Zwei Hauptbestandteile der Trinkwasseraufbereitung sind die Desinfektion und der Abbau von Schadstoffen. Dazu können verschiedene chemische Oxidationsmittel, wie beispielsweise Chlor (frei verfügbares Chlor (FAC)), Ozon (O₃) oder Chlordioxid (ClO₂) verwendet werden. Die vorliegende Arbeit untersucht die Reaktionsmechanismen von ClO₂ in der Trinkwasseraufbereitung. ClO2 reagiert hauptsächlich mit aktivierten aromatischen Verbindungen (z.B. Phenole, Aniline) und bildet Chlorit als Hauptnebenprodukt (Trinkwasserstandard in Deutschland 200 µg L⁻¹). Um die Bildung von halogenierten Desinfektionsnebenprodukten (DBPs) zu vermeiden, wird ClO₂ zunehmend als Ersatz für die Chlorung eingesetzt. Allerdings wurde vor kurzem gezeigt, dass FAC auch bei bestimmten Reaktionen von ClO₂ als Nebenprodukt entstehen kann. Dies führt zu einer kombinierten Oxidation von ClO₂ und FAC, und beide Oxidationsmittel können bei der Desinfektion und dem Schadstoffabbau synergetische Effekte zeigen, aber auch unterschiedliche DBPs bilden. Die vorliegende Studie fokussiert sich auf die intrinsische Bildung von FAC und anderen anorganischen Nebenprodukten (Chlorid, Chlorit und Chlorat) die aus der Reaktion von ClO₂ entstehen können. Dabei dienen Phenole als Repräsentant für reaktive Stellen im natürlichen organischen Material (NOM) und Biomolekülen (Aminosäuren). Darüber hinaus, wurde in einem Wasseraufbereitungsmodellsystem untersucht, wie stark der Einfluss von intrinsisch gebildetem FAC auf die ClO₂ Desinfektion ist. Die Reaktion von ClO₂ mit ausgewählten Aminosäuren wurde im Zusammenhang von Desinfektionsmechanismen untersucht. Dabei können Aminosäuren, als Bausteine von Peptiden und Proteinen, ein wichtiger Reaktionspartner während der Desinfektion sein. Daher wurde die Reaktion von ClO₂ mit Tyrosin und Tryptophan hinsichtlich der Reaktionskinetik und der Bildung verschiedener Chlorspezies (FAC, Chlorit, Chlorid, Chlorat) untersucht. Tyrosin und Tryptophan zeigten eine hohe Reaktivität gegenüber ClO₂ (kapp = 3,16 × 10⁴ M⁻¹ s⁻¹ und 1,81 × 10⁴ M⁻¹ s⁻¹ bei pH 7), und es ist wahrscheinlich, dass diese Aminosäuren einen potentiellen primären Reaktionspartner von ClO₂ innerhalb mikrobiellen Zellen darstellen. Beide untersuchten Aminosäuren zeigten eine signifikante Bildung von FAC (Tyrosin ≈ 50 %, Tryptophan ≈ 36 % der dosierten ClO₂-Konzentration). Intrinsisch gebildetes FAC kann als zusätzliche reaktive Spezies dienen, die zur Zellinaktivierung beiträgt. Da Aminosäuren die Bausteine von Peptiden und Proteinen sind, ist es möglich, dass die Reaktion von ClO₂ mit Zellproteinen während der Desinfektion nicht nur die Inaktivierung der entsprechenden Proteine verursacht, sondern auch FAC bildet, das dann weitere Zellschäden verursachen kann und somit die Zellinaktivierung verstärkt. Bei der Anwendung von ClO₂ wird dieses hauptsächlich vom NOM verbraucht. Die starke Zehrung entsteht durch die phenolischen Einheiten des NOM, die eine hohe Reaktivität gegenüber ClO₂ aufweisen. Kürzlich konnte gezeigt werden, dass die Reaktion von ClO₂ mit NOM etwa 25 % FAC bildet. Da Phenol selbst 50 % FAC in der Reaktion mit ClO₂ bildet, ist es möglich, dass verschiedene funktionelle Gruppen, die an den Phenolring gebunden sind, eine Änderung des Reaktionsmechanismus bezüglich der Bildung von anorganischen Chlorspezies verursacht. Daher wurden die Ausbeuten verschiedener Chlorspezies (Chlorbilanz) unterschiedlicher phenolischer Verbindungen mit verschiedenen Substituenten (z. B. Alkyl-, Hydroxyl- oder Methoxygruppen) in ortho-, meta- und para-Position untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass die meisten Substituenten die Chlorbilanz nicht stark beeinflussen. para-substituierte Phenole scheinen jedoch sehr reaktives ortho-Benzochinon zu bilden, das mit zunehmender Zeit eine Veränderung der Chlorbilanz verursacht (verringerte FAC-Ausbeuten und erhöhte Chlorid-Ausbeuten). Dies könnte die unterschiedlichen Ausbeuten an FAC in der Literatur erklären. Die Substituenten, die die Chlorbilanz von Phenol stark beeinflussen, sind Hydroxyl- und Aminogruppen in ortho- und para-Position, was zu einer Chlorit-Ausbeute von etwa 100 % und einer vollständigen Hinderung der FAC-Bildung führt. Der genaue Grund für diese Beobachtung bedarf weiterer Untersuchungen. Glycin wurde häufig verwendet, um intrinsisch gebildetes FAC in ClO₂ Reaktionen mit Phenolen zu quantifizieren, da diese eine niedrige Reaktionskinetik mit FAC haben (kapp = 10² M⁻¹ s⁻¹, bei pH 7). Somit kann FAC erfolgreich von Glycin abgefangen werden, das mehrere Größenordnungen schneller mit FAC reagiert als Phenol (kapp = 1,5 × 10⁵ M⁻¹ s⁻¹ bei pH 7). Das resultierende Produkt dieser Reaktion (Chlor-Glycin) wird dabei gemessen, um die FAC-Bildung zu quantifizieren. Wenn die untersuchte Verbindung jedoch schnell mit FAC reagiert (z. B. Cystein kapp = 6,2 × 10⁷ M⁻¹ s⁻¹ bei pH 7), ist Glycin möglicherweise nicht in der Lage, FAC vollständig abzufangen, was zu einer Unterschätzung der intrinsischen FAC führt. Beispiele für Verbindungen mit solch hoher Reaktionskinetik sind Thiole (z.B. Glutathion (GSH)), die schnell mit den beiden Oxidationsmitteln ClO₂ und FAC reagieren (kapp ≥ 10⁷ M⁻¹ s⁻¹ at pH 7). Daher wurde eine neue Methode entwickelt, bei der Methionin als selektiver Scavenger verwendet wird. Methionin ist eine thioetherhaltige Aminosäure, die schnell mit FAC (kapp = 6,8 × 10⁸ M⁻¹ s⁻¹ bei pH 7) reagiert und zu gleichen Teilen Chlorid und Methioninsulfoxid (MSO) bildet. Die gemessenen Ausbeuten an Chlorid und MSO können zur Quantifizierung der FAC-Ausbeuten verwendet werden. Zusätzlich wurde die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante von Methionin mit ClO₂ bestimmt (kapp = 10⁻² M⁻¹ s⁻¹ bei pH 7). Die Methode wurde erfolgreich angewendet, um qualitativ festzustellen, dass FAC bei der Reaktion von ClO₂ mit dem Tripeptid GSH gebildet wird. In einigen Fällen wurde jedoch die Bildung von MSO aus einer noch unbekannten Quelle beobachtet, was weitere Untersuchungen erfordert. Schlussendlich wurde die Beteiligung von intrinsisch gebildetem FAC während der ClO₂-basierten Desinfektion untersucht. Zunächst wurde dafür ein neuartiges Konzept entwickelt, um verschiedene Grade der mikrobiellen Zellinaktivierung zu bestimmen. Dieses Konzept basiert auf der Verlängerung der Lag-Phase (anfängliche Wachstumsphase vor dem exponentiellen Wachstum. Dabei führt eine stärkere Inaktivierung von dem Modelbakterium Escherichia coli zu einer Verlängerung der Lag-Phase. Da das Wachstum online durch die Zunahme der optischen Dichte verfolgt werden kann, ist diese Methode schnell und ermöglicht die gleichzeitige Messung mehrerer Proben. Mit dieser Methode konnte gezeigt werden, dass bei ClO₂-basierten Desinfektionsprozessen die intrinsische Bildung von FAC sehr wichtig sein kann. Dies wurde in Experimenten zur Inaktivierung von E. coli in Gegenwart von NOM gezeigt. Die Zugabe von Methionin als schnell reagierendem FAC-Scavenger führte zu einer vollständigen Unterbindung der Inaktivierung von E. coli. Dies deutet darauf hin, dass die beobachtete Inaktivierung von E. coli bei ClO₂-basierten Prozessen mit hohen NOM-Belastungen hauptsächlich durch FAC verursacht wird. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Desinfektion in Gegenwart von NOM pH-abhängig ist (pH 6,5 > 7,5 > 8,5). Dies kann durch die Zehrung von ClO₂ erklärt werden, die bei höheren pH-Werten aufgrund der Dissoziation der phenolischen Einheiten (pKs = 10) des NOM beschleunigt wird (die deprotonierte Phenolatspezies reagiert mehr als fünf Größenordnungen schneller mit ClO₂ als die protonierte Spezies). Mit zunehmendem ClO₂-Verbrauch steht weniger ClO₂ zur Desinfektion zur Verfügung. Darüber hinaus könnte die Speziierung von FAC (HOCl) für die beobachtete stärkere Inaktivierung bei niedrigerem pH-Wert verantwortlich sein, da HOCl ein stärkeres Desinfektionsmittel ist als OCl⁻ (pKs: 7,54).