Investigations on inhibitory effects of nickel and cobalt salts on the decolorization of textile dyes by the white rot fungus Phanerochaete velutina

Organic aromatic compounds used for dyeing and coloring in the textile industry are persistent and hazardous pollutants that must be treated before they are discharged into rivers and surface waters. Therefore, we investigated the potential of the white rot fungus Phanerochaete velutina to decolorize commonly used reactive dyes. The fungus decolorized in average 55% of Reactive Orange 16 (RO-16) after 14 days at a maximum rate of 0.09 d-1 and a half-life of 8 days. Furthermore, we determined the inhibitory effects of co-present inorganic contaminants Nickel (Ni) and Cobalt (Co) salts on the decolorization potential and determined IC50 values of 5.55 mg l- 1 for Co and a weaker inhibition by Ni starting from a concentration of 20 mg l- 1. In the decolorization assay for Remazol Brilliant Blue R (RBBR) we observed the interference of a metabolite of P. velutina, which did not allow us to investigate the kinetics of the reaction. The formation of the metabolite, however, could be used to obtain IC50 values of 3.37 mg l- 1 for Co and 7.58 mg l- 1 for Ni. Our results show that living white rot fungi, such as P. velutina, can be used for remediation of dye polluted wastewater, alternatively to enzyme mixtures, even in the co-presence of heavy metals.Peer reviewe

Strategies and nanotechnology tools for identification and characterization of molecular interactions in complex matrices : analysis of the fate and transport of engineered nanomaterials in selected waste streams

Seit Beginn der Ära der Nanotechnologie, wurden viele verschiedene Klassen an synthetischen Nanomaterialien (bzw. Engineered Nanomaterials, kurz ENMs) entwickelt, um High-Tech-Produkte mit neuartigen Funktionen entwickeln zu können (z.B. antistatische, wasserabweisende oder antibakterielle Oberflächen). Während des gesamten Lebenszyklus von Nanoprodukten können sich ENMs aus der Produktmatrix lösen und ihre Freisetzung könnte somit zu negativen Umweltauswirkungen führen. Derzeit ist über die Freisetzung von ENMs und deren Umweltverbleib nur wenig bekannt - insbesondere in der End-of-Life-Phase. Aus diesem Grund hatte die vorliegende Dissertation zum Ziel, den potenziellen Transport und Verbleib von ENMs in Abfallströmen näher zu untersuchen. Die Ergebnisse einer durchgeführten Materialflussanalyse haben gezeigt, dass die größten ENM-Mengen in Deponien angereichert werden. Die Aussagekraft solcher Modelle ist dennoch sehr eingeschränkt, da es derzeit an experimentellen Ansätzen zur Bestimmung von ENM-spezifischen Freisetzungs- und Transferraten mangelt. Sobald ENMs in die Umwelt freigesetzt werden, ist es hinsichtlich der Risikobewertung und Toxizität von ENMs entscheidend, potentielle Transformationsprozesse, welche mit hoher Wahrscheinlichkeit auftreten, mit zu berücksichtigen. Die vorliegende Studie hatte auch zum Ziel, den aktuellen Wissensstand über analytische Methoden zusammenzufassen, die eine Charakterisierung und ein Monitoring von ENMs in komplexen Umweltproben, wie Abfallströmen, ermöglichen. Zusammengefasst müssen die derzeit verfügbaren Analyseverfahren erst optimiert und für Nanoabfälle adaptiert werden, um zukünftige ENM-Emissionen im Sinne des Vorsorgeprinzips über-wachen zu können. Im Allgemeinen stellen die dafür nötigen physikalisch-chemischen Analysen eine große Herausforderung dar, da ENMs mit hoher Wahrscheinlichkeit in sehr niedrigen Umweltkonzentrationen vorkommen. Zugleich ist es sehr schwierig, ENMs von natürlich vorkommenden Nanopartikeln oder von ihren gelösten, ionischen Pendants differenzieren zu können. Dieser Umstand führte uns zu der Hypothese, dass sogenannte Quantenpunkte mit spektroskopischen Fingerabdrücken als nanoskalige Tracer verwendet werden können, um das Umweltverhalten von ähnlichen ENMs nachzuahmen und zu erforschen. Hierfür wurden eine Tracingmethode sowie dafür geeignete Protokolle zur Quantenpunktsynthese entwickelt. Dieses neuartige Tracingkonzept wurde am Beispiel von fünf verschiedenen Deponiesickerwässern, welche relevante Umweltproben repräsentieren, auf ihre Tauglichkeit getestet. Die Quantenpunkte unterlagen hierbei Transformationsprozessen, aber blieben dennoch - in Abhängigkeit des Gehalts an natürlichen, organischen Materialien sowie der Lagerungstemperatur - für mindestens sechs Monate kolloidal stabil. Somit wiesen diese fluoreszierenden ENMs unter den vorherrschenden Umweltbedingungen eine hohe Mobilität auf.Since the era of nanotechnologies was ushered, many different types of engineered nanomaterials (ENMs) have been developed aiming at the design of advanced products that provide novel functions (e.g. antistatic, water-repellant or antibacterial surfaces). During the entire life cycle of such nanoproducts ENMs may release from the product's matrix and may lead to environmental adverse effects. In general, there is a lack of information about ENM release and its ultimate fate in the environment - in particular during end-of-life stages. On this account, this dissertation aimed at studying the potential fate and transport of ENMs in waste streams. The results of a conducted material flow analysis showed that the majority of ENMs are estimated to end up in landfills. However, the validation of such models is currently limited, as more experimental studies on ENM-specific release and transfer rates are needed. Regarding risk assessment and toxicity of ENMs, it is additionally crucial to consider potential transformation processes which are very likely to occur when ENMs are released to the environment. This study also aimed at summarizing the current state of knowledge about analytical methods enabling the characterization and monitoring of ENMs in complex environmental samples, such as waste streams. It also turned out that currently available techniques need to be optimized and adapted to nanowastes in order to monitor, in terms of the precautionary principle, future ENM emissions. In general, physico-chemical analyses are very challenging, as ENMs are predicted to occur at very low concentrations in the environment, while the discrimination of ENMs from naturally-occurring nanoparticles or from their dissolved, ionic counterparts is very difficult. This led us to hypothesize that quantum dots with spectroscopic fingerprints can be used as nanotracers to mimic and investigate the environmental behavior of similar ENMs. A novel tracing method as well as suitable protocols for quantum dot synthesis were developed that enabled distinctive monitoring. A proof of concept was shown on the example of five different landfill leachates that represent relevant environmental samples. The quantum dots underwent hereby trans-formation processes but retained - depending on natural organic matter content and storage temperature - for at least six months colloidally stable. Consequently, such fluorescence ENMs showed under prevailing environmental conditions a high mobility.by Dipl.-Ing. Florian PartAbweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersZusammenfassung in deutscher SpracheUniversität für Bodenkultur Wien, Dissertation, 2016OeBB(VLID)193015

"Nano-Abfall": Produkte mit Nanomaterialien am Ende ihres Lebenszyklus (NanoTrust-Dossier Nr. 040 – August 2014)

ACHTUNG -- In der Erst-Version, online vom 8. bis 18. September 2014, wurde auf S. 3 Abs. 1 ein Zahlensturz festgestellt. Dies wurde mittlerweile korrigiert [Stand 02.10.2014].Aufgrund ihrer speziellen chemischen und physikalischen Eigenschaften werden synthetisch hergestellte Nanomaterialien bereits in einer Vielzahl verschiedener Produkte und Anwendungen eingesetzt. Am Ende des Produktlebenszyklus können Nanomaterialien über die Abfallströme in Abfallbehandlungsanlagen und Deponien gelangen, aber es ist nur sehr wenig darüber bekannt, wie sich Nanomaterialien in der Entsorgungsphase verhalten und ob Umwelt- oder Gesundheitsrisiken bestehen. Spezielle gesetzliche Vorgaben für eine gesonderte Behandlung Nanomaterial-haltiger Abfälle bestehen nicht. Informationen über eingesetzte Nanomaterialien, deren Form und Zusammensetzung sowie über Mengen und Konzentrationen liegen kaum vor. Derzeit wird davon ausgegangen, dass stabile Nanopartikel (z. B. Metalloxide) in einer Müllverbrennungsanlage (MVA) weder chemisch noch physikalisch verändert werden und sich diese v. a. in den Rückst.nden (z. B. Schlacke) ansammeln, die schlussendlich deponiert werden. Das Entsorgungsproblem wird bei stabilen Nanopartikeln also auf nachfolgende Schritte in der Behandlung von Abfällen verlagert. Carbon Nanotubes (CNT) werden in MVA fast vollständig verbrannt. Filteranlagen erweisen sich nur teilweise als effizient und es kann nicht ausgeschlossen werden, dass Nanopartikel in die Umwelt freigesetzt werden. Die Verbrennung von Nanomaterialien in Produkten kann auch dazu führen, dass vermehrt organische Schadstoffe als unerwünschte Nebenprodukte entstehen. Zum Verhalten von Nanomaterialien in Deponien liegen nur wenige Untersuchungen vor. Beim Recycling von Produkten mit Nanomaterialien ist eine Freisetzung ebenfalls nicht ausgeschlossen bzw. durch Zerkleinerungsprozesse wahrscheinlich

"Nanowaste" – Nanomaterial-containing products at the end of their life cycle (NanoTrust Dossier No. 040en – August 2014)

Based on their special chemical and physical properties, synthetically produced nanomaterials are currently being used in a wide range of products and applications. At the end of their product life cycle, nanomaterials can enter waste treat ment plants and landfills via diverse waste streams. Little, however, is known about how nanomaterials behave in the disposal phase and whether potential environmental or health risks arise. There are no specific legal requirements for a separate treatment of nanomaterial-containing wastes. Virtually no information is available about the nanomaterials currently in use, their form and composition, or about their amounts and concentrations. The current assumption is that stable nanoparticles (e.g. metal oxides) are neither chemically nor physically altered in waste incineration plants and that they accumulate especially in the residues (e.g. slag). These residues are ultimately dumped. The disposal problem in the case of stable nanoparticles is therefore merely shifted to the subsequent steps in the waste treatment process. Carbon nanotubes (CNT) are almost completely combusted in incineration plants. Filter systems seem to be only partially efficient, and a release of nanoparticles into the environment cannot be excluded. Incinerating nanomaterials contained in products can also promote the development of organic pollutants as undesired by-products. Only few studies are available on the behavior of nanomaterials in landfills. Moreover, recycling such products could release nanomaterials, most likely when these are shredded and crushed

Evaluation of Marker Materials and Spectroscopic Methods for Tracer-Based Sorting of Plastic Wastes

Plastics are a ubiquitous material with good mechanical, chemical and thermal properties, and are used in all industrial sectors. Large quantities, widespread use, and insufficient management of plastic wastes lead to low recycling rates. The key challenge in recycling plastic waste is achieving a higher degree of homogeneity between the different polymer material streams. Modern waste sorting plants use automated sensor-based sorting systems capable to sort out commodity plastics, while many engineering plastics, such as polyoxymethylene (POM), will end up in mixed waste streams and are therefore not recycled. A novel approach to increasing recycling rates is tracer-based sorting (TBS), which uses a traceable plastic additive or marker that enables or enhances polymer type identification based on the tracer’s unique fingerprint (e.g., fluorescence). With future TBS applications in mind, we have summarized the literature and assessed TBS techniques and spectroscopic detection methods. Furthermore, a comprehensive list of potential tracer substances suitable for thermoplastics was derived from the literature. We also derived a set of criteria to select the most promising tracer candidates (3 out of 80) based on their material properties, toxicity profiles, and detectability that could be applied to enable the circularity of, for example, POM or other thermoplastics

Umweltrelevante Aspekte von Nanomaterialien am Ende der Nutzungsphase – Teil II: Abfallverwertung und -entsorgung (NanoTrust-Dossier Nr. 044 – April 2015)

Künstlich hergestellte Nanomaterialien (ENM) können potenziell während aller Abfallbehandlungsprozesse freigesetzt werden sowie in Reststoffen, Altstoffen, Sekundärrohstoffen oder Komposten akkumulieren. Zum Verbleib und Verhalten von ENM während der Abfallverwertung und -entsorgung liegen jedoch erst wenige Untersuchungen vor. In Österreich werden mehr als die Hälfte des in Haushalten anfallenden Abfalls getrennt gesammelt und als Altstoff, biogene Abfälle sowie Problemstoffe und Elektroaltgeräte weiterbehandelt. Der Rest wird entweder in Müllverbrennungsanlagen (MVA) oder in mechanisch-biologischen Abfallbehandlungsanlagen (MBA) behandelt. Erste Untersuchungen in MVAs zeigen, dass sich thermisch stabile ENM (Metalloxide) überwiegend in den festen Rückständen (Schlacke, Flugasche) anreichern. In Österreich werden diese überwiegend in Reststoffdeponien abgelagert. ENM können auch während des Recyclings von Produkten wieder freigesetzt werden (etwa Quantum Dots aus LEDs von Elektroaltgeräten oder CNTs aus Verbundmaterialien). Nanosilber scheint sich beim Recycling negativ auf die mechanischen Eigenschaften von Kunststoffen auszuwirken. ENM können direkt als Produktionsabfälle oder als Bestandteil von „Nano-Produkten“ bzw. als Sekundärabfälle, wie ENM-haltige Klärschlamme oder Verbrennungsrückst.nde, deponiert werden. Es wird geschätzt, dass weltweit zwischen 60 bis 86 % der am häufigsten eingesetzten ENM in Deponien landen. Da die Einsatzgebiete von ENM sehr mannigfaltig sind und deren Schicksal in der Umwelt im Einzelfall sehr unterschiedlich sein kann, können noch keine verallgemeinerten Aussagen getroffen werden

Environmentally relevant aspects of nanomaterials at the end-of-life phase – Part II: Waste recycling and disposal (NanoTrust dossier No. 044en – April 2015)

Engineered nanomaterials (ENMs) can potentially be released during all waste treatment processes and can accumulate in residual materials, scrap materials, secondary raw materials or composts. Nonetheless, only few studies are available on the fate and behavior of ENMs during recycling and disposal. In Austria more than half of the waste produced by households is collected separately and undergoes further treatment as recoverables, biogenic waste, hazardous household waste or as waste electrical and electronic equipment. The remainder is processed either in waste incineration facilities or in mechanical-biological waste treatment facilities. Initial studies in waste incineration facilities show that thermally stable ENMs (metal oxides) accumulate mostly in the solid residues (slag, flue dust). In Austria, these are largely disposed of in residual-waste landfills. ENMs can also be released again during the recycling of products (for example quantum dots from LEDs of waste electrical and electronic equipment or CNTs made of composite materials). During recycling, nanosilver apparently negatively affects the mechanical properties of plastics. ENMs can be disposed of directly as production wastes, as components of “nanoproducts” or as secondary wastes such as ENM-containing sewage sludge or combustion residues. Worldwide, an estimated 60 to 86 % of the most commonly used ENMs end up in landfills. Currently, no generalized statements can be made because ENMs are applied in very diverse sectors and their fates in the environment can differ considerably

Environmentally relevant aspects of nanomaterials at the end of the use phase – Part I: Wastewater and sewage sludge (NanoTrust dossier No. 043en – February 2015)

Synthetically produced nanomaterials (Engineered Nanomaterials – ENMs) can potentially be released along the entire lifecycle of a product. The use of products with suspended ENMs, such as sunscreen lotions, almost certainly leads to an immediate environmental input. In contrast, ENMs that are solidly integrated in a product matrix can only be released by mechanical and/or chemical processes. ENMs can enter the environment either directly or indirectly (e.g. during the disposal phase), where both their properties and environmental conditions can determine their aggregation behavior. Weathering experiments with facade paints show that only a very small proportion of the contained titanium dioxide nanoparticles (TiO2-NPs) are released. In paints with silver nanoparticles (Ag-NPs), however, up to 30% of the particles can leach out over time. In the case of textiles treated with Ag-NPs, up to 10% of the silver contents can be washed out and enter the wastewater. Tests show that Ag-NPs can be transported over long distances in sewers without deposition. These are partly transformed into water-insoluble silver sulfide. Up to 85% of the TiO2-NPs and up to 99% of the Ag-NPs are removed via sewage sludge during waste water treatment, whereby Ag-NPs and other silver forms are transformed into water-insoluble silver chloride and -sulfide. Once ENMs enter surface waters, a differentiation between natural and engineered nanoparticles becomes complicated. Studies on TiO2-NPs, which can enter swimming waters via sunscreen lotions, show that these aggregate quickly and can subsequently be measured in the sediment

Prospective Dynamic and Probabilistic Material Flow Analysis of Graphene-Based Materials in Europe from 2004 to 2030

As industrial demand for graphene-based materials (GBMs) grows, more attention falls on potential environmental risks. The present article describes a first assessment of the environmental releases of GBMs using dynamic probabilistic material flow analysis. The model considered all current or expected uses of GBMs from 2004 to 2030, during which time there have already been significant changes in how the graphene mass produced is distributed to different product categories. Although the volume of GBM production is expected to grow exponentially in the coming years, outflow from the consumption of products containing GBMs shows only a slightly positive trend due to their long lifetimes and the large in-use stock of some applications (e.g., GBM composites used in wind turbine blades). From consumption and end-of-life phase GBM mass flows in 2030, estimates suggest that more than 50% will be incinerated and oxidized in waste plants, 16% will be landfilled, 12% will be exported out of Europe, and 1.4% of the annual production will flow to the environment. Predicted release concentrations for 2030 are 1.4 ng/L in surface water and 20 μg/kg in sludge-treated soil. This study’s results could be used for prospective environmental risk assessments and as input for environmental fate models

Umweltrelevante Aspekte von Nanomaterialien am Ende der Nutzungsphase – Teil I: Abwässer und Klärschlamm (NanoTrust-Dossier Nr. 043 – Februar 2015)

Synthetisch hergestellte Nanomaterialien (Engineered Nanomaterials – ENM) können potentiell entlang des gesamten Lebenszyklus eines Produktes freigesetzt werden. Die Nutzung von Produkten mit suspendierten ENM, wie Sonnenschutzmittel, führt mit hoher Wahrscheinlichkeit zu einem unmittelbaren Umwelteintrag. Hingegen können fest in eine Produktmatrix integrierte ENM erst durch mechanische und/oder chemische Einwirkungen freigesetzt werden. ENM können entweder direkt oder indirekt (z. B. während der Entsorgungsphase) in die Umwelt gelangen, wo sowohl ihre Eigenschaften als auch die Umweltbedingungen ihr Aggregationsverhalten bestimmen. Witterungsexperimente mit Fassadenfarben zeigen, dass nur ein sehr geringer Anteil der enthaltenen Titandioxidnanopartikel (TiO2-NP) freigesetzt wird. Bei Farben mit Silbernanopartikeln (Ag-NP) können allerdings mit der Zeit bis zu 30 % der Partikel ausgewaschen werden. Auch aus mit Ag-NP behandelten Textilien werden bis zu 10 % des enthaltenen Silbers ausgewaschen und gelangen ins Abwasser. Bis zu 85 % der TiO2-NP und bis zu 99 % der Ag-NP werden bei der Abwasserreinigung über den Klärschlamm entfernt, wobei Ag-NP und andere Silberformen zu unlöslichem Silberchlorid und -sulfid umgewandelt werden. Gelangen ENM in Oberflächengewässer ist eine Unterscheidung zwischen natürlichenund künstlichen Nanopartikeln aufwändig. Untersuchungen mit TiO2-NP, die etwa aus Sonnenschutzmitteln in Badegewässer gelangen können, zeigen, dass diese rasch aggregieren und folglich im Sediment nachweisbar sind