Diese Promotionsarbeit beschreibt die Anwendung und Entwicklung eines Mehrkanal-Sensors zur zeitaufgelösten Biofilmbildungsdetektion und -überwachung. Biofilme, bestehend aus an Oberflächen gebundenen Gemeinschaften aus Mikroorganismen, findet man sowohl in technischen wasserfüh-renden Systemen, als auch im medizinischen Bereich. Dort sind sie als Verursacher von Biokorrosion, Biofouling, Kontaminationen und Infektionen meist unerwünscht. Reinigungs- und Desinfektionspro-zesse zur Entfernung dieser Biofilme erzeugen weltweit immense Kosten. Auf Grund von Forschungs-ergebnissen ist inzwischen bereits einiges über die Entwicklung und das Entstehen von Biofilmen an Modellorganismen bekannt. Viele Fragestellungen, besonders im Bereich der anwendungsbezogenen Detektion von Biofilmen, sind jedoch immer noch nicht gelöst, auch verursacht durch das Fehlen geeigneter Messmethoden. Sensoren, die es ermöglichen, Biofilmwachstum nicht-destruktiv online zu verfolgen, bieten im Gegensatz zu klassischen Methoden Vorteile unter anderem in der zeitlichen Auflösung und der Möglichkeit des Screenings. Derzeit gibt es lediglich wenige solcher Sensoren, die auch noch intrinsische Schwachpunkte aufweisen, wie beispielsweise eine geringe zeitliche Mess-dauer, einen geringen sensitiven Bereich, oder ein statisches Setup. Ziel dieser Dissertation war es daher, einen solchen Sensor zu entwickeln, der es erlaubt, beginnend mit der Adhäsion der Mikroorganismen bis hin zur Langzeit-Reifung des Biofilms unter Ausbildung 3-dimensionaler Strukturen Biofilmwachstum online zu dokumentieren. Ausgehend von einem 2-Kanalprototypen wurde in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Bastian Rapp (früher KIT, Institut für Mikrostrukturtechnik; IMT) ein 48-Kanalbiofilmsensor, basierend auf den beiden elektrochemischen Techniken Impedanzspektroskopie und amperometrischer Messung, entwickelt. Die zunehmende Biomasse eines in einem Sensorkanal anwachsenden Biofilms wurde hierbei durch ein Ansteigen der Inhibition beim Landungstransfer zwischen einem Elektrodenpaar ermittelt. Paral-lel wurde die Aktivität der gebundenen Biomasse über den Elektronenfluss ausgehend von respirati-ons-aktiven oxidativen Prozessen gemessen. Die Verwendung von parallelen Mikrokanälen ermög-licht ein referenziertes, zeitaufgelöstes Screening, geeignet beispielsweise für die Evaluation und Optimierung von Behandlungsmethoden und Reinigungsstrategien für Biofilme, als auch für die Untersuchung von Biofilmen in der Grundlagenforschung. Im Laufe dieser Arbeit wurde dieser neuentwickelte Mehrkanal-Sensor optimiert, validiert und an-gewendet. Die Optimierung, besonders in Bezug auf Sensitivität, erfolgte durch die Verwendung verschiedener Elektrodentypen der Amperometrie- und der Impedanz-Messung. Eine Kombination aus Interdigital- und zirkulärer Elektrode erlaubt letztendlich eine sensitive Impedanzmessung im Bereich weniger Stunden bis hin zu mehreren Wochen. Die Systemvalidierung erfolgte durch den Vergleich der Biofilmbildung von P. aeruginosa im Sensor zu klassischen mikrobiologischen Metho-den wie Fluoreszenz- oder Biomassenfärbung und zeigte die Eignung des Systems zur Verfolgung der Biofilmbiomasse und deren Aktivität. Nach erfolgreicher Optimierung und Validierung wurde der Sensor auf verschiedenste Anwendungs-möglichkeiten hin getestet. Beispielsweise wurde der Sensor zur Detektion aller Biofilmstadien und der Wachstumscharakterisierung verschiedenster Gram-positiver und –negativer Bakterienspezies eingesetzt und zeigte seine Verwendbarkeit für beide Bakterien-Domänen. Zusätzlich bietet der Sensor ein geeignetes mikrobiologisches Werkzeug zur Grundlagenforschung, besonders in Kombi-nation mit sensorübergreifenden Analysemethoden wie Genexpressions- und Populationsanalysen. Gerade durch die kombinierten Anwendungen dieser Techniken mit der sensorbasierten Biofilmde-tektion konnte gezeigt werden, dass sich die Expression von Attachmentgenen zwischen P. aerugino-sa- und S. maltophilia-Stämmen deutlich unterscheidet. Es wurde ermittelt, dass eine Anhaftung von P. aeruginosa hauptsächlich durch Flagellen gesteuert wird, wohingegen S. maltophilia sich Fimbri-en-bedingt anlagert. Neben der Arbeit mit Modellorganismen wurde auch eine anwendungsbezogene Biofilmüberwachung von Abwasser- oder anaeroben Biofilmen mit Hilfe des Sensorsystems getestet und bestätigte dabei die vergleichsweise hohen bakteriellen Aktivitäten in anaeroben Systemen. Des Weiteren wurden Biofilmmanipulations-Strategien basierend auf DNase, Antibiotika, Desinfekti-ons- und Reinigungsmitteln in Echtzeit untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Kombinatio-nen von EPS-Matrix-Destabilisierung und Biofilminaktivierung einen vielversprechenden Ansatz zur Biofilmentfernung darstellt. Eine alleinige Biofilm-Destabilisierung erwies sich jedoch als kritisch für ein nachfolgendes Wiederanwachsen eines Biofilms. Dies war besonders im Hinblick auf das Lang-zeitverhalten eines behandelten Biofilms relevant. Der hier entwickelte Sensor liefert zur Analyse dieses Wiederanwachsens optimale Möglichkeiten, da auch über einen längeren Zeitraum das Bio-filmbildungspotential in einer nicht-destruktiven Weise detektiert werden kann. Zusammenfassend bietet der neuentwickelte Sensor nun eine Technologie, um tiefere Einblicke in das Verständnis von Biofilmbildung zu gewinnen und daraus neue Strategien zur gezielten Bio-filmmanipulation zu entwickeln und zu testen und damit hohe Kosten einzusparen. Mit diesem Po-tential kann der Sensor nun sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie seinen Einsatz finden.:1. EINLEITUNG 1.1. BIOFILME 1.1.1. Vorkommen 1.1.2. Biofilmzyklus 1.1.3. Aufbau und Bestandteile 1.1.4. Biofilmmodellorganismen Pseudomonas aeruginosa Allgemein. Biofilmbildung - Genexpression der Adhäsion und Motilität. Stenotrophomonas maltophilia Allgemein. Biofilmbildung- Genexpression der Adhäsion und Motilität. 1.1.5. Biofilm-Manipulation 1.2. BIOFILMDETEKTION UND –MONITORING 1.2.1. Biofilmsensoren 1.2.2. Elektrochemische Impedanzspektroskopie 1.2.3. Amperometrie 1.3. ZIEL DER ARBEIT 2. MATERIAL UND METHODEN 2.1. MATERIAL 2.1.1. Chemikalien 2.1.2. Bakterien 2.1.3. Nährmedien, Puffer und Kits Verwendete Kits 2.1.4. Geräte, Analyse-Software und Verbrauchsmaterialien 2.2. METHODEN 2.2.1. Biosensorfertigung Elektrodenherstellung Herstellung der mikrofluidischen Kanäle Herstellung der amperometrischen Gegenelektrode Impedanzspektrummessgerät 2.2.2. Mikrobiologische Methoden Bakterien-Anzucht Fluidische Biofilmbildung im Sensor Allgemein. Spezifische Parameter. Abwasserbiofilme. Anaerobe Biofilmanzucht im Sensor. DNase Test fluidisch. Kombinatorische Tests. Statische Biofilmquantifizierung durch Kristall-Violett-Färbung Allgemein. Spezifisch. DNase Test statisch eDNA-Screening eDNA-Färbung von Biofilmen Lebend/Tot-Färbung von Biofilmen Allgemein. Motilitäts-tests 2.2.3. Molekularbiologische Methoden Nachweis von spezifischen Genabschnitten mittels PCR RNA-Isolierung und cDNA-Synthese Genexpressionsanalyse durch PAGE Genexpressionsanalyse durch qRT-PCR DNA-Isolierung im Kanal Populationsanalyse durch DGGE Populationsanalyse mittels qPCR und DNA-Sequenzing Bestimmung exoenzymatische Aktivität 2.2.4. Statistische Auswertung 3. ERGEBNISSE UND DISKUSSION Sensorprinzip Sensor-Design 3.1. OPTIMIERUNG, VALIDIERUNG UND CHARAKTERISIERIUNG DES SENSORS 3.1.1. Amperometrischer Sensor Optimierung Validierung 3.1.2. Impedimetrischer Sensor Optimierung Frequenzauswahl Validierung Reproduzierbarkeit 3.1.3. Eignung für verschiedenste Medien und Bakterien 3.1.4. Fließeigenschaften 3.1.5. Zusammenfassung Sensoroptimierung, Validierung und Charakterisierung 3.2. SENSOR-ANWENDUNG 3.2.1. Komplexe Biofilme Abwasserbiofilme Anaerobe Biofilme 3.2.2. Biofilm-Manipulation Abtötung von Biofilmen Destabilisierung von Biofilmen Destabilisierung durch Reinigungssubstanzen am Beispiel Tergazyme. Enzymatische Destabilisierung am Beispiel DNase. eDNA-Screening eDNA-Menge in Relation zur DNase-Effizienz eDNA-Lokalisierung Zusammenfassung eDNA-Charakterisierung Destabilisierung fluidischer Biofilme: Statische vs. fluidische DNase-Applikation Wachstumsphasen-abhängige Destabilisierung Kombinationatorische Ansätze Tergazyme und Sterillium. Stressen von Biofilmen Zusammenfassung Biofilm-Manipulation 3.2.3. Stammcharakterisierung Biofilmbildung von P. aeruginosa und S. maltophilia Statisch vs. fluidisch. Attachment- vs. Langzeitbiofilm. Biofilmbildung vs. Genexpression Anlagerungs-Gene. Biofilmbildung vs. Motilität. Zusammenfassung Stammcharakterisierung 4. FAZIT 5. LITERATUR DANKSAGUNG 6. ANHANG

Entwickelt wurde eine Konzeption zur Erstellung und Pilotanwendung eines gekoppelten Modellsystems für Sicker- und Grundwasser (ReArMo), das die prognostische Abschätzung künftiger Entwicklungen des Grundwassers nach Menge und Beschaffenheit unter geänderten Randbedingungen (Klima, Landnutzung, Bewirtschaftung) zum Ziel hat. Ein weiteres Ziel dieser Modellkopplung besteht in der Optimierung der Stickstoffdüngung bei relevanten landwirtschaftlichen Betrieben. Die zu betrachtenden Prozesse in der wechselfeuchten Bodenzone und im Grundwasser werden gemäß dem aktuellen Stand der Technik physikalisch fundiert erfasst.

11 Fachbeiträge dokumentieren die Ergebnisse der aktuellen Projekt- und Forschungsarbeit des Landesamtes in den Themenbereichen Grundwasser, Altlasten und Boden.

Rund 3.000 Arten zur Beschreibung des ökologischen Zustandes von Gewässern nach den Vorgaben der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie wurden bisher in Sachsen erfasst. Die größte Gruppe stellen Wasserpflanzen einschließlich Algen dar. Die reich bebilderte Broschüre stellt eine Auswahl in Sachsen vorkommender Wasserpflanzen und am Gewässerboden lebender Algen vor und gibt Einblick in eine faszinierende Unterwasserwelt. Sie ermöglicht wasserwirtschaftlichen Praktikern und interessierten Naturschützern einen Einstieg in die Interpretation des ökologischen Gewässerzustands.

Zehn Fachbeiträge dokumentieren die Ergebnisse der aktuellen Projekt- und Forschungsarbeit des Landesamtes in den Themenbereichen Grundwasser, Altlasten und Boden.

Im Rahmen des Projektes EKLIRA wurde die Entwicklung der Klimarelevanz und Energieeffizienz von sächsischen Abfallbehandlungsanlagen überprüft. Die infolge der Vorgängerstudie »Klimarelevanz und Energieeffizienz« 2008 bei den öffentlich-rechtlichen Entsorgungsträgern initiierten Maßnahmen haben zu einer deutlichen Verbesserung von Klimaschutz und Energieeffizienz geführt. Die Studienergebnisse belegen erneut, dass die Klimarelevanz und die Energieeffizienz eines Entsorgungssystems entscheidend durch die Wahl der nachgeordneten Entsorgungswege bestimmt werden kann. Ebenso können durch technische Optimierungen Potenziale im Bereich des Klimaschutzes und der Energieeffizienz erschlossen werden.

Since 1986 and especially during the early 90s, environmental protection has become a constitutional principle in Vietnam as regulated by Articles 17 and 29 of the 1992 Constitution. The first Law on Environmental Protection, passed by the National Assembly on December 27, 1993 created a foundation for environmental legislation becoming an important field in Vietnam’s legal system. In the following, Vietnam enacted its very first Law on Water Resources (No. 08/1998/QH10) in January 1999 aiming to provide a foundational framework for managing the water sector in Vietnam. In recent years, the legislative framework on water resources management has further developed. Important water-related regulations on the guidance and implementation of the Law on Water Resources have been issued and often amended to meet the requirements of the country’s development, and its international integration. To date, Vietnam’s legislation on the water sector consists of a complex system of legal documents issued by different state agencies. Though legislation of water sector management in Vietnam has greatly improved during the last decade, it has obviously not yet come to full fruition. Hence, the paper intends to provide an overview of achievements as well as problems and conflicting issues within Vietnam’s current water sector management legislation. / Kể từ năm 1986, đặc biệt là những năm đầu của thập kỷ 90, bảo vệ môi trường đã trở thành nguyên tắc hiến định (được quy định tại Điều 17 và 29 Hiến pháp 1992). Luật Bảo vệ môi trường đầu tiên được Quốc hội thông qua ngày 27 tháng 12 năm 1993 đã đặt nền móng cho việc hình thành hệ thống pháp luật về môi trường ở Việt Nam. Tiếp theo đó, ngày 20 tháng 05 năm 1998, Quốc hội nước Cộng hòa xã hội Việt Nam khóa X, kỳ họp thứ 3 đã thông qua văn bản luật đầu tiên về tài nguyên nước - Luật Tài nguyên nước số 08/1998/QH10 hình thành một nền tảng pháp lý cho hệ thống pháp luật bảo vệ nguồn tài nguyên nước ở Việt Nam. Trong những năm gần đây, hầu hết các văn bản dưới luật quan trọng và cần thiết cho việc hướng dẫn thi hành Luật Tài nguyên nước đã được ban hành và không ngừng được sửa đổi, bổ sung nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển và hội nhập quốc tế của đất nước trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Tuy nhiên, khung pháp lý hiện hành về tài nguyên nước ở Việt Nam bao gồm một hệ thống các văn bản quy phạm pháp luật khá phức tạp, nhiều tầng nấc, được ban hành bởi nhiều cơ quan có thẩm quyền khác nhau. Mặc dù hệ thống pháp luật về tài nguyên nước đã được liên tục sửa đổi, bổ sung và hoàn thiện trong suốt một thập kỷ qua, nhưng rõ ràng vẫn chưa thực sự đi vào cuộc sống. Bài viết dưới đây đề cập chủ yến đến một số các thành tựu cũng như những vấn đề mâu thuẫn hiện tại của pháp luật bảo vệ nguồn tài nguyên nước ở Việt Nam.

The present work deals with capture and storage of carbon dioxide from biogases by bond- ing to alkaline earth metals from power plant ashes. The aim is to achieve the feed-in standard in Germany for the natural gas grid by binding CO2 in a long-term stable and environmentally compatible manner. In addition, the ash quality is to be improved by reduced mobility of critical metals such as lead, zinc and cadmium, and calcium carbonate is to be recovered as a valuable material in addition to the biomethane. In several experimental setups from laboratory scale to pilot plant, it was shown that both carbon dioxide and hydrogen sulfide can be captured and stored in large quantities of ash residues. Both the use of a packed column to compensate for the poor absorption and reaction kinetics and the use of ammonium chloride as an extraction agent proved to be particularly effective for biogas upgrading to biomethane level. In contrast, both the absorption and reaction temperature, as well as gas-specific influencing factors such as carbon dioxide concentration and volume flow rate, had little to no influence. With regard to ash quality, an improvement of the landfill class from IV to 0 was achieved with respect to lead, from II to 0 for zinc and from III to I for cadmium. A significant improvement was also achieved for chlorine, but this did not result in a reduction of the landfill class. The ash quantity could be reduced by more than 50 %, among other things, by dissolving out the alkaline earth metals for the carbon dioxide reaction. As further research steps, it remains to further reduce the metal mobility with respect to the ash eluate in order to better optimize the process water quality. This could be achieved, for example, by a controlled pH value.

Craft villages played a significant role in the development of Vietnam’s rural economy for a long time. The range of products and production methods, including the processing of materials and chemicals, are now adapted to modern market requirements but environmental and labour protection issues are not adequately considered in the management of the craft villages. The reasons are various: poor education of responsible operators, deficient technical equipment or missing regulatory framework and implementation of existing regulations. The INHAND project (Integrated Water Management Concept for Craft Villages) started in 2011 and is studying the food processing village of Dai Lam located on the banks of the Cau River in the Bac Ninh province (about 40 km NE of the capital Hanoi). The household-scale business focus mainly on rice and cassava processing with 200 out of 1000 households producing alcohol from cassava and rice, 10 households producing tofu, and 30 households recycling aluminium. In addition, most households also raise pigs. The wastewater is released mostly untreated into the receiving stream. Within the framework of the INHAND project, four German und two Vietnamese partners will conduct a basic analysis inventory in the village with identification of suitable measure for an integrated, environmentally sound concept for the removal and reuse of all output streams. The second major task of the 3.5 years research project is the conceptualisation, development and implementation of pilot-scale treatment facilities in the village and the scientific monitoring of their planning and operation. / Đã từ lâu, làng nghề đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển kinh tế nông nghiệp tại Việt Nam. Các sản phẩm và phương thức sản xuất, bao gồm cả giai đoạn xử lý vật liệu và hóa chất, đã từng bước được cải tiến cho phù hợp với yêu cầu của thị trường hiện đại. Tuy nhiên, những yếu tố về môi trường và an toàn lao động vẫn chưa được quan tâm đúng mức tại các làng nghề do nhiều nguyên nhân như: trình độ của nhà sản xuất, vận hành còn hạn hẹp, thiếu trang thiết bị kỹ thuật, các quy chuẩn còn thiếu hoặc chưa được thi hành triệt để. Dự án INHAND (đề án xử lý nước tổng thể cho làng nghề) được khởi động từ năm 2011 và hiện đang tiến hành nghiên cứu làng nghề chế biến thực phẩm Đại Lâm ,nằm bên bờ song Cầu, thuộc tỉnh Bắc Ninh, cách Hà Nội 40 km. Mô hình kinh tế hộ gia đình tại làng chủ yếu tập trung vào chế biến gạo và sắn: 200 trong số 1000 hộ gia đình nấu rượu gạo và sắn, 10 hộ sản xuất đậu phụ, 30 hộ tái chế nhôm. Ngoài ra, gần như tất cả các hộ đều có nuôi lợn. Nước thải của làng được dẫn trực tiếp ra các khối nước mở, gần như không qua xử lý. Trong khuôn khổ dự án INHAND, bốn đối tác Đức và hai đối tác Việt Nam sẽ tiến hành phân tích hiện trạng môi trường của làng để tìm ra những biện pháp thích hợp nhằm xử lý và tái sử dụng các dòng thải. Nhiệm vụ thứ hai trong thời gian 3,5 năm của dự án là lập ra đề án, phát triển và triển khai các trạm xử lý ở quy mô thử nghiệm, đồng thời quan trắc khoa học các quá trình thiết kế và vận hành.

Rubber tree is one of the main plants which play an important role in the economy of Southeastern region, Vietnam. Approximately 90% of Vietnamese natural rubber latex is exported as raw products. The preliminary process of natural rubber latex discharges a large amount of wastewater to the environment. In Vietnam, there are many available technologies set up and operated for treatment wastewater of rubber latex processing. However, the effluent quality is still poor and the concentration of pollutants is higher than the required national technical regulation on the effluent of the natural rubber processing industry (QCVN 01:2008/BTNMT). Thus, this paper summarizes various technologies and methods currently applied for the treatment of latex processing wastewater in Vietnam. Additionally, the new effective methods being researched and applied in Thailand and Malaysia are also mentioned (countries with the highest production of natural rubber in the world). This paper also provides a screening of treatment technologies for reducing environmental pollution and contributing to high-quality effluent for meeting the required standard. / Cao su là một trong những cây trồng chính và đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế của miền Đông Nam Bộ, Việt Nam. Sản phẩm từ cây cao su thiên nhiên tại Việt Nam chủ yếu là xuất khẩu (khoảng 90%), tuy nhiên chỉ mới là dạng cao su thiên nhiên sơ chế. Quá trình sơ chế mủ cao su thiên nhiên thải bỏ một lượng lớn nước thải vào môi trường. Ở Việt Nam, hiện tại có rất nhiều công nghệ xử lý nước thải sơ chế mủ cao su đã được thiết lập và vận hành. Tuy nhiên, nồng độ ô nhiễm trong nước thải sau quá trình xử lý còn cao so với tiêu chuẩn yêu cầu (QCVN 01:2008/BTNMT). Vì vậy, bài báo này tóm tắt những công nghệ và phương pháp khác nhau được sử dụng để xử lý nước thải sơ chế mủ cao su tại Việt Nam gần đây. Thêm vào đó, những phương pháp mới và hiệu quả đang được nghiên cứu và áp dụng tại Malaysia và Thái Lan, những quốc gia có sản lượng sản xuất mủ cao su cao nhất trên thế giới cũng được giới thiệu. Bài báo này cũng cung cấp sự đa dạng của những phương pháp xử lý nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường và góp phần đảm bảo chất lượng nước đầu ra đạt tiêu chuẩn cho phép.