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- levoglucosan (1)
- sediment (1)
As modern society progresses, waste treatment becomes a pressing issue. Not only are global waste amounts increasing, but there is also an unmet demand for sustainable materials (e.g. bioplastics). By identifying and developing processes, which efficiently treat waste while simultaneously generating sustainable materials, potentially both these issues might be alleviated. Following this line of thought, this dissertation focuses on procedures for treatment of the organic fraction of waste. Organic waste is a suitable starting material for microbial fermentation, where carbohydrates are converted to smaller molecules, such as ethanol, acetic acid, and lactic acid. Being the monomer of the thermoplastic poly-lactic acid, lactic acid is of particular interest with regard to bioplastics production and was selected as target compound for this dissertation. Organic waste acted as substrate for non-sterile batch and continuous fermentations. Fermentations were initiated with inoculum of Streptococcus sp. or with indigenous consortium alone. During batch mode, concentration, yield, and productivity reached maximum values of 50 g L−1, 63%, and 2.93 g L−1 h −1. During continuous operation at a dilution rate of 0.44 d−1, concentration and yield were increased to 69 g L−1 and 86%, respectively, while productivity was lowered to 1.27 g L−1 h −1 . To fully exploit the nutrients present in organic waste, phosphate recovery was analyzed using seashells as adsorbent. Furthermore, the pattern of the indigenous consortium was monitored. Evidently, a very efficient Enterococcus strain tended to dominate the indigenous consortium during fermentation. The isolation and cultivation of this consortium gave a very potent inoculum. In comparison to the non-inoculated fermentation of a different organic waste batch, addition of this inoculum lead to an improved fermentation performance. Lactic acid yield, concentration, and molar selectivity could be increased from 38% to 51%, 49 g L−1 to 65 g L−1, and 46% to 86%, respectively. Eventually, fermentation process data was used to perform techno-economic analysis proposing a waste treatment plant with different catchment area sizes ranging from 50,000 to 1,000,000 people. Economically profitable scenarios for both batch and continuous operation could be identified for a community with as few as 100,000 inhabitants. With the experimental data, as well as techno-economic calculations presented in this dissertation, a profound contribution to sustainable waste treatment and material production was made.
Fire plays an important role in the earth system by influencing ecosystems and climate, but climate in turn also influences fire. The system became more complex when humans started using fire as a tool. Understanding the interaction between humans, fire and climate is the major aim of paleofire research. Understanding changes in these three aspects in the past will help predicting future climate, fire and human interactions. The use of lake sediment cores as natural archives for reconstructing past fire activity by counting charcoal particles is well established. This present dissertation is dedicated to the evaluation and application of specific organic molecular markers for biomass burning: levoglucosan, mannosan and galactosan were used as proxies for reconstructing past fire activity in lake sediments thorough the entire Holocene. First, a new analytical method was developed using high-performance anion exchange chromatography combined with mass spectrometry to separate and detect these three monosaccharide anhydrides in lake sediments. The suitability of this analytical method was proven by comparing the levoglucosan, mannosan and galactosan results in selected lake sediment samples from Lake Kirkpatrick, New Zealand and by correlating the results with macroscopic charcoal. Furthermore, the method was successfully applied to a lake sediment core from Lake Petén Itzá, Guatemala to reconstruct regional Holocene fire history. The analyses of levoglucosan were combined with fecal sterols to reconstruct late Holocene human fire interactions at Lake Trasimeno, Italy, demonstrating low fire activity during the Roman period. This combination of studies proves that these molecular markers are valid fire proxies in sediments from multiple locations around the globe. Comparison of levoglucosan, mannosan and galactosan concentrations with macroscopic charcoal trends in Lake Kirkpatrick and Lake Petén Itzá, suggests that the molecular markers represent more regional fire history and low temperature fires in contrast to macroscopic charcoal, which is a local fire proxy. In addition, vegetation changes (Lake Kirkpatrick and Lake Petén Itzá) and charcoal morphotypes (Lake Petén Itzá) were compared to the levoglucosan/mannosan and levoglucosan/(mannosan+galactosan) ratios suggesting that these ratios may be a suitable tool to track burned fuel. Biodegradation tests demonstrate the potential degradation of levoglucosan, mannosan and galactosan if dissolved in water, but findings in ancient sediment samples suggest that particle-bound levoglucosan, mannosan and galactosan can be buried in sediments over millennial time scales. Although uncertainties still exist, the results of this research suggests that organic molecular markers are a suitable regional fire proxy and isomer ratios may help understand changes in burned vegetation.
Pestizide werden als Pflanzenschutzmittel im landwirtschaftlichen Bereich und als Biozi-de z. B. in der Industrie, in Haushalten und Kommunen eingesetzt. Bereits auf den behandel-ten Flächen (z. B. auf Äckern oder Hausfassaden) und in den angrenzenden Gewässern kön-nen Pestizide Abbauprozessen durch u. a. Photolyse unterliegen. Diese Prozesse führen zur Entstehung von Transformationsprodukten (TP), deren Berücksichtigung bei der Umweltrisi-kobewertung für ein umfassendes Risikomanagement von großer Bedeutung ist. Doch gibt es über die in der Umwelt vorkommenden Transformationsprozesse und die dabei entstehenden TP immer noch Wissenslücken. Darüber hinaus sind die Eintragswege von TP, vor allem von Biozid-TP, in die angrenzenden Gewässer zum Teil unbekannt. Da eine Vielzahl von TP mit unterschiedlich starken ökotoxikologischen Effekten bewertet werden muss, besteht ein gro-ßer Bedarf an schnellen und umfassenden Methoden, um die stetig wachsende Anzahl an Chemikalien auf dem Markt erfassen zu können. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist daher, das Verhalten und den Verbleib ausgewählter Pestizid-TP in der aquatischen Umwelt zu ana-lysieren. Zu diesem Zweck wurden unterschiedliche Phototransformationsprozesse von Pesti-ziden sowie der Eintrag aus Fassaden über Regenwasserversickerungsanlagen (RVA) in an-grenzenden Gewässern der Stadt Freiburg untersucht. Schlussendlich erfolgte die Identifizie-rung der ökotoxikologischen Eigenschaften von 45 Pestizid-TP in einem mehrstufigen Ansatz durch die Kombination experimenteller und computerbasierter Methoden. Inwiefern unterschiedliche Phototransformationsprozesse zu unterschiedlichen TP führen, wurde im ersten Teil der Arbeit durch einen Vergleich der Entstehung von TP durch direkte und indirekte Photolyse der Substanzen Penconazol, Terbutryn und Mecoprop untersucht. Weiterhin wurde der Abbau durch die Bestrahlung mit unterschiedlichen Xenonlampen unter-sucht. Die Ergebnisse zeigen, dass unterschiedliche Phototransformationsprozesse zu unter-schiedlichen TP führen können. So entstanden durch indirekte Photolyse von Mecoprop un-terschiedliche TP im Vergleich zu den TP, die durch direkte Photolyse gebildet wurden. Wo-hingegen kein Unterschied der Entstehung der TP von Penconazol und Terbutryn festgestellt wurde. Der Vergleich von drei verschiedenen Xenonlampen zur Simulation von Photolyse im Labormaßstab zeigte, dass eine genaue Spezifizierung der Lampen hinsichtlich des emittierten Spektralbereich sowie der absoluten Photonenflussdichte notwendig ist. Auf diese Weise können künftig Fehler bezüglich der Geschwindigkeit des direkten Abbaus insbesondere von schwach absorbierenden Pestiziden vermieden werden. Im zweiten Teil der Arbeit wurde der Eintrag von Bioziden, die in Fassadenanstrichen An-wendung finden, und deren TP über Regenwasserversickerungsanlagen in das Grundwasser untersucht. Dabei wurden qualitative und quantitative Target-Screening-Methoden zum Nachweis und zur Quantifizierung bekannter und unbekannter TP der Biozide Diuron, Ter-butryn und Octhilinon (OIT) in der aquatischen Umwelt mittels Flüssigkeitschromatographie mit gekoppeltem Massenspektrometer (LC-MS) kombiniert. Die Untersuchung zeigt, dass der gewählte methodische Ansatz einen wichtigen Beitrag zur Identifikation von Eintragspfaden in Gewässer leisten kann. Auf diese Weise wurden erstmalig dezentrale Versickerungssyste-me als Eintragspfad für biozide Wirkstoffe und insbesondere deren TP ins Grundwasser iden-tifiziert. Weiterhin wurden Fassaden als Quelle von Biozid-TP durch die Ausgangssubstanz Diuron und des TP-219 anhand eines Beregnungsexperiments einer 14-jährigen Hausfassade festgestellt..
Die ökotoxikologischen Eigenschaften von 45 Pestizid-TP wurden im dritten Teil dieser Ar-beit in einem mehrstufigen Ansatz untersucht. Dafür erfolgten auf der ersten Stufe eine Lite-raturauswertung und die Anwendung computerbasierter Methoden, um die bakterielle Ökoto-xizität und Genotoxizität zu ermitteln. Im Fall von toxischen Hinweisen wurden photolytische Mischungen durch Photolyse der Ausgangssubstanzen hergestellt. Diese wurden auf der zwei-ten Stufe in einem Leuchtbakterientest hinsichtlich der akuten und chronischen Ökotoxizität und der Wachstumshemmung untersucht. Die Genotoxizität wurde in einem Umu-Test ermit-telt. Bestätigten sich die positiven Befunde, erfolgten auf der dritten Stufe Einzeluntersuchun-gen der TP durch die zuvor genannten Tests. Die Ergebnisse legen nahe, dass mit Hilfe des mehrstufigen Verfahrens eine schnelle und umfassende Ersteinschätzung der Ökotoxizität von Pestizid-TP erfolgen kann. Dabei bietet vor allem die Kombination von computerbasierten Methoden und experimentellen Tests die Möglichkeit einer Vielzahl von Substanzen gerecht zu werden und auch schwer synthetisierbare und analysierbare Substanzen einzubeziehen. So konnten mit Hilfe des Ansatzes 96 % der TP bewertet werden.
Insgesamt zeigte sich, dass die Berücksichtigung von TP im Rahmen von Gewässerüberwa-chung und Risikobewertung eine genauere Abschätzung der Risiken durch Schadstoffe er-möglicht. Die in dieser Dissertation entwickelte Vorgehensweise, bei der TP zunächst im La-bor erzeugt und bewertet und anschließend in aquatischen Systemen gezielt analysiert wer-den, kann einen wichtigen Beitrag zur Regulatorik des Einsatzes und der Zulassung von Pes-tiziden leisten. Die Arbeit liefert wichtige Erkenntnisse und Methodenvorschläge um, im Sin-ne der Ziele einer nachhaltigen Entwicklung der Vereinten Nationen, einer Verschmutzung der Gewässer in qualitativer und quantitativer Hinsicht vorzubeugen.
Siliziumorganische Substanzen sind aus dem Alltag kaum wegzudenken. Sie kommen in vielfältiger Form vor und finden durch ihre Stabilität in vielen Produkten des Haushalts und der Industrie Anwendung. Da sie zum Beispiel auch in Körperpflegeprodukten und Pflanzenschutzmitteln angewendet werden, ist eine Freisetzung in die Umwelt unvermeidbar. Siliziumorganische Substanzen konnten bereits in allen Umweltkompartimenten (Luft, Wasser, Boden) analytisch nachgewiesen werden. Welche Risiken von dieser Stoffgruppe ausgehen, ist noch nicht abschließend geklärt, dennoch gibt es Hinweise auf negative Auswirkungen auf Mensch und Umwelt. Deshalb sollten Strukturen in siliziumorganischen Substanzen untersucht werden, die einen Abbau in der Umwelt begünstigen, um die Akkumulation dieser Stoffe in der Umwelt zu verringern.
Dafür wurden diverse biotische und abiotische Abbautests mit unterschiedlichen siliziumorganischen Substanzen durchgeführt. Der Fokus der vorliegenden Arbeit lag vor allem in der biologischen Abbaubarkeit der Substanzen. Es wurden die Organisation for Economic Co-operation and Development (OECD)-konformen Tests Closed-Bottle-Test (CBT, OECD 301D) und Manometrischer Respirationstest (MRT, OECD 301F) durchgeführt. Die Hydrolysierbarkeit wurde mithilfe des Hydrolysetests OECD 111 bei unterschiedlichen pH-Werten untersucht. Bei bestimmten Substanzgruppen ohne biologischen Abbau wurde das Verhalten der Substanzen bei Bestrahlung mit verschiedenen Bestrahlungsquellen untersucht. Die Analyse der Primärelimination der siliziumorganischen Substanzen erfolgte je nach Substanzeigenschaften mithilfe der Hochleistungsflüssigkeitschromatografie gekoppelt mit einem Spektrometer mit ultraviolettem und sichtbarem Licht (HPLC-UV/Vis) oder der Gaschromatografie gekoppelt mit einem Massenspektrometer (GC-MS). Die Transformationsprodukte wurden hingegen mithilfe der Flüssigkeitschromatografie gekoppelt mit einem Mehrfach-Massenspektrometer (LC-MSn) analysiert. Für eine umfassende Bewertung des biologischen Abbaus von siliziumorganischen Substanzen wurden ein Vergleich mit analogen Kohlenstoffverbindungen und eine Aufstockung mit Daten aus der Datenbank der Europäischen Chemikalien Agentur (ECHA) durchgeführt. Die Gruppierung der Substanzen nach ihren Strukturmerkmalen wurde hinzugezogen, um Rückschlüsse auf die Abbaubarkeit zu ziehen.
Eine besser biologisch abbaubare Grundstruktur brachte für die Benzenderivate keine Verbesserung der biologischen Abbaubarkeit. Dennoch hatte die Einführung von +M-Gruppen am Aromaten einen positiven Einfluss auf die Geschwindigkeit und den Grad des photolytischen Abbaus. Die Bestrahlungsquelle hatte ebenfalls einen deutlichen Einfluss auf die Eliminierungsrate während des Photolyseexperiments. Mit einer Veränderung der Wellenlängen in den kurzwelligen Bereich und der daraus resultierenden energiereicheren Strahlung konnten die Substanzen schneller und teilweise vollständig primär eliminiert werden. Bei allen Abbaupfaden hatte die Hydrolyse eine entscheidende Rolle und wurde als einer der Hauptabbauprozesse charakterisiert. Bei einer Verbindung wurde im Nachgang an die biotischen und abiotischen Abbautests eine ausführliche Aufklärung der elf gebildeten Transformationsprodukte vorgenommen.
Um den Einfluss von Silizium in organischen Substanzen auf die biologische Abbaubarkeit zu untersuchen, wurde der direkte Vergleich von siliziumorganischen Substanzen und deren Kohlenstoffanaloga im CBT durchgeführt. Dabei hat sich gezeigt, dass drei von fünf Kohlenstoffverbindungen und keine siliziumorganische Verbindung als leicht biologisch abbaubar eingestuft werden konnten. In allen bis auf einen Fall konnten für die Kohlenstoffverbindungen höhere Abbauraten im CBT beobachtet werden. Die Hydrolyse wurde als erforderlicher Schritt vor dem biologischen Abbau von siliziumorganischen Substanzen identifiziert. Das siliziumfreie Produkt der Hydrolyse bestimmte den Grad des biologischen Abbaus. Die gute biologische Abbaubarkeit der einen siliziumorganischen Verbindung resultierte aus der leicht hydrolysierbaren Silizium-Stickstoff-Bindung und der leichten biologischen Abbaubarkeit des siliziumfreien Hydrolyseproduktes. Die siliziumhaltigen Reaktionsprodukte der Hydrolyse waren nicht biologisch abbaubar.
Bioabbaudaten aus eigenen Experimenten, aus vorhergehenden in der Arbeitsgruppe durchgeführten analogen Arbeiten und aus der ECHA-Datenbank wurden zusammengetragen, um einen Datensatz zu generieren. Die 182 Substanzen des Datensatzes wurden hinsichtlich ihrer Struktur gruppiert, um allgemeine Erkenntnisse für die biologische Abbaubarkeit von siliziumorganischen Verbindungen abzuleiten. Es gab Gruppen mit Substanzen, die überhaupt nicht biologisch abbaubar waren (z. B. zyklische, lineare und verzweigte Siloxane). Gruppen, die Substanzen mit Ethern, Estern, Oximen, Aminen und Amiden enthielten, waren hydrolyseanfällig, sodass auch leicht biologisch abbaubare Zwischenprodukte gebildet werden konnten. Die siliziumfreien Hydrolyseprodukte waren meist biologisch abbaubar, während die siliziumhaltigen Hydrolyseprodukte persistent waren.
Allgemein hat sich gezeigt, dass Modifikationen am Molekül einen positiven Einfluss auf die Abbaubarkeit haben können. Beispielsweise können Heteroatome eine Veränderung der Polarität bzw. der Elektronendichte hervorrufen, was die Photolyse- und Hydrolysefähigkeit und folglich auch den Bioabbau zum Positiven verändern kann. Das Einführen solcher Heteroatome oder funktioneller Gruppen in Polysiloxanketten kann demnach ein vielversprechender Ansatz für leichter abbaubare siliziumorganische Verbindungen sein. Nicht abbaubare Stoffe sollten vermieden werden, wenn sie nach ihrer Verwendung in die Umwelt gelangen.
Diese Erkenntnisse tragen unter anderem zur Spurenstoffstrategie des Bundes, zum European Green Deal und zu den Sustainable Development Goals bei. Ziel dieser Ansätze ist die Verringerung der Schadstoffemissionen, um uns Menschen auch zukünftig Zugang zu sauberem Wasser und einer lebenswerten Erde zu gewährleisten.
Achieving the ‘Great Transformation’ demands a closer consideration of the material basis of technologies, whose broad-scale implementation is often associated with efficiency improvements and progress towards a post-fossil society, but which is largely disregarded as of today. At the same time, the discourse on resource-related issues only rarely evolves around achieving an actual fundamental shift towards sustainability in the sense of a ‘material transition’. The notion of this mutual disconnect – a ‘transformation-material gap’ that exists in both research and practice – is the main driver for this dissertation. Metals fulfill crucial functions in areas as diverse as renewable energy, digitization and life style appliances such as smart home concepts, mobility, communication, or medicine. In the context of sustainability, achieving a more sustainable metal use means (i) minimizing the adverse effects associated with metal production and use and (ii) sustaining the availability of metals in a way that benefits present and future generations. Urgent need to act to avoid bottlenecks as well as meeting the challenge of possible conflicts of use among those areas of application calls for appropriate strategy making to intervene in the complex field of metal production and use that involves various, often interlinked operating levels, actors, and spatial and temporal scales. Located within the field of sustainability science, this dissertation focuses on strategies as a means to intervene in a system. It pursues the question, which design features could guide future strategy making to foster sustainability along the whole metal life cycle, and especially, how a better understanding of temporalities – i.e. understanding time in a diverse sense – could improve strategy design and help to bridge the assumed ‘transformation-material gap’. My research converges the results from four research studies. A conceptual part explores the role of temporalities for interventions in complex and interlinked systems, which adds to the conceptual basis, on which the empirical part builds up to explore present and future interventions in metal production and use. The research revealed three essential needs that future strategies must tackle: (i) managing the complex interlinkages of processes and activities on various operational levels and spatial and temporal scales, (ii) providing clear guidance concerning the operationalization of sustainability principles, and (iii) keeping activities within the planet’s carrying capacity and embracing constant change as an inherent system characteristic. In response to these needs, I developed three guidelines with two design features each (one relating to content, and one to the process of formulating and implementing the strategy) to guide future strategy making: 1. Design strategies based on a profound understanding of the system and its interrelations, but bear in mind context-specific characteristics. (Comprehensive, but tailored.) 2. Design strategies to achieve fundamental change in a cooperative and inclusive manner. (Ambitious, but manageable.) 3. Design strategies to strengthen resilience in a constantly changing environment. (Dynamic, but consistent.) My results show that TIME MATTERS in this respect. If considered in close relation to space and diversely understood in the sense of temporalities, it serves to (i) understand the impact (duration and magnitude) of an intervention, (ii) recognize patterns of change that go beyond establishing linear, one-dimensional connections, and (iii) design interventions in a way that considers the resilience of a system. While these findings can contribute to closer considering our understanding of transformation processes towards sustainability in future interventions in metal production and use, more research is needed on approaches that bring the material basis into closer consideration of transformation processes in research and practice.
