Die Erkennung gesundheitlicher Risiken durch gentoxische Stoffe, die als Lebensmittelinhaltstoffe oder als Umweltkontaminanten Bedeutung haben, ist die Voraussetzung für Risikobewertung und Prävention. Bei Umweltkontaminanten gilt unser Interesse polycyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen mit einer sogenannten Fjordregion, die besonders potente Kanzerogene darstellen. Außerdem interessieren uns Fullerene, die im Ruß vorkommen und deren biologische Wirkung bisher nur wenig untersucht ist. Das aus beruflicher Belastung durch bestimmte Nitrosamine potentiell gesundheitliche Risiko wird im Modellversuch untersucht. Schließlich beschäftigen wir uns mit der Toxikologie bestimmter a,b-ungesättigter Alkenale, die als Lebensmittelinhalts- und -Zusatzstoffe in z.T. beachtlichen Konzentrationen (bis 30 mg/kg) in Lebensmitteln vorkommen. Metabolische Veränderungen, die fremde Stoffe im Körper erfahren, beeinflussen ganz wesentlich deren Wirkung. Zur Aufklärung einzelner aktivierender oder entgiftender Stoffwechselwege werden transgene Säugerzellen eingesetzt, die bestimmte Enzyme (CYP) stabil exprimieren. Zusätzlich wird der Leberstoffwechsel mit Hepatozyten und Zellfraktionen (Mitochondrien, Mikrosomen) simuliert. Metabolite werden über GC/MS identifiziert und quantifiziert. Die gentoxische/mutagene Potenz von Ausgangsverbindungen und Metaboliten wird in-vitro an Säuger-Zellinien (z.B. humane Colonzellen) oder an primären Zellen (z.B. aus Gastrointestinaltrakt von Ratte/ Mensch) sowie in-vivo an der Ratte und ex-vivo an humanen Blutzellen geprüft. Gemessen werden: Gentoxizität in transfizierten Bakterien (Induktion von SOS-Repair), Mutagenität in Säugerzellen (HPRT-Test), Induktion von DNA-Schäden mittels Mikrogelelektrophorese und die Entstehung vonDNA-Addukten mittels 32P-Postlabelling-Verfahren. Zusätzlich werden zytotoxische Effekte (einschließlich Membranschäden und Apoptose-Induktion) in Zellkulturen erfasst.
Die Photovoltaik ist auf Grund ihres Potentials eine der wichtigsten erneuerbaren Energiequellen und steht damit im Fokus vieler Bemühungen, kostengünstige und effiziente Solarzellen zu entwickeln. In letzter Zeit haben besonders organische Solarzellen dabei an Bedeutung gewonnen, insbesondere aufgrund ihrer einfachen Verarbeitbarkeit und dem geringen Energieaufwand für ihre Herstellung, zum Beispiel durch Druck- oder Rolle-zu-Rolle-Verfahren. Sowohl Industrie als auch Forschungseinrichtungen haben daher große Anstrengungen unternommen, um leistungsstarke, dünne und flexible organische Solarzellen bei gleichzeitiger Kosten- und Energiereduktion zu entwickeln. Die hauptsächlich untersuchten sogenannten Polymer-Fulleren-Solarzellen weisen bereits hohe Wirkungsgrade von bis zu 11 Prozent auf. Jedoch hat diese Technologie einige Nachteile. Fulleren-basierte Akzeptoren sind teuer und zeigen eine eher geringe optische Absorption im sichtbaren und infraroten Bereich des Sonnenspektrums. Weitere limitierende Prozesse sind verschiedene Rekombinationsverluste, die zu einer niedrigen Klemmenspannung und damit zu einem moderaten maximalen Wirkungsgrad führen. Dieser ist inhärent auf ca. 13 % begrenzt. Die erst kürzlich entdeckten Nicht-Fulleren-Akzeptoren (NFA) könnten diese Nachteile beheben. In ersten Experimenten wurden deutlich geringere Spannungsverluste beobachtet. Auch wurden bereits Wirkungsgrade 10 % berichtet. Das Ziel von ALTAFOS ist, die grundlegenden Eigenschaften und die Wirkungsweise dieser neuen Materialklasse zu untersuchen und eine Abschätzung des theoretischen Wirkungsgrads der neuartigen organischen Solarzellen zu erhalten. Dafür werden NFAs mit unterschiedlichen Eigenschaften synthetisiert, detailliert untersucht und in Solarzellen getestet. Die gesammelten Daten werden für die Modellierung des Wirkungsgrads herangezogen. Zusätzlich zu einem Wirkungsgrad-Modell wird das Projekt auch Design-Regeln für Nicht-Fulleren-Akzeptoren liefern. Basierend auf diesen Erkenntnissen können in Zukunft organischen Solarzellen mit geringerem Klemmenspannungsverlust und mit deutlich höherem Wirkungsgrad (15%+) entwickelt und damit die Technologie zum Durchbruch geführt werden. Ein Erfolg dieser Technologie hätte aufgrund der energieschonenden und kostengünstigen Herstellungsmöglichkeiten ein enormes CO2-Reduktionspotential bei der Energiegewinnung.
In diesem Projekt werden in Langzeit-Mikro- und Mesokosmos-Experimenten mit repräsentativen Lebensgemeinschaften stehender und fließender Gewässer der Verbleib und das Verhalten, die Akkumulation und Effekte von C-MNMs innerhalb der Nahrungskette sowie die Verteilung in den Organismen untersucht. Hierbei kommen Fullerene und Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs) als Beispiele für C-MNMs zum Einsatz. Die Materialien werden in umweltrelevanten Konzentrationen in Süßwasser-Mesokosmen (künstliche Fließgewässer und Standgewässer) und Salzwasser-Mesokosmen (Simulation von Flussmündungen) untersucht. Eine wichtige Funktion in Fließgewässern ist die Abbauleistung des Biofilms, der gleichzeitig eine wichtige Nahrungsgrundlage für die Weidegänger (Grazer) in Fließ- und Standgewässern darstellt. Folglich sind negative Effekte auf den Biofilm oder auf die Weidegänger als Prädatoren sowie eine Störung des Nahrungsnetzes durch indirekte Effekte der MNMs von fundamentaler Bedeutung für das Ökosystem. Anhand dieser Untersuchungen werden mögliche negative Effekte auf wichtige strukturelle und funktionelle Aspekte aquatischer Ökosysteme quantifiziert und die Ergebnisse für einen sicheren Umgang bzw. Einsatz mit C-MNMs genutzt.
In NANO-Transfer werden der Verbleib, die chronischen Effekte, die Bioakkumulation, die Nahrungsnetzübertragung und der mögliche Schadstofftransport synthetischer, kohlenstoffbasierter Nanomaterialien (C-MNMs) in der aquatischen Umwelt untersucht und somit wichtige Lücken in der Forschung dieser Materialien geschlossen. Die AG an der RWTH wird Langzeit-Experimente mit CNTs bei umweltrelevanten Konzentrationen in Standgewässer-Mikrokosmen durchführen und das Nanomaterial über die Zeit in den verschiedenen Umweltkompartimenten nachweisen. Durch eine radioaktive Markierung (14C-CNTs) können wir dieses C-MNM im unteren Mikro g/L und Mikro g/kg Bereich detektieren. Auch gealterte C-MNMs werden getestet. Die Studien werden wichtige Ergebnisse für die Umweltrisikobewertung von Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) und Fullerenen liefern und eine Evaluierung des Einsatzes dieser Materialien in der Remediation belasteter Gewässer hinsichtlich der Umweltsicherheit ermöglichen.
Von gezielt hergestellten Nanomaterialien für technische Produkte werden zukünftig vielfältige Nutzungsmöglichkeiten und hohe Wachstumsraten erwartet. Der Einsatz dieser Stoffe ist verknüpft mit Verbesserungen von Produkten, neuartigen Einsatzbereichen und reduziertem Materialeinsatz. Auf diesen Seiten finden Sie grundlegende Informationen zu Nanopartikeln, ihren Eigenschaften, Verwendungsmöglichkeiten sowie möglichen Risiken. Die vorliegenden Informationen zu möglichen Wirkungen von neuartigen Nanopartikeln auf Menschen und die belebte Umwelt sind nur unzureichend - die Datenbasis für eine verlässliche Risikoabschätzung reicht derzeit nicht aus. Um die Auswirkungen von Nanopartikeln abschätzen zu können, sind Untersuchungen des gesamten Lebenszyklus der neuen Materialien notwendig, die sich sowohl mit den Transportwegen in der Umwelt, den Expositionspfaden der lebenden Organismen, den toxischen Effekten sowie der Bioverfügbarkeit und der Bioakkumulation beschäftigen. Neuartige Nanomaterialien wie Carbon-Nanotubes (CNT) und Fullerene (Bucky Balls), die bislang in der Umwelt nicht anzutreffen waren, bedürfen hierbei einer besonderen Aufmerksamkeit. Weiterer Aufklärungsbedarf über die toxikologische Wirkungsweise von Nanopartikeln besteht bezüglich der stofflichen Partikel-Zusammensetzung, der Partikelform und der Partikeloberfläche (Coating). Für ultrafeine Stäube im Bereich unterhalb von 1 µm gibt es derzeit keine speziellen gesetzlichen Regelungen. Richt- oder Grenzwerte für die Teilchenkonzentration bzw. Teilchengrößenverteilung kommen erst in Betracht, wenn hierzu toxikologisch aussagefähige Schlussfolgerungen begründet werden können und standardisierte, reproduzierbare Messverfahren festgelegt sind. Aus Vorsorgegründen werden deshalb bei Tätigkeiten mit synthetisch hergestellten Nanopartikeln derzeit technische, organisatorische und persönliche Schutzmaßnahmen vorgeschlagen. LUBW-Bericht "Anwendung von Nanopartikeln" Die Folien eines Fachvortrags sollen einen umfassenden Informationsstand zu technologischen Anwendungen, toxikologischen Aspekten sowie zur Exposition und derzeitigen rechtlichen Situation beim Einsatz von Nanopartikeln vermitteln. Nanotechnologie – Quo vadis (2008) Die Literaturstudie betrachtet verschiedene von der Nanotechnologie betroffene Rechtsbereiche (Chemikalien, Lebensmittel, Arbeitsschutz, Anlagen- und Umweltschutz u.a.) innerhalb der EU. Unterschiedliche Auffassungen darüber, ob die gegenwärtigen rechtlichen Rahmenbedingungen für den Umgang mit Nanotechnologie ausreichen oder ob die vorhandenen Regulierungen an die speziellen Eigenschaften von nanoskaligen Stoffen angepasst werden müssen, werden gegenübergestellt. Die Studie geht auch auf freiwillige Selbstverpflichtungen der Industrie zu Herstellung und Anwendung von Nanomaterialien sowie auf Bestrebungen zur Einführung eines Nanoprodukte-Registers ein. Die Regulierung von Nanomaterialien außerhalb der EU wird an ausgesuchten Beispielen dargestellt. LUBW-Bericht: „Nanomaterialien: Regulierungen (national – international)"
Obwohl die Anwendungen und Produktionsmengen von Nanopartikeln stetig zunehmen, fehlen umfassende Grundlagen für die Abschätzung von Umweltrisiken. Im Rahmen des Projektes Nano-DESTINARA soll untersucht werden, inwiefern Kläranlagen als Eintragspfade von Nanopartikeln in Gewässer fungieren. Kenntnisse über die relevanten Stoffströme von Nanomaterialien in der kommunalen Abwasserreinigung sind als Basis für die Berechnung von PEC-Werten (predicted environmental concentration) im Rahmen eines Risk-Assessments für die aquatische Umwelt von zentraler Bedeutung. Um die Wissenslücke zum Verhalten von Nanopartikeln in der kommunalen Abwasserreinigung zu verringern, liegt das Ziel des vorliegenden Projektes in der Ermittlung der Auswirkungen ausgewählter Nanopartikel (Titandioxid, Silber, Cerdioxid und Fullerene) auf die Reinigungsleistung von kommunalen Kläranlagen. Dies umfasst sowohl die Bestimmung der akuten und chronischen Hemmwirkung auf die unterschiedlichen Bakterienbiozönosen von Kläranlagen als auch die Identifizierung relevanter Stoffströme. Ein weiteres Ziel liegt in der Grundlagenerarbeitung für Messkonzepte, sowohl für die Kläranlagen selbst als auch für den Austrag in unterschiedliche Umweltkompartimente (Wasser, Boden) und einer Expositionsabschätzung für die ausgewählten Nanopartikel in Österreich. Hinsichtlich der chemischen Analytik wird die Entwicklung einer Analysenmethode für Fullerene angestrebt. Zur Zielerreichung werden am Institut für Wassergüte, Ressourcenmanagement und Abfallwirtschaft der Technischen Universität Wien, welches auf langjährige Erfahrungen auf dem Gebiet der biologischen Abwasserreinigung und Untersuchungen zum Verhalten von Spurenstoffen auf Kläranlagen verweisen kann, Versuche im Labormaßstab durchgeführt und zusätzlich repräsentative kommunale Kläranlagen beprobt. Die Analyse der eingesetzten Substanzen erfolgt durch die Umweltbundesamt GmbH, deren Kompetenz auf der Umwelt- und Spurenanalytik liegt. Um Aussagen über akute Hemmwirkungen von Nanopartikeln auf die Kläranlagenbiozönosen treffen zu können, werden Respirationsmessungen mit unterschiedlichen Testkonzentrationen und Belebtschlämmen kommunaler Kläranlagen durchgeführt. Für die Langzeitauswirkungen und das Verhalten in der Abwasserreinigung werden über mehrere Monate Modellkläranlagen mit und ohne Zudosierung der ausgewählten Nanopartikel betrieben, während die Adsorptionseigenschaften der untersuchten Belebtschlämme zusätzlich in Batchtests ermittelt wird. Die Bilanzierung der eingesetzten Nanopartikel erfolgt über die chemische Analytik in den einzelnen Matrizes der Laboranlagen, mit Hilfe von für CSB, Stickstoff und Phosphor evaluierten Massenbilanzen. Die so berechneten relevanten Stoffströme und -senken gehen in eine Expositionsabschätzung für Österreich ein und bilden die Grundlage für die Entwicklung von Messkonzepten für Kläranlagen selbst und für den Eintrag der untersuchten Nanopartikel in die unterschiedlichen Umweltkompartimente (Wa
The proposed work aims at the understanding and the advancement of the photovoltaic properties of polymer-based organic solar cells by optimizing the electron-transport properties of the electron-accepting phase. Novel 'low bandgap' electron-accepting copolymers based on naphthalenebisimide with improved electron mobility will be synthesized. The HOMO and LUMO energy levels of these copolymers are designed for a combination with well-established electron-donating polymers such as poly(3- hexylthiophene) (P3HT). Electron-transport in the pure polymer and in the blend will be studied and related to the photovoltaic device performance. In order to optimize the optical and electron-transporting properties of these bulk-heterojunction devices, ternary blends comprising an electron-donating polymer, an electron accepting polymer and the well-known soluble fullerene PCBM will be investigated with respect to morphology, charge transport and solar cell properties. Hereby, the adjustment of the LUMO level of the acceptor-polymer with respect to the energetical structure of PCBM by chemical design will be one important task of this project. By using acceptor polymers with low bandgap, wide spectral coverage is envisaged. Finally, the influence of additives as block copolymers or low molecular weight softeners (and surfactants) on the morphology of polymer-polymer blends will be investigated, with the goal to develop novel approaches towards polymer blends with high charge carrier dissociation and extraction efficiencies.
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