In jüngerer Zeit wurden mehrfach polare Metaboliten von Herbiziden in Gewässern nachgewiesen. Es wird vermutet, dass insbesondere die gefundenen Sulfonsäurederivate aus primär gebildeten Glutathion- bzw. Cysteinkonjugaten entstanden. Obwohl Konjugationsreaktionen hauptsächlich von Pflanzen her bekannt sind, wurden sie nun auch in Bodenmikroorganismen gefunden bzw. als vermittelt über Exo-Enzyme bzw. abiotische Katalysatoren beschrieben. Das Forschungsvorhaben umfasst Arbeiten an zwei Orten. Ziel des ersten Forschungsaufenthaltes ist es, den Einfluss der Pflanze auf die o.g. Vorgänge in einem Gefäßversuch mit radioaktiv markiertem Wirkstoff (Atrazin und Terbuthylazin) näher zu prüfen und die dabei erhaltenen Exsudate und Extrakte zu fraktionieren. An diesem Ort kann jedoch nur die Identifizierung bekannter Metaboliten und Konjugate mit der hier etablierten Radio-HPLC-Methode durchgeführt werden. An der zweiten Station soll dann eine spurenanalytische Methode für den Nachweis von Sulfonsäurederivaten der Triazine mittels LC/MS nach Festphasenextraktion (SPE) erarbeitet werden. Sie wird angewendet auf Proben aus dem Modellversuch der ersten Station und aus verschiedenen Gewässern.
Erfassung organischer Spurenstoffe in Fließgewässern.
Erfassung organischer Spurenstoffe in Fließgewässern.
Erfassung organischer Spurenstoffe in Fließgewässern.
Ziel des Projektes war es die wenigen bisher vorhandenen Daten bzgl. räumlicher und zeitlicher Trends der Biozid-Belastung von Schwebstoffen aus größeren deutschen Flüssen um weitere Standorte, Jahre und Substanzen zu erweitern. Dafür wurden sowohl ausgewählte Biozide quantitativ bestimmt, als auch weitere priorisierte Biozide durch den Einsatz einer Screeningmethode auf deren Vorkommen überprüft. Um ein möglichst detailliertes Bild über die Belastungssituation zu erhalten, wurden verschiedene urban geprägte Standorte retrospektiv über einen Zeitraum der vergangenen letzten 7-8 Jahre untersucht. Insgesamt wurden 16 der 23 untersuchten bioziden Wirkstoffe nachgewiesen, wobei 10 Verbindungen in sämtlichen Proben gefunden wurden. Dies verdeutlich die ubiquitäre Belastung von Schwebstoff mit Bioziden. Die höchsten Konzentrationen wurden für quartäre Ammoniumverbindungen (in Summe über die analysierten QAV bis zu 8,7 µg/g) und Methyltriclosan (bis zu 280 ng/g), ein Transformationsprodukt des Bakterizids Triclosan, gefunden. Wo hingegen sich die Azole und Triazine im Median in Konzentrationsbereichen von 0,1 - 2,4 ng/g bewegten. Aus der Klasse der Pyrethroide konnte Permethrin an mehreren Standorten nachgewiesen werden. Die Konzentrationen der anderen Pyrethroide lagen größtenteils unterhalb der Bestimmungs- bzw. Nachweisgrenzen. Die Betrachtung der Konzentrationsentwicklung über die Jahre und Probenahmeflächen ergab zumeist keine eindeutigen Trends. Die für mehrere Wirkstoffe in den letzten Jahren in Kraft getretenen Beschränkungen und Verbote hatten bisher noch keinen nachweisbaren positiven Effekt auf die Schwebstoffbelastungen. Es wurden deutliche Unterschiede in der räumlichen Verteilung festgestellt, die allerdings teilweise auch durch zeitlich begrenzte Änderungen im Verbrauch überlagert wurden. So zeigten Propiconazol und Tebuconazol für den Standort Dessau im Jahr 2015 und Terbutryn am Standort Rehlingen für die Jahre 2013, 2017 und 2019 stark erhöhte Werte. Dies deutet auf relativ hohe zeitliche und örtliche Variabilität der Einträge hin. Dadurch wird die Identifizierung signifikanter langfristiger Konzentrationsentwicklungen erschwert. Die Untersuchungen zeigen, dass für Biozide für eine zuverlässige Einschätzung der Wirksamkeit von Zulassungsbeschränkungen und Verboten auch zukünftig die Einbeziehung von verschiedenen Standorten und eine mehrjährige kontinuierliche Analyse von Zeitreihen entscheidend sind. Überschreitungen der Predicted No Effect Concentration (PNEC) gab es für Permethrin. Für dieses Pyrethroid wurden Konzentrationen bis zu sechsmal so hoch wie die PNEC gefunden. Dies zeigt die Relevanz dieser Stoffklasse für das Schwebstoffmonitoring trotz einer geringen Detektionsrate. Allerdings lag die Nachweisgrenze beispielsweise für Transfluthrin mit 1,5 ng/g nahe der PNEC von 1,64 ng/g. Deshalb ist für eine zuverlässige Risikoabschätzung von besonderer Bedeutung, dass für diese Stoffgruppe die Analytik weiter optimiert und die Bestimmungrenzen gesenkt werden.
1. Vorhabenziel Lithium-Schwefel-Batterien zeichnen sich durch hohe gravimetrische Energiedichten und geringe Materialkosten im Vergleich zu Li-Ionen-Batterien aus, weisen jedoch bisher nur eine geringe Lebensdauer der Zellen auf. Aktuelle Li-S-Prototyp-Zellen erreichen eine Energiedichte von 350 Wh/kg, degradieren aber innerhalb der ersten 50 Lade-/Entladezyklen deutlich und sind daher bisher untauglich für den Einsatz in der Elektromobilität. Die Hauptursache für diese Degradation ist die Bildung von Polysulfiden bzw. deren Diffusion aus der leitfähigen Kohlenstoffmatrix zur Anode, mit welcher ungewünschte Nebenprodukte entstehen. Ziel dieses Vorhabens ist es, diese Diffusion deutlich zu minimieren, indem innovative leitfähige, stickstoffdotierte Materialien eingesetzt werden, da sie eine besondere Affinität zu Polysulfiden besitzen. 2. Arbeitsplan In diesem Vorhaben werden Vertreter dreier Substanzklassen synthetisiert, charakterisiert, mit Schwefel infiltriert, als Elektrodenmaterial skalierbar lösungsmittelfrei verarbeitet und vs. Lithium elektrochemisch getestet. Die Elektroden werden zudem mikroskopisch und spektroskopisch untersucht. Durch den objektiven Vergleich dieser Materialklassen und die komplementären Expertisen vier verschiedener Forschungsinstitute ist es möglich, fundierte Aussagen über die elektrochemischen Mechanismen zu treffen. Damit werden Nebenreaktionen, die bisher den kommerziellen Erfolg der Lithium-Schwefel-Batterie verhindern, minimiert. Zudem werden die Kenntnisse zu den Struktur-Eigenschaftsbeziehungen genutzt, um die Elektrolytmenge zu minimieren.
Lithium-Schwefel-Batterien zeichnen sich durch hohe gravimetrische Energiedichten und geringe Materialkosten im Vergleich zu Li-Ionen-Batterien aus, weisen jedoch bisher nur eine geringe Lebensdauer der Zellen auf. Aktuelle Li-S-Prototyp-Zellen erreichen eine Energiedichte von 350 Wh/kg, degradieren aber innerhalb der ersten 50 Lade-/Entladezyklen deutlich und sind daher bisher untauglich für den Einsatz in der Elektromobilität. Die Hauptursache für diese Degradation ist die Bildung von Polysulfiden bzw. deren Diffusion aus der leitfähigen Kohlenstoffmatrix zur Anode, mit welcher ungewünschte Nebenprodukte entstehen. Ziel dieses Vorhabens ist es, diese Diffusion deutlich zu minimieren, indem innovative leitfähige, stickstoffdotierte Materialien eingesetzt werden, da sie eine besondere Affinität zu Polysulfiden besitzen. In diesem Vorhaben werden Vertreter dreier Substanzklassen synthetisiert, charakterisiert, mit Schwefel infiltriert, als Elektrodenmaterial skalierbar lösungsmittelfrei verarbeitet und vs. Lithium elektrochemisch getestet. Die Elektroden werden zudem mikroskopisch und spektroskopisch untersucht. Durch den objektiven Vergleich dieser Materialklassen und die komplementären Expertisen vier verschiedener Forschungsinstitute ist es möglich, fundierte Aussagen über die elektrochemischen Mechanismen zu treffen. Damit werden Nebenreaktionen, die bisher den kommerziellen Erfolg der Lithium-Schwefel-Batterie verhindern, minimiert. Zudem werden die Kenntnisse zu den Struktur-Eigenschaftsbeziehungen genutzt, um die Elektrolytmenge zu minimieren.
Im Zentrum dieses Teilvorhabens steht die Synthese stickstoffhaltiger poröser Polymere und deren Optimierung als Kathoden-Materialien in Lithium-Schwefelbatterien. Zu den angestrebten Materialien gehören drei eng verwandte Materialklassen: Kovalente organische Netzwerke (Covalent Organic Frameworks, COFs), kovalente Triazin-Netzwerke (Covalent Triazine Frameworks, CTFs) und amorphe poröse organische Polymere (POPs). Ziel ist die Optimierung der Schwefeladsorption und damit -Retention in der Kathodenmatrix durch Kontrolle des Stickstoffgehaltes, Art der Stickstoff-Funktionalität und der Porosität sowie Kristallinität und Leitfähigkeit der Polymere. Außerdem sollen mechanistische Einblicke in die Schwefeladsorption auf molekularer Ebene gewonnen und für die rationale Synthese verbesserter Li-S-Kathodenmaterialien mit hoher Zyklenstabilität genutzt werden. AP 1: Materialsynthese Für den Einsatz als leitfähige Matrix in den Schwefelkathoden werden ausgewählte stickstoffhaltige poröse Polymere synthetisiert und charakterisiert. In AP 1.1 wird die Porosität, der Stickstoffgehalt, die Kristallinität sowie die Polysulfidaffinität kristalliner COFs und amorpher POPs durch die Synthese entsprechender Bausteine gezielt eingestellt. In AP 1.2 werden robuste und temperaturstabile CTFs hergestellt, deren lokale Struktur, Porosität und Carbonisierungsgrad durch die Syntheseparameter gezielt variiert werden. AP 4: Materialcharakterisierung Durch die Kombination unterschiedlicher festkörperanalytischer Methoden wird die Polysulfidaffinität der synthetisierten Materialien evaluiert und der Mechanismus der Schwefeladsorption und -retention untersucht. Desweiteren sollen Degradationsmechanismen verstanden und damit unterbunden werden. Hierzu soll die Struktur und Morphologie der Materialien durch spektroskopische (XPS, Festkörper-NMR, IR- und Raman-Spektroskopie) und mikroskopische (TEM, REM) Methoden analysiert werden.
Neben dem Metabolimus klinisch relevanter Pharmaka wie Midazolam, Diazepam und Flumazenil (1, 2, 11, 15) wurde insbesondere der Metabolismus von umweltrelevanten chemischen Verbindungen (Herbizide aus der Gruppe der Atrazine) untersucht, deren Interaktionen mit dem menschlichen und tierischen Organismus nicht oder nur unvollstaendig bekannt sind (9-11, 13, 15, 17). Aus der Bestimmung der enzymatischen Kenngroessen koennen Interaktionen mit anderen Pharmaka bestimmt werden. Diese Kenngroessen wurden auch fuer die Triazinverbindungen Atrazin, Terbutylazin, Ametryn und Terbutryn, die als Herbizide eingesetzt werden und ueber das Trinkwasser in den Organismus gelangen koennen, bestimmt. Mit den am Institut etablierten Methoden der in vitro Umsetzungen koerperfremder Stoffe am isolierten Enzymsystem des Cytochrom P450 und anschliessender chromatografischer Analytik (4, 7, 11, 13) konnten die Stoffwechselwege der Triazinverbindungen identifiziert und spezifischen Enzymen zugeordnet werden (4, 6, 7, 8-10, 13), was auch fuer mehrere stereoselektive Reaktionen gelang. Erstmals wurde das normalerweise instabile Zwischenprodukt einer N-Deethylierungsreaktion, der a-Aminoalkohol, isoliert , welcher durch den vorliegenden Elektronenmangelaromaten des Triazinrings erklaert wird.
In der neuen Trinkwasserverordnung 2001sind in Anlage 2 zu Paragraph 6 Abs. 1 'Chemische Parameter' Teil 1 unter Nr. 10 Pflanzenschutzmittel und Biozidprodukte mit einem Grenzwert von 0,0001 mg/L aufgeführt. Es wird in der Spalte 'Bemerkungen' darauf hingewiesen, dass auch die 'relevanten Metaboliten, Abbau- und Reaktionsprodukte' zu überwachen sind. Hierzu nimmt das Bundesinstitut für gesundheitlichen Verbraucherschutz und Veterinärmedizin ((BGVV), heute Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR)) in einem Schreiben aus dem Jahr 2000 zusammenfassend wie folgt Stellung:'Die vorliegenden toxikologischen Daten zeigen, dass bei - Hydroxytriazinmetaboliten und den hydroxylierten Triazin-Desalkylierungsprodukten von einem gegenüber ihren Ausgangssubstanzen Atrazin, Propazin und Simazin geringeren oder gleichartigen Toxizitätspotential ausgegangen werden kann. Bei der Überprüfung der Trinkwassergrenzwerte sollten daher die in Rede stehenden Metaboliten mit berücksichtigt werden. - Aus Gründen des vorsorgenden Verbraucherschutzes wird empfohlen, die Toxitität der Hydroxytriazinmetaboliten und der Ausgangssubstanzen Atrazin, Propazin und Simazin gleichzusetzen. Bedingt durch methodische Probleme gibt es bisher nur wenige Untersuchungsdaten über das Vorkommen der o.g. Hydroxymetaboliten. Dennoch kann festgehalten werden, dass diese Schadstoffe in markanten Konzentrationen in vielen Wässern vorkommen, dabei aber keine Korrelationen zwischen den Konzentrationen der einzelnen Verbindungen zu erkennen sind. Aufgrund der Vorgaben der TrinkwV 2001 und der oben zitierten toxikologischen Beurteilung sowie dem zu erwartenden Vorkommen der Hydroxytriazinmetaboliten in der aquatischen Umwelt sind für eine Vielzahl von Wasserversorgungsunternehmen eigene und zeitnahe Untersuchungsergebnisse über die Belastung der Rohwässer mit den in Rede stehenden wasserwerksrelevanten und möglicherweise sogar trinkwasserrelevanten Abbauprodukten Hydroxyatrazin und Hydroxydesethylatrazin sowie mit weiteren hydroxylierten Triazinverbindungen von großer Bedeutung, da zur Minimierung dieser Schadstoffe im Trinkwasser die Aufbereitung der Rohwässer im Sinne der Vorgaben der TrinkwV durch Einsatz von Aktivkohle optimal gesteuert werden muss. Im Rahmen des Forschungsvorhabens sollen zunächst umfassende Kenntnisse über das Vorkommen der in Rede stehenden Substanzen in Grund-, Quell- und Oberflächenwässern gewonnen werden. Weiterhin ist vorgesehen, das Verhalten der Hydroxytriazine sowie der hydroxylierten Metaboliten bei der Wasseraufbereitung (oxidativer Abbau, adsorptive Rückhaltung etc.) zu untersuchen. Hierzu stehen der Landeswasserversorgung in den Wasserwerken in Langenau und in Dischingen (Egau-WW) die wichtigsten Aufbereitungsstufen zur Verfügung. ...
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 41 |
| Europa | 2 |
| Land | 7 |
| Wissenschaft | 22 |
| Zivilgesellschaft | 2 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 41 |
| unbekannt | 3 |
| License | Count |
|---|---|
| Offen | 41 |
| Unbekannt | 3 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 42 |
| Englisch | 3 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Keine | 39 |
| Webseite | 5 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 30 |
| Lebewesen und Lebensräume | 39 |
| Luft | 26 |
| Mensch und Umwelt | 44 |
| Wasser | 35 |
| Weitere | 44 |