CCD-Kameras auswerten. Sensor-Materialien auf Basis anorganischer Materialien und Polymere sind robust und können z.B. von Drohnen ausgelesen werden. Sie reagieren aber weniger spezifisch und empfindlich als etablierte elektrochemische oder chromatographische Verfahren, was ihre Einsatzbereiche beschränkt. In diesem Projekt verbinden wir bakterielle Sensorik mit Plasmonenresonanz und Photonen-Hochkonversion in lebendigen Sensor-Materialien (ELM). Wir koppeln die Empfindlichkeit und Spezifizität der Bakterien mit der Robustheit und Intensität optisch aktiver Partikel. Zentrales Bindeglied ist das Enzym Goldreduktase GoIR, das vor kurzen erstmals in Bakterien beschrieben wurde. In dem Projekt stellen wir E. coli-Zellen her, die nur dann GoIR bilden, wenn die Bakterien Schadstoffe wie Tetrazykline oder Arsen detektieren. Ein Biofilm dieser Bakterien wird dann in einem Mehrschicht-ELM integriert. Wenn der Analyt den Biofilm erreicht, reduziert GoIR einen Gold-Komplex und bildet Nanopartikel mit starker Oberflächenplasmonenresonanz im Bakterium. Durch gezielt eingestellte Entmischung und Agglomeration der Partikel erreichen wir die Bildung resonanter plasmonischer Überstrukturen, welche die optische Dichte des bakteriellen Mikrofilms drastisch erhöhen. Damit wird die Emission eines photolumineszenten Films beim Auslesen moduliert und ein starkes PL-Signal erzeugt, das von der Konzentration des detektierten Analyten abhängt. Durch ratiometrische Auswertung der Emission bei zwei Wellenlängen können wir so die Gegenwart des Analyten schnell und aus Entfernung ermitteln. Der im Projekt verfolgte Ansatz ist modular, weil die für die Detektion verantwortlichen genetischen Schaltkreise unabhängig vom optischen System ausgetauscht werden können. Die Ergebnisse schaffen nicht nur einen Hybrid aus Bio- und plasmonischem Sensor. Sie lassen sich in anderen Projekten des SPP einsetzen, um den Zustand anderer ELM anzuzeigen.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 769 |
| Land | 21 |
| Weitere | 6 |
| Wirtschaft | 1 |
| Wissenschaft | 254 |
| Zivilgesellschaft | 23 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 727 |
| Gesetzestext | 3 |
| Text | 49 |
| unbekannt | 3 |
| License | Count |
|---|---|
| Geschlossen | 53 |
| Offen | 729 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 636 |
| Englisch | 250 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Bild | 2 |
| Dokument | 32 |
| Keine | 313 |
| Webseite | 450 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 476 |
| Lebewesen und Lebensräume | 535 |
| Luft | 782 |
| Mensch und Umwelt | 779 |
| Wasser | 425 |
| Weitere | 782 |