Mikrobiell induzierte Betonkorrosion (MICC - microbial induced concrete corrosion) gilt als wichtigster Degradationsprozess in der Kanalisation mit enormen Schadenspotenzial, welcher die Lebensdauer von Abwassersystemen auf Basis zementhaltiger Betone erheblich reduziert (Grengg et al. 2018a; Wu et al. 2020). MICC beruht auf einer komplexen Abfolge von biologischen und chemischen Reaktionen. Zunächst reduzieren anaerobe Sulfat-reduzierende Bakterien (z.B. Desulfovibrio spp. und Desulfomaculum spp.), welche in der Sedimentschicht im Abwasser vorkommen, Sulfate und schwefelhaltige organische Verbindungen zu Schwefelwasserstoff (H₂S). Daraus folgend bildet sich gasförmiges H₂S, welches in die Atmosphäre der Kanalisation freigesetzt wird und sich in feuchten Poren der Betonoberfläche anreichert. Durch abiotische Säure-Base-Reaktionen wird der ursprünglich stark alkalische pH-Wert (um pH 13) des Betons gesenkt, was zur Biofilmbildung von neutrophilen schwefeloxidierenden Bakterien (NSOB), wie z.B. Thiobacillus thioparus, Halothiobacillus neapolitanus oder Thiomonas intermedia, sowie acidophilen schwefeloxidierenden Bakterien (ASOB), wie z.B. Acidithiobacillus thiooxidans, Acidithiobacillus ferrooxidans oder Acidiphilium acidophilum, auf der Betonoberfläche führt. Die SOB oxidieren reduzierte Schwefelspezies, wodurch schließlich Schwefelsäure gebildet wird. Diese greift die Betonmatrix an und führt zur Korrosion des Materials, wobei die Ansiedelung der ASOB als Hauptursache angesehen wird (Grengg et al. 2015; Grengg et al. 2018b; Islander et al. 1991; Buvignier et al. 2019).

Da die meisten Kanalisationssysteme aus Beton bestehen, ist die Gewährleistung der Haltbarkeit und Langlebigkeit für Behörden und Ingenieure von großer Bedeutung. Dabei spielt die Entwicklung von nachhaltigeren und möglichst resistenten Baustoffzusammensetzungen als Gegenmaßnahme zur Verringerung der Ansiedlung von SOB eine wesentliche Rolle.

Verschiedene Studien konnten bereits eine hemmende Wirkung durch Kupfer-Oxid-Nanopartikel (CuO-NP) auf das bakterielle Wachstum von Modellorganismen, wie z.B. E. Coli oder S. aureus, zeigen (Applerot et al. 2012; Sikora et al. 2018; Delgado et al. 2011; Pandiyarajan et al. 2013; Azam et al. 2012). Aufgrund der antibakteriellen Wirkung werden CuO-NP beispielsweise auch in Wundverbänden oder Kosmetikprodukten eingesetzt (Borkow et al. 2010a; Borkow et al. 2010b). Des Weiteren untersuchten Haile et al. (2010) die bakterizide Wirkung einer Nano-Kupferoxid Beschichtung in Betonkanalrohren und zeigten eine Hemmung des SOB Acidithiobacillus thiooxidans (Haile et al. 2010). Nanopartikel können vielseitig eingesetzt werden und es wurde vorgeschlagen diese als antibakterielle Zementzusatzstoffe für die Herstellung zementbasierter Baumaterialien einzusetzen (Sikora et al. 2018). Werden CuO-NP beispielsweise als Zementzusatzstoff für deren Einsatz in Kanalisationssystemen eingesetzt, könnten diese potentiell das Wachstum der SOB hemmen und folglich zu einer Verringerung der Korrosion führen.

Im Rahmen dieser Bachelorarbeit soll die toxische Wirkung von CuO-NP auf SOB-Modellorganismen, hinsichtlich deren Einsatz als Zementzusatzstoff, untersucht werden. Dabei kommen mikrobiologische Methoden wie Kultivierung in Batchversuchen, Zellzahlbestimmung, Mikroskopie zum Einsatz.

Wünschenswert sind Kenntnisse und Interesse für mikrobiologische Arbeiten.

Betreuung:   

Dr. Burga Braun, FG Umweltmikrobiologie

Romy Birnstengel, FG Baustoffe und Bauchemie

https://www.baustoffe.tu-berlin.de/menue/forschung/forschungsprojekte/

https://www.uwi.tu-berlin.de/menue/urban_water_interfaces/

Literaturverzeichnis

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Azam, Ameer; Ahmed, Arham S.; Oves, M.; Khan, M. S.; Memic, Adnan (2012): Size-dependent antimicrobial properties of CuO nanoparticles against Gram-positive and -negative bacterial strains. In: International journal of nanomedicine 7, S. 3527–3535. DOI: 10.2147/IJN.S29020.

Borkow, Gadi; Gabbay, Jeffrey; Dardik, Rima; Eidelman, Arthur I.; Lavie, Yossi; Grunfeld, Yona et al. (2010a): Molecular mechanisms of enhanced wound healing by copper oxide-impregnated dressings. In: Wound repair and regeneration : official publication of the Wound Healing Society [and] the European Tissue Repair Society 18 (2), S. 266–275. DOI: 10.1111/j.1524-475X.2010.00573.x.

Borkow, Gadi; Zhou, Steve S.; Page, Tom; Gabbay, Jeffrey (2010b): A novel anti-influenza copper oxide containing respiratory face mask. In: PloS one 5 (6), e11295. DOI: 10.1371/journal.pone.0011295.

Buvignier, Amaury; Patapy, Cédric; Lavigne, Matthieu Peyre; Paul, Etienne; Bertron, Alexandra (2019): Resistance to biodeterioration of aluminium-rich binders in sewer network environment: Study of the possible bacteriostatic effect and role of phase reactivity. In: Cement and Concrete Research 123, S. 105785. DOI: 10.1016/j.cemconres.2019.105785.

Delgado, K.; Quijada, R.; Palma, R.; Palza, H. (2011): Polypropylene with embedded copper metal or copper oxide nanoparticles as a novel plastic antimicrobial agent. In: Letters in applied microbiology 53 (1), S. 50–54. DOI: 10.1111/j.1472-765X.2011.03069.x.

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Grengg, Cyrill; Mittermayr, Florian; Ukrainczyk, Neven; Koraimann, Günther; Kienesberger, Sabine; Dietzel, Martin (2018b): Advances in concrete materials for sewer systems affected by microbial induced concrete corrosion: A review. In: Water research 134, S. 341–352. DOI: 10.1016/j.watres.2018.01.043.

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Pandiyarajan, T.; Udayabhaskar, R.; Vignesh, S.; James, R. Arthur; Karthikeyan, B. (2013): Synthesis and concentration dependent antibacterial activities of CuO nanoflakes. In: Materials science & engineering. C, Materials for biological applications 33 (4), S. 2020–2024. DOI: 10.1016/j.msec.2013.01.021.

Sikora, Pawel; Augustyniak, Adrian; Cendrowski, Krzysztof; Nawrotek, Paweł; Mijowska, Ewa (2018): Antimicrobial Activity of Al₂O₃, CuO, Fe₃O₄, and ZnO Nanoparticles in Scope of Their Further Application in Cement-Based Building Materials. In: Nanomaterials (Basel, Switzerland) 8 (4). DOI: 10.3390/nano8040212.

Wu, Min; Wang, Tian; Wu, Kai; Kan, Lili (2020): Microbiologically induced corrosion of concrete in sewer structures: A review of the mechanisms and phenomena. In: Construction and building materials 239, S. 117813. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.117813.