540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
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Um das noch bestehende Reichweitenproblem von Elektrofahrzeugen zu lösen, sind Fahrzeugkonzepte wie Plug-in Hybridfahrzeuge sehr vielversprechend, sofern mit ihm überwiegend im Batteriebetrieb gefahren wird. Sie kombinieren die Vorteile des Verbrennungsmotors und des Elektromotors, sodass das lokale Emissionsproblem in Ballungszentren gelöst werden kann, ohne dass der Kunde dabei auf die Reichweite verzichten muss. Wenn das Fahrzeug allerdings überwiegend für Kurzstrecken genutzt wird, sind alterungsbedingte Veränderungen des Kraftstoffes möglich, da dieser länger im Tank verbleibt als üblich. In dieser Arbeit wird ein Konzept zur sensorischen Bestimmung der Qualität des Kraftstoffes vorgestellt. Hierzu wurde ein Prototyp entwickelt, in dem mithilfe des Real- und Imaginärteils der Permittivität alternde Kraftstoffe erkannt werden können. Dabei konnte durch das frequenzabhängige Permittivitätssignal des Sensors spezifisch zwischen nieder- und hochmolekularen Oxidationsprodukten in Kraftstoffen unterschieden werden. Da das Verbrennungs- und Emissionsverhalten des Motors von der Kraftstoffmischung vorgegeben ist, bietet eine zusätzliche sensorische Erfassung der Kraftstoffzusammensetzung weitere Optimierungspotenziale, um Emissionen zu reduzieren: So ist das Motormanagement im Fahrzeug zumeist auf Referenzkraftstoffe mit gleichbleibender Qualität abgestimmt. Variable Kraftstoffzusammensetzungen, die durch die Erdöllagerstätte und den zusätzlichen Konversionsverfahren zur Herstellung von fortschrittlichen Kraftstoffen vorgegeben sind, werden in dieser Anpassungsstrategie bisher nicht berücksichtigt. Als weitere Aufgabe wird in dieser Arbeit daher ein multisensorischer Ansatz verfolgt, wonach zusätzlich zur Kraftstoffalterung noch die Kraftstoffzusammensetzung erkannt werden kann. Insgesamt bietet die Sensorik das Potenzial zur kontinuierlichen Kraftstoffüberwachung in Plug-in Hybridfahrzeugen, um so einen Beitrag zum sicheren und nachhaltigen Betrieb solcher Fahrzeuge gewährleisten zu können.
Thermal energy storage systems have a high potential for a sustainable energy management. Low temperature thermochemical energy stores based on gas-solid reactions represent appealing alternative options to sensible and latent storage technologies, in particular for heating and cooling purposes. They convert heat energy provided from renewable energy and waste heat sources into chemical energy and can effectively contribute to load balancing and CO2 mitigation. At present, several obstacles are associated with the implementation in full-scale reactors. Notably, the mass and heat transfer must be optimized. Limitations in the heat transport and diffusions resistances are mainly related to physical stability issues, adsorption/desorption hysteresis and volume expansion and can impact the reversibility of gas-solid reactions. The aim of this thesis was to examine the energy storage and cooling efficiency of CaCl2, MgCl2, and their physical salt mixtures as adsorbents paired with water, ethanol and methanol as adsorbates for utilization in a closed, low level energy store. Two-component composite adsorbents were engineered using a representative set of different host matrices (activated carbon, binderless zeolite NaX, expanded natural graphite, expanded vermiculite, natural clinoptiolite, and silica gel). The energetic characteristics and sorption behavior of the parent salts and modified thermochemical materials were analyzed employing TGA/DSC, TG-MS, Raman spectroscopy, and XRD. Successive discharging/charging cycles were conducted to determine the cycle stability of the storage materials. The overall performance was strongly dependent on the material combination. Increase in the partial pressure of the adsorbate accelerated the overall adsorbate uptake. From energetic perspectives the CaCl2-H2O system exhibited higher energy storage densities than the CaCl2 and MgCl2 alcoholates studied. The latter were prone to irreversible decomposition. Ethyl chloride formation was observed for MgCl2 at room and elevated temperatures. TG-MS measurements confirmed the evolution of alkyl chloride from MgCl2 ethanolates and methanolates upon heating. However, CaCl2 and its ethanolates and methanolates proved reversible and cyclable in the temperature range between 25°C and 500°C. All composite adsorbents achieved intermediate energy storage densities between the salt and the matrix. The use of carbonaceous matrices had a heat and mass transfer promoting effect on the reaction system CaCl2-H2O. Expanded graphite affected only moderately the adsorption/desorption of methanol onto CaCl2. CaCl2 dispersed inside zeolite 13X showed excellent adsorption kinetics towards ethanol. However, main drawback of the molecular sieve used as supporting structure was the apparent high charging temperature. Despite variations in the reactivity over thermal cycling caused by structural deterioration, composite adsorbents based on CaCl2 have a good potential as thermochemical energy storage materials for heating and cooling applications. Further research is required so that the storage media tested can meet all necessary technical requirements.
To improve the properties of thermochemical heat storage materials, salt mixtures were evaluated for their heat storage capacity and cycle stability as part of the innovation incubator project "Thermochemical battery" of the Leuphana university Lüneburg. Based on naturally occurring compound minerals, 16 sulfates, 18 chlorides and 5 chloride multi-mixtures, 18 bromides and 5 intermixtures between sulfates, chlorides and bromides were synthesized either from liquid solution or by dry mixing for TGA/DSC screening before continuing the heat storage evaluation with five different measurement setups at a laboratory scale. The TGA/DSC analysis served as a screening process to reduce the number of testing materials for the upscaled experiments. The evaluation process consisted of a three-cycle dehydration/hydration measurement at Tmax=100°C and Tmax=200°C. In case of the bromide samples a measurement of hydration conditions with Tmax=110°C and a water flow at e=18.68mbar, were added to the procedure to detect the maximum water uptake temperature. Also, a single dehydration to a temperature of Tmax=500°C was implemented to observe melting behavior and to easier calculate the samples’ stages of hydration from the remaining anhydrous mass. Materials which showed high energy storage density and improved cycle stability during this first evaluation were cleared for multi-cycle measurements of 10 to 25 dehydration and hydration cycles at Tmax = 100 to 120°C and the evaluations at m=20 to 100g scale. An estimate for the specific heat capacities at different temperatures of the materials which passed the initial stage was calculated from the TGA/DSC results as well. The laboratory scale measurement setup went through five stages of refining, which led to reducing the intended maximum sample mass from m=100g to m=20g. A switch from supplied liquid water to water vapor as the used reactant was also implemented in exchange for improved dehydration conditions. Introducing a vacuum pump for evaporating the water limited the influence of outside heat sources during hydration and in-situ dehydration was enabled as to not disturb the state the samples were settling in between measurements. Baseline calculation from blanc measurements with glass powder and attempts to calculate the specific heat capacity cp of the tested materials by 6 applying the Joule-Lenz-law to the measurement apparatus was another step of method development. The evaluation process of the laboratory scale tests at the final setting consisted of 1 to 5 cycle measurements of in-situ dehydration and hydrations with applied vacuum for t=30 minutes at p~30mbar. Upscaling the sample mass to m=20g allowed for a close observation of different material behaviors. Agglomeration, melting and dissolving of the m=10mg samples during the TGA/DSC analysis can be deducted from the recorded measurement curves and the state of the sample after measurement. However, at laboratory scale the visible volume changes, observed sample consistency after agglomeration and an automatic removal of molten and dissolved sample mass during the measurement allowed for a better characterization and understanding of the magnitude of the actual changes. This was done for the first time, particularly for mixed salts. Of the original number of 62 samples, 4 mixtures which passed the initial TGA/DSC screening namely {2MgCl2+ KCl}, {2MgCl2+CaCl2}, {5SrBr2+8CaCl2} and {2ZnCl2 + CaCl2} were chosen for further evaluation. The multi-cycle TGA/DSC measurements of {2MgCl2+ KCl}, {2MgCl2+CaCl2} and {5SrBr2+8CaCl2} showed an improved cycle stability for all three materials over the untreated educts. Of the four materials {2ZnCl2 + CaCl2} displayed the strongest deliquescence during hydration in the upscaled experimental setup. {2MgCl2+CaCl2} proved to be the most stable material regarding the heat storage density. The {MgCl2} content of the mixture is likely to partially or completely react to {Mg(OH)Cl} at temperatures of T>110°C, which however does not impede the heat storage density. {5SrBr2+8CaCl2} displayed a low melting point in hydrated state, causing a fast material loss. This makes it an undesirable storage material. A lower heating rate may still help to avoid an early melting. The {2MgCl2+KCl} mixture was the most temperature stable of the mixtures showing no melting or dissolving behavior. A reaction of the {MgCl2} component of the mixture to {Mg(OH)Cl} was not observed within the applied temperature range of T=25 to 200°C.
Poor quality of freshwaters is a widespread problem. The concept of complexity is a particularly promising concept to analyse and address this problem, and public policy problems more generally. The main reason is the concept's strength in unifying structural features of problems within a more comprehensive structural approach to political problem-solving. So far, however, these possible benefits remained hidden given the lack of a clear understanding of complexity, ultimately hampering a systematic analysis of the implications of complexity for solutions and governance strategies. This study aims at strengthening the value of the concept of complexity for systematic comparative analyses of water-related problems and public policies in general. To achieve this goal, this work is to specify the concept of complexity as well as the implications of complexity for solutions and governance strategies, both from a theoretical and an empirical point of view. To this end, five main basic approaches are applied, referring to underlying premises, the role of an interdisciplinary approach, the European Water Framework as an empirical reference point, the integration of practical knowledge, and the focus on external validity. This dissertation provides a detailed operationalisation of complexity related to the dimensions of goals, variables, dynamics, interconnections, and informational uncertainty. It also shows that freshwater pollution-related problems in Germany differ along these five complexity dimensions. This applies to 37 types of pollution-related problems and four clusters of problems, which refer here to tame, wicked, system complexity, and uncertainty problems. This dissertation suggests that relations between complexity and policy delivery can be both positive and negative and vary along dimensions of complexity and policy delivery. Regarding the analysed freshwater pollution problems, this work also shows various effects of complexity on policy delivery, both along the 37 types of problems, and along four clusters of wicked problems. This dissertation suggests a differentiated theoretical approach to define governance for complex problem-solving, demonstrating that the role of diverse institutions, actors, and interactions differs for solutions along five key dimensions of complexity and different management strategies that are information gathering, modelling, using decision-support tools, prioritising of measures, conflict solving, deciding under uncertainty, and being adaptive and flexible.
Einsatz der Planarchromatographie mit wirkungsbezogener Detektion zur Untersuchung von Wässern
(2018)
Unter Wirkungsbezogener Analytik (WBA) wird die Kopplung eines chromatographischen Trennverfahrens mit einem biologischen Testsystem verstanden. Der Vorteil bei dieser Herangehensweise ist, dass die zuvor getrennten Probeninhaltsstoffe anhand ihrer Aktivität mit einem in vitro-Testsystem detektiert werden. Es hat sich gezeigt, dass die Hochleistungsdünnschichtchromatographie (HPTLC) besonders geeignet für die WBA ist. Bislang konnte nicht gezeigt werden, dass die WBA mit HPTLC auch als routinefähige Methode eingesetzt wurde. In dieser Arbeit erfolgte eine Optimierung der Detektion der Endpunkte Biolumineszenzhemmung (Aliivibrio fischeri), antibiotische Wirkung (Bacillus subtilis), Neurotoxizität (Acetylcholinesterase) von der HPTLC-Platte hinsichtlich Routinefähigkeit. Zusätzlich konnte in ersten Versuchen gezeigt werden, dass es möglich ist, direkt gentoxische Verbindungen mittels des umu-Tests auf der HPTLC-Platte nachzuweisen. Für die einzelnen Biotests sind unterschiedliche Inkubationszeiten notwendig. Dies führt aufgrund von Diffusion auf der HPTLC-Platte zu einer Bandenverbreiterung. Es wurden unterschiedliche Methoden und Arbeitsweisen zur Verminderung der Diffusion erprobt und optimiert. Eine Möglichkeit ist die mechanische Eindämmung durch die Einbringung einer Gaze in eine verfestigte Calciumalginatschicht. Optimiert wurde dieses Verfahren am Bacillus subtilis-Hemmtest. Für Enzymtests ist eine vergleichsweise kurze Inkubationszeit notwendig. Daher tritt hier eine geringere Bandenverbreiterung auf, womit eine mechanische Einschränkung der Diffusion nicht geeignet ist. Um die auftretende Bandenverbreiterung möglichst gering zu halten, wurde besonders die Aufbringung des Substrats optimiert. Dies geschah am Beispiel des HPTLC-Acetylcholinesterasehemmtests. Die Ermittlung der unterschiedlichen bandenverbreiternden Einflussfaktoren erfolgte mittels statistisches Versuchsplanung. Anhand der gewonnenen Erkenntnisse konnte die Methode soweit optimiert werden, dass die bei der Detektion von AChE-Inhibitoren auftretende Bandenverbreiterung sehr gering gehalten werden kann. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit des Verfahrens lassen sich selbst geringe Spuren von Verunreinigungen in Referenzsubstanzen detektieren. Besonders für den Routineeinsatz der WBA mit der HPTLC ist die Vergleichbarkeit der Ergebnisse erforderlich. Dazu wurde anhand des HPTLC-Leuchtbakterienhemmtests mit Aliivibrio fischeri eine Auswertestrategie erarbeitet. Die Ermittlung der Biolumineszenzhemmung findet analog zum Küvettentest statt und kann ortsaufgelöst als Hemmwert-Chromatogramm dargestellt werden. Die Darstellung der Hemmung in einem Hemmwert-Chromatogramm gleicht die Stauchung der Peaks aufgrund des sigmoiden Verlaufs der Dosis-Wirkungsbeziehung teilweise aus. Durch die nichtlineare Beziehung zwischen Konzentration bzw. Flächenmasse und Wirkung der unbekannten Substanzen ist es für den Vergleich von Proben notwendig, einen Bezugspunkt zu setzen. Bewährt hat sich dafür der EC50-Wert. Da aber in den meisten Fällen die Konzentration unbekannt ist, wird als Bezugspunkt das Auftragevolumen gewählt, welches erforderlich ist um eine Hemmung von 50% auszulösen. Der Kehrwert des berechneten Auftragevolumens für 50% Hemmung stellt das reziproke Iso-Hemmvolumen (RIHV) dar. Dieser RIHV-Wert hat sich für den Probenvergleich in verschiedenen Anwendungen bewährt. Das Prinzip der Auswertung kann vom HPTLC-Leuchtbakterientest mit Anpassung auf den HPTLC-Bacillus subtilis-Hemmtest übertragen werden. Für den Vergleich der Wirkung auf die Acetylcholinesterase-Hemmung wird in Anlehnung zum RIHV, das reziproke Iso-Aktivitätsvolumen (RIAV) herangezogen. Hier wird das Auftragevolumen, welches notwendig ist, eine Aktivität der AChE von 50% zu erreichen, als Kehrwert angegeben. Zur Ermittlung der Messunsicherheit der Chromatographie und der detektierten Wirkung wurden parallel zu den Proben Referenzverbindungen untersucht. Bei der Überwachung einer gesicherten Deponie über einen Zeitraum von 4,5 Jahren konnte gezeigt werden, dass es sich bei der Hochleistungsdünnschichtchromatographie mittels automatisierter Mehrfachentwicklung (HPTLC/AMD) um ein reproduzierbares Chromatographiesystem handelt. Bei der Anwendung des Leuchtbakterien-, Bacillus subtilis- und des Acetylcholinesterase-Hemmtests auf verschiedene Deponie- und Abwasserproben wurden über einen Zeitraum von sieben Monaten Standardabweichungen von 5-9% Hemmung für die testspezifischen Referenzsubstanzen ermittelt. Als Ergebnis der Validierung wurden der HPTLC-Aliivibrio fischeri-, der HPTLC-Bacillus subtilis- und der HPTLC-Acetylcholinesterase- Hemmtest am 24.03.2015 von der deutschen Akkreditierungsstelle (DAkkS) akkreditiert. Zur Ermittlung potenziell gentoxischer Substanzen wurde der umu-Test ausgewählt. Mit dem umu-Test auf der HPTLC-Platte ist es derzeit möglich, die aus der DIN 38415-3 bekannte direkt wirkende gentoxische Substanz 4-Nitroquinolin-N-oxid (4-NQO) auf der HPTLC-Platte nachzuweisen. Für einen erfolgreichen Nachweis von indirekt wirkenden Substanzen, die erst nach der Aktivierung durch Stoffwechselenzyme gentoxisch wirken, war es nicht möglich, das erforderliche Metabolisierungssystem auf der HPTLC-Platte aufrecht zu erhalten. Zur Durchführung der WBA ist für die meisten Wasserproben (z. B. Oberflächenwasser oder Grundwasser) eine Anreicherung erforderlich. Parallel zu den Arbeiten mit den biologischen Testsystemen erfolgte die Optimierung der Anreicherung von organischen Verbindungen aus Wasserproben. Für die Festphasenextraktion (SPE) wurden verschiedene Materialien bei den pH-Werten 2, 7 und 9 mit Substanzen unterschiedlicher Polarität getestet. Die besten Wiederfindungen über den gesamten Polaritätsbereich erzielte die Phase "Agilent Plexa" (Polydivinylbenzol) mit einer angepassten Elutionsabfolge. Bei der Auswahl des Materials und der Anpassung der Elutionsabfolge wurde auch auf einen möglichst geringen Blindwert für den Biolumineszenz-Hemmtest mit Aliivibrio fischeri geachtet. Damit wurde eine für die WBA geeignete Anreicherungsmethode gefunden. Zur Verbesserung der Extraktionsausbeute von polaren Verbindungen mittels Flüssig-Flüssig-Extraktion (LLE) wurde die Mikro-LLE mit dem in allen Verhältnissen mit Wasser mischbaren Extraktionsmittel Acetonitril getestet. Die im Blindwert auftretenden störenden Substanzen konnten durch Ausheizen des zur Phasentrennung erforderlichen Natriumchlorids erheblich reduziert werden. Bei den Untersuchungen zur Wiederholbarkeit mit einer Deponiesickerwasserprobe und der Detektion der Biolumineszenz von Aliivibrio fischeri waren nur geringe Abweichungen der Hemmwerte detektierbar. Aufgrund der zu erwartenden komplexen Zusammensetzung von Proben aus dem Deponiebereich ist eine Gradientenelution für die HPTLC/AMD notwendig. Anhand von Referenzverbindungen und Extrakten aus verschiedenen Deponien wurde die HPTLC/AMD-Trennung für ein Screening optimiert. Mit diesem Screening-Gradient ist es möglich, die wirkenden Probenbestandteile über die gesamte Trennstrecke zu verteilen. Zusätzlich fand noch eine Entwicklung einer isokratischen HPTLC-Trennung für eine schnelle Beurteilung von Proben statt, wobei bei dieser Methode Abstriche bezüglich der Trennleistung gemacht werden mussten. Zudem konnte gezeigt werden, dass der aufwendige Identifizierungsprozess durch spezifische postchromatographische Derivatisierungsreaktionen auf der HPTLC-Platte unterstützt werden kann. Dazu wurde der Bratton-Marshall-Nachweis von primären Aminen optimiert. Durch den Nachweis von austauschbaren Protonen mittels des H/D-Austausches lassen sich die denkbaren Strukturen deutlich einschränken. Für einen nahezu vollständigen H/D-Austausch hat sich die Kopplung von HPTLC und Massenspektrometer (MS) als besonders geeignet gezeigt, da hier nur wenige Milliliter an deuterierten Lösemitteln benötigt werden. Erprobt wurden die optimierten Methoden an verschiedenen Wässern, welche aus Kläranlagen und aus dem Umfeld von Deponien stammen. Durch die Einführung des RIHV- bzw. RIAV-Wertes ist es möglich Wässer von verschiedenen Probennahmestellen, z. B. Deponiesickerwässer, anhand ihrer Wirkung vergleichend zu beurteilen. Auch kann damit die Veränderung des Wirkungsmusters über einen Aufbereitungsprozess beobachtet werden. Die Untersuchungsergebnisse zeigen zudem, dass auch bei der WBA Feldblindproben entscheidend sind, um Proben sicher beurteilen zu können.
Organophosphorus flame retardants and plasticizers (OPEs) have been utilized for decades as plasticizers and, to a lesser extent, as flame retardants in various consumer products to improve their material properties. The research presented in this thesis investigated the occurrence, distribution and transport of OPEs with a focus on the coastal and estuarine environment. Due to the wide range of physicochemical properties of OPEs, the environmental fate and behaviour of OPEs was investigated over a range of compartments, starting from the atmospheric occurrence to the aquatic phase and the behaviour in sediments. The aim was to gather information on the OPE contamination situation in the coastal and estuarine environments, to identify specific contamination patterns for source assessment and to investigate the distribution behaviour of OPEs between gas- and particle-phases to evaluate their environmental transport mechanism. To achieve these scientific goals, sensitive and robust chemical analytical methods for the detection and quantification of OPEs in a variety of environmental samples using gas-chromatography coupled with tandem mass spectrometry were developed. Water samples were removed along the Elbe and Rhine Rivers to test the hypothesis of whether specific point sources, such as wastewater treatment plants, are the major input pathways for OPE contamination in rivers. A total of 65 water samples, including an intensive measurement campaign during the flood event in 2013 at the Elbe, was taken and analysed for OPEs. No obvious point sources were identified along either of the rivers analysed. No significant increase or decrease in the OPE concentrations or a change in patterns were observed over a transect of over 300 km at the Elbe, with an increase in water discharge of 2.5. This finding suggested that the OPE input in large rivers is primarily driven by diffuse sources, such as surface runoff, or by minor point sources rather than local point sources. To examine the specific pattern of OPE contamination in individual rivers and estuaries, 37 sediment samples from 8 rivers in Europe and China were analysed. With this analytical data, a fingerprint analysis of the OPE patterns identified could be conducted. All the rivers investigated in Europe displayed a very similar fingerprint. In contrast, the fingerprint from China differed significantly from the one in Europe. For example, in China, the OPE restricted in Europe, Tris(2-chloroethly)phosphate, was found to be one of the major OPE components, while Tris(2-butoxyethyl) phosphate, a major compound in Europe, was negligible in China. The investigation showed that the fingerprinting analysis is a useful tool to identify different regions or characterize specific rivers regarding their OPE contamination. In addition, it could be shown that legislative restriction and processes have an impact on local or even EU-wide contamination patterns. At a coastal site next to the German city of Büsum, 58 air samples were taken over one year. Using the newly developed analytical method, it was possible to analyse the gas, as well as the particle phase, of the samples collected with very low detection limits for OPEs. In contrast to expectations, no annual trend in OPE concentrations, phase distributions or patterns was observed, but the investigation of the phase distribution challenged the previous scientific consensus that OPEs occur as primarily bound to particles in the atmosphere. Several compounds were detected in significant amounts in the gas phase. To validate these novel results, a model analysis based on the chemical properties of OPEs was conducted using three different phase distribution models. The results from the environmental data were strongly supported by the simulations, and the formal knowledge could be refuted. Consequently, the atmospheric transport assumptions and estimations about the long-range transport of OPEs have to be reassessed because compounds in the gas phase undergo other types of transport degradation and elimination mechanisms than particle-boundones. The novel findings presented in this thesis challenged an important aspect regarding the perceived scientific knowledge about the behaviour of OPEs in the environment and call on the scientific community to reassess the environmental behaviour of OPEs. The insights presented on the patterns highlight the impact of environmental policies and regulatory mechanisms to work towards the final goal of a good environmental status and the avoidance of adverse effects of discarded chemicals on humans and the environment.
Die Arbeit liefert die Grundlagen zur chemischen Entfernung von Biodiesel aus dem Motoröl, um eine Minderung der Einschleppungsproblematiken beim Einsatz von biogenen Kraftstoffen und Dieselpartikelfiltern zu erzielen. Das Prinzip beruht auf einer wechselwirkenden Beimischkomponenten die eine Azeotropbildung mit Biodiesel einleitet. Eine gaschromatographische Headspace-Screening-Methode diente der Messung von Aktivitätskoeffizienten in Anwesenheit von Biodiesel. Die Ergebnisse dieser Analysen lieferten erste Erkenntnisse welche funktionalen Gruppen eine notwendige starke Wechselwirkung mit Biodiesel besitzen. Die gaschromatographischen Analysen wurden zudem mit Simulationsrechnungen mittels COSMOtherm untermauert. Im Laborversuch haben sich polare Säuren wie Ameisensäure oder Essigsäure als gute Beimischkomponenten erwiesen. Aldehyde, Ketone oder Alkohole sind weniger geeignet. Säuren wirken als Hydrogen Bond Donator und besitzen hohe Aktivitätskoeffizienten mit Biodiesel. Durch die Destillation des gebildeten azeotropen Gemischs kann die Entfernung von Biodiesel aus dem Motoröl bei niedrigen Temperaturen von ca. 180 Grad Celsius bis 190 Grad Celsius realisiert werden. Ohne den Einsatz von Beimischkomponenten liegt die Destillationstemperatur von Biodiesel bei ca. 330 Grad Celsius.
Biozide Wirkstoffe sind Chemikalien, die zum Schutz der menschlichen oder tierischen Gesundheit oder zum Schutz von Materialien vor Schädlingen eingesetzt werden. Monitoringergebnisse lassen vermuten, dass diese Wirkstoffe auch häufig im Innenraum von Haushalten eingesetzt werden und von dort vor allem über Abwasserleitungen und Kläranlagen in die Umwelt gelangen, wenn sie in Kläranlagen nicht eliminiert werden. Die Produkte, aus denen die Wirkstoffe aus Haushalten in das Abwasser gelangen, sind bislang jedoch nicht identifiziert worden. Aus diesem Grund konnten die daraus resultierenden Umweltbelastungen nicht eingeschätzt und keine entsprechenden Emissionsminderungsmaßnahmen umgesetzt werden. In dieser Arbeit wurde deshalb untersucht, in welchen Haushaltsprodukten biozide Wirkstoffe eingesetzt werden und in das Abwasser gelangen. Zudem sollte erforscht werden, was die Haushaltsmitglieder über Biozidprodukte wissen und wie sie mit ihnen umgehen. Ziel war es, die Anwendungen von bioziden Wirkstoffen in Haushalten zu identifizieren, von denen die höchsten Umweltbelastungen zu erwarten sind, und geeignete Emissionsminderungsmaßnahmen abzuleiten. Um die Anwendung biozider Wirkstoffe in Haushalten zu untersuchen, wurde zunächst durch eine Befragung in Haushalten eines dörflichen Wohngebietes ermittelt, was die Haushaltsmitglieder über Biozidprodukte wissen und wie sie die damit verbundenen Risiken im Vergleich zu anderen Haushaltsprodukten einschätzen. Zudem wurde für jeden der teilnehmenden Haushalte ein Inventar der vorhandenen Produkte erstellt. Dabei wurden neben den Biozidprodukten auch Wasch- und Reinigungsmittel und Körperpflegeprodukte untersucht. Ähnliche Erhebungen fanden zusätzlich in Haushalten in urbanen Gebieten statt. Die aufgrund der inventarisierten Produkte zu erwartenden Stoffe wurden im Laufe eines Jahres durch ein speziell abgestimmtes Monitoringprogramm im Abwasser des dörflichen Wohngebietes in Tages- und Stundenmischproben untersucht. Alle Proben wurden nach der Probenahme aufgearbeitet und mittels Flüssigchromatographie gekoppelt mit einem Triple-Quad-Massenspektrometer analysiert. Dabei wurden die Konzentrationen von 14 Wirkstoffen gemessen: 1,2-Benzisothiazol-3(2H)-on (BIT), C12-Benzalkoniumchlorid, Carbendazim, 5-Chlor-2-methyl-2H-isothiazol-3-on (CMIT), Dichloroctylisothiazolinon (DCOIT), N,NDiethyl-meta-toluamid (DEET), Diuron, Icaridin, 2-Octyl-2H-isothiazol-3-on (OIT), Piperonylbutoxid (PBO), Triclosan, Tebuconazol, Terbutryn und Tetramethrin. Vielen Befragten war nicht bewusst, dass sie Biozidprodukte nutzen. Der Begriff "Biozid" war oft nicht bekannt und wurde inhaltlich häufig falsch verstanden. Die Auswertungen der inventarisierten Produkte und der darin enthaltenen bioziden Wirkstoffe zeigten, dass ein Großteil der Wirkstoffe nicht aus Biozidprodukten in das Abwasser gelangt, sondern aus Körperpflegeprodukten und Wasch- und Reinigungsmitteln. Insgesamt 64 % der Anwendungen von bioziden Wirkstoffen in den inventarisierten Produkten wurden nicht unter der Umweltrisikobewertung der Verordnung (EU) 528/2012 über die Bereitstellung auf dem Markt und die Verwendung von Biozidprodukten berücksichtigt, was zu einer erheblichen Unterschätzung der Umweltrisiken führt. Die Ergebnisse der Abwasseruntersuchungen deuten ebenfalls darauf hin, dass biozide Wirkstoffe aus Wasch- und Reinigungsmitteln, Körperpflegeprodukten und Biozidprodukten gleichermaßen in das Abwasser eingetragen werden. Die Messergebnisse können gut mit den Produktinventaren in Verbindung gebracht werden. Einige Wirkstoffe scheinen maßgeblich durch Biozidprodukte eingetragen zu werden. Auch Konservierungsmittel wurden regelmäßig nachgewiesen. Für Triclosan hingegen ist gemäß den Inventaren Zahnpasta vermutlich die Produktgruppe, die in dem untersuchten Wohngebiet maßgeblich für den Eintrag ins Abwasser verantwortlich ist. Diese Arbeit zeigt zum ersten Mal, welche Produkte im Haushalt eine wichtige Quelle für biozide Wirkstoffe im Abwasser sind. Sie müssen mit einbezogen werden, wenn Emissionen an der Quelle reduziert werden sollen. Es sollten Maßnahmen ergriffen werden, die über die Produktzulassung von Biozidprodukten hinausgehen, um die Emissionen so gering wie möglich zu halten. Diese Maßnahmen sollten sich nicht darauf beschränken, die Bevölkerung über Biozidprodukte aufzuklären und zu sensibilisieren. Stattdessen sollten Maßnahmen früher in der Wertschöpfungskette ansetzen, wie zum Beispiel beim Design der Wirkstoffe oder der Formulierung der Produkte, um so Einträge biozider Wirkstoffe in die Umwelt zu verringern.
The emission of anthropogenic trace substances into the aquatic environment continuously poses challenges to water suppliers. The contamination of raw waters with organic trace substances requires complex water treatment processes to secure drinking water quality. The routine monitoring of these raw waters as well as the behavior and fate of organic trace substances during different treatment processes is of great interest to recognize and counter potential dangers at an early stage. Non-target screening using liquid chromatography coupled to high-resolution mass spectrometry (LC-HRMS) allows the detection of thousands of compounds within a single run and covers known as well as unknown substances. Compared to the established analytical techniques, this is a decisive advantage for the monitoring of raw and process waters during water treatment. While the analytical technique LC-HRMS has undergone significant developments in recent years, the algorithms for data processing reveal clear weaknesses. This dissertation therefore deals with reliable processing strategies for LC-HRMS data. The first part of this work seeks to highlight the problematics of false positive and false negative findings. Based on repeated measurements, various strategies of data processing were assessed with regard to the repeatability of the results. To ensure that real peaks were barely or not removed by the filtering procedure, samples were spiked with isotope-labeled standards. The results emphasize that the processing of sample triplicates results in sufficient repeatability and that the signal fluctuation across the triplicates emerged as a powerful filtering criteria. The number of false positives and false negatives could be significantly reduced by the developed strategies which consequently improve the validity of the data. The second part of this thesis addresses the development of processing strategies particularly aimed at assessing water treatment processes. The detected signals were tracked across the treatment process and classified based on their fold changes. A more reliable signal classification was achieved by implementing a recursive integration approach. Special integration algorithms allow a reliable signal classification even though the signal to be compared was below the intensity threshold. Different combinations of replicates of process influents and effluents were processed for evaluating the repeatability. The good repeatability was indicated by the results of both the plausibility checks and the ozonation process (ozonation of pretreated river water) and thus points to high reliability. The applicability of the developed strategies to real world applications is demonstrated in the last part of this work. Besides the prioritization of the generated results, the main focus was the identification of recognized compounds. The developed strategies clearly improve the validity of the underlying data. The combination of LC-HRMS analysis with reliable processing strategies opens up multiple possibilities for a more comprehensive monitoring of water resources and for the assessment of water treatment processes. The processing strategies and validation concepts may be easily transferred to other research fields.
Das ubiquitäre Vorkommen von Arzneimittelrückständen ist eng mit möglichen Risiken für Mensch und Umwelt verbunden. Das übergeordnete Ziel dieser Forschungsarbeit ist die Weiterentwicklung methodischer Ansätze für die Identifizierung prioritärer Arzneimittelrückstände vor dem Hintergrund bestehender Wissens- und Regulierungslücken. Unter diesem Gesichtspunkt wurden drei aktuelle Problemfelder aus dem Themenkomplex "Arzneimittel in der Umwelt " ausgewählt und anhand konkreter Fallbeispiele betrachtet. Tierarzneimittel werden häufig mit der Ausbringung von Wirtschaftsdünger in landwirtschaftlich genutzte Böden eingetragen. Gegenstand der ersten Publikation ist die Frage, inwiefern Anwendungsschemata aus der Nutztierhaltung für die retrospektive Identifizierung prioritärer Tierarzneimittelrückstände genutzt werden können. Hierzu wurde eine spezielle Herangehensweise entwickelt und am Beispiel von Antibiotika erprobt. Die durchgeführte Eintragsabschätzung ermöglichte erstmalig eine umfassende Einschätzung der potenziellen Antibiotikabelastung in Wirtschaftsdünger und landwirtschaftlich genutzten Böden im nordwestdeutschen Raum. Die Ergebnisse deuten auf erhebliche Umwelteinträge hin, die eine Neubewertung bestehender Wirkstoffzulassungen notwendig erscheinen lassen. In der zweiten Publikation wurden am Beispiel einer Mischung aus 18 Arzneistoffen verschiedene Bewertungsansätze verfolgt, um das Risiko einer kombinierten antimikrobiellen Wirkung genauer zu charakterisieren und prioritäre Mischungsbestandteile zu identifizieren. Das Risiko einer antimikrobiellen Wirkung wurde sowohl durch eine experimentelle Prüfung der Mischung als auch durch einen komponentenbasierten Berechnungsansatz bestätigt. Der komponentenbasierte Ansatz verdeutlichte zudem die besondere Relevanz der in der Mischung enthaltenen Fluorchinolon-Antibiotika. Die notwendige Grundlage für eine belastbare Abschätzung von Kombinationseffekten sind jedoch harmonisierte Einzelstoffdaten, die bisher nicht im benötigten Umfang zur Verfügung stehen. Deshalb sollte speziell für Antibiotika eine systematische Prüfung der Wirkung auf Umweltmikroorganismen durchgeführt werden. Arzneistoffe können entlang ihres Lebenszyklus verschiedene biotische und abiotische Transformationsprozesse durchlaufen, die oft zur Bildung von unvollständig charakterisierten Transformationsprodukten (TPs) führen. Die Publikationen 3-7 leisten einen allgemeinen Beitrag zur Einschätzung des möglichen Gefahrenpotenzials von pharmazeutischen TPs im Wasserkreislauf und generieren neue methodische Erkenntnisse vor dem Hintergrund einer vorausschauenden Identifizierung von prioritären Abbauprodukten. Die durchgeführten Fallstudien bestätigten, dass photochemische Transformationsprozesse nicht nur zur Abschwächung bereits vorhandener, sondern im Gegenteil auch zur Entstehung gänzlich neuer Gefahrenpotenziale beitragen können. Es ist somit stark in Frage zu stellen, ob die alleinige Fokussierung auf bekannte Aktivitäten der Muttersubstanz für eine sichere Bewertung von TPs ausreicht.
After being administrated to humans or animals, pharmaceuticals may be metabolized by a variety of mechanisms and pathways within the body. Once these compounds and/or their metabolites are excreted, they may undergo degradation in the aquatic environment. Unfortunately, a rapid and complete mineralization cannot always be guaranteed, whereas relatively stable transformation products (TPs) may be formed. The largest part of older studies focused on investigation of the elimination kinetics of parent compounds without considering the amount and chemical structure of individual TPs. Only recently, there is an increasing trend to deliver such information. Nevertheless, since drugs are defined as significant environmental pollutants, it is not only important to elucidate their TPs, but also necessary to investigate whether these formed compounds preserve the same mode of action as the parent compound or are even more toxic. Thus, two main objectives of this thesis can be formulated. Firstly, to highlight the concern originated by metabolites and transformation products of pharmaceuticals that contaminate the environment. Hereby, the already-published knowledge on TPs within a certain selection of drugs is assessed to exemplify the number and quality of the existing information on their TPs. Secondly, to particularly investigate the fate of the antibiotic ciprofloxacin (CIP). This is done by (a) evaluating the suitability and sustainability of the photolytic decomposition as an advanced water treatment technique, (b) monitoring the course of genotoxicity of the irradiated mixtures using a battery of genotoxicity and cytoxicity in vitro assays, and (c) considering the potential genotoxicity for CIP´s individual TPs by the employment of in silico approaches using quantitative structure activity relationships (QSAR) models. This thesis based on the results and conclusions of five articles, which can be found in the appendix. A systematic literature review was conducted on the current state of knowledge on pharmaceuticals and its derivatives in the environment. Two groups, namely antibiotics and anticancer drugs, were considered more closely with respect to the availability of chemical structures for their TPs. Furthermore, the photodegradation of CIP as well as a preliminary toxicity assessment of its identified TPs were investigated in three research papers. An extensive review with a table at its core shows the existing data on 158 TPs, which already have an assigned registry number in chemical abstracts service (CAS-RN), was presented. In total, 294 TPs, identified with chemical structures in the literature, were found for 15 compounds out of the 21 that were selected as target compounds. Eleven TPs, created from CIP, were identified by high-performance liquid chromatography/high-resolution multiple-stage mass spectrometry. It was detected that the transformation of CIP mainly occurred through substitution of fluorine, defluorination, hydroxylation of the quinolone core and the breakdown of the piperazine ring. Some of the identified TPs of CIP were predicted as genotoxic by QSAR analysis, while the experimental testing for a few genotoxic and cytotoxic endpoints showed that the potential of the resultant mixtures could be primarily dependent on the concentration of residual CIP. In contrast, irradiation mixtures were neither mutagenic in the Ames Test nor genotoxic in the in vitro Micronucleus Test. It is possible that the effect of the TPs was masked by antagonistic mixture interactions and/or they were not formed at effectively concentrations. Nevertheless, all of the identified TPs of CIP still retained the core quinolone moiety, which is responsible for the biological activity. Thus, a more comprehensive assessment, encompassing more genotoxic endpoints, chemical analysis characterization and exposure analyses, needs to be conducted. Information available on TPs demonstrates that already slight changes in treatment conditions and processes result in the formation of different TPs. Nevertheless, most of the transformation products could neither be identified nor fully assessed regarding their toxicity. This, in turn, presents a major challenge for the identification and assessment of TPs. Hence, from a practical and sustainability point of view, limiting the input of pharmaceuticals into effluents as well as improving their (bio)degradability and elimination behavior, instead of only relying on advanced effluent treatments, is urgently needed. Solutions that focus on this
Recent studies have confirmed that the aquatic ecosystem is being polluted with an unknown cocktail of pharmaceuticals, their metabolites and/or their transformation products (TPs). Although individual pharmaceuticals are typically present at low concentrations, their continuous input into the aquatic ecosystem and their toxic and persistent presence are the major environmental concerns. Therefore, it is necessary to assess the environmental risk caused by these aquatic pollutants. Data on exposure are required for quantitative risk assessment of parent compounds and their transformation products (TPs) and/or metabolites. Such data are mostly missing, especially for TPs, because of the non-availability of TPs and very often metabolites for experimental testing. Therefore, the application of different in silico tools for qualitative risk assessment can be used. Also, the presence of these micro-pollutants (active pharmaceutical ingredients, APIs) in the aquatic cycle are increasingly seen as a challenge to the sustainable management of water resources worldwide due to ineffective effluent treatment and other measures for their input prevention. Given the poor prognosis for effluent treatment (‘end of the pipe’ approach) for input prevention of APIs in the environment, it is necessary to focus on the ‘beginning of the pipe’ strategy. The very beginning of the pipe is the molecules themselves. Therefore, novel approaches are needed like designing greener pharmaceuticals, i.e. better biodegradable ones in the aquatic environment after their release. Therefore, the present research work focused on two important topics a) assessment of the environmental risk associated with the presence of highly prescribed drugs and their TPs; b) demonstrating the feasibility of the ‘benign by design’ concept for designing biodegradable drug derivatives, which will have the better biodegradability in the environment after their release. The present thesis includes four research articles (1-4) which address these approaches. The first article is about the qualitative environmental risk assessment using the example of transformation products formed during photolysis (photo-TPs) of Diatrizoic acid (DIAT). Photolysis is the chemical reaction in which the compound is broken down by photons and often in combination with hydroxyl radicals. Photolysis is the most common abatement process of micro-pollutants in the environment. The qualitative risk assessment of DIAT and selected photo-TPs was performed by the PBT approach (i.e. Persistence, Bioaccumulation and Toxicity), using chemical analysis, experimental biodegradation test assays, QSAR models with several different toxicological endpoints and in silico read-across approaches. The second article addresses a tiered approach of implementing green and sustainable chemistry principles for theoretically designing better biodegradable and pharmacologically potent pharmaceuticals derivatives. Photodegradation process coupled with LC-MSn analysis, biodegradability testing and in silico tools such as quantitative structure-activity relationships (QSAR) analysis and molecular docking proved to be a very significant approach for the preliminary stages of designing chemical structures that would fit into the ´benign by design´ concept in the direction of green and sustainable pharmacy. Metoprolol (MTL) was used as an example. The third article was also the conceptual framework to get new drug derivatives that are biodegradable in order to tackle the global challenge of micro-pollutants in the aquatic cycle. This study increased the knowledge about the role of the attachment of certain functionalities to the parent drug molecule for its biodegradability whilst conserving drug-likeness. This approach was in the past a totally neglected issue within drug development. Atenolol (ATL), a selective β1 blocker, was selected as an example to incorporate the additional attribute such as biodegradability into its molecular structure while conserving its substructures responsible for β adrenergic receptor blocker activity. In fourth article, the concept of designing green biodegradable pharmaceuticals has been proven through expanded experimental analysis setting out from the experiences collected as described in article two and three. This study could be considered as a more extensive feasibility study of rational design of green drug derivatives. The non-selective β-blocker Propranolol (PPL) was used as an example. The risk assessment study (Article #1) contributes in enhancing the existing knowledge about the life cycle and behavior (fate) of pharmaceuticals with a special focus on photo-TPs which are generally formed during advanced effluent treatment and enter as such into the environment. Based on the obtained results, the application of the in silico tools for qualitative risk assessment analysis increased knowledge space about the environmental fate of TPs in case of their non-availability for experimental testing. The benign by design studies (Article #2-4) were based on the knowledge and experience collected during the work on DIAT. It demonstrated the feasibility of a novel approach of designing comparatively better degradable and pharmacological potent derivatives through the implementation of ´green chemistry´ principles. However, the present approach is in the juvenile stage and further knowledge has to be collected beforehand for the full implementation of this approach into drug development.
Perfluoroalkyl and polyfluoroalkyl substances (PFASs) have been widely used since 1950 in various consumer products as well as in industrial applications owing to their unique properties, e.g. being hydrophobic and lipophobic at the same time. Nowadays, some of these persistent and man-made PFASs can ubiquitously be found in humans, wildlife and various environmental media. One prominent representative of concern, belonging to the subgroup of perfluorocarboxylates (PFCs) and their conjugate acids (PFCAs), is perfluorooctanoat (PFO) and its conjugate acid (PFOA). Because of its adverse effects on human health and its persistency in the environment industry has started to replace PFO(A) and related long chain chemicals (with seven and more fully fluorinated carbon atoms) with so-called short chain PFASs (less than seven fully fluorinated carbon atoms), including precursors of PFC(A)s. Also these short chain PFC(A)s are persistent and can already be found in humans, ground- and drinking water and in remote regions. However, knowledge gaps exist in understanding the partitioning and the resulting mobility of short chain PFC(A)s in the environment. This is due to the fact that partitioning data of PFC(A)s from standardised experiments can easily be biased by various artefacts, e.g. self-aggregation of the molecules. Therefore, the objectives of this thesis are (i) to quantify the partitioning of PFC(A)s into mobile environmental media, (ii) to show how results from non-standard tests can be used to assess substance properties of concern and (iii) to conclude on whether the environmental exposure to short chain PFC(A)s is of concern from a regulatory point of view. In the first part of this thesis, the environmental mobility of short chain C4-7-PFC(A)s was investigated by quantifying their partitioning under non-standardised semi-environmental conditions into mobile environmental media, focusing on water and air, and comparing it to long chain PFC(A)s. Results are: Partitioning between water and particles in the aeration tank, primary and secondary clarifier of a wastewater treatment plant (WWTP) showed no distinct differences for short chain PFC(A)s compared to their long chain homologues (Paper 1). In a water-saturated sandy sediment column short chain PFC(A)s were not retarded, whereas long chain homologues were retarded by sorption to the sediment (Paper 2). Atmospheric particle-gas partitioning showed a lower fraction sorbed to particles for short chain PFC(A)s compared to long chain ones in samples from a WWTP (Paper 3). Air-water concentration ratios based on samples from the tanks of a WWTP were found to be higher for short chain PFC(A)s compared to long chain PFC(A)s (Paper 1). Additionally, in a newly developed experimental set-up the water to air transfer was used to derive that the pKa of C4-11-PFCAs must be <1.6 instead of up to 3.8 as reported in the literature (Paper 4). Overall, in the investigated systems short chain PFC(A)s showed a higher mobility due to a more pronounced partitioning into mobile environmental media compared to long chain PFC(A)s. In the second part of the thesis it was shown how PFO(A) - owing to its persistent, bioaccumulative and toxic (PBT-)properties – was in the context of this thesis successfully assessed as a substance of very high concern according to the criteria of the European REACH Regulation (EC No 1907/2006) by using data from non-standard tests (Paper 5). In conclusion, based on the knowledge of the high environmental mobility of short chain PFC(A)s and taking into account the argumentation of the PBT-concern of PFO(A), environmental exposure to short chain PFC(A)s is of concern and existing knowledge is already sufficient to initiate measures to prevent emissions of short chain PFC(A)s and their precursors into the environment.
Neben optischen und akustischen Reizen werden verschiedenste Chemikalien für den Austausch von Informationen zwischen Lebewesen benutzt. Sie signalisieren Nahrungsquellen, Geschlechtspartner, Konkurrenten, Feinde und vieles mehr. Chemikalien, die für den Austausch von Informationen benutzt werden, wer- den als Botenstoffe, englisch Infochemicals, bezeichnet. Die Eigenschaft einer Substanz, als Botenstoff zu wirken, wird als ”Infochemical Effect“ bezeichnet. Zu diesen Botenstoffen gehören auch viele Substanzen, die als Duftstoffe in Produkten des täglichen Bedarfs eingesetzt werden. Viele Produkte zur Des- infektion, Reinigung und Körperpflege enthalten Duftstoffe, um unangenehme Gerüche zu maskieren und das Ergebnis zu unterstreichen. Der überwiegende Teil dieser Stoffe gelangt, wenn sie bestimmungsgemäß angewendet werden, ins Abwasser. Wenn sie nicht durch die Abwasserbehandlung mineralisiert werden, können sie in die aquatische Umwelt gelangen, als Botenstoffe Organismen er- reichen und diese zu falschen Reaktionen veranlassen. Diese Störung wird als ”anthropogenic Infochemical Effect“ bezeichnet. Über einen Zeitraum von drei Jahren wurde für das Universitätsklinikum Freiburg (UKF) und die Friedrich-Husemann-Klinik (FHK) der Einkauf von Duftstoffen aus Wasch-, Reinigungs- und Desinfektionsmitteln bilanziert. Aus- gewählte, am UKF verwendete Produkte wurden mit Festphasen-Mikroextraktion (Solid Phase Micro Extraction) (SPME), Gaschromatographie gekoppelt mit Flammenionisationsdetektor (GC-FID) und Gaschromatograph gekoppelt mit Massenspektrometer (GC-MS) auf die in ihnen enthaltenen Duftstoffe unter- sucht. Die gefundenen Duftstoffe wurden auf ihre biologische Abbaubarkeit und ihr Verhalten bei UV-Bestrahlung untersucht. Zusätzlich wurden die be- rechnete regionale Umweltkonzentration (Predicted Environmental Concentra- tion) (PECregional) und, soweit Daten zur Toxizität vorlagen, auch der Risiko- quotient (Risk Characterization Ratio) (RCR) berechnet. Für das UKF war der Verbrauch pro Bett und Tag und die Abwasserkonzentration höher als an der FHK. Die Duftstoffe wurden bei beiden Kliniken über dieselben Produktgruppen eingetragen. Die Daten aus der Bilanzierung mit EUSES dagegen ergab für die meisten untersuchten Substanzen eine wesentlich geringere Umweltkonzentration. Keiner der Duftstoffe erreichte einen RCR über eins. In den Abbautests nach Norm 301D und 301F der Gemeinschaft für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (Organisation for Economic Co-operation and Developement) (OECD) erwiesen sich einige Duftstoffe als nicht leicht biologisch abbaubar. Für den Duftstoff 2-(- 4-tert-Butylbenzyl)propionaldehyd konnten verschiedene Transformationsprodukte gefunden werden. Zwei dieser Transformationsprodukte konnten identifiziert und entsprechende Standards synthetisiert werden. Die Modellierung toxischer Effekte durch Programme, die quantitative Struktur-Wirkungs-Beziehung (Quantitative Structure-Activity Relationship) (QSAR) Berechnungen verwenden ergab, dass die Transformationsprodukte höhere Aktivitäten als die Ursprungssubstanz besitzen. Für einige der untersuchten Substanzen wurden Wirk- schwellen für einen Infochemical Effect ermittelt. Keiner der Duftstoffe erreichte mit seinem PECregional diese Wirkschwelle. Ein anthropogener Infochemical Ef- fect kann aber nicht ausgeschlossen werden, da Daten zu Wirkschwellen nur für einzelne Organismen gefunden werden konnten.
Herbizide, die durch Spray-Drift, Volatilisation oder Winderosion aus landwirtschaftlichen Flächen ausgetragen werden können wiederum auf Nichtzielpflanzen gelangen. Es wird angenommen, dass Wälder eine Senke für luftgetragene Pestizide darstellen. Wirkungen von luftgetragenen Herbiziden auf Nichtzielpflanzen können nicht ausgeschlossen werden. An Blättern von Nichtzielpflanzen haftende Herbizide können wiederum durch Regenereignisse aus der Laubschicht ausgewaschen werden und in den Boden gelangen. Welche Stoffe nach deren Deposition ausgewaschen werden oder aber in der Laubschicht verbleiben hängt vom Verteilungsverhalten an der Blattoberfläche ab. In der vorliegenden Dissertation wurde das Verteilungsverhalten von current-use Herbiziden und einiger ihrer Abbauprodukte an der Oberfläche von Nichtzielpflanzen bestimmt. Als Modellorganismus diente die Waldkiefer Pinus Sylvestris L. mit deren Nadeln Versuche zur Charakterisierung des Adsorptions- und Desorptionsverhaltens von 55 Herbiziden aus wässrigen Lösungen durchgeführt wurden. Es wurden Verteilungsversuche sowohl mit rekonstituiertem epikutikulärem Wachs als auch mit intakten Kiefernnadeln durchgeführt. Für den Stoff Terbuthylazin konnte bei Versuchen mit rekonstituierten epikutikulären Wachsen eine Aufnahme aus der wässrigen Lösung in das Wachs festgestellt werden. Der Verteilungskoeffizient zwischen Wachs und Wasser betrug für die Adsorption log KWachsW = 3, 0. Für die Desorption wurde ein höherer Verteilungskoeffizient von log KWachsW = 3, 3 ermittelt und auf Grund der Differenz eine teilweise irreversible Bindung des Terbuthylazins an das epikutikuläre Wachs angenommen. Sorptionsversuche mit wässrigen Lösungen und intakten Kiefernnadeln zeigten für 19 weitere Herbizide mit einem log KOW > 3,8 eine schnelle Adsorption aus der wässrigen Phase an die Nadeloberfläche mit einer mittleren Lebensdauer für die Adsorption von 12 Minuten (Aclonifen, Bifenox, Bromoxynil-octanoat, Diflufenican, Fenoxaprop-p-ethyl, Fluazifop-p-butyl, Fluroxypyrmeptyl, Haloxyfop-ethoxyethyl, Haloxyfop-methyl, Mefenpyr-diethyl, PCP, Pendimethalin, Picolinafen, Propaquizafop, Prosulfocarb, Pyridate, Quizalofop-ethyl, Triallate und Trifluralin). Die für diese Stoffe ermittelten Kutikula/Wasser-Verteilungskoeffizienten liegen im Bereich log KCW = 3,3 bis 4,8. Für 7 Stoffe war nach einer schnellen Verringerung der Konzentration in der wässrigen Phase eine weitere stetige Abnahme der Herbizidkonzentration mit einer Lebensdauer unter 2000 Minuten zu beobachten (Fluroxypyr-meptyl, Fenoxaprop-p-ethyl, Propaquizafop, Quizalofop-ethyl, Trifluralin, Fluazifop-p-butyl und Haloxyfop-methyl), was durch eine Aufnahme der Stoffe über die epikutikuläre Wachsschicht in das innere Gewebe der Kiefernnadeln erklärt werden kann. Die Stoffe Bromoxynil-octanoat, Fluroxypyr-meptyl, Propaquizafop, Quizalofop-ethyl und Trifluralin zeigten eine irreversible Aufnahme aus wässrigen Lösungen in Kiefernnadeln. In einem Laborversuch wurde die Deposition von Herbiziden auf intakten Kiefernnadeln simuliert. Die Verteilung zwischen der epikutikulären Wachsschicht, Niederschlagswasser und den nach Extraktion mit Dichlormethan verbleibenden Nadeln wurde für das Herbizid Isoproturon und seine Abbauprodukte ermittelt. Das hierfür entwickelte Versuchsdesign erlaubte die Messung der Verteilungsvorgänge an intakten, noch am Zweig befindlichen Kiefernnadeln. Die Translokation, Volatilisation und die Bildung von Abbauprodukten konnten quantifiziert werden. Die Laborversuche ergaben, dass Isoproturon bei Kontakt mit wässrigen Lösungen sofort (Lebensdauer unter 1 Minute) von der Oberfläche der Kiefernnadeln desorbiert und nicht in das innere Gewebe der Kiefernnadel aufgenommen wird. Darüber hinaus treten bei Driftrückständen kleiner Stoffmenge und Schichtdicke (1 ng/mm²) für Isoproturon hohe Verluste (zwischen 47 und 88 % der ursprünglich applizierten Menge) durch Volatilisation und abiotischen Abbau auf. Aus den Ergebnissen der Laborversuche können Rückschlüsse zum Verbleib des Herbizids Isoproturon im Waldökosystem getroffen werden. Sie zeigen, dass Driftrückstände von polaren Herbiziden durch Regenereignisse aus der Vegetationsoberfläche von Nichtzielpflanzen ausgetragen werden und in andere Umweltkompartimente gelangen können.
The objective of the work described in this thesis is to improve our understanding of factors that affect the depletion of gaseous elemental mercury (GEM) from the atmosphere during the Arctic springtime. This was accomplished through research undertaken and described in three publications. Atmospheric mercury depletion events (AMDEs) are now an established phenomenon in the high Arctic whereby the long-lived GEM is oxidized in the air through a series of photochemically-initiated reactions involving halogens and ozone. This chemistry produces reactive gaseous mercury (RGM) and particulate bound mercury (PHg) which both have shorter atmospheric residence times than GEM and deposit more readily to the snow and ice surfaces. This is a means by which mercury can be transferred from the atmosphere to the Arctic environment that was unknown prior to 1995 when AMDEs were discovered. An extensive review paper was completed that summarizes mercury work in the high Arctic in the ten years following the discovery of AMDEs. This review was followed by two papers investigating the processes around atmospheric mercury in the Arctic springtime
In der vorliegenden Arbeit wurden in unterschiedlichen aquatischen biologischen Proben Akkumulationsuntersuchungen ausgewählter Elemente durchgeführt. Als Probenmaterial dienten Biofilme und Zooplankton aus verschiedenen aquatischen Systemen (bergbaube einflusst und unbeeinflusst). Beide biologisch unterschiedlichen Habitate können einer seits extrem empfindlich auf erhöhte Elementkonzentrationen reagieren. Andererseits können sie sich durch verschiedenste Mechanismen und „Überlebensstrategien“ an erhöh te Metallkonzentrationen adaptieren. In der aquatischen Nahrungskette sind sie ein wich tiges Bindeglied und zeigen den ökologischen Zustand natürlicher Gewässer an. Für Biofilme und Zooplankton wurden im Rahmen dieser Arbeit deshalb Methoden ent wickelt und modifiziert, um bei Probenmaterialien im μg-Bereich effektive reproduzier bare Elementbestimmungen durchführen zu können. Die Anwendung war für Biofilme weniger kompliziert, da mit 500 μg ausreichend Probenmaterial zur Verfügung stand. Analytisch aufwendiger stellte sich die Anwendung für Zooplankton heraus. Hier lag der Fokus in der Elementbestimmung auf Einzelindividuen, deren Absolutgewichte zwischen 10 und 50 μg lagen. Parallele Untersuchungen ausgewählter Referenzmaterialien bestätigten die Eignung dieser Methode. Mit dem Einsatz einer Kalt-Plasma-Veraschung zur Reduzierung der organischen Matrix konnte die Methode weiter modifiziert werden. Für die Elementakkumulation in Biofilmen wurde die Eignung natürlicher und künstlicher Aufwuchsträger untersucht und verglichen. Daraus schlussfolgernd ergaben sich Untersuchungen zur Elementakkumulation in Biofilmen zweier unterschiedlicher Oberflä chengewässer. Einerseits machte die Bewertung von Biofilmen innerhalb von Longitudinalprofiluntersuchungen eines bergbaubeeinflussten Fließgewässers (Tisza, Un garn) den Einfluss von Schadstoffeinträgen nach Havarie-Ereignissen sichtbar. Anderer seits ergaben Untersuchungen an natürlichen Biofilmen eines Stollensystems zur Halden entwässerung (Mansfelder Land, Mitteldeutschland) zeitabhängige Sorptionseffekte ausgewählter Elemente. Die angewendeten Methoden wurden unter optimalen Laborbedingungen und unter Ein haltung der Guten Laborpraxis (GLP) entwickelt. Als Analysentechnik standen zwei TXRF-Geräte zur Verfügung, die prinzipiell für Elementanalysen mit kleinsten Proben mengen bzw. Probenvolumina auskommen. Sowohl die stationäre als auch die portable TXRF waren für alle Untersuchungen sehr gut geeignet und erbrachten im Vergleich mit zertifizierten Referenzmaterialien akzeptable Wiederfindungsraten. Weiterhin galt es zu überprüfen, inwieweit die zur Verfügung stehende Analysentechnik auch mobil eingesetzt werden kann. Dafür wurde die entwickelte „Wet“ Methode vor Ort in Ungarn angewendet und der Elementgehalt in einzelnen Zooplanktonindividuen semi quantitativ bestimmt. Die eingesetzte portable TXRF vom Typ S2 PICOFOX™ erwies sich für diese Fragestellung als sehr gut geeignet. Abschließend wurden die ermittelten Elementakkumulationen in ausgewählten biologischen Proben der Biofilme und im Zooplankton anhand der Grenzwerte der EU-WRRL bewertet.
Ausgehend von der Zielsetzung, eine Methode bzw. ein Verfahren zur Überwachung der Verockerungstendenz eines Aquiferwärme- und Kältespeichersystems zu entwickeln, wurden die beteiligten Prozesse untersucht. Insbesondere wurde die Kinetik autokatalytischer und biologischer Vorgänge bei der Oxidation des im Wasser gelösten Eisen(II) erarbeitet und der Gesamtprozess aus biotischen und abiotischen Vorgängen in Abhängigkeit vom Eisengehalt des Wassers, pH-Wert, Sauerstoffkonzentration, Temperatur und Ionenstärke modelliert. Hierfür wurde insbesondere die katalytische Aktivität biotisch gebildeten Eisenschlamms im Vergleich zu abiotisch gebildetem Eisenoxid untersucht. Zur Berechnung der Verockerungsneigung auf der Basis der abgebildeten Vorgänge wurde der einfach zu erfassende und weit verbreitete Parameter des Redoxpotentials, gemessen mit einer Platinelektrode, genutzt. Im Ergebnis hierzu durchgeführter Laborversuche zeigte sich, dass das Redoxpotential in natürlichen Wässern hauptsächlich vom Redoxpaar Fe2+/Fe3+ abhängig ist, während andere Wasserinhaltsstoffe wie Sulfat, Mangan und Ammonium eine gehemmte Elektrodenkinetik aufweisen. Dabei kann die Fe3+-Aktivität nach Grenthe und Stumm auf der Basis des Löslichkeitsprodukts berechnet werden [Grenthe & Stumm 1992]. Mit Daten von Millero und verschiedenen Coautoren bezüglich des Autoprotolyseprodukts des Wassers in Abhängigkeit von der Temperatur und Ionenstärke sowie zum Eisen(III)hydroxid-Löslichkeitsprodukt in Meerwasser, das mithilfe des von der Ionenstärke abhängigen Autoprotolyseprodukts auf eine Ionenstärke von 0 M umgerechnet wurde, gelang eine nahezu exakte, bis dahin nicht mögliche Repräsentation des Temperaturverlaufs des Redoxpotentials einer Eisen(II)-Lösung. Es zeigte sich zudem eine Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt, die bei Anwesenheit von Eisen in der Lösung einer logarithmischen Abhängigkeit entsprach und einen zu korrigierenden Messfehler aufgrund einer Veränderung der Platinelektrodenoberfläche darstellt [Whitfield 1974]. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurden die in den untersuchten Aquiferspeicheranlagen gemessenen Redoxpotentiale mithilfe wasseranalytischer Daten auf Abhängigkeiten untersucht. Es konnte der Einfluss von Sauerstoff, Carbonat, Sulfat, Chlorid und Hydroxidionen sowie gelöster organischer Substanz untersucht und diskutiert werden. Mithilfe eines einfachen linearen Modells konnte das Redoxpotential bis auf eine Genauigkeit von 8 mV erhalten werden, was der Ungenauigkeit von 0,02 pH-Stufen entspricht. Insbesondere wurden Carbonat- Hydroxocarbonat- und Hydroxokomplexe diskutiert, die einen Einfluss auf die Eisenoxidation besitzen. Bestehende Modelle zur Berechnung von Molekülorbitalen zeigen tendenziell zu den veröffentlichten Reaktivitäten verschiedener Spezies passende Ergebnisse und bieten einen Erklärungsansatz für diesbezügliche Prozesse und einen Ansatzpunkt für weitere Forschung. Es kann als Vorteil einer Messung der Eisen(II)-Ionenaktivität mithilfe des Redoxpotentials gesehen werden, dass die Ionenstärke sowie komplexierende Wasserinhaltsstoffe mit ihrer Wirkung auf die Eisen(II)-Ionen und die Eisen(III)-Hydroxidbildung direkt mit erfasst werden. Dieses Verfahren eignet sich daher gut für die kinetische Berechnung der Eisen(III)-Hydroxid-Bildungsrate, der Bildungsgeschwindigkeit des primären stabilen Oxidationsprodukts der Eisen(II)-Oxidation in wässriger Phase. Jedoch muss für die Berechnung des Autoprotolyseprodukts die Ionenstärke bekannt sein, die sich überschlägig aus der Leitfähigkeit berechnen lässt. Aus den im Rahmen regelmäßiger Beprobungen in der untersuchten Anlage erhaltenen pH-Werte, Redoxpotentiale, Leitfähigkeiten und Temperaturen wurden die Eisen(III)-Hydroxid-Bildungsraten berechnet und mit Beobachtungen in der Anlage verglichen. Es zeigte sich eine zeitliche Übereinstimmung hoher berechneter Werte mit Zeiten besonders starker Verockerung und dem Auftreten schwefeloxidierender Bakterien. Für eine quantitative Überprüfung wurde die Eisen(III)-Hydroxidbildung während der Aufenthaltszeit des Wassers in der Kältespeicheranlage zwischen Förderbrunnen und Filter berechnet und mit dem Austrag von Eisen durch die Filter verglichen. Es zeigte sich eine weitgehende Übereinstimmung. Die abgeschiedenen Partikelmengen ließen sich ab einer Partikelfracht von ca. 0,05-0,1 mgL-1 berechnen, wobei dies durch Ungenauigkeiten der verwendeten Analytik und der getroffenen Annahmen begrenzt wird. Anhand dieser Berechnungen ließen sich auch die Einflüsse katalytischer und mikrobieller Prozesse diskutieren, die insbesondere in der intensiv untersuchten Kältespeicheranlage auftraten. In dieser Anlage wurde für den Eintrag von Eisen in die Filter der Anlage kein starker Einfluss dieser Prozesse festgestellt. In der Brunnenverfilterung selbst kann jedoch örtlich ein starker Einfluss bestehen, der technisch durch die verstärkte Brunnenverockerung relevant ist. Die Berechnungsmethode wurde in weiteren Fällen überprüft und bestätigt. Sie ist geeignet, um Verockerungsprozesse zu überwachen. Dabei können auch mikrobielle Abläufe und katalytische Prozesse in eine automatisierte Auswertung einbezogen werden. Abschließend wurde die Anwendung bezüglich Korrosion in Heiz- und Kühlsystemen und anderen Anlagen diskutiert.