Ziel des Forschungsvorhabens ist die moeglichst nicht zu einem hoeheren Verbrauch fuehrende, signifikante Verminderung der Emission von Schadstoffen (Einschliesslich der von toxisch bewerteten 'particulate matter') durch Anwendung von Massnahmen, die den Brennverlauf und den Reaktionsmechanismus der Verbrennung beeinflussen. Als Versuchstraeger steht ein direkteinspritzender, wassergekuehlter Vierzylinder-M-Dieselmotor zur Verfuegung, der es vor allem gestattet, durch besondere Einrichtungen heisse Abgase rueckzufuehren, die Ansaugluft vorzuwaermen (Abgaswaermetauscher) und den Ansaugluftstrom zu drosseln. Es konnten bereits bei betriebswarmem und ganz besonders bei nicht betriebswarmem Motor sowohl die sehr positiven Einzelwirkungen der obengenannten Massnahmen - insbesondere der heissen Abgasrueckfuehrung - als auch deren Wirkung auf das Emissionsverhalten bei gleichzeitiger Anwendung aufgeklaert u. die Regelgesetze f. eine minimale Gesamttoxizitaet der Schadstoffemission, die aus lufthygienisch begruendeten Emissionsgrenzwerten der Einzelschadstoffe (Stickoxide, Gesamtkohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid u. Russ) ermittelt wurde, gefunden werden. Gegenwaertig steht die Einflussnahme der Abgasentgiftungsmassnahmen auf die in den Vordergrund gerueckte, problematische 'particulate matter'-Emission, die im unteren Lastbereich nicht der Russemission, sondern im wesentl. der Emission hochmolekularer, sehr toxischer Kohlenwasserstoffe entspricht, im Mittelpunkt der Untersuchungen. Hierbei soll auch in interdisziplinaerer Zusammenarbeit mit kompetenten Instituten die Toxizitaet d. 'particulate matter' erforscht werden.
Modellversuche zur Karzinogenese; 3,4 Benzpyren zerstoert Proteine in Gegenwart von Sauerstoff und Licht; angegriffene Gruppe ist Tryptophan; Ziel: Aufklaerung des Reaktionsmechanismus und Auffindung von Schutzmassnahmen; 3,4 Benzpyren ist Bestandteil von Abwaessern und Abgasen.
Das Ziel des hier in einem Paketantrag vorgeschlagenen Forschungsvorhabens besteht in der Entwicklung eines mathematischen Basismodells für die Pyrolyse von Abfällen, das in Verbindung mit den jeweiligen Reaktormodellen für die Beschreibung der Pyrolyse in einer Wirbelschicht und in einem Drehrohr geeignet ist. Dabei entspricht die Wirbelschicht als Reaktormodell einem oder wenigen Rührkesselelementen. Die Hintereinanderschaltung mehrerer dieser Elemente führt zum Kolbenströmermodell für das Drehrohr. Das bisher in Wirbelschichtreaktoren gesammelte, umfangreiche Datenmaterial zur Pyrolyse von homogenen Abfällen soll zunächst in einem detaillierten, mechanistischen Reaktionsmodell mit einem bereits erprobten Wirbelschichtmodell kombiniert werden. Dieses sehr detaillierte Modell liefert grundsätzliche Erkenntnisse zur Bedeutung einzelner Transport- und Reaktionsmechanismen für vergleichsweise homogene Abfallstoffe (z.B. Polymermischungen). Für komplex zusammengesetzte Abfälle, wie z.B. Schredderleichtfraktion, müssen vor dem Hintergrund fehlender Basisdaten bzgl. stoffspezifischer Eigenschaften und Daten zum Transport- oder Mischungsverhalten jedoch entsprechend vereinfachte Summenparameter u.a. mit Thermowagenuntersuchungen im Labor- und Technikummaßstab ermittelt werden. Das auf diese Weise gewonnene vereinfachte Basismodell für komplex zusammengesetzte Abfälle dient dann als Grundlage für das weiter zu entwickelnde Gesamtmodell für das Drehrohr.
Die Anwendung gasfoermiger Pestizide bringt es mit sich, dass Reste der toxischen Gase in die Troposphaere gelangen. Um entscheiden zu koennen, ob dort eine Anreicherung der Gase erfolgt, sind die chemischen Abbaumechanismen zu erforschen und kinetisch-quantitativ zu bestimmen. Als wesentlichste Abbaureaktion kann die Umsetzung mit OH-Radikalen angesehen werden. Es werden daher primaer die Reaktionen von OH-Radikalen mit HCN, CH3Br, C2H4O sowie PH3 und deren Homologe zu vermessen sein.
Langsame Diffusionsprozesse von Schadstoffen in geringdurchlässigen wasser-gesättigten Gesteinen sind ein wesentlicher Grund für den beschränkten Erfolg vieler Untergrundsanierungen. Zu den immer noch wichtigsten Schadstoffen im Grundwasser zählen die chlorierten Lösemittel, die trotz jahrzehntelanger Sanierungsanstrengungen inzwischen lange Fahnen im urbanen Raum ausbilden. Eine langsame Diffusion bedingt aber auch lange Aufenthaltszeiten in der Gesteinsmatrix und damit können langsame abiotische Abbaumechanismen zum Tragen kommen, die auf Fe2+-haltige Mineralien wie z.B. Eisensulfide, Magnetit oder Phyllosilikate zurückgehen, und bei der Einschätzung des natürlichen Abbaupotentials berücksichtigt werden sollten. Ziel dieses Vorhabens ist es daher, die Transformation von Tri- und Perchlorethen während der Diffusion in Gesteinsproben geklüfteter Aquifere und Aquitarde zu quantifizieren. Weil die Reaktionsraten der Ausgangssubstanzen sehr wahrscheinlich zu klein sind, um im Labor gemessen werden zu können, liegt der Fokus auf der Bestimmung von Transformations- und Abbauprodukten (bspw. teil-chlorierte Ethene, Azetylen, Ethan). Die Experimente zur reaktiven Diffusion müssen mit intakten Gesteinsproben durchgeführt werden, da beim Zerkleinern reaktive Mineralober-flächen (z.B. bei Quarz und Pyrit) entstehen könnten, die zur Dehalogenierung der Ausgangssubstanzen führen könnten. Im Unterschied zu früheren Studien sollen hier die für die Reaktivität verantwortlichen spezifischen Minerale in der Gesteins-matrix identifiziert werden. Die Ergebnisse sind nicht nur für das Langzeitverhalten von chlorierten Lösemitteln im Grundwasser, sondern generell auch für die Endlagerung von radioaktiven Abfällen oder die chemische Verwitterung (Oxidation) von reduzierten Gesteinen relevant.
Sprengstoffe, v.a. TNT und Hexogen (RDX), sind als Kontaminationen in den Boden eingetragen worden und gelangen aufgrund ihrer geringen Wasserlöslichkeit langsam in das Grundwasser. Aufgrund ihrer Umwetlttoxizität ist eine Sanierung kontaminierter Standorte nötig. Bisherige Untersuchungen zum Abbau dieser Xenobiotika haben sich auf die oxidativen Enzyme von Pilzen aus fremden Habitaten (v.a. Weißfäule-Pilzen) konzentriert. Unter Ansatz basiert hingegen auf der Charakterisierung des Abbau-Potentials der nativen Bodenmycota. TNT wird durch Nitratreduktase-Aktivität reduziert und in die Humus-Schicht eingebunden, während das instabile heterozyklische RDX-Moleküle durch Reduktion gespalten und somit mineralisiert wird. TNT-Reduktion und RDX-Abbau werden durch eine große Diversität an bodenbewohnenden Pilzen durchgeführt, v.a. Zygomyceten (Cuninghamella, Absidia) und imperfekte Stadien von Ascomyceten (Penicillium, Trichoderma). Unsere derzeitigen Studien befassen sich mit der Einbringung der RDX-Fragmente in den pilzlichen Sekundärmetabolismus.
Polymere stellen eine sehr umfangreiche Gruppe chemischer Verbindungen dar, die verschiedenen Stoffklassen angehoeren. Sie kommen in aussergewoehnlich grossen Mengen in unserer Biosphaere vor. Es handelt sich dabei um Substanzen, die aus solchen Molekuelen aufgebaut sind, in denen eine Art oder mehrere Arten von Atomen oder Atomgruppierungen wiederholt aneinandergereiht sind. Polymere sind auch Hauptbestandteil der Kunststoffe. Hierbei handelt es sich um Materialien, deren wesentliche Bestandteile aus makromolekularen organischen Verbindungen bestehen, die synthetisch oder durch Abwandeln von Naturprodukten oder durch biotechnologische Produktion entstehen. Der Abbau von Polymeren in Kunststoffen sowie von natuerlichen und synthetischen Kautschuken durch Bakterien und Pilze ist auf biochemischer und molekularer Ebene bisher wenig erforscht worden. Ein Verstaendnis der ablaufenden Vorgaenge koennte dazu beitragen, biotechnologische Verfahren zu entwickeln, solche polymeren Werkstoffe und Verpackungsmaterialien zu entsorgen oder in wiederverwertbare Substanzen zu ueberfuehren. Fuer wasserloesliche, technisch relevante Polymere ist die Kenntnis und ein Verstaendnis des Abbaus besonders wichtig, weil diese meist nicht rezyklisiert oder deponiert werden koennen. Darueber hinaus tragen Kenntnisse ueber die biologischen Abbaumechanismen dazu bei, polymere Materialien zu entwickeln, die gegenueber einem Abbau inert sind und die fuer besonders langlebige Anwendungen geeignet sind. Die am Abbau von aus Biosynthesen hervorgegangenen Polyamide, Poly(aepfelsaeure) und Naturkautschuk beteiligten Proteine sollen charakterisiert und deren Strukturgene kloniert werden. Daneben zielen Untersuchungen auch auf die Aufklaerung des mikrobiellen Abbaus synthetischer Polymere wie zB Polyethylenglykol, Polyvinylalkohol oder Polyacrylsaeure sowie synthetischer Kautschuk ab.
Organische Spurenverunreinigungen und insbesondere deren Wirkungen rücken immer mehr in den Focus der Forschung. Rückstände von Pestiziden und Pharmaka werden inzwischen in allen Umweltkompartimenten bis hin zu Nahrungsmitteln, Trinkwasser und auch in menschlichen Geweben gefunden. Die Wirkungen solcher Stoffe sind jedoch bisher nur sehr wenig untersucht. Wirkungen werden auf Ökosystemebene, vor allem bei Wasserorganismen, aber auch bereits auf der Ebene von Vertebraten- und humanen Zellen gefunden. Besonders Besorgnis erregend ist die Feststellung synergistischer Effekte von Stoffen, die einzeln in Konzentrationen deutlich unterhalb der Wirkschwelle vorliegen. Die neu gegründete Fakultät 2 der BTU hat sich deshalb die Erforschung von Umweltverhalten und gesundheitlicher Auswirkungen solcher Verbindungen zum Ziel gesetzt. Ein besonderes Problem bei der Betrachtung von Wirkungen der Spurenstoffe stellen Metabolite und Abbauprodukte dieser Substanzen dar. Von zahlreichen Verbindungen ist das Verhalten in der Umwelt bisher kaum bekannt. Dies liegt häufig auch daran, dass bisher geeignete Analyseverfahren für die Verfolgung von Abbaumechanismen im Spurenbereich fehlen. Der LS 'Biotechnologie der Wasseraufbereitung' beschäftigt sich beispielsweise mit dem Umweltverhalten phosphororganischer Verbindungen. Der gegenwärtig bekannteste Vertreter dieser Stoffgruppe ist das Totalherbizid Glyphosat. Obwohl diese Verbindungen in großen Mengen nicht nur in der Landwirtschaft, sondern auch in der Industrie und vor allem im Haushalt verwendet werden, ist über das Umweltverhalten und vor allem über den Abbau der meisten Substanzen nur sehr wenig bekannt. Dies liegt u.a. an der äußert komplizierten Analytik, die bisher nur über LC/MS/MS oder LC/ICP-MS gelingt und nur von sehr wenigen Laboren in Deutschland beherrscht wird. Die Identifikation vieler Metaboliten scheitert bisher am Fehlen geeigneter Gerätetechnik und Methoden. Das beantragte LC/MS-IT-TOF-Gerät vereinigt erstmals die gute Empfindlichkeit des Ion-Trap mit der Massengenauigkeit der Time-Flow-Technik. Dieses Gerät besitzt somit die besten Voraussetzungen für die Identifikation von Substanzen im Spurenbereich und stellt eine wichtige Ergänzung von bereits vorhandenen Techniken wie GC/MS, LC/MS und NMR, sowie hoch effizienter Methoden und Verfahren zur Anreicherung von organischen Verbindungen dar. Es wird erwartet, dass mit Hilfe der neuen Technik völlig neue Einblicke in Umweltverhalten und Wirkungen von solchen Spurenstoffen gewonnen werden können, die bisher nicht oder nur unzureichend analysiert werden können. Mit der neuen Geräteausstattung werden dabei auch die Umwelt- und Gesundheitsforschung weiter verknüpft.
In diesem Vorhaben soll ein mathematisches Modell entwickelt werden, das die wichtigsten interagierenden Prozesse nachbildet. Dabei handelt es sich um die konkurrierenden Prozesse der Detritusdegradierung in den verschiedenen Schichten des Sedimentes mit unterschiedlichen Oxidationspotentialen, um die abiotischen und mikrobiologisch ablaufenden Redoxprozesse, um die physikalischen und biologisch induzierten Transportprozesse und um das microbial foodweb . Die Kreisläufe der Elemente C, 0, N, P, Si, S, Fe und Mn sollen mit ihren Massenbilanzen dargestellt werden. Das Modell besteht aus einer Reihe von partiellen Differentialgleichungen (Diffusions-Reaktionsgleichungen) für die Konzentrationen der beteiligten Stoffkomponenten. Dabei werden wir uns auf die vertikale Dimension (bis 30 cm) beschränken. Als Antrieb werden Annahmen über die zeitlich veränderlichen Oberflächenrandbedingungen (Konzentrationen im überstehenden Wasser, Eintrag durch Sedimentation usw.) benutzt. Die Arbeit synthetisiert frühere und gegenwärtig laufende Forschungsaktivitäten zu einem Gesamtbild. Es ist zu erwarten, dass dabei durchaus erhebliche Fortschritte im Verständnis auch der Einzelprozess erreicht werden, weil der Zwang zur konzeptionellen Klarheit in einem mathematischen Modell Wissenslücken und Konsistenzprobleme aufdeckt. Ein wesentliches Nebenprodukt wird die Erarbeitung einer Modellversion herausragend gut verständlicher graphischer Darstellung der Ergebnisse und einfachster Bedienung sein.
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