Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are a group of ubiquitous environmental contaminants with two or more aromatic rings and originating from different emission sources. They are extremely toxic, carcinogenic and mutagenic to human, animals and plants. Consequently, the need to expand economical and practical remediation technologies for PAH contaminated sites is evident. In this study, the effect of biotic and abiotic factors on degradation of PAH was studied. The degradation was studied on the key model PAH (phenanthrene, anthracene, fluoranthene and pyrene) in J. Arthur Bower’s top soil. The hypothesis for this study was that roadside soil would contain PAH degrading bacteria; pH would influence the microbial degradation of PAH, chemical oxidation of PAH would be as efficient as microbial breakdown of PAH and mobilising agents, would move PAH throughout soil, potentially making the PAH more available for biodegradation. The greatest degradations were found for the lowest molecular weight PAH, phenanthrene and anthracene; whilst lowest degradation was observed for higher molecular weight PAH, fluoranthene and pyrene. Twelve bacteria genera were isolated and identified by biochemical and molecular techniques from the roadside soil with the four PAHs as the sole carbon source. However, potentially new PAH biodegrader bacteria species and a novel were found in this study, which was not reported in the literature. The effect of pH between 5.0 and 8.0 at half pH intervals on biodegradation of the four PAHs and on bacterial populations in the soil over 32 days was monitored. The greatest population of bacteria and greatest biodegradation for the four PAHs was found at pH of 7.5. It is likely that the general increase in population was also linked with greater metabolic activities of bacteria at basic pHs which assists pollutant biodegradation. Although there is high pollutant mobility at low pHs, the biodegradation was limited due to reduced microbial activity. High pHs resulted in greater PAH biodegradation suggesting that pH manipulation by liming may be an effective way of stimulating biodegradation of PAH. The effect of potassium permanganate on oxidation of the four PAHs in the soil was examined. Studies in this thesis, indicated that potassium permanganate had a significant (p<0.05) effect on oxidation of the four PAHs at pH 7.5 over 35 days. However in comparison to biodegradation, chemical oxidation has significantly (p<0.05) less effect. Finally, the effect of Tween 20 only on translocation and biodegradation of the four PAHs at pH 7.5 over 35 days was examined. Studies indicated that Tween 20 had significantly (p<0.05) enhanced translocation of the four PAHs in the sterile soil. Moreover, the greatest biodegradation was found in the soil inoculated with only the roadside soil microorganisms but without Tween 20. This suggested that Tween 20 had a significant (p<0.05) inhibitory effect on the roadside soil microorganisms and therefore less microorganism were grown in the soil containing Tween 20. This indicated that Tween 20 was translocated PAH, but inhibited breakdown. This study indicated microbial biodegradation was the most effective technique for removing of the PAH from contaminated soil, which was cost effective and easier to perform in comparison to the other two techniques. Microbial biodegradation could be improved by adjusting pH through liming if soil was acid.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:30:56Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-12-17Bitstream added on 2014-06-13T20:01:10Z : No. of bitstreams: 1 ventura_bc_dr_rcla.pdf: 1747414 bytes, checksum: d6fd71edeabed9a63deeb67289ab785e (MD5) / Os azocorantes são substâncias químicas extremamente utilizadas em indústrias têxteis que podem induzir mudanças no material genético de organismos expostos, mesmo que essas alterações no DNA não se expressem de imediato. Foram avaliadas as citotoxicidade, genotoxicidade e mutagenicidade de diferentes concentrações (1, 10, 100 e 1000 mg/L – na ausência dos microorganismos – e 50 e 200 mg/L – na presença dos microorganismos) do azocorante Black Dye Commercial Product (BDCP), antes e após tratamentos de biodegradação por diversos microrganismos (1. “Pool” de bactérias heterotróficas provenientes de uma estação de tratamento biológico de efluentes, 2. Levedura Candida viswanathii, e 3. Fungo Basidiomiceto Phanerochaete chrysosporium), por meio de diferentes técnicas citogenéticas (coloração convencional, bandamento C, bandamento RON, bandamento por fluorocromos base-específicos CMA/DAPI e hibridação in situ fluorescente – FISH) aplicadas sobre o organismo teste Allium cepa. Pela técnica citogenética de coloração convencional, foi possível verificar que o corante, com e sem ação microbiana, induziu apoptose, necrose, células micronucleadas, aberrações cromossômicas e alterações nucleares. As aberrações cromossômicas e alterações nucleares foram visualizadas em todos os estágios do ciclo celular: na intérfase foram observados brotos nucleares e células poliplóides; na prófase, perdas de material genético; na metáfase, aderências cromossômicas, perdas cromossômicas, C-metáfases e poliploidias; na anáfase e telófase, multipolaridades, pontes e perdas cromossômicas. Os brotos nucleares apareceram com maior freqüência nas células submetidas aos testes do azocorante tratado com microorganismos, sendo que esse tipo de alteração deve estar associado à presença dos metabólitos do corante. As freqüências de micronúcleos... / Azo dyes are chemical substances extremely used by textile industries that may induce changes in the genetic material of exposed organisms, even if these changes in the DNA do not express themselves immediately. Cytotoxicity, genotoxicity and mutagenicity evaluations of the different azo dye (BDCP) concentrations were performed (1, 10, 100 e 1000 mg/L – without microorganisms – and 50 and 200 mg/L – with microorganisms), before and after biodegradation tests, using different microorganisms (1. Heterotrofic bacteria ”pool” proceeding from an effluent biological treatment station, 2. Candida viswanathii - Yeast, and 3. Phanerochaete chrysosporium - Basidiomicet Fungi), by means the different cytogenetical assays (conventional staining, C-banding, RON-banding, CMA/DAPI banding and fluorescent in situ fluorescent hybridization), using Allium cepa as test organism. By the conventional staining cytogenetic assay, it was possible to verify that the azo dye induced apoptosis, necrosis, micronuclei, chromosome aberrations and nuclear alterations. The chromosome aberrations and nuclear alterations were visualized in all phases of the cell cycle: in the interphase were observed nuclear buds and polyploidizated cells; in the prophase were observed genetic material losses; in the metaphase were observed chromosome adherences, chromosome losses, C-metaphases and polyploid cells; and in the anaphase and telophase were observed multipolar cells, chromosome bridges and chromosome losses. The frequencies of nuclear buds were the higher when the cells had been submitted to the azodye treated with microorganisms, suggesting that this kind of alteration must be associated to the presence of the azodye metabolites. The micronuclei and chromosome breaks frequencies... (Complete abstract click electronic access below)

Il polietilene (PE) rappresenta più del 60% di tutte le plastiche derivate dal petrolio a livello mondiale, e si sta accumulando ad un tasso di diversi milioni di tonnellate per anno a causa della sua riluttanza alla degradazione biotica e abiotica. La degradazione microbica è stata proposta come possibile strada alternativa nella riduzione dei rifiuti plastici. Lo scopo generale di questo lavoro è stata l'identificazione di ceppi batterici in grado di metabolizzare il PE e di identificare le vie metaboliche coinvolte in tale processo di biodegradazione. Abbiamo analizzato mediante approccio metagenomico diversi campioni di plastica raccolti in una discarica abbandonata, ed è stata scoperta una forte relazione tra le proprietà della plastica (inclusa la presenza di coloranti) e la comunità microbica Analizzando la comunità microbica esposta al PE nell’ ambiente, abbiamo isolato 10 ceppi batterici in grado di crescere utilizzando il PE come unica fonte di energia e di carbonio. Uno di questi ceppi, Pseudomonas aeruginosa UC4003, ha mostrato la più alta capacità di crescere in terreno minimo e polietilene. Quando cresce su PE, questo ceppo produce un enzima extracellulare, proteina-attivatore per l’ossidazione degli n-alcani (PA), coinvolto nelle prime fasi di degradazione di polietilene. / Plastics production, use and degradation are hot topics that have come to the forefront over recent years. Polyethylene (PE) represents more than 60% of all petroleum-derived plastics worldwide and is accumulating at rates of several millions of tons per year because of its strong recalcitrance to biotic and abiotic degradation. Microbial degradation has been proposed as a possible alternative way to reduce plastic wastes. The general aim of this work was the identification of bacterial strains able to metabolize PE and to identify the biochemical pathways of this biodegradation process. In an abandoned landfill we collected different plastic samples; using a metagenomic approach, we found a strong relationship between the plastic properties (including the presence of colorants) and the microbial community By screening the natural microbial community exposed to PE in environment, we isolated 10 bacteria which revealed the ability to grow on PE as only energy and carbon source. A bacterium, Pseudomonas aeruginosa UC4003, showed the highest growth rate in minimal salt medium and polyethylene. When grown on PE, this strain produced an extracellular enzyme, protein-like activator for n-alkane oxidation (PA), involved in the first step of polyethylene degradation.

Orientador: Maria Aparecida Marin-Morales / Banca: Maria Luiza Silveira Mello / Banca: Cláudia Bueno dos Reis Martinez / Banca: Maria Angélica Maciel Martinho Ferreira / Banca: Edson Luis Maístro / Resumo: Os azocorantes são substâncias químicas extremamente utilizadas em indústrias têxteis que podem induzir mudanças no material genético de organismos expostos, mesmo que essas alterações no DNA não se expressem de imediato. Foram avaliadas as citotoxicidade, genotoxicidade e mutagenicidade de diferentes concentrações (1, 10, 100 e 1000 mg/L - na ausência dos microorganismos - e 50 e 200 mg/L - na presença dos microorganismos) do azocorante Black Dye Commercial Product (BDCP), antes e após tratamentos de biodegradação por diversos microrganismos (1. "Pool" de bactérias heterotróficas provenientes de uma estação de tratamento biológico de efluentes, 2. Levedura Candida viswanathii, e 3. Fungo Basidiomiceto Phanerochaete chrysosporium), por meio de diferentes técnicas citogenéticas (coloração convencional, bandamento C, bandamento RON, bandamento por fluorocromos base-específicos CMA/DAPI e hibridação in situ fluorescente - FISH) aplicadas sobre o organismo teste Allium cepa. Pela técnica citogenética de coloração convencional, foi possível verificar que o corante, com e sem ação microbiana, induziu apoptose, necrose, células micronucleadas, aberrações cromossômicas e alterações nucleares. As aberrações cromossômicas e alterações nucleares foram visualizadas em todos os estágios do ciclo celular: na intérfase foram observados brotos nucleares e células poliplóides; na prófase, perdas de material genético; na metáfase, aderências cromossômicas, perdas cromossômicas, C-metáfases e poliploidias; na anáfase e telófase, multipolaridades, pontes e perdas cromossômicas. Os brotos nucleares apareceram com maior freqüência nas células submetidas aos testes do azocorante tratado com microorganismos, sendo que esse tipo de alteração deve estar associado à presença dos metabólitos do corante. As freqüências de micronúcleos... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Azo dyes are chemical substances extremely used by textile industries that may induce changes in the genetic material of exposed organisms, even if these changes in the DNA do not express themselves immediately. Cytotoxicity, genotoxicity and mutagenicity evaluations of the different azo dye (BDCP) concentrations were performed (1, 10, 100 e 1000 mg/L - without microorganisms - and 50 and 200 mg/L - with microorganisms), before and after biodegradation tests, using different microorganisms (1. Heterotrofic bacteria "pool" proceeding from an effluent biological treatment station, 2. Candida viswanathii - Yeast, and 3. Phanerochaete chrysosporium - Basidiomicet Fungi), by means the different cytogenetical assays (conventional staining, C-banding, RON-banding, CMA/DAPI banding and fluorescent in situ fluorescent hybridization), using Allium cepa as test organism. By the conventional staining cytogenetic assay, it was possible to verify that the azo dye induced apoptosis, necrosis, micronuclei, chromosome aberrations and nuclear alterations. The chromosome aberrations and nuclear alterations were visualized in all phases of the cell cycle: in the interphase were observed nuclear buds and polyploidizated cells; in the prophase were observed genetic material losses; in the metaphase were observed chromosome adherences, chromosome losses, C-metaphases and polyploid cells; and in the anaphase and telophase were observed multipolar cells, chromosome bridges and chromosome losses. The frequencies of nuclear buds were the higher when the cells had been submitted to the azodye treated with microorganisms, suggesting that this kind of alteration must be associated to the presence of the azodye metabolites. The micronuclei and chromosome breaks frequencies... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

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Teeröl verarbeitende Betriebe, Gaswerke und Altablagerungen mit Gaswerksrückständen haben in der Vergangenheit eine Vielzahl lang andauernder Boden- und Grundwasserkontaminationen verursacht. Natürliche Abbauprozesse (NA) haben sich zur Reduktion der Schadstofffrachten bereits an vielen Standorten als wirksam erwiesen, wobei bisher in erster Linie Standorte mit stationären Grundwasserfließbedingungen betrachtet wurden. Deutschlandweit existieren jedoch viele Industrieanlagen und Altstandorte in der Nähe großer Flüsse, da über die Flüsse kostengünstig Ausgangsmaterialien an- und Produkte abtransportiert werden konnten. Die Nähe zum Fließgewässer sorgt hierbei an vielen Standorten für instationäre Grundwasserfließ- und Redoxbedingungen. In dieser Studie wurden erstmals die Auswirkungen instationärer Bedingungen auf NA-Prozesse untersucht. Am Beispiel eines ehemaligen Gaswerks und drei Vergleichsstandorten wurden anhand von Grundwasseruntersuchungen das Schadstoffspektrum umfassend analysiert, die Auswirkungen der instationären Bedingungen auf Schadstoffkonzentrationen und Redoxbedingungen untersucht, sowie in Abbauversuchen in Labormikrokosmen der mikrobiologische Abbau teerölbürtiger Schadstoffe unter instationären Bedingungen nachgewiesen. Die Anbindung des Grundwasserleiters an das Oberflächengewässer und dessen Einfluss auf Grundwasserfließverhalten und Redoxbedingungen wurden mithilfe engmaschiger Beprobungen und einer Multiparametersonde belegt. Grundwasserproben des Standorts wurden mittels GC MS auf insgesamt mehr als 100 teerölbürtige Verbindungen untersucht. Neben den routinemäßig an teerölbelasteten Standorten untersuchten BTEX-Aromaten und EPA-PAK wurde eine Vielzahl weiterer mono- und polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe, kurzkettiger Alkylphenole sowie insbesondere heterozyklischer Kohlenwasserstoffe (NSO-HET) analysiert. Zusätzlich zu den EPA-PAK und BTEX-Aromaten erwiesen sich Indan und Inden, sowie viele NSO-HET als besonders relevant. Schadensherdnah sind dies vor allem Chinolin, 2-Methylchinolin, Dibenzothiophen, Benzofuran und Dibenzofuran, im weiteren Abstrom werden insbesondere 2,4 und 2,6-Dimethylchinolin, 3- und 5-Methylbenzothiophen, 2- und 3-Methylbenzofuran sowie 2-Methyldibenzofuran nachgewiesen. Auf Basis der Felddaten (Schadstoffe, Toxizität, Redoxzonierung) und der mikrobiologischen Abbauversuche im Labor wurden natürliche mikrobiologische Abbauprozesse unter wechselnden Redoxbedingungen nachgewiesen und erstmals die Wirksamkeit von natürlichen Abbauprozessen auch unter instationären Bedingungen gezeigt. Die gewonnenen Erkenntnisse können bei der Bearbeitung anderer Standorte mit instationären Bedingungen eingesetzt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass sich periodische Wechsel der Redoxverhältnisse, verbunden mit dem Eintrag von Sauerstoff in einen Grundwasserleiter, ausgesprochen günstig auf den Schadstoffabbau und damit die Länge einer Schadstofffahne auswirken können. Für Standorte mit instationären Grundwasserfließverhältnissen ist die Frage relevant, ob und wie weit sich mit der Fließrichtungsumkehr tatsächlich auch die Redoxverhältnisse im Grundwasserleiter ändern und ob es zum Beispiel zu einem Eintrag von Sauerstoff kommt. Durch kontinuierliche Messungen mit Hilfe einer Multiparametersonde über den Zeitraum von zwei Jahren konnte der Eintrag von Sauerstoff in Zeiten mit erhöhten Rheinwasserständen nachgewiesen werden. In Abhängigkeit hierzu ändert sich auch das Redoxpotential. Der Nachweis des periodischen Eintrags von Sauerstoff in den Grundwasserleiter ist von besonderer Bedeutung. Zum einen konnte durch Abbauversuche die schnelle aerobe Umsetzung vieler am Standort gemessenen Substanzen nachgewiesen werden. Zusätzlich kann der in den Grundwasserleiter eingetragene Sauerstoff genutzt werden, um reduziertes Eisen(ll) wieder zu oxidieren. Das so entstandene dreiwertige Eisen steht den Mikroorganismen dann wieder als Elektronen-akzeptor zur Verfügung. Die Bedeutung von Eisen(lll) als Elektronenakzeptor wurde ebenfalls anhand von Labormikrokosmen nachgewiesen. Die günstigen Auswirkungen instationärer Redoxbedingungen sind demnach anhand von Feld- und Labordaten belegt. Auch hinsichtlich des Parameterumfangs der an teerölkontaminierten Standorten relevanten Schadstoffe wurden durch das erweiterte Schadstoffspektrum wichtige Erkenntnisse gewonnen, welche unmittelbar auf andere Standorte übertragbar sind.

Im Bereich der Umwelttechnik bieten sich vielversprechende Einsatzmöglichkeiten für Sol-Gel-immobilisierte Mikroorganismen sowohl für die Entfernung als auch für die Detektion von Schadstoffen an. Für einen effizienten Einsatz sind zum einen eine hohe Langzeitaktivität und -vitalität der eingebetteten Zellen als auch eine gute Lagerbeständigkeit wichtig. Neben einer hohen Makroporosität, die sowohl für einen guten Stoffaustausch mit der Umgebung sorgt sowie den Zellen Raum für Zellteilung bietet, ist vor allem auch die Aufrechterhaltung der Feuchtigkeit in der Immobilisierungsmatrix während der Immobilisierung, der Lagerung und des Einsatzes wichtig. Besonders vorteilhaft hat sich hier eine Immobilisierung in dünnen SiO2-Schichten auf Blähtonbruchstücken erwiesen, da dieses Trägermaterial neben einer hohen Makroporosität auch ein hohes Wasserspeichervermögen besitzt. Immobilisiert in dünnen SiO2-Schichten auf Blähton konnten diverse Schadstoff-abbauende Mikroorganismen mehrere Monate auch außerhalb eines flüssigen Mediums unter feuchten Bedingungen gelagert werden, ohne dass ihre Abbauleistung erheblich sank. Ein weiteres Verfahren um Immobilisierungsmaterialien mit überdurchschnittlich hoher Makroporosität bei gleichzeitig hoher Stabilität zu erzeugen, stellt das Freeze-Gelation Verfahren dar. Über einen Gefriertrocknungsschritt können hier zudem die zu immobilisierenden Zellen in eine trocken lagerfähige Form überführt werden, wodurch Handhabung sowie Lagerung und Transport vereinfacht werden. Außerdem kann durch Wahl der Einfrierbedingungen und Zugabe von Füllstoffen zu dem SiO2-Sol entscheidend die Porenstruktur der Immobilisierungsmatrix beeinflusst und den Anforderungen entsprechend eingestellt werden. Allerdings zeigte sich, dass diese Methode nicht für alle Mikroorganismen gleichermaßen geeignet ist. Trotz diverser kryoprotektiver Maßnahmen konnte keine ausreichende Überlebensrate für sensible Stämme wie Aquincola tertiaricarbonis L108 erzielt werden. Neben der Erhöhung der Makroporosität der SiO2-Matrix wurde versucht das Sol-Gel-Verfahren mit einem flexiblen organischen Polymer (Na-Alginat) zu kombinieren, um eine Immobilisierungsmatrix mit einem weichen Kern zu erzeugen, der Zellteilung zulässt. Als zusätzlicher Vorteil des entwickelten Alginat/SiO2-Hybridmaterials erwies sich, dass dieses auch auf einfache Weise mittels Drucktechniken in definierten Spots abgelegt werden kann und so die Zellen in Arrays abgelegt werden können. Das Potential dieser Methodik für die Entwicklung von Ganzzellsensoren wurde am Beispiel der Grünalge Chlorella vulgaris als Modell-Sensorzelle demonstriert und für die Detektion von Atrazin als Modellsubstanz eingesetzt.

Teeröl verarbeitende Betriebe, Gaswerke und Altablagerungen mit Gaswerksrückständen haben in der Vergangenheit eine Vielzahl lang andauernder Boden- und Grundwasserkontaminationen verursacht. Natürliche Abbauprozesse (NA) haben sich zur Reduktion der Schadstofffrachten bereits an vielen Standorten als wirksam erwiesen, wobei bisher in erster Linie Standorte mit stationären Grundwasserfließbedingungen betrachtet wurden. Deutschlandweit existieren jedoch viele Industrieanlagen und Altstandorte in der Nähe großer Flüsse, da über die Flüsse kostengünstig Ausgangsmaterialien an- und Produkte abtransportiert werden konnten. Die Nähe zum Fließgewässer sorgt hierbei an vielen Standorten für instationäre Grundwasserfließ- und Redoxbedingungen. In dieser Studie wurden erstmals die Auswirkungen instationärer Bedingungen auf NA-Prozesse untersucht. Am Beispiel eines ehemaligen Gaswerks und drei Vergleichsstandorten wurden anhand von Grundwasseruntersuchungen das Schadstoffspektrum umfassend analysiert, die Auswirkungen der instationären Bedingungen auf Schadstoffkonzentrationen und Redoxbedingungen untersucht, sowie in Abbauversuchen in Labormikrokosmen der mikrobiologische Abbau teerölbürtiger Schadstoffe unter instationären Bedingungen nachgewiesen. Die Anbindung des Grundwasserleiters an das Oberflächengewässer und dessen Einfluss auf Grundwasserfließverhalten und Redoxbedingungen wurden mithilfe engmaschiger Beprobungen und einer Multiparametersonde belegt. Grundwasserproben des Standorts wurden mittels GC MS auf insgesamt mehr als 100 teerölbürtige Verbindungen untersucht. Neben den routinemäßig an teerölbelasteten Standorten untersuchten BTEX-Aromaten und EPA-PAK wurde eine Vielzahl weiterer mono- und polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe, kurzkettiger Alkylphenole sowie insbesondere heterozyklischer Kohlenwasserstoffe (NSO-HET) analysiert. Zusätzlich zu den EPA-PAK und BTEX-Aromaten erwiesen sich Indan und Inden, sowie viele NSO-HET als besonders relevant. Schadensherdnah sind dies vor allem Chinolin, 2-Methylchinolin, Dibenzothiophen, Benzofuran und Dibenzofuran, im weiteren Abstrom werden insbesondere 2,4 und 2,6-Dimethylchinolin, 3- und 5-Methylbenzothiophen, 2- und 3-Methylbenzofuran sowie 2-Methyldibenzofuran nachgewiesen. Auf Basis der Felddaten (Schadstoffe, Toxizität, Redoxzonierung) und der mikrobiologischen Abbauversuche im Labor wurden natürliche mikrobiologische Abbauprozesse unter wechselnden Redoxbedingungen nachgewiesen und erstmals die Wirksamkeit von natürlichen Abbauprozessen auch unter instationären Bedingungen gezeigt. Die gewonnenen Erkenntnisse können bei der Bearbeitung anderer Standorte mit instationären Bedingungen eingesetzt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass sich periodische Wechsel der Redoxverhältnisse, verbunden mit dem Eintrag von Sauerstoff in einen Grundwasserleiter, ausgesprochen günstig auf den Schadstoffabbau und damit die Länge einer Schadstofffahne auswirken können. Für Standorte mit instationären Grundwasserfließverhältnissen ist die Frage relevant, ob und wie weit sich mit der Fließrichtungsumkehr tatsächlich auch die Redoxverhältnisse im Grundwasserleiter ändern und ob es zum Beispiel zu einem Eintrag von Sauerstoff kommt. Durch kontinuierliche Messungen mit Hilfe einer Multiparametersonde über den Zeitraum von zwei Jahren konnte der Eintrag von Sauerstoff in Zeiten mit erhöhten Rheinwasserständen nachgewiesen werden. In Abhängigkeit hierzu ändert sich auch das Redoxpotential. Der Nachweis des periodischen Eintrags von Sauerstoff in den Grundwasserleiter ist von besonderer Bedeutung. Zum einen konnte durch Abbauversuche die schnelle aerobe Umsetzung vieler am Standort gemessenen Substanzen nachgewiesen werden. Zusätzlich kann der in den Grundwasserleiter eingetragene Sauerstoff genutzt werden, um reduziertes Eisen(ll) wieder zu oxidieren. Das so entstandene dreiwertige Eisen steht den Mikroorganismen dann wieder als Elektronen-akzeptor zur Verfügung. Die Bedeutung von Eisen(lll) als Elektronenakzeptor wurde ebenfalls anhand von Labormikrokosmen nachgewiesen. Die günstigen Auswirkungen instationärer Redoxbedingungen sind demnach anhand von Feld- und Labordaten belegt. Auch hinsichtlich des Parameterumfangs der an teerölkontaminierten Standorten relevanten Schadstoffe wurden durch das erweiterte Schadstoffspektrum wichtige Erkenntnisse gewonnen, welche unmittelbar auf andere Standorte übertragbar sind.

Im Bereich der Umwelttechnik bieten sich vielversprechende Einsatzmöglichkeiten für Sol-Gel-immobilisierte Mikroorganismen sowohl für die Entfernung als auch für die Detektion von Schadstoffen an. Für einen effizienten Einsatz sind zum einen eine hohe Langzeitaktivität und -vitalität der eingebetteten Zellen als auch eine gute Lagerbeständigkeit wichtig. Neben einer hohen Makroporosität, die sowohl für einen guten Stoffaustausch mit der Umgebung sorgt sowie den Zellen Raum für Zellteilung bietet, ist vor allem auch die Aufrechterhaltung der Feuchtigkeit in der Immobilisierungsmatrix während der Immobilisierung, der Lagerung und des Einsatzes wichtig. Besonders vorteilhaft hat sich hier eine Immobilisierung in dünnen SiO2-Schichten auf Blähtonbruchstücken erwiesen, da dieses Trägermaterial neben einer hohen Makroporosität auch ein hohes Wasserspeichervermögen besitzt. Immobilisiert in dünnen SiO2-Schichten auf Blähton konnten diverse Schadstoff-abbauende Mikroorganismen mehrere Monate auch außerhalb eines flüssigen Mediums unter feuchten Bedingungen gelagert werden, ohne dass ihre Abbauleistung erheblich sank. Ein weiteres Verfahren um Immobilisierungsmaterialien mit überdurchschnittlich hoher Makroporosität bei gleichzeitig hoher Stabilität zu erzeugen, stellt das Freeze-Gelation Verfahren dar. Über einen Gefriertrocknungsschritt können hier zudem die zu immobilisierenden Zellen in eine trocken lagerfähige Form überführt werden, wodurch Handhabung sowie Lagerung und Transport vereinfacht werden. Außerdem kann durch Wahl der Einfrierbedingungen und Zugabe von Füllstoffen zu dem SiO2-Sol entscheidend die Porenstruktur der Immobilisierungsmatrix beeinflusst und den Anforderungen entsprechend eingestellt werden. Allerdings zeigte sich, dass diese Methode nicht für alle Mikroorganismen gleichermaßen geeignet ist. Trotz diverser kryoprotektiver Maßnahmen konnte keine ausreichende Überlebensrate für sensible Stämme wie Aquincola tertiaricarbonis L108 erzielt werden. Neben der Erhöhung der Makroporosität der SiO2-Matrix wurde versucht das Sol-Gel-Verfahren mit einem flexiblen organischen Polymer (Na-Alginat) zu kombinieren, um eine Immobilisierungsmatrix mit einem weichen Kern zu erzeugen, der Zellteilung zulässt. Als zusätzlicher Vorteil des entwickelten Alginat/SiO2-Hybridmaterials erwies sich, dass dieses auch auf einfache Weise mittels Drucktechniken in definierten Spots abgelegt werden kann und so die Zellen in Arrays abgelegt werden können. Das Potential dieser Methodik für die Entwicklung von Ganzzellsensoren wurde am Beispiel der Grünalge Chlorella vulgaris als Modell-Sensorzelle demonstriert und für die Detektion von Atrazin als Modellsubstanz eingesetzt.:Inhalt Abstract 1 Danksagung/Vorwort 2 Inhalt 4 Abkürzungsverzeichnis 6 Abbildungsverzeichnis 8 Tabellenverzeichnis 11 1 Einleitung und Motivation 12 1.1 Zielstellung der Arbeit 14 2 Grundlagen 16 2.1 Sol-Gel-Verfahren 16 2.1.1 Geschichte des Sol-Gel-Verfahrens 16 2.1.2 Chemische Grundlagen des Sol-Gel-Verfahrens 18 2.1.3 Prekursoren (Vorläufermaterialien) 19 2.1.3.1 Alkoxysilane (Siliciumalkoxide) 19 2.1.3.2 Alkalisilikate 23 2.1.4 Modifizierungsmöglichkeiten der SiO2-Matrix 24 2.1.4.1 Chemische Modifizierung 24 2.1.4.2 Physikalische Modifizierung 25 2.1.4.3 Organisch-anorganische Hybridmaterialien 26 2.1.4.4 Alginat/SiO2-Hybridmaterialien 26 2.2 Sol-Gel-Immobilisierung von Mikroorganismen 28 2.2.1 Sol-Gel-Beschichtung von Trägermaterialien 30 2.2.2 Sol-Gel-Immobilisierung in (Hydro-)Gelkörpern 33 2.2.2.1 Sonderform: Freeze-Gelation-Formkörper 35 2.2.3 Sol-Gel-Immobilisierung mittels Drucktechniken 37 3 Material und Methoden 38 3.1 Mikroorganismen 38 3.2 Freeze-Gelation-Verfahren 39 3.2.1 Zellimmobilisierung 39 3.2.2 Kryoprotektektive Maßnahmen 40 3.2.3 Charakterisierung der Freeze-Gelation-Formkörper 40 3.2.4 Aktivitätsuntersuchung – Schadstoffabbau 41 3.3 Beschichtung von Trägermaterialien 42 3.3.1 Synthese des SiO2-Sols 42 3.3.2 Vorbehandlung der Trägermaterialien 42 3.3.3 Zellimmobilisierung 42 3.3.4 Charakterisierung der Trägermaterialien 43 3.3.5 Aktivitätsuntersuchung – Schadstoffabbau 44 3.4 Alginat/SiO2-Hybridgele 44 3.4.1 Synthese amino-funktionalisierter SiO2-Sole 44 3.4.1.1 Charakterisierung der amino-funktionalisierten SiO2-Sole 45 3.4.2 Vernetzung von Na-Alginat mit amino-funktionalisiertem SiO2-So (Erzeugung von Alginat/SiO2-Hydrogelen) 45 3.4.2.1 Vorbehandlung der Trägermaterialien 45 3.4.2.2 Charakterisierung der Alginat/SiO2-Hydrogele 46 3.4.3 Zellimmobilisierung 47 3.4.3.1 Charakterisierung der immobilisierten Zellen 48 3.4.4 Aktivitätsuntersuchung – Schadstoffdetektion 48 3.4.4.1 PAM-Fluorometer: Atrazin 48 4 Ergebnisse und Diskussion 50 4.1 Lösungsstrategien 50 4.2 Freeze-Gelation-Formkörper 54 4.3 Sol-Gel-Beschichtung von Trägermaterialien 65 4.4 Alginat/SiO2-Hybridmaterialien 74 4.5 Zusammenfassung der Ergebnisse 93 5 Schlussfolgerung und Ausblick 99 6 Literaturverzeichnis 102 7 Verzeichnis eigener Publikationen 109 ANHANG 111

From the Proceedings of the 1978 Meetings of the Arizona Section - American Water Resources Assn. and the Hydrology Section - Arizona Academy of Science - April 14-15, 1978, Flagstaff, Arizona / Algal growth and oxygen evolution at the soil -water interface of soil recharge basins intermittently flooded with secondary sewage effluent (SSE) produced diurnal fluxes in dissolved oxygen (DO) in the SSE and redox potentials (Eh) in the SSE and the surface soil of the basin. The maximum daily DO-% saturation in the SSE during flooding ranged from 30 to 450 %, depending on the length of flooding and seasonal effects of temperature and solar radiation. Diurnal cycles of Eh in the SSE and the top 0 to 2 cm of soil indicated that oxygen production by algae and bacterial nitrifying and denitrifying reactions at the soil-water interface are occurring daily for limited periods during flooding and that these reactions might contribute to the net-N removal and renovation of SSE by soil filtration.