Professur für Nachhaltige Chemie und Stoffliche Ressourcen

Organisation: Professur

Organisationsprofil

Uns interessieren Nachhaltigkeitsfragen im Kontext des Lebenslaufs von chemischen Stoffen - von Rohstofffragen über die Synthese, die Nutzung bis zum Verbleib von chemischen Stoffen und Produkten nach ihrer Nutzung. Wir forschen und lehren im Bereich der nachhaltigen Chemie und Pharmazie. Dabei interessieren wir uns besonders dafür, wie Chemie und Pharmazie auf nachhaltige Weise zur Nachhaltigkeit beitragen können.

Neben chemischen Stoffen und Produkten als solche sind auch die mit ihnen verbundenen Stoffströme für uns von Interesse, insbesondere bei den sogenannten strategischen Ressourcen (z. B. Phosphat, Seltene Erden).

Unsere Schwerpunkte sind:

die Entwicklung eines besseren Verständnisses von nachhaltiger Chemie und nachhaltiger Pharmazie
die nachhaltige Gestaltung chemischer und pharmazeutischer Produkte (Moleküle, Materialien)
die Entwicklung von Konzepten wie Benign by Design und stoffliche Dissipation
die experimentelle und praktische Umsetzung dieser Konzepte
Schutz der Wasserressourcen vor Verschmutzung mit Arzneimitteln und Chemikalien

Wir forschen im inter- und transdisziplinären Umfeld innerhalb der Fakultät für Nachhaltigkeit mit nationalen und internationalen Kooperationen. Als Research & Education Hub sind wir ein wichtiger Teil des International Sustainable Chemistry Collaborative Center (ISC3), in dem wir in internationaler Kooperation insbesondere mit Ländern des globalen Südens Studieninhalte für Nachhaltige Chemie erarbeiten und anbieten (Education). Im Bereich Research identifizieren und bewerten wir aktuelle Trends in der Forschung mit Bezug zur Nachhaltigen Chemie.

Forschungsschwerpunkte

Wir untersuchen den Eintrag (z. B. Identifizierung relevanter Quellen) und die Verbindung sowie das Verhalten (z. B. Ausbreitung, biologischer und photochemischer Abbau) von chemischen Stoffen in der aquatischen Umwelt im Sinne einer nachhaltigen Wasserwirtschaft. Dabei beziehen den gesamten Lebenszyklus der Stoffe vom Design über die Rohstoffgewinnung sowie Anwendungsaspekte und den Verbleib zum Ende ihres Lebens von Anfang an mit ein. Daher sind wir auch sehr an der Erfassung ihrer Wirkung interessiert (z. B. Gentoxizität, Mutagenität und Bakterienoxizität). Derzeit stehen vor allem

Pflanzenschutzmittel
Arzneimittel
Textilhilfsmittel und
Nanopartikel

im Zentrum unserer Arbeiten.

Dabei gilt es, mögliche Folgeprobleme in den Blick zu nehmen, die z. B. aus dem unvollständigen Abbau der genannten Stoffe (abbaustabile Transformationsprodukte) in der Trinkwasseraufbereitung und Abwasserreinigung sowie der aquatischen Umwelt resultieren.

Davon ausgehend ist eine zentrale Frage, wie die Reduktion von Umweltbelastungen durch Chemikalien, Arzneimittelwirkstoffe und darin enthaltene Produkte schon zu Beginn ihres Lebenslaufs gezielt berücksichtigt werden können. Hierfür ist ein umfassendes Verständnis der Funktionalität, wie auch der Umwelteigenschaften von chemischen Stoffen und Produkten notwendig. Unser zentraler Ansatzpunkt ist dabei das Konzept Benign by Design. Um eine nachhaltige Funktionalität zu erreichen, steht hierbei das gezielte Design neuer Chemikalien und Arzneimittel schon vor der ersten Synthese im Vordergrund.

Sowohl bei der Untersuchung des Verhaltens und der Wirkung von chemischen Stoffen in der aquatischen Umwelt wie auch beim Konzept Benign by Design arbeiten wir in folgenden Themenbereichen experimentell, nutzen aber auch Computermodelle:

Spurenanalytik
Modellierung von Stoffeigenschaften und Stoffverhalten
Toxikologie und Ökotoxikologie
Abbautests

Lehrgebiete

Prüfung der Abbaubarkeit von Chemikalien und Arzneimitteln
u.a. nach OECD/DIN/ISO

Closed Bottle-Test (OECD 301 D)
manometrischer Respirationstest (OECD 301 F)
Zahn-Wellens-Test (OECD 302 B)
Kläranlagensimulationstest (OECD 303 A)
Water Sediment Test
Prüfung auf anaerobe Abbaubarkeit (in Anlehnung an DIN EN ISO 117341)
photochemischer Abbau
photokatalytischer Abbau
Elektrokoagulation
u.a.

Toxizität
Akute und chronische Toxizität in Bakterien:

Leuchtbakterienhemmtest mit Vibrio fischeri (30min und 20h)
Wachstumshemmtest (Gram negativ) mit Pseudomonas putida (16h) und Vibrio fischeri (20h)
Wachstumshemmtest (Gram positiv) mit Enteroccus faecalis

Genotoxizität

Ames-Test mit Salmonella typhimurium TA 98/TA 100
Umu-Test mit Salmonella typhimurium TA 1535/ psK 1002
Mikronukleus-Test mit CHO-Zellen, mittels FACS-Analyse
Green Screen-Assay mit TK6-Zellen

Chemieinformatik
Struktureigenschaftsbeziehungen

Berechnung physikalisch chemischer Eigenschaften von Molekülen
Berechnung diverser quantenchemischer Parameter von Molekülen
Berechnung von Toxizität und Mutagenität
Berechnung der biologischen Abbaubarkeit
Berechnung von Metaboliten (Säuger, Bakterien)
gezieltes Design von Chemikalien und Arzneimitteln
Unterstützung bei Einkaufsentscheidungen
Produktoptimierung
REACH

Stofftransportmodellierung und Bewertung

Raum-zeitliche Analyse von Abfluss und Wasserqualität
(R-Statistics, SigmaPlot, ArcGIS)
Bewertung der Gewässergüte anhand Wasserqualitäts- und Quantitätsindizes (WQI, WQQI, WAI)
Wasserqualitätsmodellierung in Seen und Reservoirs in 1D, 2D und 3D
(LAC, MOHID Water, Ce-qual)
Einzugsgebietsmodellierung von Hydrologie, Erosion & Sedimenttransport, Phosphoraustrag, Pestizid- und Transformationsproduktaustrag (ZIN-Sed, MOHID Land, Speichermodelle)
Gerinnemodellierung von Wasser, Sediment, Phosphor, Pestiziden und Transformationsprodukten (ZIN-Sed, MOHID Stream)
Szenariomodellierung und -bewertung
Systemanalyse und Managementbewertung
Integriertes Wasserressourcenmanagement

Analytik