Universität Stuttgart
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Item Open Access Precision 3D‐printed cell scaffolds mimicking native tissue composition and mechanics(2020) Erben, Amelie; Hörning, Marcel; Hartmann, Bastian; Becke, Tanja; Eisler, Stephan A.; Southan, Alexander; Cranz, Séverine; Hayden, Oliver; Kneidinger, Nikolaus; Königshoff, Melanie; Lindner, Michael; Tovar, Günter E. M.; Burgstaller, Gerald; Clausen‐Schaumann, Hauke; Sudhop, Stefanie; Heymann, MichaelCellular dynamics are modeled by the 3D architecture and mechanics of the extracellular matrix (ECM) and vice versa. These bidirectional cell‐ECM interactions are the basis for all vital tissues, many of which have been investigated in 2D environments over the last decades. Experimental approaches to mimic in vivo cell niches in 3D with the highest biological conformity and resolution can enable new insights into these cell‐ECM interactions including proliferation, differentiation, migration, and invasion assays. Here, two‐photon stereolithography is adopted to print up to mm‐sized high‐precision 3D cell scaffolds at micrometer resolution with defined mechanical properties from protein‐based resins, such as bovine serum albumin or gelatin methacryloyl. By modifying the manufacturing process including two‐pass printing or post‐print crosslinking, high precision scaffolds with varying Young's moduli ranging from 7‐300 kPa are printed and quantified through atomic force microscopy. The impact of varying scaffold topographies on the dynamics of colonizing cells is observed using mouse myoblast cells and a 3D‐lung microtissue replica colonized with primary human lung fibroblast. This approach will allow for a systematic investigation of single‐cell and tissue dynamics in response to defined mechanical and bio‐molecular cues and is ultimately scalable to full organs.Item Open Access Construction of robust Escherichia coli strains for large-scale production(2022) Ziegler, Martin; Takors, Ralf (Prof. Dr.-Ing.)The biotechnical production of many fine chemicals, proteins or pharmaceuticals depends on large-scale microbial cultivations. Due to limited mixing, heterogeneities in process relevant parameters such as nutrient concentrations arise in such fermentations. Escherichia coli (E. coli) is a model organism frequently used in the biotechnological industry. If E. coli is cultivated under heterogeneous conditions, biological reactions of the microorganism result in reduced process performance. Since large-scale fermentations are not economically feasible in academic settings, scale-down reactors that mimic aforementioned heterogeneities are used to investigate heterogenous fermentations. Previous studies in scale-down reactors unraveled that, depending on the process strategy, the unstable supply of a limiting primary carbon or nitrogen source such as glucose or ammonium is one of the underlying causes of process performance loss. Low concentrations of glucose or ammonium elicit the stringent response as a biological starvation reaction which comprises extensive transcriptional reactions. In the first project that contributes to this thesis, the regulatory and transcriptional reactions of the strains E. coli MG1655 and E. coli SR to repeated exposure to ammonium starvation zones were examined in a scale-down reactor. The scale-down reactor followed a two-compartment approach and consisted of a stirred tank reactor and a plug-flow reactor simulating passage through a starvation zone. E. coli SR is a strain with modulated stringent response. It was observed that short-term starvation stimuli do not trigger this regulatory program in E. coli SR and the transcriptional reaction was noticeably reduced. Long-term adaptation of the strain to repeated cycles of limitation and starvation also clearly differed from E. coli MG1655. Despite lack of the stringent response, E. coli SR showed no deficits in the assimilation of the limiting ammonium or in biomass yield on ammonium. In the second project of this thesis, a series of deletion strains with robust phenotype against glucose starvation zones were constructed. Candidate genes were identified and successively removed from the genome of E. coli MG1655 by Recombineering. The fundamental growth parameters of the strains were determined in shaking flask fermentations and no noticeable differences compared to E. coli MG1655 were found. Chemostat cultivations in a scale-down reactor with glucose as the limiting nutrient source revealed that the final strain of the deletion series, E. coli RM214, had a significantly lower maintenance coefficient under heterogeneous conditions than E. coli MG1655. Moreover, in an exemplary heterologous protein productionscenario E. coli RM214 rhaB- pJOE4056.2_tetA proved to be more robust to heterogeneities and showed a significantly higher product yield than E. coli MG1655 rhaB- pJOE4056.2_tetA. In the third project of this thesis, the production of pyruvate in E. coli MG1655 by inhibition of pyruvate dehydrogenase through CRISPR interference was investigated. A central goal was to achieve the stable production in nitrogen-limited conditions. For this, different target sequences in the operon pdhR-aceEF-lpd were tested and the strains cultivated in shaking flask fermentations. All tested target sequences were generally suitable to trigger the accumulation of pyruvate. Combined CRISPR interference against two target sequences did not lead to an increased pyruvate yield in most cases. In addition, the strains E. coli MG1655 pdCas9 psgRNA_aceE_234 and E. coli MG1655 pdCas9 psgRNA_aceE_234_pdhR_329 were characterized in two phase fermentations in lab-scale reactors. The initial phase was an unlimited exponential growth phase and was followed by an ammonium-limited production phase. E. coli MG1655 pdCas9 psgRNA_aceE_234 only produced pyruvate during the exponential phase, and reuptake of pyruvate occurred in the second phase. In contrast, E. coli MG1655 pdCas9 psgRNA_aceE_234_pdhR_329 stably produced pyruvate during the exponential and the ammonium-limited phase and is a potential chassis strain for the growth-decoupled production of pyruvate derived bioproducts. The overarching research issues of the projects were the characterization of strains in heterogeneous conditions and the development of new strategies to improve their performance. The collected data leads me to conclude that the construction of robust microbial strains for large-scale applications is both expedient and feasible. Tailored genetic modifications are the method of choice to achieve this goal. Furthermore, suitable genetic constructs offer promising possibilities for the stable growth-decoupled production of chemicals in nitrogen-limited conditions.Item Open Access Extremely narrow superconducting band with crystal spin 3/2h in LaH10(2023) Krüger, EkkehardItem Open Access Entwicklung laserspektroskopischer Methoden zur Analyse der Verdunstungseigenschaften von Brennstofftropfen(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2021) Werner, Stefanie; Riedel, Uwe (Prof. Dr. rer. nat.)Die steigenden Emissionen des klimaschädlichen Treibhausgases CO2 durch die Verbrennung von fossilen, endlichen Energieträgern müssen möglichst schnell und nachhaltig reduziert werden. Ein vielversprechender Lösungsansatz zur Reduzierung der Schadstoffemissionen bei der Verbrennung liegt in dem Einsatz von alternativen und erneuerbaren Brennstoffen. Als Energieträger bieten sich auf Grund ihrer hohen Energiedichte vor allem flüssige Brennstoffe an. Diese werden typischerweise durch Druckzerstäubung in die Brennkammer eingebracht, verdunstet und dann mit dem Oxidationsmittel vermischt und verbrannt. Die Verdunstung der kleinen Brennstofftropfen des sogenannten Sprays ist von entscheidender Bedeutung für den Gesamtverbrennungsprozess in Verbrennungsmotoren und Gasturbinen. Im Allgemeinen bestimmt die Verdunstungsrate die Verbrennungsrate. Daher sind Modelle notwendig, die eine genaue Vorhersage der Brennstoffverdunstung ermöglichen. Zur Validierung dieser Modelle werden quantitative Messungen unter genau definierten Randbedingungen benötigt. Da die Prozesse in technischen Brennkammern sehr komplex sind, werden Experimente zur Tropfenverdunstung häufig mit linearen, monodispersen Tropfenketten durchgeführt, um die Kopplung zwischen den verschiedenen Effekten zu minimieren. Durch die geringe Größe der Tropfen (typischerweise wenige hundert Mikrometer oder weniger), erfordert die experimentelle Untersuchung eine hohe räumliche Auflösung. In dieser Arbeit wurden quantitative, laseroptische Messtechniken mit hoher räumlicher Auflösung zur experimentellen Untersuchung der Tropfenverdunstung an monodispersen Tropfenketten entwickelt. Mit den Messtechniken wurden Validierungsdaten für die Verdunstungseigenschaften von verschiedenen Brennstoffen bestimmt. Konzentrationsmessungen von verdunsteten Kohlenwasserstoffen wurden unter Verwendung von Infrarot-Laserabsorptionsspektroskopie und laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie (LIF) durchgeführt. Tropfenketten wurden mit einem Tropfenkettengenerator erzeugt, welcher vertikal in einem Strömungskanal installiert wurde. Die untersuchten Brennstoffe waren Cyclohexan, iso-Octan, n-Heptan, n-Pentan, 1-Butanol und Anisol. Der Strömungskanal wurde mit einer laminaren Luftströmung bei verschiedenen Temperaturen (313 K - 430 K) durchströmt. Da die untersuchten Tropfen einen Durchmesser in der Größenordnung von 120 bis 160 µm hatten und die Konzentrationsgradienten nahe der Tropfenoberfläche groß waren, war eine hohe räumliche Auflösung der Messtechniken erforderlich. Die Absorptionsmessungen wurden mit der Infrarotstrahlung eines HeNe-Lasers bei λ = 3,39 µm durchgeführt, um die CH-Streckschwingung der Kohlenwasserstoffe anzuregen. Die für die Quantifizierung der Brennstoffkonzentrationen benötigten Absorptionsquerschnitte wurden in einer beheizten Gaszelle für Temperaturen von 300 K - 773 K bestimmt. Die räumliche Auflösung im Strömungskanal betrug < 50 µm über eine Länge von 2 mm (Halbwertsbreite). Durch die Zylindersymmetrie und gute Stabilität der Tropfenketten konnten zeitliche Mittelungs- und Tomografieverfahren angewandt werden. Hierdurch konnten radiale Konzentrationsprofile an mehreren Positionen im Strömungskanal erhalten werden. Aus dem Anstieg der Dampfkonzentration an verschiedenen Messpositionen konnte die Verdunstungsrate bestimmt werden. Die Verdunstungsraten wurden in Abhängigkeit von der Mantelstromtemperatur (313 K - 430 K), der Tropfengeschwindigkeit (8 m/s - 23 m/s), der Tropfenerzeugungsfrequenz (12 kHz - 75 kHz) und dem Tropfenabstand (300 µm - 685 µm) gemessen. Im untersuchten Temperaturbereich steigt die Verdunstungsrate des Brennstoffs linear mit der Temperatur an. Die Reihenfolge der Brennstoffe in Bezug auf die Verdunstungsrate entspricht den Siedepunkten der einzelnen Brennstoffe. Da technische Brennstoffe häufig eine Mischung mehrerer Komponenten sind, ist die Untersuchung von Brennstoffgemischen von großem Interesse. Daher wurde ein Messverfahren entwickelt, um binäre Gemische zu untersuchen. Das Verfahren wurde verwendet, um eine Mischung aus Cyclohexan und Anisol zu untersuchen. Zwei Messtechniken - laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) und Infrarot Absorptionsspektroskopie - wurden verwendet, um beide Spezies zu messen. Um λ = 3,39 µm ist der Absorptionsquerschnitt von Cyclohexan um etwa den Faktor 8 größer als von Anisol. Im untersuchten Fall war die Konzentration aufgrund des höheren Dampfdrucks ebenfalls deutlich größer. Daher konnte das Infrarot-Absorptionssignal praktisch ausschließlich Cyclohexan zugeordnet werden. Anisol hat bei Anregung bei λ = 266 nm eine sehr gute Fluoreszenzquantenausbeute, während Cyclohexan keine Fluoreszenz zeigt. LIF ermöglicht daher die Quantifizierung von Anisol (oder anderen Aromaten) ohne Interferenz durch Kohlenwasserstoffe. Es wurde ein Messverfahren entwickelt, welches Halationseffekte vermeidet, die typischerweise in planaren LIF-Experimenten an Tropfenketten auftreten. Kalibrationsmessungen, die im gleichen Strömungskanal durchgeführt wurden, ermöglichten die Quantifizierung der verdunsteten Anisolkonzentrationen. Die räumliche Auflösung betrug 80 µm. Ähnlich wie bei den Einzelkomponentenmessungen wurden Verdunstungsraten bestimmt. Wie aufgrund des niedrigeren Dampfdrucks zu erwarten, ist die Verdunstungsrate von Anisol niedriger als die von Cyclohexan. Die Verdunstungsrate von Cyclohexan in der binären Mischung stimmt gut mit den Einzelkomponentenmessungen überein. Das entwickelte Messverfahren ist sehr vielversprechend für weitere Untersuchungen an Mehrkomponentenmischungen. In dieser Arbeit konnte damit erstmals mit hoher räumlicher Auflösung die Verdunstung von Brennstoffkomponenten mittels Absorptionsspektroskopie in der Nähe von Brennstofftropfen untersucht werden. Zusätzlich wurden in Kombination mit laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie Messungen an binären Mischungen durchgeführt. Damit steht ein wertvoller Datensatz zur Validierung von numerischen Simulationen zur Verfügung.Item Open Access Synthese und Charakterisierung von amphipolaren Blockcopolymeren und Untersuchung des Phasenverhaltens in Mischungen mit Polypropylen(2012) Curcic, Tamar; Eisenbach, Claus Dieter (Prof. Dr. )Um Polypropylen (PP) / Polyamid (PA)-Mehrschichtfolien mit verbesserten mechanischen, optischen und permeationstechnischen Eigenschaften ohne Verwendung von speziellen Haftvermittlerschichten herzustellen, wurden Diblockcopolymere eingesetzt. Diese können dem PP und/oder PA in einem Zweischneckenextruder als Additiv zugemisch werden. Bei diesem Konzept wird versucht, die Grenzflächenspannung an der PP/PAGrenzfläche herabzusetzen und dadurch nach der Zusammenführung der einzelnen Schichten eine Verbundhaftung zu erzielen. Da die Blendmorphologie die Eigenschaften der Materialien entscheidend beeinflusst, sollten zuerst das Phasenverhalten der PP / HV Blends sowie die Anreicherung der Blockcopolymere an der PP-Oberfläche untersucht werden. Ziel dieser Arbeit war es, das thermische Verhalten, das Phasenverhalten sowie die Oberflächeneigenschaften von Blends, bestehend aus PP und Blockcopolymeren Poly((ethylen-alt-propylen)-b-oxyethylen) (PEP-PEO), mit unterschiedlichen Blocklängenverhältniss zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurden amphiphile Blockcopolymere PEP-PEO als Modelladditive mit definiertem Molekulargewicht und Blocklängenverhältnis des Poly(oxyethylen)- und C2-verzweigten Polyethylenblocks hergestellt und charakterisiert. Die Synthese des Blockcopolymers Poly((ethylen-alt-propylen)-b-oxyethylen) erfolgte durch anionische Polymerisation von Isopren und Ethylenoxid. Die Synthese stellte eine dreistufige Reaktion dar. Im ersten Schritt wurde Isopren polymerisiert. Danach wurde der Isoprenblock hydriert und im letzten Schritt wurde der Ethylenoxidblock aufgebaut. So hat man die Möglichkeit, die sequenzielle Analytik betreiben zu können und dazu noch die Verträglichkeit von PEP-Blöcken unterschiedlichen Molmassen mit Polypropylen zu prüfen. Die Versuche zur Bestimmung der Verträglichkeit von PP und PEP haben gezeigt, dass PEP mit Mn= 5000 nur bedingt in Polypropylen löslich ist. Hingegen zeigt PEP mit Mn=15000 uneingeschränkte Löslichkeit mit Polypropylen. PP/PEP(Mn=5000)-Blends waren ab 8 Gew. % an Blockcopolymerantel brüchig und trüb. Blends bestehend aus PP und PEP(Mn=15000 g/Mol) waren hingegen bis einschliesslich 20 Gew % an BP-Anteil durchsichtig und elastisch. Da Bulk- und Oberflächeneigenschaften im engen Zusammenhang stehen, wurden die PP/BP-Blends hinsichtlich dieser Eigenschaften charakterisiert. Für Bulkeigenschaften wurde das Mischungsverhalten der Blends mittels Wärmeflusskalorimetrie (DSC) untersucht. Für die Charakterisierung der Oberflächeneigenschaften kamen oberflächensensitive Methoden wie IRSpektroskopie mit ATR-Technik und Benetzungsanalyse zum Einsatz. Außerdem wurden wärmeflußkalorimetrische (DSC) und schmelzrheologische Studien für die Bestimmung des Phasenverhaltens der Systeme unter dynamischen Bedingungen eingesetzt. Am Beispiel des Blendsystems PP/PEP-PEO ist die Gültigkeit des Zeit-Temperatur-Superpositionsprinzips exemplarisch für die untersuchten Blends in dieser Arbeit untersucht worden. Die Analyse zeigt, dass das Modellblendsystem PP/BP-2b das Zeit-Temperatur-Superpositionsprinzip mit zunehmendem Diblockcopolymergehalt immer weniger erfüllt. Die Interpretation der Messergebnisse lässt sich auf Grundlage der Perkolationstheorie erklären. Beim Auftragen des Speichermoduls gegenüber dem Gewichtsanteil an Blockcopolymer resultierte eine Kurve, die sich mit Hilfe der error Funktion komplett wiedergeben ließ. Dieses Ergebnis lässt den Schluss zu, dass bei den untersuchten Polymerblends die beobachtete Änderung des Speichermoduls als Perkolationseffekt zu deuten ist und der Verlauf der Kurve den Perkolationsgesetzmäßigkeiten folgt. Der beobachtete Effekt korreliert sehr gut mit den in Kap. 7 erläuterten Abhängigkeiten des Phasenverhaltens von Blockcopolymergehalt im Blend.Item Open Access Funktionen eines regionalen naturwissenschaftlichen Vereins(1994) Kull, UlrichDie Gesellschaft für Naturkunde in Württemberg blickt auf 150 Jahre zurück; sie wurde gegründet im Herbst 1844. Seit ihrer Gründung dient sie der Erforschung der heimischen Natur und der Verknüpfung der Ergebnisse mit den allgemeinen Fortschritten der Naturwissenschaften. Sie arbeitet vor allem im Bereich der Bio- und Geowissenschaften.Item Open Access Biochemical characterisation of tRNA-Asp methyltransferase Dnmt2 and its physiological significance(2014) Shanmugam, Raghuvaran; Jeltsch, Albert (Prof. Dr.)Methylation of tRNA plays important roles in the stabilisation of tRNAs and accurate protein synthesis in cells. In eukaryotes various tRNA methyltransferases exist, among them DNMT2 which methylates tRNAAsp at position C38 in the anticodon loop. It is also called tRNA-aspartate methyltransferase 1 (Trdmt1) and the enzyme is highly conserved among eukaryotes. In this work, I investigated the mechanism of DNMT2 interaction with tRNAAsp, characterised the function of the only prokaryotic Dnmt2 homolog found in G. sulfurreducens and studied the physiological importance of the C38 methylation of tRNAAsp in mammalian cells. The molecular details of the interaction of DNMT2 and tRNAAsp are unknown due to lack of the co-crystal structure. Here, I characterised the important residues in DNMT2 required for the tRNA binding and catalysis. By site-directed mutagenesis of 20 conserved lysine and arginine residues in DNMT2, I show that 8 of them have a strong effect on the catalytic activity of the enzyme. They map to one side of the enzyme where the catalytic pocket of DNMT2 is located. The binding of most of the mutant enzymes to tRNA was unaffected suggesting a role of these residues in transition state stabilisation. Manual docking of tRNAAsp into the surface cleft decorated by the 8 residues suggested that DNMT2 interacts mainly with the anticodon stem/loop of tRNAAsp. In my second project, I characterised the function of Dnmt2 homolog found in G. sulfurreducens (GsDnmt2). Here, I show that GsDnmt2 methylates tRNAGlu more efficiently than tRNAAsp. I also report the molecular basis for the swapped substrate specificity of GsDnmt2 and show that the variable loops of G.sulfurreducens tRNAAsp and tRNAGlu of eukaryotes contain a -GG- dinucleotide which is not preferred by Dnmt2. Exchange of the variable loop of mouse tRNAAsp to that tRNAGlu led to dramatic decrease in the activity of human DNMT2. This identifies the variable loop of tRNA as a specificity determinant in the recognition by Dnmt2. In my final project, I investigated the physiological importance of the tRNAAsp C38 methylation in aminoacylation and cellular protein synthesis. Here, I report that C38 methylation enhances the rate of aspartylation on tRNAAsp by 4-5 folds. Concomitant with this, a decrease in the charging levels of tRNAAsp was observed in Dnmt2 knockout MEF cells, which also showed a reduced efficiency in the synthesis of proteins containing poly-Asp sequences. A gene ontology searches for proteins with poly-Asp sequences showed that a significant number of these proteins are associated with transcriptional regulation and gene expression functions. With this I propose that the mild phenotype observed with the Dnmt2 KO cells under stress condition could be correlated to a disregulation of protein synthesis.Item Open Access Messungen im Bereich eines Windparks mit Fokus auf tief- und niederfrequente Schallemissionen und -immissionen(2022) Blumendeller, Esther; Gaßner, Laura; Müller, Florian; Wigger, Maayen; Berlinger, Philipp; Cheng, Po WenDie Nutzung von Windenergie wird einen entscheidenden Anteil am erneuerbaren Energiemix der Zukunft haben. Während der Stromgewinnung geben Windenergieanlagen (WEA) Schall und Erschütterungen (seismische Wellen) in die Umgebung ab, vor allem im tieffrequenten Bereich. Im Zuge des interdisziplinären Verbundprojektes Inter-Wind werden akustische Messungen zur Unterstützung psychologischer Fragebögen, kombiniert mit seismischen und meteorologischen Messungen an Windparks auf der Schwäbischen Alb durchgeführt. Ziel des Projektes ist es, die Gründe für Belästigung der Anwohner in Zusammenhang mit den Immissionen der WEA zu verstehen. Hierbei liegt der Fokus auf dem tieffrequenten (20-200 Hz) und niederfrequenten (1-20 Hz) Bereich. Akustische und seismische Messungen wurden an einem Windpark auf der Schwäbischen Alb, mit drei WEA des Typs GE 2.75-120 durchgeführt. Parallel dazu konnten Anwohner Belästigungszeiträume über eine Geräuschmelde-App dokumentieren. In diesem Beitrag wird die Umsetzung einer interdisziplinären Messkampagne im Bereich des Tegelberg Windparks und eines Wohngebäudes in Tallage in ca. 1 km Entfernung zum Windpark beschrieben. Schließlich werden erste Ergebnisse der akustischen Messungen und interdisziplinären Untersuchung vorgestellt und diskutiert.Item Open Access Lokalisation, Speicherung und Synthese von Polyphosphat in Agrobacterium tumefaciens C58(2021) Hellenbroich, Celina; Jendrossek, Dieter (apl. Prof. Dr. rer. nat.)Polyphosphat (PolyP) besitzt eine ubiquitäre Verbreitung und erfüllt, je nach Organismus, unterschiedliche und extrem vielfältige Aufgaben. In Prokaryonten liegt PolyP in sogenannten Granula vor, während in einzelligen Eukaryonten, eine Membran das PolyP von dem Cytoplasma abtrennt. Vorangegangene Arbeiten weisen darauf hin, dass sogenannte Acidocalcisomen, eben jene membranumschlossene PolyP-Speicher aus Eukaryonten, auch in dem Bodenbakterium Agrobacterium tumefaciens vorhanden sein könnten. Die vorliegende Arbeit zeigt jedoch, dass sich in A. tumefaciens, wie in Bakterien übliche, PolyP-Granula befinden, die nicht von einer Membran umschlossen sind. Im weiteren Verlauf wurde die Synthese von PolyP sowie die Lokalisation der Polyphosphatkinasen (PPKs) und anderer aus der Literatur bekannter, PolyP-assoziierter Proteine untersucht. Die PPK1At stellte sich hierbei als PolyP-Syntheseenzym heraus. Es folgte eine biochemische Charakterisierung der PPKs in vitro, bei der für die PPK2At, neben der Bildung von NDP und NTP, eine oligophosphorylierende Funktion bis hin zu nonaphosphorylierten Nukleosiden entdeckt wurde. Außerdem stellte sich heraus, dass das PolyP-Granulum während des Zellzyklus wanderte und vielleicht durch die PPK1At mit der DNA assoziiert sein könnte. Aufgrund dieser Erkenntnisse konnte ein Modell des PolyP-Granulums und den in dieser Arbeit identifizierten, assoziierten Proteinen erstellt werden. Eine Deletion der ppk1 hatte zudem Auswirkungen auf die Zellmorphologie, die Infektionsrate von Pflanzenzellen und die Generationszeit von A. tumefaciens.Item Open Access Die Quellstärke in der Sickerwasserprognose : Möglichkeiten und Grenzen von Labor- und Freilanduntersuchungen(2010) Mackenberg, Sylvia; Metzger, Jörg W. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Den Umgang mit kontaminierten Böden und Standorten im Rahmen des Boden- und Grundwasserschutzes regeln in Deutschland das Bundes-Bodenschutzgesetz und die Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung (BBodSchV). Die Durchführung einer Sickerwasserprognose dient der Gefährdungsabschätzung einer Grundwasserkontamination durch Bodenbelastungen. Gemäß der BBodSchV umfasst sie Untersuchungen zur Mobilisierbarkeit von Stoffen durch das Bodensickerwasser sowie eine Transportbetrachtung der gelösten Stoffe bis zum Ort der Beurteilung, die Grenze zwischen der ungesättigten und der gesättigten Bodenzone. Neben dieser bundesweit geltenden Verordnung existieren landesinterne Regelungen sowie Verfahrensvorschläge in der Baustoffbranche zum Umgang mit Baustoff und Recyclingprodukten. Allen Fragestellungen gemein ist die Abschätzung der im Sickerwasser gelösten Stoffkomponenten sowie ihrer Konzentrationen nach dem Passieren eines kontaminierten Materials, was als Quellstärke bezeichnet wird. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Aussagen über die Vergleichbarkeit der in diesen Testverfahren erzielbaren Ergebnisse abzuleiten. Weiterhin stand die potenzielle Übertragbarkeit von Ergebnissen, die in Laborversuchen zur Bestimmung der Quellstärke im Rahmen einer Sickerwasserprognose ermittelt werden, auf reale Verhältnisse im Fokus der Untersuchungen. Basierend auf einer Beurteilung der Praxisrelevanz der einzelnen Laborverfahren sollte abschließend ein Verfahrensvorschlag zur Bestimmung der Quellstärke erarbeitet werden: In Batchversuchen wurden der Einfluss des Wasser-Feststoffverhältnisses (WFV) auf die qualitative und quantitative stoffliche Zusammensetzung des Eluats sowie die potenzielle Mobilisierbarkeit von Schadstoffe untersucht. Die Erhöhung des WFV bei anorganischen Stoffkomponenten führte in der Regel zu einer Verringerung der Stoffkonzentration. Im Gegensatz dazu wurden bei Materialien, die mit polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) kontaminiert waren, unabhängig vom jeweiligen WFV immer konstante PAK-Konzentrationen gemessen. Vergleichbare Ergebnisse wurden in Laborsäulenversuchen bei voller Wassersättigung erzielt. Aufgetragen über das WFV nehmen die Konzentrationen der meisten anorganischen Stoffkomponenten bei stationären Versuchsbedingungen mit zunehmender Versuchsdauer ab. Die PAK-Konzentrationen wiesen konstante Werte auf. Im Rahmen der Untersuchungen zum Einfluss der Schichthöhe wurde die absolute Kontaktzeit zwischen dem Eluat und dem Untersuchungsmaterial (Aufenthaltsdauer des Eluats in der Säule) variiert. Bei gleichem WFV entstanden keine Konzentrationsunterschiede aufgrund einer größeren Schichthöhe. Auch die Verringerung der Flussrate und damit eine Erhöhung der spezifischen Kontaktzeit (direkter Kontakt zwischen Eluat und Bodenmatrix pro Wegstrecke) führte bei anorganischen Schadstoffen nur in wenigen Fällen zu einer Konzentrationsänderung. Für PAK wurden unterschiedliche Ergebnisse in Abhängigkeit des pH-Werts erzielt. Bei einem pH-Wert von 8 wurde eine Konzentrationsabnahme um mehrere Größenordnungen registriert, bei einem pH-Wert von 12 zeigte sich keine Änderung der Konzentration. Diese Unterschiede wurden auf mikrobiologische Aktivität bei einem pH-Wert von 8 zurückgeführt, die in einem basischen Milieu weitestgehend unterbunden wird. Um die Übertragbarkeit der Ergebnisse von Laboruntersuchungen auf Feldsituationen beurteilen zu können, wurden Versuche mit Laborlysimetern und Freilandsäulen unter Teilsättigung durchgeführt. Für PAK führen Laborversuche häufig zu einer Überschätzung des Gefährdungspotenzials, da ein biologischer Abbau bei vollständiger Wassersättigung stark gehemmt wird. Die im Labor ermittelten Konzentrationen anorganischer Stoffkomponenten stimmten größenordnungsmäßig mit den Konzentrationen der Freilandversuche überein. Infolge natürlich wechselnder Niederschläge und Temperaturschwankungen wichen die im Freiland gemessenen Konzentrationen bei gleichem WFV immer wieder von den Konzentrationen der Laborversuche unter stationären Bedingungen ab. Basierend auf den Ergebnissen der Untersuchungen wurde ein Vorschlag für ein praktisches Verfahren zur Bestimmung der Quellstärke ausgearbeitet, der die Aspekte Wirtschaftlichkeit und Praktikabilität der Durchführung, insbesondere im Hinblick auf eine akzeptable Versuchsdauer, vereint. Das stufenweise Vorgehen unterscheidet zwischen Materialien die mit anorganischen Schadstoffen bzw. Materialien die mit PAK belastet sind. Zu Beginn der Quellstärkebestimmung von Materialien mit anorganischen Schadstoffen stehen einfache Batchversuche. In Abhängigkeit der daraus erzielbaren Ergebnisse folgen gegebenenfalls Laborsäulenuntersuchungen mit variierbaren Fließbedingungen. Die Quellstärke PAK-haltiger Materialien wird in Abhängigkeit ihres jeweiligen pH-Werts ebenfalls anhand einfacher Batchversuche oder anhand von aufwändigeren Laborsäulenuntersuchungen mit einer Wasserteilsättigung der eingebauten Materialschicht ermittelt.