Die saisonunabhängige Versorgung mit regionalem, frischem Gemüse ist in unseren Breitengraden nur durch Gewächshäuser oder moderne Indoor-/Vertical Farms möglich. Die Effizienz dieser Anbautechniken ist um ein Vielfaches höher als im konventionellen Feldanbau durch die Kultivierung in hydroponischen Systemen, bei denen die Pflanzen in einem erdfreien Substrat wurzeln und mit einer bedarfsgerechten Nährlösung gezielt versorgt werden. Obwohl durch die Hydroponik kaum noch Pestizide eingesetzt werden sind die verwendeten Substrate wie Steinwolle, Kokossubstrate oder Torf nicht nachhaltig. Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines neuen, nachhaltigen Substrats basierend auf regional produzierten Naturfasern, welches die hohen Anforderungen der Hydroponik in Gewächshäusern und Indoor Farms erfüllt sowie rückstandslos kompostiert werden kann. Da die Naturfasern ähnlichen Reaktionen mit der Nährlösung wie Kokos- oder Torfsubstrate ausgesetzt wären, liegt die zentrale Innovation dieses Vorhabens in der Versiegelung der Naturfasern mit einem Biowachs auf CO2-Basis, welches die Fasern vor der Nährlösung schützt und den biologischen Abbauprozess verzögert, da sich das Biowachs erst unter Kompostierungsbedingungen abbaut. Im Vorhaben werden unterschiedliche Faser- und Wachszusammensetzungen systematisch unter kontrollierten Bedingungen sowie unter realen Kulturbedingungen untersucht, um die optimale Form sowie Strukturstabilität zur Anwendung sowohl im Gewächshaus als auch als Haltesystem für die Indoor Farm herauszufinden. Die neue Wachs-Substrat-Struktur soll vergleichbar gute Kultivierungsbedingungen zu Steinwolle erreichen und gleichzeitig dessen Nachteile eliminieren, womit große Mengen an Steinwolleabfällen und notwendiger Energie in Zukunft vermieden werden können.
Die Behandlung der insbesondere mit PCB-verunreinigten Boeden erfolgt in einer zentralen biologischen Behandlungsanlage. Nach Einlagerung des zu behandelnden Bodens in drei Behandlungsfelder in geschlossener Leichtbauweise mit einer Gesamtkapazitaet von 7 125 m3 wird der Boden mit Klaeranlagenwasser, das mit Mikroorganismen angereichert ist (Patent BASF Lacke + Farben AG) berieselt. Um die hoechste Abbauaktivitaet der Mikroorganismen zu erreichen, wird die Raumluft auf 20 bis 42 Grad Celsius erwaermt. Gleichzeitig wird erwaermte Luft von unten in den Boden gepresst. Die abgesaugte Hallenluft wird ueber einen Aktivkohlefilter abgeleitet. Fuer die Verrieselung wird Brauchwasser (Klaeranlagenwasser oder Oberflaechenwasser) verwendet, das im Bedarfsfall in einem Vorlagetank mit Naehrstoffen versetzt wird. Der gereinigte Boden wird einer Wiederverwertung (Strassen- und Kanalbau, Laermschutzwaelle) zugefuehrt.
Die bundesweite Bodenzustandserhebung ergab, dass die Mehrzahl der Waldstandorte eine geringe bis sehr geringe Basensättigung aufweisen. Die Nährstoffnachlieferung für den aufwachsenden Baumbestand erfolgt auf diesen Standorten fast ausschließlich durch Nährstoffrückführung aus der Biomasse (Streu, starkes Totholz). Ziel des Forschungsvorhabens ist es, den Beitrag des Totholzes zur Nährstoffnachlieferung zu erfassen und die bei der Totholzzersetzung ablaufenden Stoffumsatzprozesse (Respiration, Auswaschung, Fragmentierung, Stickstoff-Fixierung, Stickstoff-Mineralisation) zu analysieren. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf eine Baumart, die Buche, als dominierende Baumart der Waldgesellschaften Mitteleuropas, und eine Versuchsfläche, auf der seit 10 Jahren Stoffflüsse (Eintrag, Austrag) und -umsätze (Streuzersetzung, Mineralisation, Pflanzenaufnahme) nach Bestandesauflichtung und Kalkung gemessen werden. Die Versuchsfläche zeichnet sich durch einen hohen Totholzvorrat aus, dessen Anfall datiert werden kann. Das Forschungsvorhaben dient zur Abschätzung des Totholzvorrates, der für einen nachhaltig ausgewogenen Nährstoffhaushalt eines Buchenwaldökosystems auf basenarmen Standort notwendig ist.
Zur Verminderung der Hitzeeinwirkung auf Daecher, zur Stabilisierung des staedtischen Klimas durch Wasserverdampfung sowie durch Verhinderung zu hoher Abwassermengen, in welchen sich Schadstoffe aus der Luft befinden und zu dessen biologischem Abbau sind Baustoffe nach neuen Gesichtspunkten entwickelt worden, insbesondere Wand- und Kaminanschluesse. Eine grosse Anzahl von Pflanzen wurden in Dachversuchsstaenden seit 5 Jahren angesetzt und gemessen, ob und welcher biologische Abbau der verschiedenen Schadstoffe aus der Luft erfolgt. Die Untersuchungsmethoden wurden nach bekannten DIN- und Astm-Spezifikationen durchgefuehrt, die Pflanzenuntersuchungen nach chemischen Gesichtspunkten.
Seit kurzem werden ökologisch wirksame Konzentrationen von antibakteriellen Tierarzneimitteln auch im Boden nachgewiesen. Für eine umfassende Analyse des Risikos fehlen jedoch grundlegende Modellvorstellungen. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die Tierarzneimittel i.d.R. mit Wirtschaftsdüngern auf die Böden gelangen. Zwar gibt es Modellvorstellungen zum Umweltverhalten hydrophober Schadstoffe und zur Wirkung von Wirtschaftsdüngern auf die Bodenlebewelt, doch sind diese nur bedingt übertragbar auf die Dynamik der teilweise polaren Tierarzneimittel im Boden und ihre spezifischen Effekte auf Bodenorganismen. Auch die in der Literatur beschriebenen Effekte von zusätzlichen C-Quellen und Co-Solventien auf Bindung, Abbau und Transport sind aufgrund der komplexen Zusammensetzung von Wirtschaftsdüngern nicht direkt auf Tierarzneimittel übertragbar. Effekte der komplexen Wechselwirkungen von Wirtschaftsdüngern auf die Wirkung der Stoffe im Boden sind unseres Wissens überhaupt nicht untersucht. Übergeordnetes Ziel dieser Forschergruppe ist es daher, anhand mindestens zweier unterschiedlicher Zielstoffe (Sulfadiazin und Difloxacin) erstmals aufzuklären, wie unter dem Einfluss von Wirtschaftsdüngern die Wirkung dieser Stoffe im Boden an ihre Dynamik gekoppelt ist. Wir sehen hierbei mehrere offene Fragen in den Bereichen Dynamik (z.B. Abbau und Metabolisierung, Sequestration sowie skalenabhängige Umverteilung), Wirkung (z.B. auf Struktur und Funktion der Mikroorganismen sowie auf Resistenzbildung) und v.a. bezüglich der Mechanismen der raum-zeitlichen Kopplung von Dynamik und Wirkung der Problemstoffe im Boden (von ms bis Jahren und von der Mineraloberfläche bis zum Bodenprofil). Zur Beantwortung dieser Fragen erscheint es uns in der 1. Projektphase notwendig, vorwiegend anhand von Laborversuchen die relevanten Skalen und Prozesse zu identifizieren sowie die Raten zu quantifizieren, welche die Dynamik und Wirkung der Stoffe im Boden allein und unter dem Einfluss tierischer Exkremente steuern. In einer 2. Phase werden die Prozesse gekoppelt und ihre Relevanz in einem gemeinsamen Freilandversuch überprüft. Damit können wir die für das Umweltverhalten der Zielstoffe wesentlichen Steuergrößen und -mechanismen erstmals aufdecken und quantifizieren. Ziel des TP in Bonn ist die Aufklärung der Bindungsstärke und Verfügbarkeit von Tierarzneimitteln in zwei Referenzböden. Um die 'chemische Verfügbarkeit der Substanzen im Boden zu erfassen, wird eine sequentielle Extraktionsmethode für die Analyten entwickelt und auf eine Alterungszeitreihe der Tierantibiotika im Boden angewandt. Die Bindung der Stoffe an Bodenbestandteile (Mineralphasen, org. Substanz, Gülle-DOC) wird mittels batch-Sorptionsversuchen untersucht; dies wird wiederum an frisch kontaminierten und gealterten Proben durchgeführt. Die Ergebnisse werden mit den anderen Projekten der Forschergruppe vernetzt, um auf die 'Bioverfügbarkeit von sorbierten Fraktionen der Tierarzneimittel rückzuschließen.
Die saisonunabhängige Versorgung mit regionalem, frischem Gemüse ist in unseren Breitengraden nur durch Gewächshäuser oder moderne Indoor-/Vertical Farms möglich. Die Effizienz dieser Anbautechniken ist um ein Vielfaches höher als im konventionellen Feldanbau durch die Kultivierung in hydroponischen Systemen, bei denen die Pflanzen in einem erdfreien Substrat wurzeln und mit einer bedarfsgerechten Nährlösung gezielt versorgt werden. Obwohl durch die Hydroponik kaum noch Pestizide eingesetzt werden sind die verwendeten Substrate wie Steinwolle, Kokossubstrate oder Torf nicht nachhaltig. Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines neuen, nachhaltigen Substrats basierend auf regional produzierten Naturfasern, welches die hohen Anforderungen der Hydroponik in Gewächshäusern und Indoor Farms erfüllt sowie rückstandslos kompostiert werden kann. Da die Naturfasern ähnlichen Reaktionen mit der Nährlösung wie Kokos- oder Torfsubstrate ausgesetzt wären, liegt die zentrale Innovation dieses Vorhabens in der Versiegelung der Naturfasern mit einem Biowachs auf CO2-Basis, welches die Fasern vor der Nährlösung schützt und den biologischen Abbauprozess verzögert, da sich das Biowachs erst unter Kompostierungsbedingungen abbaut. Im Vorhaben werden unterschiedliche Faser- und Wachszusammensetzungen systematisch unter kontrollierten Bedingungen sowie unter realen Kulturbedingungen untersucht, um die optimale Form sowie Strukturstabilität zur Anwendung sowohl im Gewächshaus als auch als Haltesystem für die Indoor Farm herauszufinden. Die neue Wachs-Substrat-Struktur soll vergleichbar gute Kultivierungsbedingungen zu Steinwolle erreichen und gleichzeitig dessen Nachteile eliminieren, womit große Mengen an Steinwolleabfällen und notwendiger Energie in Zukunft vermieden werden können.
Beim mikrobiellen Umsatz von organischen Verbindungen wird ein beträchtlicher Anteil des Kohlenstoffs zunächst zum Aufbau von Biomasse durch Bakterien genutzt. Diese Biomasse unterliegt nach ihrem Absterben wieder einem Abbau durch andere Mikroorganismen. In diesem Prozess werden Fragmente der abgestorbenen Zellen entweder selbst wieder zum Substrat für andere Organismen oder direkt in der Bodenmatrix festgelegt. Damit tragen sie substanziell zur Bildung der organischen Bodensubstanz (SOM) bei. Im Rahmen der geplanten Arbeiten sollen vorwiegend durch Markierungsexperimente mit stabilen und radioaktiven Isotopen die mikrobiellen Umsatzraten und die Bildung von Huminstoffen aus bakterieller Biomasse und fraktionierten Zellbestandteilen wie auch aus mikrobiellen Mineralisationsprodukten wie CO2 und NH4 in Modellböden des Schwerpunktprogrammes detailliert untersucht werden. Dazu wird die Transformation isotopisch markierter Biomassebestandteile (14C; 13C; 15N) in Bodenbioreaktoren untersucht. Die festgelegten und umgewandelten Produkte der markierten Biomasse sollen in den verschiedenen Partikel- und Huminstofffraktionen des Bodens bilanziert und mit isotopenchemischen und strukturchemischen Methoden charakterisiert werden. Damit können der stoffliche Beitrag der Biomasse an der Bildung von Huminstoffen im Boden bilanziert und Konversionsfaktoren sowie Raten für die Stoffverteilung abgeschätzt werden. Ergebnisse aus ersten Versuchen lassen zudem auf einen signifikanten Einbau von Kohlenstoff aus CO2 in die SOM schließen. Daraus könnte sich eine Neubewertung von Tracerexperimenten zur Bildung von gebundene Resten aus Xenobiotika ergeben. Im zweiten Schritt sollen Methoden zur Ermittlung der Struktur und Funktionalität der festgelegten Biopolymere entwickelt werden. Besonderes Augenmerk wird auf die Festlegung von Zellwandbestandteilen, Strukturproteinen und Nukleinsäuren gelegt.
Untersucht werden seit mehreren Jahren Bakterien, die komplexgebundene Fe(II)- und Fe-(III)-Verbindungen dadurch zur Ausfaellung bringen, das sie bei pH-Werten zwischen 6 und 7,5 den organischen Liganden verwerten. (Frueher als Gruppe der Siderocapsazeen zusammengefasst.) Umweltrelevant ist hierbei die Bildung der organischen Eisenkomplexe, z.B. bei der Uferfiltration oder nach Eindringen organisch belasteten Wassers in Grundwasserleiter. Vorliegende Eisenverbindungen werden dann mobilisiert und nach Zutritt von Sauerstoff in Zusammenwirken mit der Taetigkeit der genannten Bakterien wieder ausgefaellt.
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