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Biofilme aeroterrestrischer Mikroorganismen stellen im nicht-medizinischen Bereich ein ständig größer werdendes Problem dar. Sie tragen ebenfalls wesentlich zur Verwitterung von Fassaden bei und verursachen durch die daraus resultierende Notwendigkeit der Entfernung des Biofilms und Instandsetzung der Fassaden hohe Kosten. Auch das von Biofilmen auf Innenwänden von Gebäuden ausgehende Gesundheitsrisiko für den Menschen ist schwerwiegend. Solarzellen sind aufgrund ihrer rauen Glasoberfläche ebenfalls ein bevorzugter Siedlungsort für Biofilme. Auf diesen können sie durch Verschattung die Effizienz der Solarzellen deutlich herabsetzen. Die Entfernung von Biofilmen erfordert vor allem den Einsatz von Bioziden, welche ihrerseits eine Belastung für die Umwelt darstellen und zudem oft nur begrenzte Wirksamkeit zeigen. Ziel dieser Arbeit ist daher, das Potenzial der Photodynamischen Inaktivierung (PDI) als alternative Methode zur Beseitigung oder zur Prävention der Bildung von Biofilmen zu bestimmen. Dazu wurden unterschiedliche Photosensibilisatoren (PS) bezüglich ihrer Phototoxizität auf im Rahmen dieser Arbeit etablierte phototrophe Modellkulturen in Suspension, subaquatischen und subaerialen Biofilmen untersucht. Neben der Entwicklung der Biomasse während der PDI wurde mittels spektroskopischer Methoden zudem die Aktivität der Kulturen sowie die EPS-Sekretion und die Biofilmbildung gemessen. Dabei konnte gezeigt werden, dass die kationischen PS PCor+ und TMPyP zur PDI phototropher Kulturen erfolgreich genutzt und die Biofilmbildung verhindert werden kann. Es wurde gezeigt, dass dieses Resultat ohne Aufnahme der PS in die Zellen erzielt wird. Dies ist bezüglich der Vermeidung einer möglichen Resistenzentwicklung der Mikroorganismen von entscheidender Bedeutung. Somit wurden mit dieser Arbeit die Voraussetzungen für die Entwicklung photodynamisch aktiver, antimikrobieller Oberflächenbeschichtungen zur Prävention des Wachstums aeroterrestrischer Biofilme geschaffen. / Biofilms of aeroterrestrial microorganisms are an ever-increasing problem in non-medical applications. They also contribute significantly to the weathering of facades and cause high costs due to the resulting necessity of removing the biofilm and repairing the facades. Furthermore, the health risk for humans caused by biofilms on interior walls of buildings is serious. In addition, solar cells are a preferred location for biofilms due to condensation on their rough glass surface. Growing there, they can significantly reduce the efficiency of the solar cells by shading, a problem which gains even more importance with increasing operating times of solar modules. In the removal of biofilms, biocides are prevalent. They are in turn a burden on the environment and often show only limited effectiveness. The aim of this work is therefore to determine the potential of Photodynamic Inactivation (PDI) as an alternative method to eliminate or prevent the formation of biofilms. Different Photosensitizers (PSs) were investigated with respect to their phototoxicity on phototrophic model cultures established in suspension, subaquatic and subaerial biofilms. In addition to biomass development during PDI, spectroscopic methods were used to measure culture activity, EPS secretion and biofilm formation. It was shown that the cationic PSs PCor+ and TMPyP can be successfully used for PDI of phototrophic cultures and that biofilm formation can be prevented. It has been shown that this result is achieved without uptake of PS into the cells. This is of decisive importance with regard to the avoidance of a possible resistance development in the microorganisms. Thus, this work created the prerequisites for the development of photodynamically active, antimicrobial surface coatings for the prevention of the growth of aeroterrestrial biofilms.

In der Entwicklung neuer Agrochemikalien ist es essentiell das weitere Schicksal im Bezug zum Abbau durch abiotische und biotische Einflüsse vorherzusagen. Pestizide gehören zu den Agrochemikalien und durch abiotischen und biotischen Stress werden Transformationsprodukte (TPs) gebildet. Daher ist es von Bedeutung, die TPs von Pestiziden und deren Entstehungsprozess zu untersuchen. Diese Dissertation beschäftigt sich mit biotischen und abiotischen Umwandlungsprozessen von zwei Modell-Pestiziden, nämlich Chlorpyrifos (ein Insektizid) und Fluopyram (ein Fungizid) unter Verwendung von Modellsystemen. Lebermikrosomeninkubation und elektrochemische Durchflusszellen, die an Online-Massenspektrometrie gekoppelt waren, wurden als experimenteller Modellansatz zu untersuchen um die Biotransformationsprozesse (phase I und phase II) der Ziel-Pestizide. Im zweiten Teil dieser Arbeit, wurden Photodegradationsprodukte der beiden Modellverbindungen durch Bestrahlung mit keimtötendem ultraviolettem Licht (200 - 280 nm) untersucht. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde die Elektrochemie-Massenspektrometrie auf die Herstellung von Referenzstandards für Transformationsprodukte für das gezielte Screening in Lebensmittelproben ausgedehnt. Die strukturelle Aufklärung der Transformationsprodukte erfolgte mittels HPLC, gekoppelt an verschiedene Massenspektrometrietechniken (Single Quad, Triple Quad, FT-ICR HRMS, Triple TOF-MS, Orbitrap HRMS). Zusammenfassend konnte die Kopplung von EC/(LC)/MS als schnelle, zuverlässige, kostengünstige und matrix-unabhängige Methode genutzt werden, um den oxidativen Phase-I und II Metabolismus von Fluopyram und Chlorpyrifos zu simulieren. EC/MS könnte weiterhin zur Synthese von TP Referenzstandards und zur Messung von Realproben genutzt werden. Neue TPs und deren Bildungsmechanismen konnten im Rahmen dieser Dissertation für beide untersuchten Substanzen identifiziert werden. / One of the crucial steps of developing a new agrochemical product is predicting its fate following biotic or abiotic stress. In this regard, pesticides undergo transformation processes in response to biotic and abiotic stress. Therefore, it is important to investigate pesticides’ transformation products (TPs) and the formation processes they undergo. This dissertation deals on biotic and abiotic transformation processes of two model pesticides namely chlorpyrifos (an insecticide) and fluopyram (a fungicide) using model systems. Liver microsome incubation and electrochemical-flow-through cell coupled to online mass spectrometry were used as a model experimental approach to investigate phase I and phase II biotransformation processes of the targeted pesticides. In the second part of this thesis, photodegradation products of the two model compounds were investigated by irradiating with germicidal ultraviolet light (200 – 280 nm). In the last part of this work, electrochemistry-mass spectrometry was scaled-up to the production of transformation product reference standards for targeted screening in different food samples. Structural elucidations of transformation products were performed using HPLC coupled to different mass spectrometry techniques (single quad, triple quad, FT-ICR HRMS, TripleTOF-MS, Orbitrap HRMS). In summary, a fast, reliable, cost-effective and matrix-free simulation of oxidative metabolism (phase I and II) of fluopyram and chlorpyrifos was achieved here by EC/(LC)/MS. EC/MS could, therefore, be scaled up to synthesis TP reference standards for real sample investigation. Additionally, new TPs and their mechanisms were identified for both investigated compounds.

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Zur Restaurierung eutrophierter Seen kommen unterschiedliche chemische Fällmittel zum Einsatz. Eine neuartige Fällmittelkombination von Aluminat und Calciumhydroxid wurde in einem whole-lake-Experiment zur Restaurierung des Tiefwarensees (Mecklenburg-Vorpommern) eingesetzt. Dabei wurden im Laufe der 5 Jahre währenden Fällmittelzugabe ca. 2 t P zusätzlich im Sediment festgelegt. Dadurch wechselte der vorher hocheutrophe See in den mesotrophen Zustand. Mit Sedimentuntersuchungen und einer modellhaften Prognose wird nachgewiesen, dass die P-Retention erhöht und damit eine nachhaltige Wirkung der Restaurierung erzielt wurde. Weiterhin wurde ein neuentwickelter Nitrat-Depotstoff in Labortests und einem Enclosureversuch im Dagowsee (Brandenburg) angewandt. Der Depotstoff stellte das Nitrat zeitverzögert über mehrere Wochen nach der Applikation an der Sedimentoberfläche zur Verfügung. Die erhöhten Nitratkonzentrationen bewirkten zusammen mit dem gleichzeitig eingebrachten P-Bindungspartner Fe eine Vergrößerung der P-Bindungskapazität der behandelten Sedimente. Dadurch wurde die P-Rücklösung aus den Sedimenten mindestens ein Jahr lang beinahe vollständig unterdrückt. Beide Fällmittelkombinationen förderten zunächst hauptsächlich die Bildung anorganischer partikulärer P-Verbindungen im Sediment. Die bakteriellen Mineralisationsprozesse wurden nur indirekt bzw. zeitlich versetzt beeinflusst. Die sich andeutenden Veränderungen in Art und Intensität der mikrobiellen Stoffumsetzungen werden als Folge der Entwicklung der Sedimentation sowie des Sedimentmilieus diskutiert. Um das Gefahrenpotenzial beim Einsatz aluminiumhaltiger Fällmittel in der Seenrestaurierung einschätzen zu können, wurde unter Berücksichtigung der relevanten Mechanismen der Al-Toxizität und der Al-Chemie ein geeignetes Analyse-Verfahren für die Anwendung in karbonatreichen Seen angepasst und damit erstmals die gelösten monomeren Al-Hydroxide, die als potenziell toxisch wirkende Al-Spezies beschrieben werden, vor und während einer Maßnahme analytisch überwacht. Das Risiko einer Al-Giftwirkung auf Organismen im behandelten Tiefwarensee wird als sehr gering eingestuft. / In order to restore eutrophicated lakes different chemical phosphorus precipitation agents are utilized. A novel combined hypolimnetic aluminium and calcium precipitation treatment was first applied to restore Lake Tiefwaren (Mecklenburg Vorpommern, Germany) in a whole-lake-experiment lasting five years. About 2 t of phosphorus, also from deep (> 10 cm) sediment layers, were permanently bound during the restoration and the lake changed from a highly eutrophic to a mesotrophic state. Different investigations of the sediments and a model based prognosis demonstrate that the sediment’s P retention capacity increased indicating that a sustainable restoration effect was obtained. In addition a newly developed nitrate storing compound was tested in the laboratory as well as in a mesocosm experiment in Lake Dagow (Brandenburg, Germany). This compound provides nitrate at the sediment surface for some weeks. The nitrate together with the simultaneously added iron increased the P-retention of the treated sediments. Therefore the P release from sediments was suppressed for at least one year. The addition of both chemical compounds initially enhanced the P precipitation, whereas microbial processes of the P diagenesis were affected indirectly or temporally delayed. The observed changes in microbial activities are discussed as an effect of the changing sedimentation rate and chemical characteristics (pH, redox). In order to assess the risk of toxicity on aquatic organisms by the aluminium compounds used for lake restoration an analytical method was adapted for use in carbonate-rich natural waters. This enabled us for the first time to monitor dissolved aluminium hydroxide, a potentially toxic aluminium species, before and during a restoration process. The risk of a toxic effect on organisms in Lake Tiefwaren was found to be neglectible.

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