Im Rahmen des Postgradual-Studienganges (PGS) „Toxikologie und Umweltschutz“ wird das interaktive Lernprogramm „Toxnetz-Explorer“ entwickelt. Anhand von Grafiken, Animationen und unterstützenden Texten sollen die wichtigsten Funktionen des menschlichen Körpers und einzelner Organe sowie der Zusammenhang dieser mit toxikologischen Vorgängen veranschaulicht werden. Die vorliegende Arbeit stellt die Basis des Abschnittes über die Niere für das Lernprogramms „Toxnetz-Explorer“ dar. Die Nieren sind die zentralen Ausscheidungsorgane des menschlichen Körpers. Alle löslichen Verbindungen werden in der Niere filtriert, dem Körper über unterschiedliche Prozesse zurückgeführt, metabolisiert oder ausgeschieden. Darüber hinaus besitzt die Niere weitere regulierende Aufgaben, wie beispielsweise die Regulation des Wasser-Elektrolyt- oder des Säure-Haushaltes. Sie sind ebenfalls für die Autoregulation des renalen Blutdruckes und die Synthese von verschiedenen Substanzen verantwortlich. Auf Grund dieser vielen und wichtigen Funktionen und der hohen Durchblutungsrate sowie der Aufkonzentrierung von Substanzen stellen die Nieren ein attraktives Ziel für ein große Anzahl an toxischen Stoffen dar, welche an die verschiedenen renalen Funktionseinheiten eine Schädigung bewirken können. Ziel dieser Arbeit ist die anschauliche Darstellung des anatomischen Aufbaus der Niere, der normalen renalen Funktionen und Aufgaben im menschlichen Körper, sowie eine Zusammenstellung verschiedener nephrotoxischen Substanzen und deren spezifischen Schädigungsmechanismen.

Die vorliegende Arbeit soll einen Überblick über den Aufbau und die Funktion des peripheren Nervensystems geben. Gewählt wurde dabei ein Weg von „Innen nach Außen“, d.h. die Beschreibung des Aufbaus beginnt bei der Nervenzelle als kleinste Einheit und endet bei den Nervengeflechten der Peripherie. Gleichzeitig werden wichtige physiologische und biochemische Prozesse erläutert, ohne die eine Funktionalität des Nervensystems nicht möglich wäre. Abschließend werden ausgewählte Beispiele für neurotoxische Substanzen präsentiert und deren Wirkweise erklärt. Die vorliegende Arbeit soll im Zusammenhang mit dem Lernprogramm „Toxnetz-Explorer“ die Ausarbeitung des Kapitels „Das periphere Nervensystem“ unterstützen.

Das Glioblastom ist der häufigste maligne Hirntumor. Unter der aktuellen Standardtherapie bestehend aus möglichst kompletter Resektion, kombinierter Radiochemotherapie und einer Erhaltungstherapie mit Temozolomid bleibt die Prognose mit einer 5-Jahresüberlebensrate von 7,2% schlecht. Das natürlich vorkommende Dipeptid L-Carnosin (β-Alanyl-L-Histidin) schwächt das Wachstum von Tumorzellen ab. In der vorliegenden Arbeit sind wir der Frage nachgegangen, ob andere kleine imidazolhaltige Substanzen auch die Vitalität von Glioblastomzellen beeinflussen ohne dabei nicht-maligne Zellen zu beeinflussen und ob diesem Effekt die Bildung von Histamin zugrunde liegt. Primäre Fibroblastenkulturen und Glioblastomzellen wurden mit L-Carnosin, L-Alanyl-L-Histidin, β-Alanyl-L-Alanin, L-Histidin, Histamin, Imidazol, β-Alanin und L-Alanin für 48 Stunden behandelt. Über zellbasierte Vitalitätsassays und mikroskopische Analysen wurde die Zellvitalität unter dem Einfluss der verschiedenen Substanzen sowohl von den primären Fibroblastenkulturen als auch den Glioblastomzellen bestimmt. Zudem wurde die intrazelluläre Freisetzung von L-Histidin und die Bildung von Histamin nach Behandlung der Zellen entweder mit L-Carnosin oder mir L-Alanyl-L-Histidin mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) bestimmt. L-Carnosin und L-Alanyl-L-Histidin hemmten das Tumorwachstums bei gleichzeitig nur geringem Effekt auf die Vitalität der primären Fibroblastenkulturen. L-Histidin, Histamin und Imidazol hingegen reduzierten die Zellvitalität beider Zelltypen. Substanzen die keinen Imidazolanteil besaßen hatten keinen Einfluss auf die Zellvitalität. In Anwesenheit von L-Alanyl-L-Histidin aber nicht von L-Carnosin kam es zu einem signifikanten Anstieg der intrazellulären L-Histidinmenge. Die Bildung von Histamin konnte weder nach Behandlung der Zellen mit L-Carnosin und L-Alanyl-L-Histidin noch mit L-Histidin nachgewiesen werden. Zusammenfassend trägt der Imidazolanteil zum antineoplastischen Effekt von L-Carnosin bei, was auch auf den Effekt von L-Alanyl-L-Histidin und L-Histidin zutrifft. Obwohl Histamin einen starken Einfluss auf die Zellvitalität ausübt, ist die Bildung von Histamin nicht für den antineoplastischen Effekt von L-Carnosin, L-Alanyl-L-Histidin und L-Histidin verantwortlich.

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Schubert K., Polte T., Bönisch U., Schader S., Holtappels R., Hildebrandt G., Lehmann J., Simon J.C., Anderegg U., Saalbach A. Thy-1 (CD90) regulates the extravasation of leukocytes during inflammation. Eur. J. Immunol. 41, 2011; 645-656 / Saalbach A, Haustein UF, and Anderegg U. A ligand of human Thy-1 is localized on polymorphonuclear leukocytes and monocytes and mediates the binding to activated Thy-1 positive microvascular endothelial cells and fibroblasts. J. Invest. Dermatol. 2000; 115: 882-888 / Wetzel A., Wetzig T., Haustein U.F., Sticherling M., Anderegg U., Simon J.C., Saalbach A. Increased Neutrophil Adherence in Psoriasis: Role of the Human Endothelial Cell Receptor Thy-1 (CD90). Journal of Investigative Dermatology. 2006; 126: 441–452 / Saalbach A., Arnhold J., Leßig J., Simon J. C., Anderegg U. Human Thy-1 induces secretion of matrixmetalloproteinase-9 and CXCL8 from human neutrophils. Eur. J. Immunol. 2008; 38: 1391–1403 / Schmidt M., Gutknecht D., Simon J.C., Schulz J.N., Eckes B., Anderegg U., Saalbach A. Controlling the Balance of Fibroblast Proliferation and Differentiation: Impact of Thy-1. J Invest Dermatol. 2015; 135(7):1893-902 / Saalbach, A., Wetzig, T., Haustein, U.F., and Anderegg, U. Detection of human soluble Thy-1 in serum by ELISA: fibroblasts and activated endothelial cells are a possible source of soluble Thy-1 in serum. Cell Tiss. Res. 1999; 298: 307-315 / Wetzel A, Chavakis T, Preissner K, Sticherling M, Haustein U-F, Anderegg U, Saalbach A. Human Thy-1 (CD90) on Activated Endothel Cells is a Counterreceptor for the Leucocyte Integrin Mac-1 (CD11b/CD18). The Journal of Immunology 2004; 172: 3850-3859

Das Influenza A Virus (IAV) stellt weltweit eine ernstzunehmende Bedrohung für Gesundheit und Wirtschaft der Menschheit dar. Ein universeller und langanhaltender Impfstoff konnte noch nicht entwickelt werden und klinisch zugelassene Medikamente verlieren durch die rasante Entstehung von resistenten Stämmen zunehmend ihre Wirkung. Aus diesem Grund gewinnt die Erforschung neuer antiviraler Strategien zur Bekämpfung des Influenzavirus an Bedeutung zum Schutze unserer Gesellschaft. Eine vielversprechende Zielstruktur für die Entwicklung neuer antiviraler Medikamente stellt das virale Hämagglutinin (HA) dar. Das HA liegt in hoher Dichte auf Influenzaviren vor und ermöglicht die Bindung an Sialinsäuren (SA) auf Wirtszellen und die Verschmelzung mit deren Lipidmembran. HA-bindende Moleküle entfalten eine hemmende Wirkung bereits bei dem ersten Kontakt mit Zellen, sodass eine Infektion erst gar nicht stattfinden kann. Aufgrund einer hohen HA-Dichte auf der Virusoberfläche eignen sich besonders multivalente SA tragende Nanopartikel für die Hemmung einer viralen Infektion. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen, wurden in der vorliegenden Arbeit neue multivalente Binder gegenüber dem viralen Hämagglutinin (HA) entwickelt und studiert. Im Gegensatz zu bereits bekannten multivalenten Sialosiden, die in einer undefinierten räumlichen Orientierung auf Polymergerüsten präsentiert wurden, konnten in der vorliegenden Arbeit strukturelle Aspekte identifiziert werden, um Gerüstsysteme mit optimaler Rezeptorpräsentation gegenüber der Influenza A Virusoberfläche zu generieren. Neben SA-basierten Polymersystemen wurde auch ein gegen HA gerichtetes Peptid aus einem Antikörper identifiziert, welches sich auch für eine multivalente Interaktion mit IAV eignet. Diese Arbeit ermöglicht neue Einblicke in die Auswahl geeigneter Trägersysteme, eines optimalen Rezeptorabstandes und der Verwendung alternativer Rezeptoren mit dem Ziel einer Infektionshemmung von IAV. / Influenza A virus (IAV) still poses a serious threat to global health and economy of mankind. So far, a universal, long-lasting vaccine could not be developed, and clinically approved drugs are prone to lose activity due to the fast development of resistant strains. Because of this, research on new antiviral compounds and strategies to combat influenza viruses is of great importance for the protection of our society. A promising candidate for the development of novel antiviral drugs is the viral hemagglutinin (HA) protein. HA is present at high density on the viral envelope, which allows binding to sialic acid (SA) molecules on host cells and fusion with their membrane. Following, HA binding molecules have an inhibitory effect at the very first step of the infection cycle, leading to the inability of an infection. Based on a high HA density on the viral surface, SA carrying nanoparticles qualify for the inhibition of a viral infection. Based on this knowledge the study at hand demonstrates the development of new multivalent binders against viral HA and discusses them critically. In contrast to published multivalent sialosides, which are displayed in an undefined fashion on polymer scaffolds, the results of this thesis support the identification of structural requirements for the design of new scaffold systems with an optimal match to the viral surface. Beside sialoside based polymer systems, completely new peptide based systems, based on an HA binding antibody, were developed. Similar to polyglycerolsialosides, such multivalent peptide-decorated polymers were able to achieve nanomolar binding inhibition constants, too. In summary, this thesis enables new insights into the choice of a suitable carrier system, the optimal receptor spacing, and the use of alternative receptors with the ultimate goal of virus neutralization.

Da John Locke wiederholt betont, dass seine Theorie von materiellen Körpern, vorgebracht im Essay concerning Human Understanding (1690), eine genuin philosophische Darstellung von Körpern sei, summiert sich das Thema seiner Ausführungen zu einer philosophischen Reflektion der sogenannten wissenschaftlichen Revolution im siebzehnten Jahrhundert auf. In dieser Arbeit werde ich eine Interpretationslinie entwickeln, welche zu bestimmen versucht, worin das genuin philosophische Anliegen von Lockes Analyse von Körpern besteht. Sie führt zu einer umfassenden Neubetrachtung von Lockes Ausführungen, da Unterschiede zu anderen Interpretationen gerade bei den zentralen Fragestellungen und der ihnen entsprechenden Begriffen bestehen, namentlich von: dem Substratum von Körpern, primären und sekundären Qualitäten, Ähnlichkeit, der Rolle der Korpuskulartheorie, Archetypen, realen und nominalen Essenzen, dem Argument zu Spezien und Klassifikation, die Bedeutung von Lockes Sprachanalyse, dem Wissensbegriff, dem Ideal wissenschaftlichem Verstehens und der Bestimmung der Reichweite zeitgenössischen Wissens. Es wird argumentiert, dass er bewusst zeitgenössisches Wissen von Körpern in der Perspektive eines idealen, wissenschaftlichen Verstehens von ihnen bestimmt und dass er so einen philosophischen Rahmen für die Naturwissenschaften entwirft, der: (1) spezifiziert, worin eine Wissenschaft von Körpern idealerweise besteht, (2) zeitgenössisches Wissen in dieser Perspektive bestimmt, (3) eine eigene Konzeption für eine zeitgenössische Wissenschaft beinhaltet, welche Mittel zur Verfügung stellt, dieses Wissen zu erweitern und (4) alternative Ideen von einer Wissenschaft von Körpern zurückweist. / Since John Locke repeatedly insists that his theory of bodies, endorsed in the Essay concerning Human Understanding (1690), is a genuinely philosophical assessment of bodies, the topic of his account adds up to a philosophical reflection on the so-called scientific revolution in the seventeenth century. In this work, I will develop a line of interpretation that undertakes to settle the issue what the genuinely philosophical issue of Locke's analysis of bodies consists in. This leads to a thorough re-examination of Locke's account, since the differences to other interpretations concern most prominent issues on bodies and, correspondingly, many of their crucial concepts: the substratum of bodies, primary and secondary qualities, resemblance, the role of corpuscularian theory, archetypes, real and nominal essences, the argument on species and classification, the significance of the analysis of language, the concept of knowledge, the ideal of scientific understanding, and the account of the scope of contemporary knowledge. As will be argued, Locke consciously assesses contemporary knowledge in the perspective of an ideal scientific grasp of bodies and thus unfolds a philosophical framework for natural science which: (1) specifies what a science of bodies ideally consists in, (2) assesses contemporary knowledge in this perspective, (3) advances an own conception of a contemporary science of bodies that proposes means to enhance contemporary knowledge, and (4) refutes alternative ideas of a science of bodies.

In den letzten Jahren gerieten phenolische Substanzen, wie z.B. Chlor-, Nitrophenol oder Alkylphenolethoxylate aufgrund ihrer Toxizität sowie ihres kanzerogenen und endokrinen Potentials in das Interesse der Öffentlichkeit. Diese Substanzen gelangen in großen Mengen, z.B. aus industriellen Prozessen (Papier-, Kunststoff-, oder Lederindustrie) oder als Abbauprodukte von Pflanzenschutzmitteln in die Umwelt.<br /> <br /> Ziel dieser Arbeit war es, einfache biochemische Bestimmungsmethoden für verschiedene phenolische Umweltschadstoffe auf Basis biochemischer Erkennungselemente zu entwickeln. Diese sollten als Screeningmethoden in der Vor-Ort-Analytik einsetzbar sein. Die Anwendung sollte kostengünstig und einfach durchzuführen sein, so dass die Messung kein hochwissenschaftliches Personal erfordert. Daher stand im Hintergrund der Arbeit die Integration der Analysenmethode in ein kompaktes Handgerät.<br /> <br /> Zu diesem Zweck wurde ein Biosensor entwickelt der zur direkten Messung und in Kombination mit einem Immunoassay einsetzbar ist:<br /> <br /> 1.) Elektrochemischer Biosensor<br /> Ein elektrochemischer Biosensor stellt die Verbindung zwischen einer Elektrode und der biologischen Komponente dar. Als Messprinzip wurde die Amperometrie gewählt. Hierbei wird die Präsenz des nachzuweisenden Stoffes durch die angelegte Spannung am Sensor visualisiert, da beim Vorhandensein ein Stromfluss gemessen wird.<br /> <br /> Um die Signalintensität zu erhöhen können Enzyme als Katalysatoren genutzt werden, die in der Lage sind die Rückreaktion der Elektrodenreaktion zu realisieren. In diesem Fall wurde Glucose-Dehydrogenase (GDH) verwendet, die oxidierte phenolische Verbindungen reduzieren kann. Zusammen mit der Oxidation an der Sensoroberfläche bildet sich ein Verstärkungszyklus aus, der das ursprüngliche Signal vielfach erhöht.<br /> <br /> Wir waren in der Lage, GDH durch Einbetten in ein Polymerennetzwerk auf der Oberfläche einer gedruckten Platin-Dickschicht-Elektrode zu immobilisieren. Als Resultat erhielten wir einen sehr empfindlichen und äußerst stabilen Biosensor. Seine schnelle Ansprechzeit ermöglicht den Einsatz in automatisierten Fließsystemen zur Messung großer Probenzahlen. Der Einsatz in einem manuell betriebenen Handgerät konnte ebenfalls realisiert werden und brachte nur geringe Beeinträchtigungen in bezug auf die Empfindlichkeit der Messung. Die erfolgreiche Implementierung des Biosensors in das Handgerät wurde in Rahmen eines internationalen Workshops in Barcelona, anhand der Überprüfung der Reinigungsleistung von Klärwerken, gezeigt.<br /> <br /> 2.) Kombination mit Immunoassays<br /> Der Einsatzbereich der GDH-Biosensoren lässt sich durch die Kombination mit anderen Techniken erweitern, wobei der Sensor zur Visualisierung der Nachweisreaktion dient. In diesem Fall kann der Sensor zur Bestimmung der Enzymaktivität von ß?Galactosidase (ßGal) verwendet werden. Der Nachweis geringster Enzymmengen wurde realisiert. Die ßGal wird zur Markierung eines Analytanalogen in Immunoassays verwendet, um die Bindung von Antikörper und Analytmolekül sichtbar zu machen. Im Immunoassay bildet sich ein Gleichgewicht zwischen Antikörper, unmarkiertem Analyt und markiertem Analytanalog (Tracer) aus. Über die Bestimmung der Enzymaktivität kann man die Analytkonzentration in der Probe errechnen.<br /> <br /> Wir haben unseren GDH-Biosensor erfolgreich mit zwei Techniken kombiniert. Zum Einen mit einem Assay zur Bestimmung von Nitrophenol, der in einem automatisiertem Fließsystem realisiert wurde. Hier wird die Mischung aus Antikörpern, Analyt und Tracer über eine Säule gegeben und gespült. Die gebundenen Bestandteile werden durch den GDH-Biosensor quantifiziert.<br /> <br /> Zum Anderen wurde ein Kapillarimmunoassay entwickelt, der in das Handgerät integriert werden kann. Dabei wird der Antikörper direkt an der Kapillare fixiert. Die Probe wird mit Tracer vermischt und in die Kapillare gegeben. Dort bildet sich das Gleichgewicht aus und weitere Probenbestandteile werden im Spülschritt eliminiert. Die Analytkonzentration wird durch die Bestimmung des gebunden Tracers (Aktivität der ßGal) mit Hilfe des GDH-Biosensors realisiert. / The development of fast and reliable biochemical tools for on-site screening in environmental analysis was the main target of the present work. Due to various hazardous effects such as endocrine disruption and toxicity phenolic compounds are key analytes in environmental analysis and thus were chosen as model analytes.<br /> <br /> Three different methods were developed:<br /> <br /> For the enzymatic detection of phenols in environmental samples an enzyme-based biosensor was developed. In contrast to reported work using tyrosinase or peroxidases, we developed a biosensor based on glucose dehydrogenase as biorecognition element. This biosensor was devoted for an application in a laboratory flow system as well as in a portable device for on-site measurements.<br /> <br /> This enzymatic detection is applicable only for a limited number of phenols due to substrate specificity of the enzyme. For other relevant compounds based on a phenolic structure (i.e. nitrophenol, alkylphenols and alkylphenol ethoxylates) immunological methods had to be developed. The electrochemical GDH-biosensor was used as the label detector in these immunoassays.<br /> <br /> Two heterogeneous immunoassays were developed where ßGal was used as the label. An electrochemical method for the determination of the marker enzyme activity was processed. The separation step was realized with protein A/G columns (laboratory flow system) or by direct immobilization of the antibodies in small disposable capillaries (on-site analysis). <br /> <br /> All methods were targeted on the contemporary analysis of small numbers of samples.

The elimination of natural organic matter (NOM) is an important aim of water treatment in demineralisation plants of power stations. NOM is regarded as corrosion risk factor in the steam water cycle because of its potential to decompose into low-molecular-weight (LMW) acids and carbon dioxide. Further, the removal of NOM is also one of the main objectives in the drinking water production, since it can cause i) colour, taste and odour problems, ii) formation of carcinogen halogenated disinfection by-products (DBPs) after disinfection with chlorine and iii) bacterial growth in the water distribution system. In earlier studies, it was found that anion exchange is a successful method to remove NOM fractions. However, NOM fractions with low charge density (LMW neutrals and hydrophobic organic carbon (HOC)) and/or large molecular size (biopolymers and particulate organic carbon (POC)) could not be removed in some cases in satisfying quantities. The aim of the present work was to investigate the uptake performance of different anion exchange resins (AERs) in regard to problematic NOM fractions. The AERs differ especially in their functional groups (tertiary versus quaternary amines) and matrix material (polystyrene versus polyacrylic resins). The use of different AERs provides an option to identify possible interactions between adsorbate (NOM fractions) and adsorber (AERs) as well as the mechanism which determine the removal efficiency. The NOM fraction adsorption onto AERs was studied in equilibrium and fixed-bed experiments with three types of starch with different molecular size distributions (model substances for biopolymer fraction) as well as 2-naphthol (model substance for the LMW neutral fraction) at acidic pH (relevant for water in demineralisation plants of power stations) and neutral pH (covering most raw waters). Furthermore, the NOM fraction uptake from “real” acidic and neutral water samples, obtained from a demineralisation plant of a power station, was estimated for different AERs. Results were discussed in terms of size-exclusion, anion exchange and hydrophilic/hydrophobic repulsion. In case that size-exclusion influences the NOM uptake onto AERs, it was found that the smaller the size of the NOM molecules and the higher the water content of the AERs, the more effective the uptake is. Thus, for the removal of biopolymers and POC, polyacrylic resins with high water content could be a good choice. Contrary, polystyrene AERs are the most effective resins in the removal of NOM fractions, if no size-exclusion occurs. They seem to be able to uptake more hydrophilic NOM fractions by polar/ionic interactions between acids/acidic components and tertiary/quaternary amines as well as to remove more hydrophobic NOM fractions by π-π stacking and/or hydrophobic interactions on the polystyrene matrix. Further, it was found that the higher the total volume (anion exchange) capacity of an AER, the higher its NOM removal by polar/ionic interactions can be. At acidic pH, weak/medium base AERs have higher total volume (anion exchange) capacities than strong base AERs, whereas, at neutral pH, strong base AERs have the highest ones. In view of these results, the application of polyacrylic AERs with high water content can be recommended to remove NOM components with large molecular size in demineralisation and drinking water plants. If there is a higher amount of smaller NOM fractions, especially LMW neutrals, than polystyrene weak/medium base AERs should be favoured in demineralisation plants and polystyrene strong base AERs in drinking water treatment plants. From the engineering point of view, breakthrough curve (BTC) prediction models are important for the design of fixed-bed filter. Therefore, two different BTC model approaches were tested in the present study to describe the single-solute adsorption onto AERs: i) the homogenous surface diffusion model (HSDM) with linear driving force (LDF) approach for surface diffusion, known from activated carbon adsorption, and ii) the Glueckauf/Helfferich formulae as an extension of the height equivalent to a theoretical plate (HETP) model, initially used to describe ion exchange processes. It was found that the Glueckauf/Helfferich approach is not only a suitable tool for the fast calculation of BTCs for ionic components, but it can also successfully be applied, after considering the Freundlich model for the mass balance, for the rapid prediction of BTCs for single-solute organic molecules. For competitive BTC predictions, the ideal adsorbed solution theory (IAST) within the LDF model was applied. All calculated BTCs fit the experimental data in a good manner. Thus, the investigated BTC models can be applied for estimating the breakthrough bed volumes of different AERs to avoid leakage of NOM in the drinking or demineralised water caused by overloading. / Die Entfernung von natürlichen organischen Substanzen (NOM) ist ein wichtiges Ziel für die Herstellung von Reinstwasser im Kraftwerksbetrieb, da diese sich im Wasser/Dampf-Kreislauf zu niedermolekularen Säuren und Kohlenstoffdioxid zersetzen können und so ein potentielles Korrosionsrisiko darstellen. Außerdem ist die Elimination von natürlichen organischen Substanzen einer der Schwerpunkte in der Trinkwasseraufbereitung, da NOM im Trinkwasser folgende Konsequenzen verursachen können i) Farb-, Geschmacks- und Geruchsprobleme, ii) Bildung von kanzerogen halogenierten Desinfektionsnebenprodukten nach der Desinfektion mit Chlor und iii) Bakterienwachstum im Wasserverteilungssystem. In früheren Untersuchungen wurde festgestellt, dass Anionenaustauscherharze (AERs) die NOM-Fraktionen in der Regel erfolgreich aufnehmen können. Nur NOM-Fraktionen mit geringer Ladungsdichte (niedermolekulare Neutralstoffe und hydrophober organischer Kohlenstoff) und/oder großer Molekülgröße (Biopolymere und partikulärer organischer Kohlenstoff) können unter bestimmten Bedingungen nicht in zufriedenstellender Menge entfernt werden. Ziel dieser Arbeit war es, das Aufnahmeverhalten unterschiedlicher AERs hinsichtlich problematischer NOM-Fraktionen zu untersuchen. Die AERs unterscheiden sich vor allem in ihren funktionellen Gruppen (tertiäre versus quaternäre Amine) und ihrer Matrix (Polystyren- versus Polyacryl-Harze). Die Verwendung unterschiedlicher AERs erlaubt es, mögliche Wechselwirkungen zwischen Adsorbat (NOM-Fraktionen) und Adsorber (AERs) und die Mechanismen, die die NOM-Aufnahme entscheidend bestimmen, zu identifizieren. Die Entfernung von NOM-Fraktionen durch AERs wurde in Gleichgewichts- und Festbett-versuchen mittels dreier Stärketypen mit unterschiedlicher Molekülgrößenverteilung (Modellsubstanzen für die Biopolymere) und 2-Naphthol (Modellsubstanz für die Neutralstoffe) unter sauren pH-Bedingungen (relevant für die Herstellung von Reinstwasser im Kraftwerksbetrieb) und neutralen pH-Bedingungen (bedeutsam für die meisten Rohwässer) untersucht. Außerdem sollte das Adsorptionsverhalten von AERs bezüglich verschiedener NOM-Fraktionen unter Einsatz von „real“ neutralen und sauren Wasserproben aus einer Wasseraufbereitungsanlage eines Kraftwerksbetriebes eingeschätzt werden. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass falls Größenausschluss die NOM-Aufnahme von AERs beeinflusst, dann ist die Adsorption der NOM-Fraktionen umso größer, je kleiner die NOM-Moleküle sind und je höher der Wassergehalt der AERs ist. Daher kann für die Entfernung von größeren Biopolymeren, der Einsatz von AERs mit Polyacryl-Matrix und hohem Wassergehalt die beste Option sein. AERs mit Polystyren-Matrix besitzen die höchste Aufnahmekapazität für NOM-Fraktionen, falls kein Größenausschluss auftritt. Es scheint für sie möglich zu sein, sowohl hydrophile NOM-Fraktionen durch polare/ionische Wechselwirkungen zwischen NOM Säuren/sauren Komponenten und tertiären/quaternären Aminen aufzunehmen als auch hydrophobe NOM-Fraktionen durch π-π Anziehungen und/oder hydrophobe Interaktionen an die Polystyren-Matrix zu binden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass je höher die Gesamtvolumenkapazität eines AERs, desto größer ist die NOM-Entfernung auf Grund von polaren/ionischen Wechselwirkungen. Es gilt, dass schwach/mittel basische AERs im Vergleich zu stark basischen AERs höhere Gesamtvolumenkapazitäten unter sauren pH-Bedingungen besitzen und stark basische AERs die höchsten Gesamtvolumenkapazitäten unter neutralen pH-Bedingungen aufweisen. Auf Grund dieser Ergebnisse ist es möglich, die Verwendung von AERs mit Polyacryl-Matrix und hohem Wassergehalt für die Entfernung von NOM-Fraktionen mit großer Molekülgröße in Reinst- und Trinkwasseraufbereitungsanlagen zu empfehlen. Falls es einen höheren Anteil von kleineren NOM-Fraktionen, im Besonderen Neutralstoffen, gibt, sollte die Verwendung von schwach/mittel basischen AERs in Vollentsalzungsanlagen von Kraft-werksbetrieben und stark basischen AERs in Trinkwasseraufbereitungsanlagen bevorzugt werden. Vor allem im Hinblick auf technische Anwendungen ist es wichtig, Durchbruchskurven (BTC) vorausberechnen zu können. In der vorliegenden Arbeit wurden zwei Modellansätze für die Berechnung von BTCs für die Einkomponentenadsorption getestet: i) das homogene Oberflächendiffusionsmodell mit linearer Triebkraft (LDF), bekannt aus Untersuchungen zur Aufnahme von NOM an Aktivkohle, und ii) die Glueckauf/Helfferich-Formeln, primär verwendet für die Beschreibung von Ionenaustauschprozessen. Es konnte gezeigt werden, dass das Glueckauf/Helfferich-Verfahren nicht nur ein geeignetes Instrument für die schnelle Berechnung von BTCs für ionische Komponenten ist, sondern dass dieses, nach Berücksichtigung des Freundlich-Ansatzes in der Massenbilanz, auch erfolgreich angewendet werden kann, um BTCs für Einkomponentenadsorption von Organika zu berechnen. Für die Vorausberechnung von BTCs für Mehrkomponentensysteme wurde die Theorie der idealen adsorbierten Lösung im LDF-Modell genutzt. Die berechneten BTCs stimmen in guter Qualität mit den experimentell ermittelten BTCs überein. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass die untersuchten BTC-Modelle eingesetzt werden können, um Durchbruchspunkte für die jeweiligen AERs zu bestimmen und damit die Gefahr des Schlupfes von NOM ins Trink- bzw. Reinstwasser zu minimieren.

The elimination of natural organic matter (NOM) is an important aim of water treatment in demineralisation plants of power stations. NOM is regarded as corrosion risk factor in the steam water cycle because of its potential to decompose into low-molecular-weight (LMW) acids and carbon dioxide. Further, the removal of NOM is also one of the main objectives in the drinking water production, since it can cause i) colour, taste and odour problems, ii) formation of carcinogen halogenated disinfection by-products (DBPs) after disinfection with chlorine and iii) bacterial growth in the water distribution system. In earlier studies, it was found that anion exchange is a successful method to remove NOM fractions. However, NOM fractions with low charge density (LMW neutrals and hydrophobic organic carbon (HOC)) and/or large molecular size (biopolymers and particulate organic carbon (POC)) could not be removed in some cases in satisfying quantities. The aim of the present work was to investigate the uptake performance of different anion exchange resins (AERs) in regard to problematic NOM fractions. The AERs differ especially in their functional groups (tertiary versus quaternary amines) and matrix material (polystyrene versus polyacrylic resins). The use of different AERs provides an option to identify possible interactions between adsorbate (NOM fractions) and adsorber (AERs) as well as the mechanism which determine the removal efficiency. The NOM fraction adsorption onto AERs was studied in equilibrium and fixed-bed experiments with three types of starch with different molecular size distributions (model substances for biopolymer fraction) as well as 2-naphthol (model substance for the LMW neutral fraction) at acidic pH (relevant for water in demineralisation plants of power stations) and neutral pH (covering most raw waters). Furthermore, the NOM fraction uptake from “real” acidic and neutral water samples, obtained from a demineralisation plant of a power station, was estimated for different AERs. Results were discussed in terms of size-exclusion, anion exchange and hydrophilic/hydrophobic repulsion. In case that size-exclusion influences the NOM uptake onto AERs, it was found that the smaller the size of the NOM molecules and the higher the water content of the AERs, the more effective the uptake is. Thus, for the removal of biopolymers and POC, polyacrylic resins with high water content could be a good choice. Contrary, polystyrene AERs are the most effective resins in the removal of NOM fractions, if no size-exclusion occurs. They seem to be able to uptake more hydrophilic NOM fractions by polar/ionic interactions between acids/acidic components and tertiary/quaternary amines as well as to remove more hydrophobic NOM fractions by π-π stacking and/or hydrophobic interactions on the polystyrene matrix. Further, it was found that the higher the total volume (anion exchange) capacity of an AER, the higher its NOM removal by polar/ionic interactions can be. At acidic pH, weak/medium base AERs have higher total volume (anion exchange) capacities than strong base AERs, whereas, at neutral pH, strong base AERs have the highest ones. In view of these results, the application of polyacrylic AERs with high water content can be recommended to remove NOM components with large molecular size in demineralisation and drinking water plants. If there is a higher amount of smaller NOM fractions, especially LMW neutrals, than polystyrene weak/medium base AERs should be favoured in demineralisation plants and polystyrene strong base AERs in drinking water treatment plants. From the engineering point of view, breakthrough curve (BTC) prediction models are important for the design of fixed-bed filter. Therefore, two different BTC model approaches were tested in the present study to describe the single-solute adsorption onto AERs: i) the homogenous surface diffusion model (HSDM) with linear driving force (LDF) approach for surface diffusion, known from activated carbon adsorption, and ii) the Glueckauf/Helfferich formulae as an extension of the height equivalent to a theoretical plate (HETP) model, initially used to describe ion exchange processes. It was found that the Glueckauf/Helfferich approach is not only a suitable tool for the fast calculation of BTCs for ionic components, but it can also successfully be applied, after considering the Freundlich model for the mass balance, for the rapid prediction of BTCs for single-solute organic molecules. For competitive BTC predictions, the ideal adsorbed solution theory (IAST) within the LDF model was applied. All calculated BTCs fit the experimental data in a good manner. Thus, the investigated BTC models can be applied for estimating the breakthrough bed volumes of different AERs to avoid leakage of NOM in the drinking or demineralised water caused by overloading. / Die Entfernung von natürlichen organischen Substanzen (NOM) ist ein wichtiges Ziel für die Herstellung von Reinstwasser im Kraftwerksbetrieb, da diese sich im Wasser/Dampf-Kreislauf zu niedermolekularen Säuren und Kohlenstoffdioxid zersetzen können und so ein potentielles Korrosionsrisiko darstellen. Außerdem ist die Elimination von natürlichen organischen Substanzen einer der Schwerpunkte in der Trinkwasseraufbereitung, da NOM im Trinkwasser folgende Konsequenzen verursachen können i) Farb-, Geschmacks- und Geruchsprobleme, ii) Bildung von kanzerogen halogenierten Desinfektionsnebenprodukten nach der Desinfektion mit Chlor und iii) Bakterienwachstum im Wasserverteilungssystem. In früheren Untersuchungen wurde festgestellt, dass Anionenaustauscherharze (AERs) die NOM-Fraktionen in der Regel erfolgreich aufnehmen können. Nur NOM-Fraktionen mit geringer Ladungsdichte (niedermolekulare Neutralstoffe und hydrophober organischer Kohlenstoff) und/oder großer Molekülgröße (Biopolymere und partikulärer organischer Kohlenstoff) können unter bestimmten Bedingungen nicht in zufriedenstellender Menge entfernt werden. Ziel dieser Arbeit war es, das Aufnahmeverhalten unterschiedlicher AERs hinsichtlich problematischer NOM-Fraktionen zu untersuchen. Die AERs unterscheiden sich vor allem in ihren funktionellen Gruppen (tertiäre versus quaternäre Amine) und ihrer Matrix (Polystyren- versus Polyacryl-Harze). Die Verwendung unterschiedlicher AERs erlaubt es, mögliche Wechselwirkungen zwischen Adsorbat (NOM-Fraktionen) und Adsorber (AERs) und die Mechanismen, die die NOM-Aufnahme entscheidend bestimmen, zu identifizieren. Die Entfernung von NOM-Fraktionen durch AERs wurde in Gleichgewichts- und Festbett-versuchen mittels dreier Stärketypen mit unterschiedlicher Molekülgrößenverteilung (Modellsubstanzen für die Biopolymere) und 2-Naphthol (Modellsubstanz für die Neutralstoffe) unter sauren pH-Bedingungen (relevant für die Herstellung von Reinstwasser im Kraftwerksbetrieb) und neutralen pH-Bedingungen (bedeutsam für die meisten Rohwässer) untersucht. Außerdem sollte das Adsorptionsverhalten von AERs bezüglich verschiedener NOM-Fraktionen unter Einsatz von „real“ neutralen und sauren Wasserproben aus einer Wasseraufbereitungsanlage eines Kraftwerksbetriebes eingeschätzt werden. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass falls Größenausschluss die NOM-Aufnahme von AERs beeinflusst, dann ist die Adsorption der NOM-Fraktionen umso größer, je kleiner die NOM-Moleküle sind und je höher der Wassergehalt der AERs ist. Daher kann für die Entfernung von größeren Biopolymeren, der Einsatz von AERs mit Polyacryl-Matrix und hohem Wassergehalt die beste Option sein. AERs mit Polystyren-Matrix besitzen die höchste Aufnahmekapazität für NOM-Fraktionen, falls kein Größenausschluss auftritt. Es scheint für sie möglich zu sein, sowohl hydrophile NOM-Fraktionen durch polare/ionische Wechselwirkungen zwischen NOM Säuren/sauren Komponenten und tertiären/quaternären Aminen aufzunehmen als auch hydrophobe NOM-Fraktionen durch π-π Anziehungen und/oder hydrophobe Interaktionen an die Polystyren-Matrix zu binden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass je höher die Gesamtvolumenkapazität eines AERs, desto größer ist die NOM-Entfernung auf Grund von polaren/ionischen Wechselwirkungen. Es gilt, dass schwach/mittel basische AERs im Vergleich zu stark basischen AERs höhere Gesamtvolumenkapazitäten unter sauren pH-Bedingungen besitzen und stark basische AERs die höchsten Gesamtvolumenkapazitäten unter neutralen pH-Bedingungen aufweisen. Auf Grund dieser Ergebnisse ist es möglich, die Verwendung von AERs mit Polyacryl-Matrix und hohem Wassergehalt für die Entfernung von NOM-Fraktionen mit großer Molekülgröße in Reinst- und Trinkwasseraufbereitungsanlagen zu empfehlen. Falls es einen höheren Anteil von kleineren NOM-Fraktionen, im Besonderen Neutralstoffen, gibt, sollte die Verwendung von schwach/mittel basischen AERs in Vollentsalzungsanlagen von Kraft-werksbetrieben und stark basischen AERs in Trinkwasseraufbereitungsanlagen bevorzugt werden. Vor allem im Hinblick auf technische Anwendungen ist es wichtig, Durchbruchskurven (BTC) vorausberechnen zu können. In der vorliegenden Arbeit wurden zwei Modellansätze für die Berechnung von BTCs für die Einkomponentenadsorption getestet: i) das homogene Oberflächendiffusionsmodell mit linearer Triebkraft (LDF), bekannt aus Untersuchungen zur Aufnahme von NOM an Aktivkohle, und ii) die Glueckauf/Helfferich-Formeln, primär verwendet für die Beschreibung von Ionenaustauschprozessen. Es konnte gezeigt werden, dass das Glueckauf/Helfferich-Verfahren nicht nur ein geeignetes Instrument für die schnelle Berechnung von BTCs für ionische Komponenten ist, sondern dass dieses, nach Berücksichtigung des Freundlich-Ansatzes in der Massenbilanz, auch erfolgreich angewendet werden kann, um BTCs für Einkomponentenadsorption von Organika zu berechnen. Für die Vorausberechnung von BTCs für Mehrkomponentensysteme wurde die Theorie der idealen adsorbierten Lösung im LDF-Modell genutzt. Die berechneten BTCs stimmen in guter Qualität mit den experimentell ermittelten BTCs überein. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass die untersuchten BTC-Modelle eingesetzt werden können, um Durchbruchspunkte für die jeweiligen AERs zu bestimmen und damit die Gefahr des Schlupfes von NOM ins Trink- bzw. Reinstwasser zu minimieren.