Fachgebiet Wasserreinhaltung
Studium und Lehre
Abschlussarbeiten
Masters Thesis: Modeling phototroph – heterotroph cross feeding
Phytoplankton release dissolved organic matter (DOM), a process traditionally viewed as unintentional and a disadvantage (i.e. loss of biomass). Recent observations suggest that phytoplankton purposefully produce/release DOM to support bacteria growing around them. Further, different phytoplankton species produce different DOM compounds that may attract specific bacteria that can perform a beneficial function (e.g. fix nitrogen). This mechanism is a missing link in our understanding of phytoplankton ecology and models, and limits our ability to manage harmful cyanobacteria blooms.
The purpose of this thesis project is to develop a mathematical model of the cross-feeding process. An existing AQUASIM model of Lake Zürich will be modified/extended to include the production of different DOM species, and a number of heterotrophic bacteria that specialize on these compounds. Model results will be compared to observed time series of phytoplankton species, DOM characteristics and heterotrophic species.
Contact Ferdi Helleger: ferdi.hellweger(at)tu-berlin.de, KF 306
Bachelor-/Masterarbeit: Consequences of taxonomic resolution of bacterial gen-sequences on phytoplankton-bacteria interactions
The English Channel is one of only a few places worldwide where extensive long-term data of different parameters exist (e.g. nutrients, phytoplankton, zooplankton, bacteria). Within a cooperation with the Plymouth Marine Laboratory, the group of Prof. Ferdi Hellweger aims to unravel fundamental questions of phytoplankton/bacteria interactions in the English Channel (which phytoplankton interacts with which bacterium and why?) by application of the mechanistic model FluxNet. The Bachelor student will analyze distributions and abundances of bacterial gen-sequences on an existing data set from the English Channel. The sequence data are given as exact sequence variants (ESVs), which is a taxonomic resolution higher than species. By merging or separation of similar ESVs, the student will target the following questions with FluxNet:
- Do sub-populations of bacterial species exist in the English Channel?
- Can these sub-populations be assigned to eco-types?
- Does the resolution up to ESVs (exact sequence variants) add valuable information to the model output?
The student should be familiar with Excel, other necessary skills will be taught during the project. If you are interested in this topic please contact Falk Eigemann: eigemann(at)tu-berlin.de.
The student is very welcome to add own ideas or suggestions to the project.
Bachelor-/Masterarbeit: Literaturstudie und quantitative Analyse zum Fressverhalten diverser Zooplankton
Zooplankton spielt eine wesentliche Rolle im aquatischen Nahrungsnetz. Sie ernähren sich hauptsächlich von Phytoplankton, aber auch andere Organismen, einschließlich Zooplankton, können Teil ihrer Beute sein. Zahlreiche veröffentlichte Studien geben Einblicke in das Fressverhalten des einzelnen Zooplanktons. Wie und was Zooplankton frisst, hängt von der verfügbaren Nahrungsquelle, dem trophischen Zustand und den physikalischen Gegebenheiten des Gewässers ab. Von besonderem Interesse ist die Zooplankton-Cyanobakterien-Interaktion, da einige Cyanobakterien Toxine freisetzen oder die Nahrungsaufnahme physisch blockieren, was das Fressverhalten von Zooplankton stark beeinträchtigen kann.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, veröffentlichte Ergebnisse zusammenzufassen und ein Referenzhandbuch für laufende und zukünftige Studien zu erstellen. Als Masterarbeit kann diese Arbeit durch eine quantitative Analyse unterstützt werden, um unterschiedliche Muster in der Phytoplankton-Zooplankton- und Zooplankton-Zooplankton-Interaktion zu identifizieren.
Kontakt Marvin Mayerhofer: m.mayerhofer(at)tu-berlin.de
Bachelor-/Masterarbeit: Haben stärker verwandte Mikroorganismen eine ähnlichere Fitness? Wie stark ist der Zusammenhang zwischen phylogenetischer Distanz und ökologischer Fitness in verschiedenen Bakterienfamilien?
Mikroorganismen werden heutzutage typischerweise durch Sequenzierung von Markergenen, wie z.B. der 16S rRNA, identifiziert, die dann mit Datenbanken abgeglichen werden, um die Sequenz einer Spezies zuzuordnen.
Manche Sequenzen, die phylogenetisch stärker verwandter Spezies, sind sich sehr ähnlich und unterscheiden sich nur durch wenige Nucleotide. Vergleicht man hingegen nur schwach Verwandte Spezies, sind die Unterschiede der Sequenzen größer. Maß hierfür ist die sogenannte „Average Nucleotide Distance“, kurz AND.
Lassen sich aus dieser AND, also der phylogenetischen Distanz, Schlussfolgerungen ziehen wie ähnlich sich die Spezies in einem Ökosystem Verhalten? Ob sie gleichzeitig vorkommen?
Aktuelle Ergebnisse deuten darauf hin, dass ein Zusammenhang besteht, der augenscheinlich in einigen Familien größer ist, als in anderen.
Ob dem tatsächlich so ist soll anhand hochauflösender Zeitreihendaten analysiert werden. Ein solches Datenset steht bereits zur Verfügung, weitere können/sollen im Rahmen der Arbeit (je nach Umfang, Bachelor- oder Masterarbeit) recherchiert werden.
Bei Interesse meldet euch gerne per E-Mail bei Jutta Hoffmann: jutta.hoffmann(at)tu-berlin.de
Bachelorarbeit: 3D-Visualisierung eines mikroskaligen mikrobiellen Ökologiemodells
In Oberflächengewässern interagieren Phytoplankton und Bakterien über gelösten organischen Kohlenstoff (DOC). Genauer gesagt führt das Phytoplankton Photosynthese durch und fixiert C. Ein Teil dieses C wird durch Exsudation und Lyse an die extrazelluläre Umgebung abgegeben. Die resultierende Substratkonzentration weist hohe räumliche und zeitliche Gradienten und Heterogenität auf. Bakterien mit unterschiedlichen Lebensstilen, darunter solche, die Chemotaxis durchführen, und solche, die dies nicht tun, konkurrieren um dieses Substrat. Ein neues agentenbasiertes Modell (ABM), das an der TU Berlin entwickelt wurde, simuliert diese Wechselwirkungen im mikroskopischen Maßstab. Visualisierung, einschließlich 3D-Filme, sind wichtig, um das Modell zu verstehen und über die Ökologie zu lernen. Dieses BS-Thesis-Projekt beinhaltet die Erforschung verschiedener Visualisierungstools, einschließlich VAPOR (https://www.vapor.ucar.edu/), für die Ausgabe dieses Modells.
Kontakt Marvin Mayerhofer: m.mayerhofer(at)tu-berlin.de
Master Thesis: Magnetic iron oxide nanoparticles (MNP) as surrogate for nanoscale contaminants in drinking water treatment systems
Many substances in water are in the nanometer to micrometer range, such as humic substances, viruses
or bacteria. Because of their relatively small size, there are risks of incomplete retention in physical
barriers, such as rapid sand filters and membranes. Analytical methods for nanoscale contaminants vary
from case to case and often require extensive lab work and time. In addition, there is still a lack of a
holistic description between the size of nanoscale contaminants and the effectiveness of physical
removal. Are there fast methods to characterize the fate of nanoscale contaminants? Can we manipulate
test particles to mimic the behavior and retention of complex particles? Magnetic iron oxide magnetic
nanoparticles (MNP) might be a valuable option due to their very fast and pragmatic detection.
Magnetic iron oxide nanoparticles (MNP) typically consist of magnetite (Fe3O4) or maghemite (γ-Fe2O3)
cores with sizes ranging from 1 to 100 nm [1]. They have many important properties, such as modifiable
surfaces, biocompatibility and high magnetic susceptibility [2], which contribute to their wide
applications in biotechnology such as biosensing, diagnostic imaging, gene therapy, cell labeling,
transplant monitoring, etc. [3]. Many researches have proved efficient synthesis routes of sizecontrolled MNP with narrow size distributions [4], and different MNP systems and specific physical
properties are commercially available. MNP can be quickly quantified by deploying photometry and
magnetic techniques such as magnetic particle spectroscopy [5] and magnetorelaxometry [6]. These
characteristics provide a basis for applying MNP in water treatment research.
In this master thesis, potentials of MNP-based test procedures in the water treatment field shall be
explored. Your tasks could include:
Characterizing the physical properties of magnetic iron oxide nanoparticles of different sizes
Analyzing the fate of magnetic iron oxide nanoparticles in column systems for drinking water treatment
Tracing the fate of magnetic iron oxide nanoparticles in membrane filtration
Comparing the fate of MNP with nanoscale contaminants such as bacteria and plasmids in column and membrane filtration systems
The laboratory work will be carried out in different research institutions in Berlin, including
Umweltbundesamt (UBA), TU Berlin and Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB).
If you are interested, please contact Ms. Lizhi Zhao: lizhi.zhao(at)uba.de
Section of Drinking Water Treatment, Umweltbundesamt (UBA)
Chair of Water Treatment, Technische Universität Berlin (KF 4)
Telephone: 030-8903-3121
Bachelor Thesis: Relationships between nutrients, cyanobacteria biomass and toxins in field data
Cyanotoxins are a global threat to drinking water and recreation. Cyanotoxins are produced by cyanobacteria, which in turn depend on the availability of nutrients (mostly phosphorus, P). This supports the existing management approach to reduce P to control cyanotoxins, i.e. lowering P will lower cyanobacteria biomass which will lower toxins. However, recent work from our research group suggests that the relationship between nutrients and toxins is more complex. Specifically, our model (https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.abm6791) suggests that lowering P will reduce biomass, but also increase light and nitrogen (N). These factors increase the toxicity of the population, which counteracts the reduction in biomass and increases the toxin concentration.
The purpose of this thesis research is to explore if this pattern is also supported in field observations, specifically the data from the US National Lakes Assessment (https://www.epa.gov/national-aquatic-resource-surveys/nla). Data will be downloaded and analyzed in MS Excel or R, to explore relationships between P, N, total phytoplankton biomass, cyanobacteria biomass, turbidity (affects light) and cyanotoxins. The analysis needs to consider different sampling designs for different survey years (i.e. different parameters were measured in different years) and methods (e.g. ELISA vs. LC-MS for toxins). Historical observation from previous field studies can be used to validate the results.
map from Loftin et al., 2016, http://dx.doi.org/10.1016/j.hal.2016.04.001
Contact:
Charlotte Schampera
schampera(at)tu-berlin.de
Wasserreinhaltung/Water Quality Engineering
Sekr. KF 4
Straße des 17 Juni 135
10623 Berlin
Validierung der Echopeak-Injektion für den quantitativen Nachweis von ausgewählten Spurenstoffen mit LC-ESI-MS/MS
Die Quantifizierung von organischen Verbindungen in wässrigen Umweltproben erfolgt in der Regel durch die Flüssigkeitschromatographie gekoppelt mit einem Quadrupol-Massenspektrometer (LC-MS/MS). Durch die LC werden die Wasserinhaltsstoffe aufgetrennt und durch das MS die zu quantifizierenden Substanzen gefiltert/selektiert und detektiert. Voraussetzung für die Selektion mittels MS ist die Ionisierung der Verbindungen, die stark von der Matrix beeinflusst ist. Um diese Matrixeffekte kompensieren zu können, werden isotopenmarkierte Standards der zu quantifizierenden Substanzen zur Probe gegeben und mit analysiert. Die isotopenmarkierten Substanzen können nicht durch die LC vom jeweiligen Analyten getrennt werden, können aber über ihre etwas höhere Masse von der zu quantifizierenden Verbindungen durch das MS unterschieden werden.
Nicht von allen organischen Verbindungen sind isotopenmarkierte Substanzen einfach und kostengünstig erhältlich, wie z.B. von Naturstoffen. Solche Verbindungen können alternativ durch die Echopeak-Injektion quantifiziert werden. Bei diesem Verfahren wird die zu quantifizierende Substanz kurz nach Injektion der Probe aus einem Standard injiziert und eluiert im Idealfall direkt nach der Substanz aus der Probe, so dass beide Signale nahezu den gleichen Matrixeffekten unterliegen.
Die Echopeak-Injektion wurde am Fachgebiet für die Quantifizierung von Cyanotoxinen eingeführt und soll nun durch Nutzung andere Verbindungsklassen, von denen isotopenmarkierte Substanzen zur Verfügung stehen weiter validiert werden. Es handelt sich so um eine praktische Arbeit und ist für Personen mit Interesse an Analytik/Massenspektrometrie geeignet.
Beginn: nach Absprache
Betreuer: Dr. Anke Putschew
Der genaue Umfang richtet sich nach der Art der Arbeit BSc oder MSc.
Bachelorarbeit: Zusammensetzung von Straßenlaub und potential für die Schadstoffreduktion in Wasser
Diverse organische Schadstoffe können unter Beteiligung von Vitamin B12 oder Pflanzenfarbstoffen bzw. diagenetisch veränderten Pflanzenfarbstoffen (z.B. Porphyrine) unter reduzierenden Bedingungen transformiert werden. Vitamin B12 bzw. Porphyrine shutteln/unterstützen dabei die Übertragung von Elektronen, wobei dafür komplexgebundenen Metalle, die leicht oxidier- und reduzierbar sind verantwortlich sind. Diese Reaktion kann zur Schadstofftransformation während einer langen bzw. langsamen Untergrundpassage (z.B. Uferfiltration) von belastetem Oberflächenwasser beitragen oder auch als technischer Prozess (anaerober Reaktor) umgesetzt werden.
Straßenlaub, das in mehreren Tonnen pro Jahr in Berlin als „Abfall“ anfällt, enthält Chlorophyll (Porphyrin) und sollte durch den Straßenverkehr auch zahlreiche Metalle und Schwermetalle, durch den Abrieb von Bremsscheiben und Reifen etc. enthalten.
Im Rahmen der Arbeit soll zunächst Straßenlaub, gesammelt an verkehrsreichen Berliner Straßen, analysiert werden. Es sollen Metalle (AAS) und die Pflanzenfarbstoffe (LC-UV) bestimmt werden sowie am Beispiel einer ausgewählten Verbindung geprüft werden, ob eine Transformation möglich ist.
Beginn: nach Absprache
Betreuer: Dr. Anke Putschew
Bachelorarbeit: Literaturstudie zum Verhalten von Nikotin in der Umwelt
Vor einigen Jahren wurde u.a. am Fachgebiet Wasserreinhaltung die Nikotinfreisetzung aus weggeworfenen Zigarettenkippen untersucht. Die maximale Menge an Nikotin, die bei Kontakt mit Wasser in die wässrige Phase übergehen kann, liegt zwischen 5,5 und 6,8 mg/g Stummel. Durch simulierte Regenereignisse konnte gezeigt werden, dass bereits durch die ersten beiden Beregnungen über 70 % des Nikotins nachweisbar ist. Um die Bedeutung des Eintrages von Nikotin in die aquatische Umwelt durch Regenwasser abschätzen zu können, wurde die Nikotinkonzentration für den Abfluss ins Oberflächenwasser und ins Grundwasser (Versickerung) für 2 Flächen mit unterschiedlicher Versiegelung berechnet. Werden Zigarettenkippen auf Stadtflächen mit hoher Versiegelung entsorgt, kann durch den Oberflächenabfluss eine Nikotinkonzentration von über 400 µg/L in Oberflächengewässer gelangen. Im Fall von Parkanlagen ist diese Konzentration durch den geringeren Anteil an Oberflächenabfluss mit 20 µg/L erheblich geringer.
Weitere Versuche, um die Bedeutung des Nikotins in der Umwelt beurteilen zu können, sind bisher nicht durchgeführt worden. Basierend auf einer Literaturstudie sollen Informationen zum Verhalten von Nikotin in der Umwelt (Photodegradation, biol. Abbau, Verteilung Wasser-Boden-Luft, Adsorption) zusammengetragen werden, um weiteren Forschungsbedarf zu erkennen.
Beginn: nach Absprache
Betreuer: Dr. Anke Putschew
BSc Arbeit
Praktikum / Bachelor- / Masterarbeit: Abwasserwiederverwendung zur Grünflächenbewässerung. Bewertung mikrobiologischer Parameter mittels Durchflusszytometrie
Die Wiederverwendung von gereinigtem Abwasser bietet Möglichkeiten, mit der vielerorts bereits akuten Wasserknappheit besser umzugehen, beispielsweise durch regional verringerten Frischwasserverbrauch. Im Zuge von Feldversuchen zur Bewässerung von landwirtschaftlichen Flächen und Grünflächen mit behandeltem Abwasser führt das Umweltbundesamt umfangreiche Analysen durch. Ziel ist es, die damit verbundenen Risiken zu bewerten und Empfehlungen für die Implementierung der Wasserwiederverwendung zu erarbeiten.
Bei der Bewässerung von öffentlichem Grün stellt die Exposition gegenüber abwasserbürtigen Pathogenen ein Risiko dar. Die Anwendbarkeit von Durchflusszytometrie mit fertigen Testkits zur Ermittlung der Keimbelastung nach Bewässerungsereignissen soll hierfür untersucht werden. Sowohl Zeitreihen der Keimbelastung, als auch der Vergleich zu Standardmethoden sind dabei von Interesse.
Arbeitsumfang und Fragestellungen können je nach angestrebter Arbeit angepasst werden. Vorzugsweise wird eine Bachelorarbeit oder ein Praktikum absolviert.
Bei Interesse und Fragen bitte Kontakt aufnehmen:
E-Mail: pascal.hasselder(at)uba.de
Tel.: +49 (0) 030 8903-4088
Masterarbeit: Abwasserwiederverwendung zur Bewässerung in der Landwirtschaft. Eine Risikoanalyse aus der Praxis für die Praxis
Die Wiederverwendung von gereinigtem Abwasser bietet Möglichkeiten, mit der vielerorts bereits akuten Wasserknappheit besser umzugehen, beispielsweise durch regional verringerten Frischwasserverbrauch. Im Zuge von Feldversuchen zur Bewässerung von landwirtschaftlichen Flächen und Grünflächen mit behandeltem Abwasser führt das Umweltbundesamt umfangreiche Analysen durch. Ziel ist es, die damit verbundenen Risiken zu bewerten und Empfehlungen für die Implementierung der Wasserwiederverwendung zu erarbeiten.
Für eine umfassende Risikoanalyse ist es notwendig die relevanten Systemparameter zu erfassen, d.h. die Ausgangssituation muss beschrieben und mögliche Veränderungen überwacht werden. Ein Schwerpunkt dabei wird sein, den Transfer von Spurenstoffen aus dem Bewässerungswasser in Boden und Grundwasser sowie in die Pflanzen zu analysieren. Die Abschlussarbeit bietet Dir die Möglichkeit eine vielseitige Fragestellung, anhand eines konkreten Beispiels, mit Methoden der Umweltanalytik zu beantworten.
Bei Interesse und Fragen gerne Kontakt aufnehmen:
E-Mail: pascal.hasselder(at)uba.de
Tel.: +49 (0) 030 8903-4088