Chemodynamik von Umweltschadstoffen

Xenobiotika sind chemische Verbindungen, die in der Natur nicht vorkommen und vom Stoffwechsel des Organismus nicht oder nur schwer abgebaut werden können. Sie können aus verschiedenen Quellen stammen, wie z.B. aus der chemischen Industrie, aus Arzneimitteln oder aus Pestiziden.

Xenobiotika haben in der Regel eine toxische Wirkung auf den Organismus, da sie häufig nicht vollständig abgebaut werden und sich im Körper anreichern können. Dies kann zu verschiedenen gesundheitlichen Problemen führen, wie z.B. zu Schädigungen der Leber oder zu Krebs.

Die Belastung durch Xenobiotika ist ein weit verbreitetes Umweltproblem und betrifft sowohl die Umwelt als auch die menschliche Gesundheit. Xenobiotika können in Gewässern, im Boden und in der Luft vorkommen und zu erheblichen Umweltschäden führen. Es gibt verschiedene Methoden, um Xenobiotika zu reduzieren oder zu beseitigen, wie z.B. die biologische Abbaubarkeit durch Mikroorganismen oder die chemische Abbaubarkeit durch Oxidation oder Hydrolyse. In einigen Fällen kann auch die Anwendung von Adsorbentien oder Filtrationsmethoden sinnvoll sein, um die Xenobiotika aus dem Wasser oder Boden zu entfernen.

Industrie

Unfälle

Deponien

Militär

Verkehr

Haushalt/Abwasser

Landwirtschaft

/Xenophore

• chemische Struktur bestimmt „Fremdartigkeit“ einer Verbindung, Abbaubarkeit und Abbaupfad(e)

• Generalisierungen schwierig, da erheblicher Umwelteinfluss

Ein paar Faustwerte:

• chem. Strukturen, die in verbreiteten Nährsubstraten vorkommen, werden rascher abgebaut

• starke Verzweigung abbauresistent; je mehr Substituenten desto  schlechter

• elektronegative Gruppen (Nitro-, Halogene) hemmen (aeroben) Abbau

•Elektronen liefernde Gruppen (-COOH, -OH, -NH2) fördern Abbau

• Abbaubarkeit steigt i.d.R. mit Wasserlöslichkeit

• je nach Substanzklasse steigt Abbaubarkeit mit log Kow (Alkohole) oder fällt mit diesem (Phenole)

• Chlorierte Kohlenwasserstoffe

• aliphatische = LCKW Tetrachlorethen

• „Per“ Trichlorethan Dichlormethan

• Polychlorierte Biphenyle (PCB)

• Dioxine (PCDD) und Furane (PCDF) "Seveso-Gift" Stoffklasse

• Benzo[a]pyren

• Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK)

• Nitroaromaten

• aromatische Amine

Vor 46 Jahren:

Größter Chemieunfall des 20. Jahrhunderts 10.07.1976, Meda bei Mailand: Aus Chemiewerk entweicht Gaswolke mit 2 kg Dioxin. Es gibt weder Warnsysteme noch Alarmpläne. Bevölkerung erst nach 9 Tagen informiert. In dem Ort Seveso verenden Tiere, v.a. Kinder erleiden Hautreizungen, das Gebiet ist auf Jahre unbewohnbar.

Der Dampfdruck einer Substanz ist ein wichtiger Einflussfaktor auf den Transport und die Verteilung einer Substanz in der Umwelt, da er bestimmt, wie schnell eine Substanz aus einem Stoffgemisch in die Gasphase übergeht. Der Dampfdruck ist der Druck, den der Dampf einer Substanz in einer geschlossenen Umgebung ausübt, wenn sich die Flüssigkeit in einem Gleichgewichtszustand mit dem Dampf befindet.

Substanzen mit hohem Dampfdruck verdampfen schnell und können in die Luft übergehen. Sie können sich über weite Strecken in der Atmosphäre verbreiten und auch in weit entfernte Gebiete transportiert werden. Substanzen mit niedrigem Dampfdruck bleiben dagegen eher in flüssiger Form und können nur begrenzt transportiert werden.

Der Dampfdruck einer Substanz ist auch ein wichtiger Faktor bei der Ausbreitung von Schadstoffen in der Luft. Schadstoffe mit hohem Dampfdruck können sich schnell in der Atmosphäre ausbreiten und können bei höheren Konzentrationen gesundheitliche Risiken darstellen. Beispielsweise können flüchtige organische Verbindungen (VOCs), die oft in Lacken, Farben und anderen chemischen Produkten verwendet werden, bei Freisetzung in die Luft eine hohe Konzentration erreichen und sowohl die Umwelt als auch die Gesundheit von Menschen beeinträchtigen.

In der Umwelt können Substanzen mit hohem Dampfdruck auch in den Boden oder das Grundwasser eindringen und eine Verschmutzung verursachen. Daher ist es wichtig, den Dampfdruck von Chemikalien bei der Bewertung ihrer Umweltauswirkungen zu berücksichtigen und Maßnahmen zu ergreifen, um die Freisetzung von Chemikalien mit hohem Dampfdruck zu reduzieren.

  P0/H [hPa / atm×m3×mol-1] º

Druck eines Gases, das im Gleichgewicht mit seiner flüssigen oder festen Phase steht.

-Wichtiger Einfluss auf Transport und Verteilung einer Substanz in der Umwelt.

-Bestimmt wesentlich die Neigung einer Substanz zur Verflüchtigung.

-Bestimmt, ob eine Substanz als freies Molekül in der At- mosphäre oder assoziiert mit partikulärer Substanz auftritt.

~ Verteilungskoeffizient Luft/Wasser; Löslichkeit von Gas in Wasser abhängig vom Druck linearer Anstieg mit Partialdruck (W. Henry 1803).

P [Pa] = H [Pa×m3×mol-1] Cw [mol×m-3] Henry-Ges.

H = Henry-Konstante

CA = n/V = P/R T ideales Gasgesetz (n: mol; V: Volu- men; R: Gaskonstante 8,314 ;[Pa×m3×mol-1×K-1];

T: absolute Temperatur [K])

CA = P/R T = (H/R T)Cw = KAW Cw; KAW: Luft/Wasser-Verteilungskoeffizient

• Oktanol-Wasser-Verteilungskoeffizient      Kow [ ]  

Kow = Konzentration in Oktanol/ Konzentration in Wasser

Oktanol - Langkettiger Alkohol

- Modell für Phasenverteilung in biologischen oder physikalischen Systemen.

- Maß für die Hydrophobizität / Lipophilie einer Substanz.

• Säuredissoziationskonstante          pKs[ ]    viele Verbindungen können ionische Spezies bilden – Abhängig vom pH-Wert º pH-Wert, bei dem 50% ionische Spezies

HA -> H+ + A –

fA– = 1-[1/(1+10(pH-pKs)]                                                      Einfluss der Molekülstruktur

• Molekulare Konnektivitätsindizes (MCI)

• Mathematische Berechnung von Strukturkennwerten von Molekülen (Verzweigung, Doppelbindungen)

Toxizität: akut, chronisch (LD50, LC50, ...) Hormonelle (endokrine Wirkung) Kanzerogenität, Mutagenität, Teratogenität Abbaubarkeit (DT50) aerob, anaerob Persistenz Klimaschädliche Wirkung Versauerung Geruch Geschmack Farbe Schaumbildung Produktions-/Freisetzungsmenge ...

 Gewässer: Meer -Salzwasser - Temperatur

Ø Redoxpotential

ØSchwebstoffe v.a. organisch NOM

Ø Sediment

ØStrömung horizontal, vertikal

• Gewässer: Süßwasser

ØTemperatur                        

ØSchwebstoffe (NOM)                        

ØRedoxpotential  

ØStrömung horizontal – See                             

ØSediment                             

ØStrömung vertikal – Fluss

Bodennahe Schichten bis ~90 km Höhe:

Zusammensetzung recht gleichförmig =

Homosphäre. 78,08 % N2; 20,95 % O2; 0,934 % Argon u.a. Edelgase; CO2 0,040 % (0,028%).

Druckverlauf der Atmosphäre in den unteren Bereichen durch die hydrostatische Gleichung bestimmt:

Einflussgrößen: Druck p, Höhe h, Erdbeschleunigung g, Dichte ρ. Globale Luftströmungen Aerosole:

partikuläre Schwebstoffe bzw. Wassertröpfchen (Nebel) - ländliches Gebiet ~5 μg/m3 -mäßig belastete Stadt ~100 μg/m3 Deposition nass / trocken (typisch 10,8 m/h)

Strahlung:

Die Energie von Licht* hängt von der Wellenlänge l bzw. Frequenz n ab.

E = h • n h = Planck`sches Wirkungsquantum 6,63•10-34 J•s *(eines Photons)

Lichtenergie kann chemische Bindungenbrechen und Elektronen anregen Bildung reaktiver (angeregter) Atome/Moleküle und Radikale

Dreiphasengemisch:

- Festsubstanz organisch

– mineralisch

- Bodenwasser

- Bodenluft Sorptionsplätze

- Tonminerale und pedogene Fe-, Al- und Mn-Oxide ® wichtig für polare Verbindungen und geladene Spezies ® hydrophobe Verbindungen durch geringe Wassergehalte verdrängt

- OBS (zumeist gemessen als OC bzw. „Corg“) Schwellenwert der Adsorption unpolarer Verbindungen an die OBS: • 0,01% Corg • Verhältnis von Tonanteil (%)/OC (%) < 30 Weitere wichtige Bodeneigenschaften: KAK, pH-Wert, (spezifische Oberfläche) Filterung, Pufferung, Transformation von Stoffen ->Sorptionskoeffizienten

Der Boden ist ein Umweltkompartiment mit besonderen Eigenschaften, die das Verhalten und die Verteilung von Schadstoffen beeinflussen. Hier sind vier solcher Eigenschaften:

1. Adsorption: Bodenpartikel haben eine hohe Adsorptionskapazität für viele Schadstoffe. Diese können an der Oberfläche der Partikel haften bleiben oder in die Poren des Bodens eindringen. Dadurch können Schadstoffe im Boden verbleiben und nur langsam oder gar nicht abgebaut werden.

2. Permeabilität: Die Durchlässigkeit des Bodens hängt von der Art und Struktur des Bodens ab. Schadstoffe können entlang der Poren und Risse des Bodens in das Grundwasser eindringen oder sich horizontal im Boden ausbreiten. Die Permeabilität beeinflusst auch die Fähigkeit von Bodenorganismen, Schadstoffe abzubauen.

3. pH-Wert: Der pH-Wert des Bodens beeinflusst die Löslichkeit und Verfügbarkeit von Schadstoffen im Boden. Einige Schadstoffe können in sauren Böden mobil werden und sich im Grundwasser ausbreiten, während andere in alkalischen Böden unlöslich werden und sich im Boden ansammeln können.

4. Bodenstruktur: Die Struktur des Bodens beeinflusst die Durchlässigkeit, Durchlüftung und Feuchtigkeit des Bodens. Eine kompakte Bodenstruktur kann dazu führen, dass Schadstoffe in der Bodenmatrix eingeschlossen werden und nur langsam abgebaut werden können. Eine poröse Bodenstruktur kann hingegen dazu führen, dass Schadstoffe schnell ins Grundwasser eindringen und sich ausbreiten.

Adsorption Absorption - Fettgewebe - Metabolismus aktive Bewegung, Nahrungssuche (Schad)Effekte Adaptation

Biota ist ein Umweltkompartiment mit besonderen Eigenschaften, die das Verhalten und die Verteilung von Schadstoffen beeinflussen. Hier sind vier solcher Eigenschaften:

1. Stoffwechselrate: Die Stoffwechselrate von Organismen beeinflusst, wie schnell sie Schadstoffe aufnehmen und abbauen können. Organismen mit hohen Stoffwechselraten, wie beispielsweise Fische oder Vögel, können Schadstoffe schneller aufnehmen und verarbeiten als Organismen mit niedrigeren Stoffwechselraten.

2. Fettlöslichkeit: Die Fettlöslichkeit von Schadstoffen beeinflusst, wie leicht sie von Organismen aufgenommen werden können. Fettlösliche Schadstoffe können sich im Fettgewebe von Organismen ansammeln und sich im Laufe der Zeit akkumulieren.

3. Trophieebene: Die Trophieebene eines Organismus beeinflusst, wie viele Schadstoffe er aufnimmt. Organismen am unteren Ende der Nahrungskette nehmen weniger Schadstoffe auf als Organismen am oberen Ende der Nahrungskette, da sie weniger organische Substanz und weniger Schadstoffe aufnehmen.

4. Lebenszyklus: Der Lebenszyklus von Organismen beeinflusst, wie lange sie Schadstoffen ausgesetzt sind. Einige Organismen haben lange Lebenszyklen, wie beispielsweise Wale oder Schildkröten, und können daher über einen langen Zeitraum Schadstoffen ausgesetzt sein und sie ansammeln. Andere Organismen, wie beispielsweise Insekten, haben kurze Lebenszyklen und können Schadstoffe nicht so lange ansammeln.

Sorptionsisothermen beschreiben die Beziehung zwischen der Menge an Gas oder Flüssigkeit, die bei einer bestimmten Temperatur von einem festen Material absorbiert wird, und dem Druck oder der Konzentration des Gases oder der Flüssigkeit in der Umgebung. Sie sind wichtig, um das Verhalten von Adsorbentien zu verstehen, die Materialien sind, die in der Lage sind, Moleküle auf ihren Oberflächen zu sammeln und zu halten.

Sorptionsisothermen können auf verschiedene Arten ausgedrückt werden, indem beispielsweise die Menge an Gas oder Flüssigkeit pro Masseneinheit des Adsorbens (die Adsorptionskapazität) gegen den Druck oder die Konzentration des Gases oder der Flüssigkeit in der Umgebung aufgetragen wird. Je nach Eigenschaften des Adsorbens und des Adsorbats können verschiedene Arten von Sorptionsisothermen beobachtet werden, wie zum Beispiel Langmuir-, Freundlich-, BET (Brunauer-Emmett-Teller)- und andere Isothermen.

Sorptionsisothermen finden in verschiedenen Anwendungen Verwendung, einschließlich in Gas-Trennprozessen, Wasseraufbereitung und der Entwicklung von fortschrittlichen Materialien für Energiespeicherung und Katalyse.

Das Koc-Konzept ist ein Modell zur Beschreibung der Verteilung von Chemikalien zwischen Wasser und Boden. Der Begriff "Koc" steht für die Verteilungskoeffizienten zwischen organischem Kohlenstoff im Boden und der umgebenden wässrigen Phase. Es beschreibt die Fähigkeit eines Stoffes, an organischen Materialien im Boden zu binden und somit aus dem Wasser zu entfernen.

Der Koc-Wert wird durch die Messung der Konzentration eines Stoffes in Bodenproben und in der umgebenden wässrigen Phase bestimmt. Es ist ein Maß dafür, wie stark ein Stoff an organischen Materialien im Boden gebunden wird. Ein höherer Koc-Wert bedeutet, dass der Stoff stärker an das organische Material im Boden gebunden ist und somit weniger in die umgebende wässrige Phase gelangt.

Das Koc-Konzept ist wichtig für die Risikobewertung von Chemikalien, insbesondere solchen, die in der Umwelt vorkommen. Es ermöglicht die Vorhersage des Verhaltens von Chemikalien im Boden und in Gewässern und kann bei der Entwicklung von Strategien zur Minimierung von Umweltverschmutzung und zur Gewährleistung einer nachhaltigen Nutzung von Boden und Wasser helfen.

Der pH-Wert hat einen erheblichen Einfluss auf die Absorption von Chemikalien in biologischen Systemen, insbesondere in Bezug auf die Lipophilie von Stoffen. Lipophile Verbindungen, die sich in Fettgeweben ansammeln, werden durch eine Erhöhung des pH-Werts des Mediums in eine weniger lipophile Form umgewandelt, wodurch ihre Absorption verringert wird.

Auf der anderen Seite erhöht ein niedriger pH-Wert die Absorption von sauren Chemikalien in den Körper, da sie in ihrer nicht ionisierten Form vorliegen und dadurch leichter durch biologische Membranen passieren können. Eine höhere Konzentration von sauren Medikamenten kann daher bei saurem pH im Magen leichter resorbiert werden als bei alkalischer Umgebung.

Der pH-Wert beeinflusst auch die Absorption von Nährstoffen wie Aminosäuren und Mineralien, da diese in verschiedenen Formen vorliegen können, die bei unterschiedlichen pH-Werten bevorzugt aufgenommen werden. Einige Nährstoffe, wie z.B. Eisen, werden bei niedrigem pH-Wert besser aufgenommen, während andere, wie z.B. Calcium, bei höherem pH-Wert besser aufgenommen werden.

Insgesamt zeigt sich, dass der pH-Wert einen wichtigen Einfluss auf die Absorption von Chemikalien und Nährstoffen hat, und daher sollten bei der Entwicklung von Arzneimitteln oder bei der Planung von Nahrungsergänzungsmitteln die pH-Werte des Verdauungssystems berücksichtigt werden.

DOM steht für "Dissolved Organic Matter" oder auf Deutsch "gelöste organische Substanz". Es handelt sich dabei um eine komplexe Mischung aus organischen Verbindungen, die in Wasser gelöst sind. DOM besteht hauptsächlich aus abgestorbenen pflanzlichen und tierischen Organismen sowie deren Ausscheidungen und Zersetzungsprodukten.

DOM kann in fast allen Gewässern gefunden werden, von Flüssen und Seen bis hin zu Ozeanen. Es ist ein wichtiger Bestandteil des Wasserkreislaufs und spielt eine wichtige Rolle im ökologischen Gleichgewicht von Gewässern. DOM hat auch einen Einfluss auf die Wasserqualität und kann die Behandlung von Trinkwasser erschweren.

DOM kann aus verschiedenen Quellen stammen, wie z.B. von Algen und Pflanzen, die absterben und im Wasser abgebaut werden, oder von Tierexkrementen und anderen organischen Abfällen. Die Zusammensetzung von DOM variiert je nach Ursprung und Umgebung, wie zum Beispiel pH-Wert, Temperatur und Sonneneinstrahlung.

DOM spielt auch eine wichtige Rolle im Kohlenstoffkreislauf der Erde. Durch den Abbau von DOM durch Bakterien und andere Organismen wird Kohlenstoff in Form von Kohlendioxid freigesetzt, was wiederum Auswirkungen auf den Klimawandel hat.

Die Komplexierung von gelöster organischer Substanz bezieht sich auf die Bindung von Metallionen an organische Moleküle, die in Wasser gelöst sind. Gelöste organische Substanz (DOM) enthält viele funktionelle Gruppen, die in der Lage sind, Metallionen wie Calcium, Magnesium, Eisen und Kupfer zu binden.

Diese Komplexierung kann Auswirkungen auf die Verfügbarkeit von Metallionen in der Umwelt haben, insbesondere in Gewässern. Wenn Metallionen an organische Moleküle gebunden sind, können sie für andere Organismen schwieriger verfügbar sein, da sie durch die komplexe Struktur der organischen Moleküle blockiert werden. Dies kann Auswirkungen auf das Wachstum von Algen, Fischen und anderen aquatischen Organismen haben, die auf Metallionen als Nährstoffe angewiesen sind.

Auf der anderen Seite kann die Komplexierung von Metallionen durch organische Moleküle auch dazu beitragen, die toxische Wirkung von Metallionen zu verringern. Wenn Metallionen an organische Moleküle gebunden sind, können sie weniger reaktiv sein und somit weniger Schäden an biologischen Systemen verursachen.

Die Komplexierung von gelöster organischer Substanz ist ein wichtiger Faktor bei der Untersuchung der Wasserqualität und des ökologischen Gleichgewichts von Gewässern. Es ist auch von Interesse bei der Untersuchung der Verfügbarkeit von Nährstoffen und Schwermetallen für aquatische Organismen.

1.Gleichgewichtsverteilung von lipophilen (unpolaren) Stoffen zwischen Wasser und hydrophoben Bestandteilen von Organismen (z.B. Fettgewebe)

2.Residuale Anreicherung persistenter Stoffe infolge Abbau des Nahrungs-(Träger-) Substrates.

Biodegradation bezieht sich auf den biologischen Abbau von organischen Stoffen durch Mikroorganismen wie Bakterien, Pilze und andere Organismen. Biologisch abbaubare Stoffe können von diesen Organismen aufgenommen und metabolisiert werden, um Energie und Nährstoffe zu gewinnen.

Biodegradation spielt eine wichtige Rolle in natürlichen Ökosystemen, da sie dazu beiträgt, organische Stoffe aus der Umwelt zu entfernen und wieder in den Kohlenstoffkreislauf der Erde zu integrieren. Biodegradation kann auch in der biotechnologischen Anwendung genutzt werden, um Abfallprodukte abzubauen und umweltfreundlichere Prozesse zu schaffen.

Der Prozess der Biodegradation hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie z.B. der Verfügbarkeit von Sauerstoff, Feuchtigkeit, Temperatur und der Menge und Art der organischen Stoffe. Biodegradation kann auch durch verschiedene Faktoren beeinträchtigt werden, wie z.B. durch die Anwesenheit von toxischen Chemikalien, die den Stoffwechsel der Mikroorganismen stören können.

Biodegradation kann in verschiedenen Umgebungen stattfinden, wie z.B. im Boden, in Gewässern, in Abwasseranlagen und in der Luft. Biodegradierbare Stoffe können natürlicherweise oder durch die Verwendung von speziellen biologischen Behandlungsverfahren wie z.B. Bioreaktoren oder Kompostierung abgebaut werden.

Insgesamt ist Biodegradation ein wichtiger Prozess, der dazu beiträgt, organische Stoffe aus der Umwelt zu entfernen und den Kohlenstoffkreislauf der Erde aufrechtzuerhalten. Es ist auch ein vielversprechender Ansatz für die Behandlung von Abfällen und zur Schaffung umweltfreundlicherer Prozesse in der Industrie.

•v.a. durch Mikroorganismen bzw. deren Bildungen*

Bakterien, Archaeen, Cyano-bakterien, Pilze, Hefen und Algen

•Nutzung auch naturfremder Verbin-dungenals Kohlenstoff-oder Energiequelle.

•Bedeutende initiale mikrobielle Abbaureaktionen:

(i) Oxidationmittels elektrophiler Sauerstoffformen,

(ii) Reduktionmittels nukleophiler Formen von Wasserstoff oder direkte Elektronenübertragung,

(iii) Hydrolysemittels enzymatischem nukleophilem Angriff.

Der biologische Abbau bei Wachstum von Mikroorganismen bezieht sich auf den Prozess, bei dem Mikroorganismen organische Stoffe metabolisieren, um Energie und Nährstoffe für ihr Wachstum zu gewinnen. Dieser Prozess wird auch als heterotrophe Stoffwechsel bezeichnet und umfasst eine Vielzahl von biochemischen Reaktionen, die von verschiedenen Gruppen von Mikroorganismen ausgeführt werden.

Der biologische Abbau bei Wachstum von Mikroorganismen beginnt mit der Aufnahme von organischen Stoffen durch die Zellmembran der Mikroorganismen. Diese Stoffe werden dann in kleinere Moleküle wie Zucker und Aminosäuren abgebaut, die in den Stoffwechselweg eingespeist werden, um Energie und Bausteine für die Synthese von Biomasse zu erzeugen.

Der biologische Abbau von organischen Stoffen hängt von der Verfügbarkeit von Sauerstoff, Feuchtigkeit, Nährstoffen und anderen Faktoren ab, die das Wachstum von Mikroorganismen beeinflussen. In aeroben Bedingungen, in denen Sauerstoff verfügbar ist, wird organische Substanz durch oxidative Prozesse abgebaut, die zu Kohlendioxid und Wasser führen. Unter anaeroben Bedingungen, in denen Sauerstoff fehlt, wird organische Substanz durch Fermentation abgebaut, die zu verschiedenen Endprodukten wie Alkohol, Essigsäure oder Methan führen kann.

Der biologische Abbau bei Wachstum von Mikroorganismen spielt eine wichtige Rolle in der Natur, indem er organische Stoffe aus der Umwelt entfernt und den Kohlenstoffkreislauf aufrechterhält. Er kann aber auch in der Biotechnologie genutzt werden, um Abfallprodukte und andere organische Stoffe zu behandeln. So können beispielsweise biologische Kläranlagen organische Stoffe aus Abwässern entfernen, indem sie sie den Mikroorganismen aussetzen, die in den Klärschlamm leben.

Insgesamt ist der biologische Abbau bei Wachstum von Mikroorganismen ein wichtiger Prozess, der dazu beiträgt, organische Stoffe aus der Umwelt zu entfernen und den Kreislauf von Kohlenstoff, Stickstoff und anderen Elementen in der Natur aufrechtzuerhalten.

•MO besitzt genetisches Potential zum Bioabbau

•MO kommt in der spezifischen Umwelt vor und kann dieses  Potential dort exprimieren

•MO kann sich der MO-Gemeinschaft anpassen bzw. in dieser durchsetzen

•Fremdstoff ist einem Abbau zugänglich (räumlich, chemisch)

•Fremdstoff tritt in geeigneter Konzentration auf (Grenzkonz. < C < Toxizitätskonz.)

•die Abbaurate übertrifft die Eintragsrate des Schadstoffs

•Nährstoffe, Cosubstrate und ggf. Sauerstoff sind nicht limitierend

•Einfluss auf Stoffverfügbarkeit: v.a. durch Bioturbationund mechanische Zerkleinerung von Partikeln.

•Tragen kaum zum biochemischen Abbau bei.

•2(3)-phasiger Metabolismus durch höhere Organismen v.a. durch

1. Transformation durch Monooxygenasen(CytochromP450-Typ), Reduktasenund Hydrolasen,

2. Konjugation (z.B. Acetylierung, Glucuronierung, Methylierung*), z.B. GlutathionS-Transferasen,in Böden leicht Rückreaktion der Konjugate.

3.Deaktivierungund VorbereitungderSekretionvon Fremdstoffenv.a. überdie Leber(Leberenzyme).

•AusscheidungswegeüberUrin, Faeces, Galle, Atemund Schweiß.

Cometabolismus ist ein Prozess, bei dem Mikroorganismen Stoffwechselreaktionen durchführen, die nicht direkt mit ihrem eigenen Wachstum und Überleben zusammenhängen, sondern durch das Vorhandensein anderer Stoffe oder Mikroorganismen ausgelöst werden.

Dieser Prozess tritt auf, wenn Mikroorganismen Enzyme produzieren, um bestimmte Substrate abzubauen, die für ihr eigenes Wachstum nicht geeignet sind, aber die durch die Anwesenheit anderer Substrate oder Mikroorganismen aktiviert werden. Das bedeutet, dass ein Mikroorganismus, der ein bestimmtes Enzym produziert, um einen Stoff abzubauen, möglicherweise nicht in der Lage ist, diesen Stoff als Energiequelle zu verwenden, aber durch den Abbau dieses Stoffs kann eine andere Art von Mikroorganismus oder eine andere Reaktion aktiviert werden.

Ein Beispiel für Cometabolismus ist die Verwendung von Bakterien, die in der Lage sind, bestimmte Kohlenwasserstoffe wie Benzol oder Toluol abzubauen, obwohl sie diese Stoffe nicht als Energiequelle verwenden können. Stattdessen produzieren diese Bakterien Enzyme, die die Kohlenwasserstoffe in Verbindungen abbauen, die von anderen Mikroorganismen als Nährstoffquelle verwendet werden können.

Cometabolismus kann in verschiedenen Anwendungen genutzt werden, wie z.B. bei der biologischen Abwasserbehandlung, bei der Mikroorganismen durch die Verwendung von Enzymen oder anderen Stoffwechselprodukten dazu gebracht werden, bestimmte Schadstoffe abzubauen. Cometabolismus kann auch bei der Bioremediation von kontaminierten Böden oder Gewässern eingesetzt werden, indem Mikroorganismen dazu gebracht werden, Schadstoffe abzubauen, die sie sonst nicht direkt als Energiequelle nutzen würden.

Insgesamt ist Cometabolismus ein wichtiger Prozess in der biologischen Abbautechnologie, da er die Fähigkeit von Mikroorganismen erhöht, eine Vielzahl von Schadstoffen abzubauen und so zur Entgiftung von Umweltverschmutzungen beizutragen.

Xenobiotikum: Chemisch-synthetische Chemikalie, die nicht zu den Enzymsystemen lebender Organismen passt und oft in der Umwelt in Konzentrationen vorliegt, die unerwünschte Effekte hervorrufen.

Xenophore: Substituenten/funktionelle Gruppen, die den „unnatürlichen“ Charakter eines Xenobiotikums bewirken; z.B. Halogene, -CN, -NO2.

Der Bioabbau durch wachsende Mikroorganismen (MO) bezieht sich auf den Abbau von organischen Verbindungen durch die Verwendung von MO, die Nahrung und Energie aus diesen Verbindungen gewinnen. Wenn MO wachsen, nehmen sie Nährstoffe aus ihrer Umgebung auf und verwenden sie zur Synthese von Zellkomponenten, wie Proteinen und Nukleinsäuren. Organische Verbindungen können als Energiequelle für diesen Prozess verwendet werden, indem sie in einer Reihe von enzymatischen Reaktionen abgebaut werden, die als Stoffwechselwege bezeichnet werden.

Ein Beispiel für den Bioabbau durch wachsende MO ist die Abwasserbehandlung. In einer Kläranlage werden organische Stoffe wie Kohlenhydrate und Proteine durch verschiedene MO, wie Bakterien, Pilze und Algen, abgebaut. Diese MO nehmen die organischen Stoffe auf und verwenden sie als Nahrung und Energiequelle für ihr Wachstum und ihre Vermehrung. Im Verlauf dieses Prozesses werden die organischen Stoffe in einfachere Moleküle wie Kohlendioxid und Wasser umgewandelt. Die Abwasserbehandlung ist ein Beispiel dafür, wie der Bioabbau durch wachsende MO zur Entfernung von Schadstoffen aus der Umwelt eingesetzt wird.

Die Geschwindigkeit des Bioabbaus durch wachsende MO hängt von verschiedenen Faktoren ab, einschließlich der Art und Konzentration der organischen Verbindungen, der Menge an verfügbaren Nährstoffen und der Umweltbedingungen wie Temperatur, pH-Wert und Sauerstoffgehalt. Das Verständnis der Kinetik des Bioabbaus durch wachsende MO ist wichtig, um den Prozess der Abfallentsorgung oder biotechnologischen Produktion zu optimieren.

was ist MO?

MO steht für Mikroorganismen, was eine Sammelbezeichnung für winzige Lebewesen ist, die nur unter dem Mikroskop sichtbar sind. Dazu gehören Bakterien, Pilze, Viren, Archaeen und Algen. Diese Mikroorganismen sind überall in der Natur zu finden, einschließlich im Boden, im Wasser, in der Luft und in lebenden Organismen.

Mikroorganismen spielen eine wichtige Rolle in vielen Aspekten des Lebens auf der Erde. Sie sind für den Abbau von organischen Verbindungen verantwortlich, die als Nährstoffe für Pflanzen und andere Lebewesen dienen. Sie sind auch an der Produktion von Lebensmitteln wie Käse, Joghurt und Sauerkraut beteiligt, sowie an der Herstellung von Medikamenten, Bier und Wein.

In der Wissenschaft werden Mikroorganismen oft als Modellorganismen verwendet, um grundlegende biologische Prozesse zu erforschen. Sie sind auch von großem Interesse für die Biotechnologie, da sie in der Lage sind, eine Vielzahl von nützlichen Produkten zu produzieren, wie Enzyme, Antibiotika und Biokraftstoffe.

Mikroorganismen haben jedoch auch das Potenzial, Krankheiten zu verursachen und Schäden an Pflanzen und Tieren zu verursachen. Aus diesem Grund wird die Untersuchung und Kontrolle von Mikroorganismen in verschiedenen Bereichen wie der Medizin, der Landwirtschaft und der Lebensmittelindustrie von großer Bedeutung.

Die Monod-Gleichung ist eine mathematische Beziehung, die die Wachstumsgeschwindigkeit von Mikroorganismen in Abhängigkeit von der Konzentration eines bestimmten Nährstoffs beschreibt. Die Gleichung wurde von dem französischen Biochemiker Jacques Monod entwickelt und wird oft in der Mikrobiologie und der biologischen Abwasserbehandlung verwendet.

Die Monod-Gleichung lautet wie folgt:

µ = µmax * [S] / (Ks + [S])

wobei µ die spezifische Wachstumsrate der Mikroorganismen ist, µmax die maximale spezifische Wachstumsrate darstellt, [S] die Konzentration des Nährstoffs (z.B. Glukose) ist und Ks die Halbsättigungskonstante ist, die angibt, bei welcher Konzentration des Nährstoffs die Hälfte der maximalen spezifischen Wachstumsrate erreicht wird.

Die Monod-Gleichung besagt, dass die Wachstumsgeschwindigkeit der Mikroorganismen zunächst proportional zur Konzentration des Nährstoffs ist. Wenn jedoch eine bestimmte Konzentration erreicht wird, bei der alle Enzyme, die für den Abbau des Nährstoffs notwendig sind, gesättigt sind, nimmt die Wachstumsgeschwindigkeit ab. Die Halbsättigungskonstante gibt an, bei welcher Konzentration die Enzyme zu 50% gesättigt sind.

Die Monod-Gleichung kann dazu verwendet werden, das Wachstum von Mikroorganismen in Abwasserbehandlungsanlagen vorherzusagen und zu optimieren. Durch die Anpassung der Nährstoffzufuhr kann die Wachstumsgeschwindigkeit von Mikroorganismen gesteuert werden, um eine effektive Abwasserbehandlung zu gewährleisten.

KS variiert zwischen MO, Substrat und z.T.je ein KSfür niedrige und hohe Konz.

Je kleiner KSdesto größer ist Affinität des MO für das Substrat

Im Gegensatz zum Abbau durch wachsende Mikroorganismen, kann der Abbau von organischen Verbindungen auch durch nicht wachsende Mikroorganismen stattfinden. Bei diesem Prozess, der auch als nicht-wachsender Bioabbau oder kinetisch kontrollierter Abbau bezeichnet wird, wird die Rate des Abbaus durch die Konzentration der organischen Verbindung bestimmt, nicht durch das Wachstum der Mikroorganismen.

Der nicht-wachsende Bioabbau kann auch in sauerstoffarmen Umgebungen stattfinden, wo das Wachstum von Mikroorganismen eingeschränkt ist. In diesen Bedingungen kann der Abbau von organischen Verbindungen durch Prozesse wie Fermentation, anaerobe Atmung und Methanogenese stattfinden.

Im Gegensatz zum Wachstum von Mikroorganismen ist der nicht-wachsende Bioabbau in der Regel langsamer, aber er kann über einen längeren Zeitraum andauern. Der Prozess kann auch für schwer abbaubare Verbindungen wie bestimmte Schadstoffe, die nicht leicht abgebaut werden können, geeignet sein.

Nicht-wachsender Bioabbau ist ein wichtiger Prozess in vielen natürlichen Systemen wie Böden, Sedimenten und Gewässern, wo organische Verbindungen auf natürliche Weise abgebaut werden. Er wird auch in der biologischen Abwasserbehandlung eingesetzt, wo er für die Entfernung von organischen Verbindungen aus Abwasser eingesetzt wird.

Empirische Modelle beschreiben Abbau oft sehr gut, können ihn aber nicht erklären

Prognosen erst bei Daten > DT50statthaft

Kinetische Modelle sind Vereinfachungen; entsprechen niemals der komplexen Umwelt

zahlreiche Faktoren und MO selber beein-flussen Abbau

MO-Wachstum kann durch ein Substrat verursacht werden, dass bei Abbau nichtbetrachtet wird

Vemehrungskinetik gilt für Bakterien; Pilze wachsen durch Verlängerung der Hyphen folgt vermutlich nicht Monod-Kinetik

Gesamtgehalte sind ein ungeeignetes Maß!

Nur ein Anteil der Gesamtmenge ist bioverfügbar und ggf. wirksam.



•Bewertung der Umweltrelevanz von Schadstoffen.

•Prognose der Biodegradation.

•Abschätzung der mobilen Fraktion: Verlagerung in Biota, Luft, Wasser?

Kennzeichnung der Schlüsselgrößen.

Alternativen zum Gesamtgehalt

1.chemische Extraktionsverfahren

2.Biotests

3.Modellierung der Substanzeigenschaften

Die Bioverfügbarkeit einer Substanz variiert je nach

-Spezies,

-Entwicklungsstadium,

-Umweltbedingungen,

-Aufnahmepfad.

Jeweils individuelle Untersuchungen notwendig

Tests mit autochthoner, gemischter Population oder Testorganismen.

•Mortalität / Reproduktion / Vermeidungsverhalten

•Transformation/Abbau des Stoffes

•Hemmung vonBiolumineszenzEnzymaktivitätenRespirationBiomassebildung

•Diversität: DNA, RNA, PLFA, CLPP

•Pollution induced Community Tolerance –PICT

•Biosonden –Microarray

•etc.

•Bioverfügbarkeit ist keine statische Größe sondern ein dynamischer Prozess.

•Es gibt keine allgemeine Bioverfügbarkeit.

•Untersuchung von homogenisierten Bodenproben statt strukturierten Feldböden.

•Die Verfügbarkeit ionischer Spezies,von Formulierungenu.a. wird oft falsch eingeschätzt.

•Die Ergebnisse chemischer Verfahrensind operationell definiert.

•Die Löslichkeitvieler Schadstoffe be-hindert deren chemische Identifizierung.

•Organismen reagierenauf Schadstoffe.

•Für Biotests gibt es kaum Kontrollproben, um Effekte abzusichern.

QSAR (Quantitative Structure-Activity Relationship) und QSPR (Quantitative Structure-Property Relationship) sind Modellierungstechniken, die verwendet werden, um die Eigenschaften von chemischen Verbindungen vorherzusagen. Diese Techniken basieren auf der Beziehung zwischen der chemischen Struktur einer Verbindung und ihren physikalischen, chemischen oder biologischen Eigenschaften.

QSAR-Modelle verwenden mathematische Gleichungen, um quantitative Beziehungen zwischen der chemischen Struktur von Verbindungen und ihren biologischen Aktivitäten (z. B. Toxizität oder Wirksamkeit) zu beschreiben. QSPR-Modelle hingegen beschreiben quantitative Beziehungen zwischen der chemischen Struktur von Verbindungen und ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften (z. B. Löslichkeit, Schmelzpunkt, Dichte).

Die QSAR- und QSPR-Modelle basieren auf statistischen Methoden und maschinellem Lernen. Sie werden durch die Analyse von Datenbanken mit bekannten Verbindungen entwickelt und können verwendet werden, um die Eigenschaften von neuen Verbindungen vorherzusagen, die noch nicht synthetisiert wurden.

Diese Modelle haben zahlreiche Anwendungen, insbesondere in der Medikamentenentwicklung, wo sie verwendet werden können, um die Wirksamkeit und Toxizität von potenziellen Medikamentenkandidaten vorherzusagen. QSAR- und QSPR-Modelle werden auch in anderen Bereichen eingesetzt, wie z.B. in der Materialwissenschaft, Umweltchemie und Lebensmittelindustrie.

Adsorption* (Wechselwirkung mit Partikeloberflächen; voll reversibel)

Diffusion* (Verlagerung in Poren und Hohlräume; reversibel)

Bindung(echte chemische Bindungen zwischen Xenobiotikum und Bodenpartikeln)

Sequestrierung(*)(Einschluss in Poren und Hohlräumen)

*kein Abbau!

Hydrolyse

Redoxreaktionen

Photooxidation

abiotische Katalyse an Huminstoffen, Tonmineralen, pedogenen Oxiden

werden auch biotisch katalysiert!

Schadstoffabbau durch Redoxreaktionen ist ein Verfahren zur Entfernung von Schadstoffen aus der Umwelt durch chemische Reaktionen. Bei Redoxreaktionen werden Elektronen zwischen Reaktionspartnern ausgetauscht, wodurch die Oxidationsstufen der beteiligten Elemente verändert werden.

Ein Beispiel für den Abbau von Schadstoffen durch Redoxreaktionen ist der Abbau von chlorierten Kohlenwasserstoffen (z.B. Tetrachlormethan oder Trichlorethen) in kontaminierten Böden oder Grundwasservorkommen. Diese Verbindungen sind aufgrund ihrer hohen Persistenz und Toxizität in der Umwelt von Bedeutung.

Bei der Redoxreaktion wird das chlorierte Kohlenwasserstoffmolekül durch den Entzug von Chloratomen und der Umwandlung in nichtchlorierte Produkte abgebaut. Eine Möglichkeit, diesen Prozess zu erreichen, besteht darin, mikrobielle Gemeinschaften zu verwenden, die die notwendigen Enzyme und Nährstoffe für die Schadstoffabbau-Reaktionen besitzen.

Ein weiteres Beispiel für den Abbau von Schadstoffen durch Redoxreaktionen ist die Entfernung von Schwermetallen aus Abwässern durch chemische Fällung. Hierbei wird ein Fällungsmittel wie Natriumsulfid oder Calciumhydroxid hinzugefügt, um eine Reduktion der Schwermetalle und somit eine Abtrennung durch Fällung zu erreichen.

Die Entfernung von Schadstoffen durch Redoxreaktionen ist ein wichtiger Ansatz zur Behandlung von Umweltverschmutzung, der in vielen Bereichen der Umwelttechnik eingesetzt wird.

Schwefellost, auch bekannt als Senfgas oder Gelbkreuz, ist ein chemischer Kampfstoff, der erstmals im Ersten Weltkrieg eingesetzt wurde. Es handelt sich um eine flüssige Verbindung, die bei Raumtemperatur farblos bis gelblich ist und einen charakteristischen Geruch aufweist. Schwefellost ist sehr giftig und kann sowohl durch Inhalation als auch durch Hautkontakt schwere Verletzungen verursachen.

Der Mechanismus der Giftwirkung von Schwefellost beruht auf der Alkylierung von DNA und anderen Biomolekülen durch die reaktive Senfgasgruppe. Dadurch wird die Zellfunktion beeinträchtigt, was zu Gewebeschäden, Entzündungen und Blasenbildung führt. Schwefellost kann auch das Immunsystem beeinträchtigen und zu Langzeitschäden führen.

Aufgrund seiner Toxizität und Gefährlichkeit wird Schwefellost heute hauptsächlich für militärische Zwecke eingesetzt. In der Vergangenheit wurde Schwefellost jedoch auch für chemische Waffen eingesetzt und ist ein berüchtigter Bestandteil von Chemiewaffenarsenalen. Schwefellost wurde auch in der Vergangenheit für industrielle Zwecke eingesetzt, beispielsweise als Pflanzenschutzmittel und in der Textilindustrie. Heute ist der Einsatz von Schwefellost für diese Zwecke jedoch weitgehend verboten oder eingeschränkt, da er eine erhebliche Gefahr für die Umwelt und die menschliche Gesundheit darstellt.

TNT, auch bekannt als Trinitrotoluol, ist ein Sprengstoff, der aufgrund seiner hohen Stabilität und Resistenz gegenüber biologischen Abbauprozessen in Böden und Sedimenten persistent sein kann. TNT kann auch mit pedogenen Oxiden wie Eisen- oder Manganoxiden in Böden interagieren.

Pedogene Oxide sind natürlich vorkommende Minerale in Böden, die oft als wichtige Sorptionsstellen für Schwermetalle und Schadstoffe dienen. In einigen Fällen können sie auch eine wichtige Rolle bei der Bindung und Immobilisierung von organischen Schadstoffen wie TNT spielen. Dies liegt daran, dass pedogene Oxide wie Eisen- oder Manganoxide eine hohe Affinität für die Adsorption von TNT aufweisen und somit dessen Mobilität und Verfügbarkeit im Boden verringern können.

Allerdings kann die langsame Reaktionsrate zwischen TNT und pedogenen Oxiden dazu führen, dass TNT über einen längeren Zeitraum im Boden verbleibt. In einigen Fällen kann TNT auch durch Redoxreaktionen mit pedogenen Oxiden abgebaut werden, was zu einer Umwandlung in weniger toxische Verbindungen führt.

Insgesamt hängt der Abbau und die Immobilisierung von TNT in Böden von verschiedenen Faktoren ab, einschließlich des Bodentyps, des pH-Werts, der Feuchtigkeit und der Art und Konzentration der pedogenen Oxide im Boden. Es ist wichtig, geeignete Strategien und Technologien zu entwickeln, um den Abbau und die Entfernung von TNT aus kontaminierten Böden effektiv und sicher zu bewältigen.

Photoabbau: durch energiereiche Lichtstrahlung (290 -400 nm)direkter Abbau (Photooxidation)indirekter Abbau durch Energieübertragung von aktivierten Substanzen (NOM, Huminstoffe!)

relevant: in Luft

in Wasser ~ 2 m

in Boden Eindringtiefe ~ 0,5 mm

Die Energie von Licht* hängt von der Wellenlänge lambda Frequenz ab.

E = h • h = Planck`sches Wirkungsquantum 6,63•10-34J•s

*(eines Photons)

Lichtenergie kann chemische Bindungen brechen  undElektronen anregen

Bildung reaktiver (angeregter) Atome/Moleküle und Radikale

Sensitizer und Quencher sind zwei Begriffe, die in der chemischen Analytik und der Photosynthese verwendet werden.

Ein Sensitizer ist ein Stoff, der die Absorption von Lichtenergie in einem anderen Stoff erhöht. Sensitizer werden oft in der Photodynamischen Therapie verwendet, um Krebszellen zu zerstören. Dabei wird ein Sensitizer in die Krebszellen eingebracht und anschließend mit Licht bestrahlt, wodurch er aktiviert wird und in der Lage ist, die Krebszellen zu zerstören.

Ein Quencher ist ein Stoff, der die Fluoreszenz von Molekülen reduziert oder unterdrückt. Dies geschieht durch eine chemische Reaktion, bei der der Quencher mit dem fluoreszierenden Molekül reagiert und die Energie des angeregten Zustands aufnimmt. Dadurch wird die Fluoreszenz gelöscht oder reduziert. Quencher werden in der Fluoreszenzspektroskopie verwendet, um die Empfindlichkeit von Messungen zu erhöhen und um Interferenzen durch Hintergrundfluoreszenz zu reduzieren.

In der Photosynthese sind Sensitizer und Quencher ebenfalls wichtige Faktoren. In der Photosynthese werden Lichtenergie und Kohlenstoffdioxid in Glukose umgewandelt. Sensitizer wie Chlorophyll absorbieren Lichtenergie und übertragen sie auf andere Moleküle, die dann die Energie verwenden, um Kohlenstoffdioxid in Glukose umzuwandeln. Quencher dagegen reduzieren die Energie, die von den Sensitizern aufgenommen wird, um Übererregung und Schäden an den Photosynthesepigmenten zu vermeiden.

Luftschadstoffen können durch die photochemische Oxidation von organischen Verbindungen zu Smog und anderen Schadstoffen führen. Die photochemische Oxidation ist ein Prozess, bei dem organische Verbindungen in der Atmosphäre durch UV-Licht und Sauerstoff oxidiert werden, wodurch reaktive Sauerstoffspezies (ROS) entstehen. Diese ROS können dann mit anderen Molekülen in der Luft reagieren und verschiedene Schadstoffe wie Ozon, Peroxysäuren und Aldehyde bilden.

Die photochemische Oxidation findet in der Atmosphäre statt, wenn Sonnenlicht auf Luftschadstoffe wie Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und flüchtige organische Verbindungen trifft. In Anwesenheit von Stickoxiden können Kohlenwasserstoffe durch die Bildung von reaktiven Zwischenprodukten wie Peroxyradikalen und Hydroperoxiden oxidieren. Diese Zwischenprodukte können dann mit anderen Molekülen wie Stickoxiden reagieren, um Ozon und andere Schadstoffe zu bilden.

Die photochemische Oxidation ist ein wichtiger Prozess in der Atmosphäre, der die Luftqualität und die Gesundheit beeinflussen kann. Eine erhöhte Konzentration von Schadstoffen wie Ozon kann zu Atemproblemen, Reizungen der Augen und Schleimhäute sowie zu anderen gesundheitlichen Problemen führen. Daher sind Maßnahmen zur Reduzierung von Luftschadstoffen und zur Begrenzung von Emissionen notwendig, um die Auswirkungen der photochemischen Oxidation auf die Umwelt und die Gesundheit zu minimieren.