Plant Uptake, Translocation and Metabolism of PBDEs in Plants

Polybrominated diphenyl ethers (PBDEs) have been widely used as flame retardants in concentrations up to 30 w% of the total mass of the products. Worldwide consumption of technically relevant PBDE mixtures was about 7500 tons (penta-BDEs), 3790 tons (octa-BDEs) and 56,100 tons (deca-BDE) in 2001 and about 50–60% of this total volume was discharged into environment only by agricultural use of sewage sludges. The use of PBDEs was strictly regulated from 2004 onwards due to their high emission load and their effect as endocrine disrupters, neurotoxins, and fertility reducing agents. Nevertheless, soils worldwide are contaminated by gaseous and particle-bound transport of PBDEs. Therefore, the uptake of PBDEs from contaminated agricultural land via crops and the food chain is a major human exposure pathway. However, uptake and intrinsic transport behavior strongly depend on crop specifics and various soil parameters. The relevant exposure and transformation pathways, transport-relevant soil and plant characteristics and both root concentration factor (RCF) and transfer factor (TF) as derivable parameters are addressed and quantified in this chapter. Finally, based on available crop specific data a general statement about the transport behavior of PBDEs in twelve different crops according to relevant PBDE congeners is given

Comparison of inoculums in the removal of 2-butoxyethanol from air emissions by biotrickling filter: Performance and microbial monitoring

2-butoxyethanol is one of the most used glycol ether in industrial activities and the treatment of air 2-butoxyethanol-emissions become necessary. Biotechnologies are potential treatment technologies due to their low operational costs. The use of two inoculums in the treatment of 2-butoxyethanol by biotrickling filters (BTFs) packed with polyurethane-foam was studied. A pure culture of Pseudomonas putida, previously adapted to 2-butoxyethanol, was used as inocula in a BTF operated in the University of Stuttgart. Fresh activated sludge from a municipal waste water treatment plant was used as inocula in a BTF operated in the University of Valencia. An empty bed residence time of 12.5 s and inlet concentrations of 400 and 800 mg/Nm3 were applied. After 40 days of operation at 400 mg/Nm3, the BTF inoculated with Pseudomonas putida reached removal efficiencies (REs) ∼ 80%, whereas the BTF inoculated with activated sludge presented REs ∼ 60%. At 800 mg/Nm3, the BTF inoculated with Pseudomonas putida reached REs ∼ 60%. Microbial community was monitored in both BTFs by using denaturing gradient gel electrophoresis analysis (DGGE) with subsequent 16S sequencing and plating methods using 2-butoxyethanol as sole carbon source

Altimetry for the future: Building on 25 years of progress

In 2018 we celebrated 25 years of development of radar altimetry, and the progress achieved by this methodology in the fields of global and coastal oceanography, hydrology, geodesy and cryospheric sciences. Many symbolic major events have celebrated these developments, e.g., in Venice, Italy, the 15th (2006) and 20th (2012) years of progress and more recently, in 2018, in Ponta Delgada, Portugal, 25 Years of Progress in Radar Altimetry. On this latter occasion it was decided to collect contributions of scientists, engineers and managers involved in the worldwide altimetry community to depict the state of altimetry and propose recommendations for the altimetry of the future. This paper summarizes contributions and recommendations that were collected and provides guidance for future mission design, research activities, and sustainable operational radar altimetry data exploitation. Recommendations provided are fundamental for optimizing further scientific and operational advances of oceanographic observations by altimetry, including requirements for spatial and temporal resolution of altimetric measurements, their accuracy and continuity. There are also new challenges and new openings mentioned in the paper that are particularly crucial for observations at higher latitudes, for coastal oceanography, for cryospheric studies and for hydrology. The paper starts with a general introduction followed by a section on Earth System Science including Ocean Dynamics, Sea Level, the Coastal Ocean, Hydrology, the Cryosphere and Polar Oceans and the ‘‘Green” Ocean, extending the frontier from biogeochemistry to marine ecology. Applications are described in a subsequent section, which covers Operational Oceanography, Weather, Hurricane Wave and Wind Forecasting, Climate projection. Instruments’ development and satellite missions’ evolutions are described in a fourth section. A fifth section covers the key observations that altimeters provide and their potential complements, from other Earth observation measurements to in situ data. Section 6 identifies the data and methods and provides some accuracy and resolution requirements for the wet tropospheric correction, the orbit and other geodetic requirements, the Mean Sea Surface, Geoid and Mean Dynamic Topography, Calibration and Validation, data accuracy, data access and handling (including the DUACS system). Section 7 brings a transversal view on scales, integration, artificial intelligence, and capacity building (education and training). Section 8 reviews the programmatic issues followed by a conclusion

Altimetry for the future: building on 25 years of progress

In 2018 we celebrated 25 years of development of radar altimetry, and the progress achieved by this methodology in the fields of global and coastal oceanography, hydrology, geodesy and cryospheric sciences. Many symbolic major events have celebrated these developments, e.g., in Venice, Italy, the 15th (2006) and 20th (2012) years of progress and more recently, in 2018, in Ponta Delgada, Portugal, 25 Years of Progress in Radar Altimetry. On this latter occasion it was decided to collect contributions of scientists, engineers and managers involved in the worldwide altimetry community to depict the state of altimetry and propose recommendations for the altimetry of the future. This paper summarizes contributions and recommendations that were collected and provides guidance for future mission design, research activities, and sustainable operational radar altimetry data exploitation. Recommendations provided are fundamental for optimizing further scientific and operational advances of oceanographic observations by altimetry, including requirements for spatial and temporal resolution of altimetric measurements, their accuracy and continuity. There are also new challenges and new openings mentioned in the paper that are particularly crucial for observations at higher latitudes, for coastal oceanography, for cryospheric studies and for hydrology. The paper starts with a general introduction followed by a section on Earth System Science including Ocean Dynamics, Sea Level, the Coastal Ocean, Hydrology, the Cryosphere and Polar Oceans and the “Green” Ocean, extending the frontier from biogeochemistry to marine ecology. Applications are described in a subsequent section, which covers Operational Oceanography, Weather, Hurricane Wave and Wind Forecasting, Climate projection. Instruments’ development and satellite missions’ evolutions are described in a fourth section. A fifth section covers the key observations that altimeters provide and their potential complements, from other Earth observation measurements to in situ data. Section 6 identifies the data and methods and provides some accuracy and resolution requirements for the wet tropospheric correction, the orbit and other geodetic requirements, the Mean Sea Surface, Geoid and Mean Dynamic Topography, Calibration and Validation, data accuracy, data access and handling (including the DUACS system). Section 7 brings a transversal view on scales, integration, artificial intelligence, and capacity building (education and training). Section 8 reviews the programmatic issues followed by a conclusion

Challenges in biological and non-biological waste air treatment

Jüngste Entwicklungsszenarien der International Energy Agency (IEA) sowie des Energiekonzerns British Petroleum (BP) zeigten, dass bis zum Jahr 2040 gegenüber dem heutigen Stand die Weltbevölkerung um 23 % wachsen und die Einkommen von insgesamt 2,5 Mrd. einkommensschwachen Menschen ansteigen werden. Das ‚bussiness-as-usual‘ - Szenario sagt aufgrund des Anstiegs in Weltbevölkerung und Wohlstand, trotz bestehender Bemühungen zur Steigerung der Energieeffizienz, eine Steigerung der weltweiten CO2-Emissionen um gut 30 % voraus. Berücksichtigt man dabei die jüngsten technischen und wissenschaftlichen Tendenzen wie beispielsweise ‚low-carb‘ - Kraftstoffe oder erneuerbare Energien, so wird weiterhin ein Anstieg der CO2-Emissionen um ca. 10 % vorausgesagt. Da die Weltgemeinschaft eine Restriktion der Erderwärmung auf deutlich unter 2 °C bis 2100 anstrebt, diese aber in den Industriestaaten eine Minderung der Emissionen an CO2-Äquivalenten von ca. 12 t CO2,eq·a-1·Bewohner-1 auf unter 1 t CO2,eq·a-1·Bewohner-1 bis zum Jahr 2050 erfordert, sind alle Möglichkeiten der Vermeidung und Minderung von treibhausrelevanten und umweltrelevanten Schadstoffen zu ergreifen. Die Minderung relevanter gasförmiger Emissionen kann durch geeignete Abluftreinigungsmaßnahmen wie Kondensation, Absorption, Membranverfahren, oxidative Verfahren, oxidative Katalyse, nicht-thermische Plasmen, UV-Oxidation, thermische Plasmen und Adsorption wie auch durch nicht-biologische Verfahren oder Verfahrenskombinationen aus nicht-biologischen und biologischen Verfahren umgesetzt werden. Speziell im gewerblichen und industriellen Umfeld wird der Stand der Technik durch thermisch oxidative Verfahren definiert. Da diese in der Regel nicht unter adiabaten Bedingungen betrieben werden können, ist der Zusatz von Primärenergieträgern erforderlich, der zu zusätzlichen Emissionen an treibhausrelevanten Gasen wie CO2, CH4 und N2O führt. Da in biologischen Abluftreinigungsverfahren die Schadstoffe durch biochemische Abbauprozesse mineralisiert werden, treten in der Regel keine sekundären Abfallströme oder zusätzlichen treibhausrelevanten Emissionen auf. Obwohl die biologischen Abluftreinigungsverfahren somit einen wichtigen Beitrag zum 1,5 °C - Ziel der Weltgemeinschaft leisten können, sind sie im Marktsegment der Umwelttechniken mit Ausnahme der landwirtschaftlichen Massentierhaltung bisher kaum vertreten und zumeist auf Nischenanwendungen restringiert. Für biologische Abluftreinigungsverfahren ist eine Reihe an vermeintlichen Einschränkungen bekannt, die sicherlich die geringe Marktdurchdringung mitverantworten. Für eine breite Akzeptanz dieser Verfahren ist es daher erforderlich diese vermeintlichen Einschränkungen kritisch zu hinterfragen und wenn möglich zu widerlegen. Gelingt diese Widerlegung nicht und scheiden biologische Abluftreinigungsverfahren bei ausgewählten Applikationen aus, so sind geeignete Alternativverfahren erforderlich - auch wenn verschiedene Abluftsituationen existieren, die auch nicht-biologische Verfahren an den Rand der Machbarkeit führen. Die vorliegende Arbeit thematisiert daher die bekannten Restriktionen für biologische Abluftreinigungsverfahren und verfolgt das Ziel die bestehenden Applikationsgrenzen zu erweitern und den sich hieraus ergebenden Herausforderungen unter der Prämisse der Etablierung eines Prozesses mit hoher technischer Stabilität, hoher Reinigungseffizienz und einer ökonomisch interessanten Kostenstruktur zu begegnen. Die identifizierten Restriktionen wurden an folgenden Applikationsbeispielen widerlegt bzw. alternative nicht-biologische Reinigungsverfahren vorgestellt: • Herausforderung Platzbedarf und Clogging: Der durch höhere Kontaktzeiten bedingte erhöhte Platzbedarf von biologischen Abluftreinigungsanlagen stellt ein signifikantes Vermarktungshindernis dar. Bestrebungen zur kompakteren Bauweise führen jedoch zu höheren spezifischen Schadstofffrachten und der erhöhten Gefahr von Biomasse bedingtem Clogging. Am Beispiel des biologisch leicht abbaubaren Schadstoffs 2 Butoxyethanol wurde die technische und ökonomische Machbarkeit eines mit Natronlauge und Druckluftinjektion als Anti-Clogging-Maßnahme ausgestatteten, rückspülbaren Biotricklingfilters sowohl im Labor- als auch Pilotmaßstab erfolgreich demonstriert. • Herausforderung Stoffgemischabbau und Xenobiotikaabbau: Durch genetische und enzymatische Regulationsmechanismen erweist sich der biologische Abbau von Schadstoffgemischen als zunehmend schwieriger je komplexer das Gemisch bzw. je xenobiotischer die Struktur der enthaltenen Schadstoffe ist. Auch erfordert der Abbau xenobiotischer Verbindungen häufig den Einsatz adaptierter Spezialbiozönosen, deren biotechnologische Bereitstellung mit erhöhten Kosten verbunden ist. Am Beispiel eines in der Kautschukverarbeitung zum Einsatz kommenden Lösemittelgemisches aus 70 Vol% tert. Butanol und 30 Vol% Aceton wurde der erfolgreiche Gemischabbau im Verfahrensvergleich zweier Biotricklingfilter und eines Biowäschers gezeigt und das Potential innovativer Kompostitträger, die keine zusätzliche Beimpfung mit Leistungsbiozönosen erfordern, dargelegt. • Herausforderung biologische Persistenz: Mit zunehmendem xenobiotischen Charakter von Schadstoffen sinkt deren biologische Abbaubarkeit, da häufig spezialisierte Enzyme oder innovative Abbauwege für deren Mineralisierung erforderlich sind und geeignete mikrobielle Isolate entweder nicht existent sind oder eine zu geringe Transformationskinetik für eine technische Applikation aufweisen. Der Einsatz biologischer Abluftreinigungsverfahren erscheint hier unter technischen und ökonomischen Aspekten zumeist nicht sinnvoll. Diese Einschätzung wurde am Beispiel des bakteriellen Abbaus des Xenobiotikums 2-Chlortoluol widerlegt, welches durch insgesamt vier neu gewonnene Isolate mineralisiert und deren Anwendbarkeit in Biotricklingfiltern zur Behandlung von 2-Chlortoluol haltiger Abluft erfolgreich gezeigt werden konnte. Die Stabilität des Inokulums in der sich etablierenden Biozönose konnte in einer Langzeitstudie über 985 Tage erfolgreich bestätigt werden, wodurch sich die initialen Kosten für die Beimpfung der Anlage relativierten. • Herausforderung begrenzte Transformationskinetik: Neben xenobiotischen Einflüssen führen insbesondere eine steigende Lipophilie sowie steigende Dampfdrücke von Abluftinhaltsstoffen zu einer stark restringierten Transformationskinetik, wodurch das Anlagenvolumen und somit die Kosten der biologischen Behandlung stark ansteigen. Der Ansatz einer Verfahrenskombination aus nicht-thermischem Plasma zur partiellen Oxidation und somit Hydrophilisierung der lipophilen Schadstoffe mit nachfolgender biologischer Mineralisierung erscheint unter technischen und ökonomischen Aspekten ein interessanter Ansatz zu sein. Die Verfahrenskombination weist dabei eine kompaktere und kleinere Baugröße sowie geringere Betriebskosten als ein alleinstehendes NTP-/BTF-Verfahren auf. Die Machbarkeit dieses Anlagenkonzepts konnte sowohl im Labor- als auch Pilotmaßstab an acht verschiedenen artifiziellen Abluftströmen sowie an drei Realabluftströmen erfolgreich gezeigt werden. • Herausforderung Temperatur: Abluftströme weisen häufig Temperaturen von 50 °C bis knapp 150 °C auf, insbesondere wenn sie aus thermisch betriebenen Produktionsprozessen entstammen. Nach erfolgter Vorkonditionierung liegen die Ablufttemperaturen zumeist bei 50 - 70 °C. Im Vergleich zu mesophil betriebenen biologischen Verfahren ist der Betrieb thermophil betriebener biologischer Abluftreinigungsanlagen deutlich anspruchsvoller. Neben verfahrenstechnischen Problemstellungen ist die Ursache hierfür vor allem in steigenden Dampfdrücken und somit geringeren Bioverfügbarkeiten sowie ggf. steigende Toxizitäten der Schadstoffe zu suchen. Am Beispiel der Abgase von drei Biogasanlagen nach dem Verbrennungsprozess, die sich durch hohe Konzentrationen an Methan, NOx, CO, aber auch dem kanzerogenen Formaldehyd auszeichnen, wurde die technische und ökonomische Machbarkeit einer Vefahrenskombination aus chemischem Wäscher und thermophil betriebenen Biofilter zur erfolgreichen Behandlung dieser Abgase untersucht. Im Kontext von Vorversuchen zur Behandlung von Methan und Formaldehyd im thermophilen Temperaturbereich trat erwartungsgemäß eine sehr geringe Reinigungseffizienz des Biofilters auf. Hingegen konnte durch gezieltes Sauerstoffmanagement und optionale H2O2-Dosierung die Leistungsfähigkeit des Basenwäschers insbesondere gegenüber Formaldehyd auf über 95 % gesteigert werden. • Herausforderung Biopersistenz und allgemein fehlende Reinigungseffizienz: Die Anwendbarkeit biologischer Abluftreinigungsverfahren ist hingegen gänzlich bei hoch-persistenten Abluftkomponenten wie polyhalogenierten Kohlenwasserstoffen überschritten, die trotz Restriktionen des Kyoto-Protokolls aufgrund fehlender Substituierbarkeit immer noch in der Halbleiterindustrie, bei der Verhüttung von Aluminium oder seltenen Erden, Luft- und Raumfahrtindustrie oder Entsorgungswirtschaft freigesetzt werden. Dabei erweist sich insbesondere die Behandlung des chemisch hochstabilen CF4 als erhebliche Herausforderung. Das Scheitern etablierter Abluftreinigungsverfahren und somit die Notwendigkeit der Implementierung hoch-innovativer Verfahrenskonzepte konnte an diesem exemplarischen Abluftschadstoff eindrucksvoll gezeigt werden. Das hierfür zum Einsatz kommende strahlungsgekühlte Wasserdampfplasma wies nach ersten Optimierungsschritten eine Reinigungseffizienz von 99,6 % bei einem SIE-Wert von 2222 kWh·1000 m3 auf, während eine konventionelle thermische Nachbehandlung gemäß Referenzanlagen nur einen Wirkungsgrad von ca. 18 % erreichte

Biological Waste Air and Waste Gas Treatment: Overview, Challenges, Operational Efficiency, and Current Trends

International contracts to restrict emissions of climate-relevant gases, and thus global warming, also require a critical reconsideration of technologies for treating municipal, commercial, industrial, and agricultural waste gas emissions. A change from energy- and resource-intensive technologies, such as thermal post-combustion and adsorption, as well to low-emission technologies with high energy and resource efficiency, becomes mandatory. Biological processes already meet these requirements, but show restrictions in case of treatment of complex volatile organic compound (VOC) mixtures and space demand. Innovative approaches combining advanced oxidation and biofiltration processes seem to be a solution. In this review, biological processes, both as stand-alone technology and in combination with advanced oxidation processes, were critically evaluated in regard to technical, economical, and climate policy aspects, as well as present limitations and corresponding solutions to overcome these restrictions

Degradation of toluene by ortho cleavage enzymes in Burkholderia fungorum FLU100

Burkholderia fungorum FLU100 simultaneously oxidized any mixture of toluene, benzene and monohalogen benzenes to (3-substituted) catechols with a selectivity of nearly 100%. Further metabolism occurred via enzymes of ortho cleavage pathways with complete mineralization. During the transformation of 3-methylcatechol, 4-carboxymethyl-2-methylbut-2-en-4-olide (2-methyl-2-enelactone, 2-ML) accumulated transiently, being further mineralized only after a lag phase of 2 h in case of cells pre-grown on benzene or mono-halogen benzenes. No lag phase, however, occurred after growth on toluene. Cultures inhibited by chloramphenicol after growth on benzene or mono-halogen benzenes were unable to metabolize 2-ML supplied externally, even after prolonged incubation. A control culture grown with toluene did not show any lag phase and used 2-ML as a substrate. This means that 2-ML is an intermediate of toluene degradation and converted by specific enzymes. The conversion of 4-methylcatechol as a very minor by-product of toluene degradation in strain FLU100 resulted in the accumulation of 4-carboxymethyl-4-methylbut-2-en-4-olide (4-methyl-2-enelactone, 4-ML) as a dead-end product, excluding its nature as a possible intermediate. Thus, 3-methylcyclohexa-3,5-diene-1,2-diol, 3-methylcatechol, 2-methyl muconate and 2-ML were identified as central intermediates of productive ortho cleavage pathways for toluene metabolism in B. fungorum FLU100

Styrene and Bioaerosol Removal from Waste Air with a Combined Biotrickling Filter and DBD–Plasma System

A combined system of a biotrickling filter and a non-thermal plasma (NTP) in a downstream airflow was operated for 1220 days for treatment of emissions of styrene and secondary emissions of germs formed in the biological process. The biotrickling filter was operated at variable inlet concentrations, empty bed residence times (EBRT), type and dosage of fertilizers, irrigation densities, and starvation periods, while dielectric barrier discharge and corona discharge were operated at different specific input energy levels to achieve optimal conditions. Under these conditions, efficiencies in the removal of volatile organic compounds (VOCs), germs and styrene of 96–98%, 1–4 log units and 24.7–50.1 g C m−3 h−1 were achieved, respectively. Fluid simulations of the NTP and a germ emission-based clocking of the discharge reveal further energy saving potentials of more than 90%. The aim of an energy-efficient elimination of VOCs through a biotrickling filter and of secondary germ emissions by a NTP stage in a downstream airflow for potential re-use of purified waste gas as process gas for industrial application was successfully accomplished

Plant uptake, translocation and metabolism of PBDEs in plants of food and feed industry: A review

Polybrominated diphenyl ethers (PBDEs) have widely been used for decades as flame retardants in a variety of products like plastics for building insulation, upholstered furniture, electrical appliances, vehicles, aircrafts, polyurethane foams, textiles, cable insulation, appliance plugs and various technical plastics in concentrations of 5–30%. However, PBDEs also act as endocrine disrupters, neurotoxins, and negatively affect fertility. In 2001, worldwide consumption of technically relevant penta-BDEs was still estimated at 7500 tons, octa-BDEs at 3790 tons, and deca-BDE at 56,100 tons, but 50–60% of this total volume are discharged into the environment via sewage sludge and its agricultural use alone. In addition, soils are ubiquitously contaminated by the gaseous or particle-bound transport of PBDEs, which today has its main source in highly contaminated electronic waste recycling sites. The emitted PBDEs enter the food chain via uptake by the plants’ roots and shoots. However, uptake and intrinsic transport behaviour strongly depend on crop specifics and various soil parameters. The relevant exposure and transformation pathways, transport-relevant soil and plant characteristics and both root concentration factors (RCF) and transfer factors (TF) as derivable parameters are addressed and quantified in this review. Finally, a simple predictive model for quantification of RCF and TF based on log KOW values and the organic content of the soil/lipid content of the plants is also presented