Der Melvillesee ist ein Fjordsee, der sich in der letzten Eiszeit am Rande des hochdynamischen Laurentidischen Eisschildes (LIS) befand. Die obersten 10 m der insgesamt ca. 300-400 m Seesedimente haben die postglaziale Geschichte der letzten 10000 Jahre aufgezeichnet. In diesem dicken Sedimentpaket dürfte der See die Klimageschichte bis weit zurück vor das letzte Glazial gespeichert haben und würde sich daher als exzellentes Klimaarchiv anbieten. Um diesen Sachverhalt zu klären, wurde im Sommer 2019 eine Expedition mit dem FS Maria S. Merian (MSM84) unternommen. Während dieser Expedition wurden Sedimentkerne gezogen sowie ein dichtes Netz von hydroakustischen Messungen durchgeführt. Anhang der Sedimentkerne und der Sedimentecholot-Daten kann man fünf verschiedene Schichten im Untergrund des Sees erkennen: (I) post-glaziale Sedimente; (II) Sedimente aus der Zeit des Eisrückzuges; (III) Sedimente, die mit großer Wahrscheinlichkeit in einem subglazialen See unterhalb des aufschwimmenden LIS abgelagert wurden. Darunter finden sich (IV) wiederum schön geschichtete Sedimente, die aus einem früheren eisfreien Zeitraum stammen dürften, vermutlich MIS5, MIS4 oder die erste Hälfte des MIS3. Als unterste Schichte ist das Grundgestein (V) zu erkennen. Unsere Sedimentkerne enthalten Sedimente aus I und II sowie aus dem obersten Bereich von III. Im Rahmen dieses Projektes schlagen wir vor, die post-glazialen Sedimente sowie diejenige vom Rückzug des LIS genauer zu untersuchen, um daran Paläoklimaschwankungen sowie die Rückzugsgeschichte des LIS zu rekonstruieren. In einem zweiten Schritt möchten wir auch die Sedimente analysieren, die vom subglazialen See zu stammen, um diesen besser zu charakterisieren und um zu testen, ob auch diese Sedimente Klimaschwankungen aufgezeichnet haben. Um diese Fragen zu beantworten, werden wir die Sedimentkerne zuerst mit zerstörungsfreien Methoden wie CT-Scanning, Multisensor-Core-Logging und XRF-Scanning untersuchen. Danach werden ausgewählte Kernabschnitte beprobt. Mit Hilfe von Radiokarbondatierungen und paläomagnetischen Messungen werden wir ein Altersmodell erstellen können. Mit einer Kombination der zerstörungsfreien Messungen mit Einzelprobenmessungen (TIC, TOC, Korngröße, XRD, WD-XRF) werden wir die in den Kernen enthaltene paläoklimatologische Information entschlüsseln. Hierbei werden wir einen Schwerpunkt auf die Entwicklung von Proxies legen, die geeignet sind, die vergangenen Vorstöße und Rückzüge des LIS zu rekonstruieren. Falls wir zeigen können, dass die Sedimente des Melvillesees tatsächlich ein Archiv für Klimageschichte auch jenseits des Holozäns sind, dann empfiehlt sich der See als ein Hauptziel einer zukünftigen amphibischen Tiefbohrung von IODP und ICDP. Diese würde mit dem Ziel abgeteuft, die Dynamik des LIS zu rekonstruieren.
We propose to use positron emission tomography (PET) for imaging of tracer migration in a soil horizon, to be coupled with image simulation using the lattice Boltzmann equation (LBE) modeling approach. PET enables direct visualization of inert KF or KBr solute migration at the soil horizon scale, but also reactive halogenated organic target (2,4-D and MCPA) compound migration down to nM concentrations once radiolabelling with 18F or 76Br marker is achieved. Retardation at biogeochemical interfaces with different sorption properties will thus be imaged in-situ. Theoretical image simulation for process verification will be enabled by introducing a multi-grid approach and additional kinetic boundary conditions in the parallelized LBE solver. As a boundary condition for the latter, the real pore scale and distribution of biogeochemical interfaces will be derived by X-ray computer-tomography (XCT) down to 300 nm spatial voxel resolution. The aim is to produce by both approaches velocity field movies due to heterogeneous biogeochemical retardation of the target compounds with high resolution in both the spatial and temporal scale (4D).
Veranlassung
Es fehlen schnelle und vor allem feldtaugliche Methoden zur Detektion von PFAS in der Umwelt, um so zeitnah Maßnahmen zur Minderung von PFAS-Kontaminationen durchzuführen oder den Erfolg von Minderungsmaßnahmen zu beurteilen. Entsprechende Methoden können ebenso helfen, die Prozesssteuerung einer Abwasserbehandlung zur Entfernung von PFAS z. B. durch eine Aktivkohlebehandlung zu optimieren. Das Projekt PFASense hat sich zum Ziel gesetzt, eine solche Methode zu entwickeln. Hierzu werden Elektroden hergestellt, die a) entweder für eine spezifische Detektion perflourierter Verbindungen oberflächenmodifiziert sind und b) biologische Effekte, die durch perflourierte Verbindungen hervorgerufen werden können, mit mikrobiellen Bioreportern elektrochemisch erfassen. Mit den individuellen Signalen der einzelnen Elektroden wird eine KI trainiert und auf diese Weise ein Sensor-Array zur sensitiven Detektion der großen Stoffgruppe der perfluorierten Verbindungen in Umweltproben entwickelt.
Ziele
- a. Design und Herstellung von molekular geprägten Membranen zur Anreicherung spezifischer PFAS.
- b. Design und Herstellung elektrochemischer, bakterieller Biosensoren zur Detektion biologischer Effekte, die durch PFAS hervorgerufen werden.
- c. Design und Herstellung elektrochemischer, hefebasierter Biosensoren zur Detektion einer Veränderung der Thyroid-Signalkaskade durch PFAS.
- d. Design und Herstellung eines intelligenten elektrochemischen Sensors für die direkte chemische Detektion von PFAS mittels KI-gestützter Datenauswertung.
- e. Konstruktion eines mikrofluiden multi-Sensor-Arrays unter Nutzung der in a. bis d. entwickelten Komponenten.
- f. Validierung und Eignungstestung des entwickelten Sensor-Arrays mittels Einzelsubstanzen, Substanzmischungen sowie dotierten und undotierten Realproben mit einem Fokus auf industriellen Abwässern.
Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung einer innovativen technologischen Lösung für die folgende Fragestellung: Wie kann man zeitnah Informationen über die Qualität von z. B. Abwässern erhalten, ohne auf verzögert zur Verfügung stehende, analytische Informationen aus einem Labor angewiesen zu sein?
Dieser Bedarf an zeitnahen Informationen für eine Bewertung von Abwasser und Wasserproben kann perspektivisch mittels eines bio-elektrochemischen Sensorarrays gedeckt werden, der im Rahmen des Projekts für den Nachweis von Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) entwickelt wird. PFAS werden in zahlreichen Produkten verwendet, darunter wässrige filmbildende Schäume für die Brandbekämpfung, antihaftbeschichtetes Kochgeschirr, Lebensmittelverpackungen, wasserabweisende Stoffe, medizinische Geräte, Kunststoffe und Lederprodukte. PFAS werden jedoch mit verschiedenen, toxikologisch relevanten Effekten in Verbindung gebracht, wie mit veränderten Immun- und Schilddrüsenfunktionen, Leber- und Nierenerkrankungen, Lipid- und Insulinstörungen, Fortpflanzungs- und Entwicklungsstörungen oder auch der Krebsentstehung. Als unmittelbare Folge dieser Gesundheitsrisiken hat die Europäische Kommission einen Vorschlag zur Überarbeitung der Liste der prioritären Stoffe in Oberflächengewässern angenommen, unter denen 24 Verbindungen zur Gruppe der PFAS gehören.
Teilprojekt C05 hat zum Ziel, den wichtigen Eintragsweg für Kunststoffe, in Form von Mikroplastik, in die Umwelt aus technischen Anlagen (MP) mechanistisch aufzuklären. Gleichzeitig sollen neue Ansätze verfolgt werden, die zur Vermeidung bzw. Reduktion von MP aus Standardkunststoffen maßgeblich beitragen sollen. Zu diesem Zweck sollen Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Nylon, Polyethylenterephthalat, Polyisopren und Polyvinylchlorid durch Beschleuniger (in situ) in ihren Oberflächeneigenschaften für die Biofilmbildung modifiziert und dadurch unter Prozessbedingungen biologisch angreifbar und abbaubar gemacht werden. So können auch Standardkunststoffe umweltverträglicher bezüglich der MP-Partikel Bildung werden. Damit geht TP C05 weit über die bislang üblichen eher deskriptiven Studien zu MP in technischen Anlagen und der Umwelt hinaus. Folgende zentrale Fragen sollen in TP C05 in Hinblick MP-Partikel in technischen Anlagen der Abfall- und Abwasserwirtschaft beantwortet werden: 1. Kommt es in den Anlagen zu spezifischen (biologischen) Abbau- und Degradationsvorgängen? 2. Wie hängen die zu beobachtenden Prozesse von MP-Charakteristika (Materialsorte, Zusammensetzung, Größe, Morphologie, Beschichtung) ab, ? 3. Lassen sich die Vorgänge ('Bioabbaubarkeit') durch gezielte Modifikation der Partikeloberfläche vor oder in den Anlagen beschleunigen? 4. Welche ökologischen Konsequenzen einer Ausbringung der (modifizierten) Partikel in die Umwelt und hier vor allem in den Boden lassen sich postulieren?
In einer netzwerkfaehigen, benutzerfreundlichen, menuegesteuerten Datenbank, die auf einem Personalcomputer (Betriebssystem MS-DOS) lauffaehig ist, werden Informationen zu Betriebsschutz (Arbeitssicherheit), Umweltschutz (einschl Abfallentsorgung) sowie Transport, Lagerung und Erste Hilfe gespeichert. Insbesondere werden Stoffeigenschaften, Sicherheitsmassnahmen fuer den Umgang und gesetzlich vorgeschriebene Kennzeichnungen angegeben. Diese Angaben beziehen sich zum einen auf reine Chemikalien und zum anderen auf Versorgungsartikel (Produkte, Zubereitungen) der Bundeswehr (zB Reinigungsmittel, Klebstoffe, Lacke etc ). Die Liste der Gefahrstoffe ermoeglicht es jeder Dienststelle, Betriebsanweisungen nach Paragraph 20 der Gefahrstoffverordnung (GefStoffV) zu erstellen. Die GefStoffLBw enthaelt derzeit Daten zu ca 900 reinen Stoffen und ca 2000 Versorgungsartikeln.