02 Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
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Item Open Access Persistente organische Spurenstoffe in Kompost und Rückständen der Biomassevergärung - Belastungsituation, Abbau und Bewertung(2011) Stäb, Jessica; Metzger, Jörg (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich deshalb mit der Analyse verschiedener ausge- wählter organischer Spurenstoffe, sowohl in Komposten als auch in Gärresten. Die Pro- bennahme erfolgte dabei monatlich über ein Jahr hinweg - Proben wurden sowohl von den fertigen Produkten als auch von den Zwischenstufen genommen. In Laborversuchen wurden kontaminierte Materialien den bei der Kompostierung auftretenden Temperatu- ren ausgesetzt, um das Verhalten der Schadstoffe zu beobachten. Desweiteren wurden Versuche zur Aufnahme der analysierten Schadstoffe in Kompostwürmern (Eisenia feti- da) und Pflanzen (Weizen) durchgeführt, sowie Ausgangsmaterialien der Kompostierung und Vergärung analysiert. Hierbei wurden in allen Kompost- und Gärrestproben die Schadstoffe bzw. Schadstoff- gruppen DEHP, 16-EPA-PAK, PCB7, PBDE9, p,p’-DDE, DBE, BBP sowie Nonylphe- nole in quantitativen Mengen gefunden. In einem GC-MS-Screening konnten außerdem verschiedene Fettsäuren, Terpene, PAK-Derivate, Insektizide und Aromastoffe wie Va- nillin und Limonen nachgewiesen werden. In Gärresten lagen die Schadstoffkonzentratio- nen im Allgemeinen höher als in den Kompostproben. Die geringsten Konzentrationen konnten in den Proben des Grüngutkomposts ermittelt werden. Grenzwerte, soweit sie existieren, wurden hierbei nur im Falle von DEHP für einige norwegische Gärrestproben überschritten. Während der Kompostierung, Vergärung und insbesondere der Gärrest- trocknung konnte ein Rückgang der Konzentrationen der Schadstoffe DEHP und der PAK beobachtet werden, ebenso wie bei den Thermoversuchen im Labor. Zwischen der Belastungssituation der Proben, die aus Anlagen mit unterschiedlicher Prozessführung und aus verschiedenen Ländern genommen wurden, zeigten sich deut- liche Unterschiede. So wurden in den norwegischen Komposten und Gärresten deutlich höhere Konzentrationen an DEHP nachgewiesen. In den deutschen Anlagen hingegen wurden höhere Belastungen an PAK, PCB und PBDE festgestellt. Dies mag mit der unterschiedlichen Verwendung der Stoffe, sowie im Falle der PAK, die im Wesentlichen durch Verbrennungsprozesse entstehen, mit einer unterschiedlichen Besiedlungsdichte der Länder zusammenhängen. Betrachtet man die Hintergrundbelastung von Böden mit den beiden Schadstoffgruppen der PCB und PBDE, so zeigen sich deutlich geringere Konzentrationen in Norwegen als in Deutschland. Auch dies mag neben der früheren Verwendung mit der geringeren Besiedlungsdichte zusammenhängen. Hingegen ist die erhöhte Belastung des norwegischen Gärrestes mit DEHP eher prozessbedingt. Eine deutlich geringere Belastung als für die anderen Probentypen konnte für den Kom- post aus reinem Grünschnitt festgestellt werden. Eine Belastung mit Industriechemikali- en trat hier kaum auf. Der Kompost aus der Containerkompostierung wies eine deutlich geringere PAK-Belastung auf als die anderen untersuchten Komposte. In diesem Fall ist ein Eintrag der PAK über den Luftweg während der Hauptrotte ausgeschlossen. Ein deutlicher Unterschied kann auch zwischen der anaeroben und aeroben Abfallbehand- lung beobachtet werden. In den Gärrestproben wurden deutlich höhere Konzentratio- nen nachgewiesen als in den Kompostproben (siehe Kapitel 4.1.1: Konzentrationen der einzelnen Verbindungen). Die Eliminierung der verschiedenen Schadstoffe während der Kompostierung/Vergärung wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst. So spielen so- wohl Temperatur, Dauer des Prozesses, als auch die beteiligten Mikroorganismen eine entscheidende Rolle. Neben dem Abbau haben weitere Faktoren wie Mineralisierung, nichtkovalente und kovalente Bindung an Partikel (z.B. Humus) und Evaporation einen Einfluss auf die Konzentrationsabnahme der Schadstoffe. Vor allem die Trocknung des Gärrestes nach der Vergärung führt zu einem hohen Konzentrationsverlust an DEHP und den flüchtigeren PAK. Auch die Temperatur während der Vergärung und damit die beteiligten Mikroorganismen scheinen einen Einfluss auf die Schadstoffkonzentra- tion zu haben. Gärrest aus einer mesophilen Vergärung weist deutlich höhere DEHP- Konzentrationen auf als Gärrest aus der thermophilen Vergärung (siehe Kapitel 4.1.2: Abhängigkeit der Konzentration vom Kompostierungsgrad und der Trocknung des Gär- restes ). Experimente zur Untersuchung des Einflusses der Temperatur auf Abbau und Mineralisierung haben ebenfalls gezeigt, dass die Temperatur einen großen Einfluss auf die Schadstoffkonzentration ausübt.Item Open Access Evaluating SDG Indicators 6.1.1 and 6.2.1 taking into Consideration the Importance of Gender Equality(2018) Kramer, Hanna KatharinaThe present thesis examines the selected indicators to monitor the Sustainable Development Goal (SDG) targets 6.1 and 6.2 of the 2030 Agenda adopted at the United Nations in 2015. It gives an overview of the most important theoretical concepts of indicator development. To evaluate the indicators, further research was done on the interrelation of gender and Water Sanitation and Hygiene (WASH), and the concrete challenges women and girls must face. This includes an overall look at the human right principle of equality and the requirements for the human right to water and sanitation. A Joint Monitoring Programme (JMP) comprising World Health Organization (WHO) and United Nations International Children’s Emergency Fund (UNICEF) is recently responsible for monitoring SDGs 6.1 and 6.2. The programme developed so-called service ladders for monitoring the achievements of the targets. This work continued with the idea of these service ladders and advanced those through the inclusion of all elements of the human right criteria to water and sanitation. Thereby the indicator covers a broader range of aspects stated by the target. Including the target statement, to pay special attention to the needs of women and girls. Furthermore, the application of these service ladders is part of this work. This was possible in the course of a case study in Peru. In order to close existing data gaps and to support the application of the advance service ladders, a Transect Walk has been conducted in San Andrés de Tupicocha/ Huarochirí. The Transect Walk proved to be a valuable instrument in collecting treasured information which goes beyond survey data from national censuses. The use of the indicators in San Andrés de Tupicocha has shown that it is possible with simple means to monitor other aspects of the target, in the awareness of the urgency to leave no one behind to achieve equality and sustainability. In addition to the Transect Walk, the case study included interviews of different institutions like research institutions, public entities, and NGOs to gain an insight into the views of the various stakeholders on the subject.Item Open Access Synthetische organische Spurenstoffe in der aquatischen Umwelt und ihr Verhalten im Klärprozess(2005) Schneider, Carmen; Metzger, Jörg W. (o. Prof. Dr. rer. nat.)Der erste Teil der Arbeit beschäftigte sich mit dem Eintrag, dem Vorkommen und dem Verhalten pharmazeutischer Wirkstoffe in der aquatischen Umwelt. Zur Abschätzung der Gewässerbelastung durch Arzneimittel wurden Fließgewässer untersucht. Es zeigte sich, dass in allen Gewässern mit einer solchen Belastung zu rechnen ist, auch in nicht abwasserbeeinflussten Flüssen. Die photochemischen Untersuchungen zeigten, dass Arzneiwirkstoffe mit direkt photolytisch spaltbaren labilen Bindungen leicht abbaubar sind. Die durchgeführten Adsorptionsversuche sollten Anhaltspunkte über das Verhalten von Arzneimitteln beim Einsatz von Aktivkohle in der kommunalen Abwasserreinigung liefern. In erster Linie scheinen gewisse strukturelle Parameter das Adsorptionsverhalten der Verbindungen zu bestimmen. Befunde von Arzneimitteln im gereinigten Abwasser von Kläranlagen bestätigen die kommunale Kläranlage als Hauptemittent für diese Spurenstoffe in die aquatische Umwelt. Die statistische Auswertung der untersuchten 24 Abwasserproben aus dem Zulauf von fünf verschiedenen Kläranlagen zeigt, das 54 % der gemessenen Arzneimittelkonzentrationen im Bereich von 10 ng/l bis < 250 ng/l lagen. Mit Medianwerten größer 1 µg/l traten die Pharmaka Ibuprofen, Bezafibrat und Diclofenac in den untersuchten Kläranlagenzuläufen auf. In den untersuchten Schwebstoffen des Kläranlagenzulaufs wurden insbesondere Piroxicam, Bezafibrat sowie Dimethylaminophenzon, Primidon und Dihydrocodein mit Mediankonzentrationen zwischen 32 ng/l und 166 ng/l nachgewiesen. In den 25 untersuchten Abwasserproben aus Kläranlagenabläufen lagen 46 % der gemessenen Konzentrationen im Bereich von 10 ng/l bis < 100 ng/l und im Vergleich zum Zulauf nur noch 0,3 % im Konzentrationsbereich 2 µg/l. Die untersuchten Abwasserproben aus Kläranlagenzuläufen wiesen ein auffallend ähnliches Analytenmuster auf. Im Gegensatz dazu ist das Analytenprofil des gereinigten Abwassers als charakteristischer „Fingerabdruck“ für die individuelle Anlage anzusehen, das vor allem durch die Stoffspezifität der Eliminierungseffizienz beeinflusst wird. Als weiterer möglicher Eintragspfad von Arzneimitteln in die Umwelt, neben dem Abwasser bzw. der Kläranlage, kommt prinzipiell ihre geordnete Entsorgung in Frage, da deponierte Arzneimittelabfälle mit dem Sickerwasser ausgetragen werden können. Im Deponiesickerwasser waren die Mediankonzentrationen der Arzneistoffe im Vergleich zu Kläranlagenzuläufen sehr hoch. Mit den höchsten Mediankonzentrationen trat dabei das Insektenrepellent Diethyltoluolamid (5208 ng/l), das Schmerzmittel Ibuprofen (4910 ng/l) und Propyphenazon (3107 ng/l) auf. Als schwebstoffgebundene Arzneimittel des Deponiesickerwassers wurden insbesondere Primidon, Dihydrocodein sowie Ifosfamid, Diethyltoluolamid und Dimethylaminophenazon nachgewiesen. Die in dieser Arbeit definierten Indizes IBDI und IPCD eignen sich zur Charakterisierung und für den Vergleich unterschiedlicher Probenarten. Mit ihrer Hilfe können auch Aussagen über Abbau- und Eliminationsprozesse sowie die Gewässerbelastung getroffen werden. Auch für eine Beurteilung der Belastungssituation von Abwässern können die Indizes durchaus herangezogen werden. Zusammen mit anderen abwassertechnischen Leitparametern könnten diese als „Leitindices“ mitbestimmt werden. Auch eine Aufnahme der Indizes in Umweltüberwachungsprogrammen wäre gegebenenfalls sinnvoll. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigte sich mit dem Verhalten weiterer synthetischer organischer Spurenstoffe im Klärprozess. Es zeigte sich, dass die Verteilung der Verbindungen zwischen wässriger Phase und Partikelphase einen erheblichen Einfluss auf die Elimination der Spurenstoffe in den einzelnen Prozessschritten des Klärprozesses hat. Die Phasenverteilung der Substanzen im Abwasser stimmte dabei gut mit ihren chemisch-physikalischen Eigenschaften überein und kann für eine Abwasserart (z.B. Ablauf Oxidationsgraben) in gewissen Grenzen vorhergesagt werden. Unterschiede in der Phasenverteilung der Verbindungen, wie sie beispielsweise in den beiden Zuläufen zum Lehr- und Forschungsklärwerk auftraten, machen jedoch auch den Einfluss weiterer Faktoren wie Abwasserzusammensetzung, Partikelgröße und Partikelstruktur deutlich. Während der Klärwerkspassage ändert sich die Phasenverteilung einer Verbindung. Um Aufschluss darüber zu erhalten, ob die Art des Prozesses einen Einfluss auf den biologischen Abbau einer Verbindung hat, wurden vier verschiedene biologische Systeme (Oxidationsgraben, Belebungsverfahren, Scheibentauchkörper und Tropfkörper) mit dem gleichen Abwasser beschickt. Für die hier diskutierten organischen Spurenstoffe wies der Oxidationsgraben im allgemeinen die höchsten Eliminationsraten mit den geringsten Schwankungen auf. Eine lange Verweilzeit und ein hohes Schlammalter scheint die Elimination der Verbindungen zu verbessern.Item Open Access Mikrobiologischer Abbau verzweigter kurzkettiger Aliphaten am Beispiel Methylpropen(2023) Helbich, Steffen; Engesser, Karl-Heinrich (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Die Stämme IBE100 und IBE200 wurden aus Belebtschlamm einer Kläranlage mit Methylpropen (MP) als alleinige Kohlenstoff- und Energiequelle isoliert. Mittels Vergleich der 16S rRNA sowie hsp65 Gensequenzabschnitte und Genom-basierter Taxonomie wurden die Stämme IBE100 und IBE200 den Spezies Mycolicibacterium gadium und Mycobacterium gordonae zugeordnet. Diese obligat aeroben Bakterien sind Oxidase- und Katalase-positiv, säurefest, nicht motil und bilden gelb-pigmentierte, kreisförmige, flache Kolonien aus. Aufgrund der wachsartigen Beschaffenheit der Zellen wurden Flüssigkulturen mit dem Detergenz Triton X-100 versetzt, um ein starkes Verklumpen zu vermeiden. Neben dem Isolationssubstrat Methylpropen (IBE100: µ = 0,018 h-1 und IBE200: µ = 0,025 h-1) unterscheiden sich die Stämme in der Nutzung der Substrate, die als alleinige Kohlenstoff- und Energiequellen verwendet werden können. Stamm IBE100 ist in der Lage, auf den vermuteten Metaboliten von MP, 1,2-Epoxy-2-methylpropan, 2-Methylpropan-1,2-diol, 2 Hydroxyisobuttersäure, 3-Hydroxybuttersäure sowie Glucose, Fructose und Vollmedien (LB, NB, TB) zu wachsen, Stamm IBE200 hingegen nicht. Strukturanaloga von MP und seinen Metaboliten (verzweigte kurzkettige Alkene, Epoxide, vicinale Diole), zyklische aliphatische Verbindungen und Aromaten induzierten bei beiden Stämmen kein Wachstum. Die cometabolische subterminale Oxidation von n-Butan durch dieselbe Monooxygenase, die MP oxidiert, wurde ebenso nachgewiesen wie ihre Induzierbarkeit durch MP und die Indigobildung aus Indol. Eine am Abbauweg von MP beteiligte Alkohol-Dehydrogenase, welche die Oxidation von 2 Methylpropan-1,2-diol katalysiert, ist nicht homolog zu beschriebenen Enzymen gleicher Funktion, die in Abbauwegen von tert-Butanol und 2-Methylpropan-1,2-diol vorkommen. Es konnte gezeigt werden, dass die Dehydrogenase im Zellextrakt NADP gegenüber NAD bevorzugt. Aus der Sequenzierung des Gesamtgenoms, einer differenziellen Expressionsanalyse und einem Peptidmassen Fingerprint wurde ein Abbauweg für Methylpropen abgeleitet. Die identifizierten Schlüsselgene codieren für eine lösliche 4-Komponenten-di-Eisen-Monooxygenase mit Epoxidase-Aktivität, eine Epoxid-Hydrolase und eine 2 Hydroxyisobutyryl-CoA-Mutase. Die Tertiärstrukturen dieser Enzyme wurden modelliert. In beiden Stämmen sind die beteiligten Gene in Clustern von 61,0 bzw. 58,5 kbp in einer erstaunlich hoch konservierten Operonstruktur angeordnet. Diese Cluster enthalten auch die Gene, die für Teile des aeroben Synthesewegs von Adenosylcobalamin codieren, einem Vitamin, das für die von der Mutase katalysierte Kohlenstoffumlagerungsreaktion erforderlich ist. Eine Konvergenz mit dem tert-Butanol-Abbauweg wurde ersichtlich, jedoch konnte der Alkohol selbst aufgrund des Fehlens der erforderlichen spezifischen Oxygenase nicht als Kohlenstoffquelle genutzt werden. Dies ist der erste Nachweis eines Abbauweges für MP auf genetischer Ebene (Helbich et al. 2023), der bisher rein auf Transformationsanalysen mit vermuteten Metaboliten beruht, die aus MTBE-Abbauexperimenten postuliert wurden. Die für die Epoxidierung von MP verantwortliche Monooxygenase wurde als Mitglied der Gruppe 2 der löslichen Monooxygenasen des Aromaten-/Alken-/Isopren-Typs identifiziert, die aus einer Oxygenase-α-Untereinheit IbeA, einer γ-Untereinheit IbeB, einem Ferredoxin vom Rieske-Typ IbeC, einem Kopplungsprotein IbeD, einer β-Untereinheit IbeE und einer flavinhaltigen NAD(P)H-Reduktase IbeF besteht. Die Tertiärstruktur der α-Untereinheit IbeA wurde modelliert und mit ihrer nächsten Verwandten, der Isopren-Monooxygenase aus Rhodococcus sp. AD45, verglichen. Die Geometrien des vorhergesagten aktiven Zentrums und der Substrattunnel lassen auf eine gewisse sterische Einschränkung bei der Substratverwertung schließen. Die Monooxygenase wurde in dem n-Alkan abbauenden Mycobacterium fluoranthenivorans BUT6 mit pST-K, einem E. coli-Mycobacterium-Shuttle- und Expressionsvektor, heterolog exprimiert. Für die Ausbildung einer katalytischen Aktivität war eine Inkubationstemperatur von ~20 °C erforderlich. Die Monooxygenase war trotz der gescheiterten Expression der Reduktase-Komponente IsoF aktiv. Die Umwandlung von MP in 1,2-Epoxy-2-methylpropan in ruhenden Zellen wurde kolorimetrisch mit dem NBP-Assay nachgewiesen (KM = 271 mM, vmax = 46 mM ⋅ h-1).Item Open Access Der biologische Abbau von hydroxylierten Alkylethern(2018) Woiski, Christine; Engesser, Karl-Heinrich (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Item Open Access A transect walk to observe water and sanitation infrastructure undertaken in the rural municipality San Andrés de Tupicocha in the Peruvian Andes(Stuttgart : Institute for Sanitary Engineering, Water Quality and Solid Waste Management, 2020) Kramer, Hanna Katharina; Krauß, Manuel; León, Christian D.Indicators are essential to monitor the progress of the Agenda 2030. An indicator summarizes information and helps policy makers to take important decisions regarding the implementation of measures to achieve the Sustainable Development Goals (SDGs). However, this requires data that is not available in many places. In order to fill this data gap, a transect walk with lo-cal stakeholders can contribute to the collection of additional qualitative data. This instrument was applied in San Andrés de Tupicocha, a village in the Peruvian Andes, in order to collect the necessary and missing data for assessing the situation regarding SDG 6.1 on drinking water and SDG 6.2 on sanitation and hygiene. The analysis of this data revealed a deeper insight into the exciting conditions concerning drinking water and sanitation. The integration of the newly gathered data in the evaluation of SDG 6.1 and 6.2 leads to more realistic results in comparison with the exclusive use of statistic data of the Peruvian national census.