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s/biochemischer-abbau/Biochemischer Abbau/gi

Entwicklung DIN-SPEC 35808 Wuchshülle-Wald, Etablierung - Validierung - Finalisierung, Teilvorhaben 2: Etablierung und Validierung ausgewählter biologischer Abbauverfahren im Waldboden

Emissionen der Landnutzung, -änderung und Forstwirtschaft

<p> <p>Wälder, Böden und ihre Vegetation speichern Kohlenstoff. Bei intensiver Nutzung wird Kohlendioxid freigesetzt. Maßnahmen, die die Freisetzung verhindern sollen, richten sich vor allem auf eine nachhaltige Bewirtschaftung der Wälder, den Erhalt von Dauergrünland, bodenschonende Bearbeitungsmethoden im Ackerbau, eine Reduzierung der Entwässerung und Wiedervernässung von Moorböden.</p> </p><p>Wälder, Böden und ihre Vegetation speichern Kohlenstoff. Bei intensiver Nutzung wird Kohlendioxid freigesetzt. Maßnahmen, die die Freisetzung verhindern sollen, richten sich vor allem auf eine nachhaltige Bewirtschaftung der Wälder, den Erhalt von Dauergrünland, bodenschonende Bearbeitungsmethoden im Ackerbau, eine Reduzierung der Entwässerung und Wiedervernässung von Moorböden.</p><p> Bedeutung von Landnutzung und Forstwirtschaft <p>Der Kohlenstoffzyklus stellt im <a href="https://www.umweltbundesamt.de/node/3202">komplexen Klimasystem</a> unserer Erde ein regulierendes Element dar. Durch die Vegetation wird Kohlendioxid (CO2) aus der Luft mittels <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/photosynthese">Photosynthese</a> gebunden und durch natürlichen mikrobiellen Abbau freigesetzt. Zu den größten globalen Kohlenstoffspeichern gehören Meere, Böden und Waldökosysteme. Wälder bedecken weltweit ca. 31 % der Landoberfläche (siehe <a href="https://www.fao.org/documents/card/en/c/ca8642en">FAO Report 2020</a>). Bedingt durch einen höheren Biomassezuwachs wirken insbesondere <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/boreale">boreale</a> Wälder in der nördlichen Hemisphäre als Kohlendioxid-Senken. Nach § 1.8 des <a href="https://www.umweltbundesamt.de/node/12827">Klimarahmenabkommens der Vereinten Nationen</a> werden Senken als Prozesse, Aktivitäten oder Mechanismen definiert, die Treibhausgase (THG), <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/aerosole">Aerosole</a> oder Vorläufersubstanzen von Treibhausgasen aus der <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/atmosphaere">Atmosphäre</a> entfernen. Im Boden wird Kohlenstoff langfristig durch sog. Humifizierungsprozesse eingebaut. Global ist etwa fünfmal mehr Kohlenstoff im Boden gespeichert als in der Vegetation (siehe <a href="https://www.ipcc.ch/report/land-use-land-use-change-and-forestry/">IPCC Special Report on Land Use, Land Use Change and Forestry</a>). Boden kann daher als wichtigster Kohlenstoffspeicher betrachtet werden. Natürliche Mineralisierungsprozesse führen im Boden zum Abbau der organischen Bodensubstanz und zur Freisetzung der Treibhausgase CO2, Methan und Lachgas. Der Aufbau und Abbau organischer Substanz steht in einem dynamischen Gleichgewicht.</p> <p>Die voran genannten Prozesse werden in der Treibhausgasberichterstattung unter der Kategorie/Sektor „<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/landnutzung">Landnutzung</a>, <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/landnutzungsaenderung">Landnutzungsänderung</a> und Forstwirtschaft“ (kurz <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/lulucf">LULUCF</a>) bilanziert.</p> <a href="https://www.umweltbundesamt.de/system/files/medien/378/bilder/foto_jaana_pruess.jpg"> </a> <strong> Abgeholztes Waldstück </strong> Quelle: Jaana Prüss </p><p> Modellierung von Treibhausgas-Emissionen aus Landnutzungsänderung <p>Jährliche Veränderungen des nationalen Kohlenstoffhaushalts, die durch Änderungen der <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/landnutzung">Landnutzung</a> entstehen, werden über ein Gleichgewichtsmodell berechnet, welches für Deutschland auf einem Stichprobensystem mit rund 36 Millionen Stichprobenpunkten basiert. Für die Kartenerstellung der Landnutzung und -bedeckung werden zunehmend satellitengestützte Daten eingesetzt, um so die realen Gegebenheiten genauer abbilden zu können. Die nationalen Flächen werden in die Kategorien Wald, Acker- sowie Grünland, Feuchtgebiete, Siedlungen und Flächen anderer Nutzung unterteilt (siehe auch <a href="https://www.umweltbundesamt.de/node/11170">Struktur der Flächennutzung</a>). Die Bilanzierung (Netto) erfolgt über die Summe der jeweiligen Zu- bzw. Abnahmen der Kohlenstoffpools (ober- und unterirdische ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/biomasse">Biomasse</a>⁠, ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/totholz">Totholz</a>⁠, Streu, organische und mineralische Böden und Holzprodukte) in den verschiedenen Landnutzungskategorien.</p> </p><p> Allgemeine Emissionsentwicklung <p>Der Verlauf der Nettoemissionen von 1990 bis 2023 zeigt, dass der <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/lulucf">LULUCF</a>-Sektor in den meisten Jahren als Nettoquelle für Treibhausgase fungierte. Hauptquellen sind die Emissionen aus den landwirtschaftlich genutzten Flächen der Landnutzungskategorien Acker- und Grünland. Diese beiden Kategorien weisen über die Jahre anhaltend hohe Emissionen aus entwässerten organischen Böden auf, sowie netto, zu einem geringeren Teil, aus den Mineralböden. Die Landnutzungskategorie Feuchtgebiete trägt hauptsächlich durch den industriellen Torfabbau und die Methanemissionen aus künstlichen Gewässern nicht unerheblich zur Gesamtsumme der THG-Emissionen bei. Die C-Pools des Waldes spielen eine ambivalente Rolle im Zeitverlauf. Mit ihren meist deutlich negativen Emissionen wirken die Pools tote organische Substanz (<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/totholz">Totholz</a> und Streu), genau wie die Holzprodukte, durch Zunahme dieser Kohlenstoffspeicher der Quellfunktion des Pools <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/biomasse">Biomasse</a> entgegen. Nichtsdestotrotz wird der qualitative Verlauf der LULUCF-Emissionskurve im Wesentlichen durch den Pool Biomasse, insbesondere der Landnutzungskategorie Wald, geprägt. Gegenüber dem Basisjahr haben die Netto-Emissionen aus dem LULUCF-Sektor in 2023 um 90,6% zugenommen (Netto THG-Emissionen in 1990: rund +36 Mio. t CO2 Äquivalente und in 2023: + 69 Mio. t CO2 Äquivalente).</p> <p>Im Rahmen des novellierten <a href="https://www.bmuv.de/gesetz/bundes-klimaschutzgesetz">Klimaschutzgesetzes (KSG)</a> wird eine Schätzung für das Vorjahr 2024 vorgelegt. Diese liefert für LULUCF nur Gesamtemissionen, deren Werte als unsicher einzustufen sind. Die Werte liegen bei 51,3 Mio. t CO2 Äquivalenten. Aus diesem Grunde werden in den folgenden Abschnitten nur die Daten der Berichterstattung 2025 für das Jahr 2023 betrachtet.</p> </p><p> Veränderung des Waldbestands <p>Die Emissionen sowie die Speicherung von Kohlenstoff bzw. CO2 für die Kategorie Wald werden auf Grundlage von <a href="https://www.bundeswaldinventur.de/">Bundeswaldinventuren</a> berechnet. Bei der Einbindung von Kohlenstoff spielt insbesondere der Wald eine entscheidende Rolle als potentielle Netto-Kohlenstoffsenke. In gesunden, sich im Aufwuchs befindlichen Waldbeständen können jährlich große Mengen an CO2 aus der <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/atmosphaere">Atmosphäre</a> eingebunden werden. Im Zeitraum 1991 bis 2017 waren es im Durchschnitt rund 54 Mio. t Netto-CO2-Einbindung jährlich. In den Jahren 1990 und 2007 trafen auf Deutschland Orkane (2007 war es der Sturm Kyrill), die zu erheblichem Holzbruch mit einem daraus resultierenden hohen Sturmholzaufkommen in den Folgejahren führten. Die dramatische Abnahme der Forstbiomasse im Jahr 2018 und den Folgejahren ist auf die Waldschäden infolge der großen Trockenheit in diesem und den folgenden Berichtsjahren zurückzuführen. Diese erheblichen Änderungen in der Waldbiomasse wurden während der jüngsten <a href="https://www.bundeswaldinventur.de/fileadmin/Projekte/2024/bundeswaldinventur/Downloads/BWI-2022_Broschuere_bf-neu_01.pdf">Bundeswaldinventur (2022)</a> erfasst und durch die quantifizierte Auswertung der Erhebung verifiziert (siehe dazu <a href="https://www.umweltbundesamt.de/node/112193">NID</a>). Bis in das Jahr 2017 waren in der Waldkategorie die Pools <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/biomasse">Biomasse</a>, mineralische Böden und <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/totholz">Totholz</a> ausschlaggebende Kohlenstoffsenken. Zu den Emissionsquellen im Wald zählten Streu, Drainage organischer Böden, Mineralisierung und Waldbrände. Ab 2018 wurde auch der Pool Biomasse durch die absterbenden Bäume zur deutlichen CO2-Quelle.</p> <p>In 1990 wurden rund 25,4 Mio. t CO2-Äquivalente im Wald an CO2-Emissionen gespeichert. Im Jahr 2023 wurden dagegen 20,9 Mio. t CO2-Äquivalente freigesetzt (siehe Tab. „Emissionen und Senken im Bereich <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/landnutzung">Landnutzung</a>, <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/landnutzungsaenderung">Landnutzungsänderung</a> und Forstwirtschaft“).</p> <a href="https://www.umweltbundesamt.de/system/files/medien/384/bilder/2_tab_emi-senken-lulucf_2024-04-02.png"> </a> <strong> Tab: Emissionen und Senken im Bereich Landnutzung, Landnutzungsänderung und Forstwirtschaft </strong> Quelle: Umweltbundesamt Downloads: <ul> <li><a href="https://www.umweltbundesamt.de/system/files/medien/384/bilder/dateien/2_tab_emi-senken-lulucf_2024-04-02.pdf">Tabelle als PDF zur vergrößerten Darstellung (85,27 kB)</a></li> </ul> </p><p> Treibhausgas-Emissionen aus Waldbränden <p>Bei Waldbränden werden neben CO2 auch sonstige Treibhausgase bzw. Vorläufersubstanzen (CO, CH4, N2O, NOx und <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/nmvoc">NMVOC</a>) freigesetzt. Aufgrund der klimatischen Lage Deutschlands und der Maßnahmen zur Vorbeugung von Waldbränden sind Waldbrände ein eher seltenes Ereignis, was durch die in der <a href="https://www.ble.de/DE/BZL/Daten-Berichte/Wald/wald.html">Waldbrandstatistik</a> erfassten Waldbrandflächen bestätigt wird. Allerdings war das Jahr 2023 bezüglich der betroffenen Waldfläche mit 1.240 Hektar, ein deutlich überdurchschnittliches Jahr. Das langjährige Mittel der Jahre 1993 bis 2022 liegt bei 710 Hektar betroffener Waldfläche. Auch die durchschnittliche Waldbrandfläche von 1,2 Hektar je Waldbrand war in 2023 überdurchschnittlich und stellt den fünfthöchsten Wert seit Beginn der Waldbrandstatistik dar (siehe mehr zu <a href="https://www.umweltbundesamt.de/node/20375">Waldbränden</a>). Durch die Brände wurden ca. 0,11 Mio. t CO2-Äquivalente an Treibhausgasen freigesetzt. Werden nur die CO2-Emissionen aus Waldbrand (0,95 Mio. t CO2-Äquivalente) betrachtet, machen diese im Verhältnis zu den CO2-Emissionen des deutschen Gesamtinventars nur einen verschwindend kleinen Bruchteil aus.</p> </p><p> Veränderungen bei Ackerland und Grünland <p>Mit den Kategorien Ackerland und Grünland werden die Emissionen sowie die Einbindung von CO2 aus mineralischen und organischen Böden, der ober- und unterirdischen <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/biomasse">Biomasse</a> sowie direkte und indirekte Lachgasemissionen durch Humusverluste aus Mineralböden nach <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/landnutzungsaenderung">Landnutzungsänderung</a> sowie Methanemissionen aus organischen Böden und Entwässerungsgräben berücksichtigt. Direkte Lachgas-Emissionen aus organischen Böden werden im Bereich <a href="https://www.umweltbundesamt.de/daten/land-forstwirtschaft/beitrag-der-landwirtschaft-zu-den-treibhausgas#klimagase-aus-landwirtschaftlich-genutzten-boden">Landwirtschaft unter landwirtschaftliche Böden</a> berichtet.</p> <strong>Ackerland</strong> <p>Für die Landnutzungskategorie Ackerland betrugen im Jahr 2023 die THG-Gesamtemissionen 20,1&nbsp;Mio. t CO2 Äquivalente und fielen damit um 0,8 Mio. t CO2 Äquivalente ≙ 4 % geringer im Vergleich zum Basisjahr 1990 aus (siehe Tab. „Emissionen und Senken im Bereich <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/landnutzung">Landnutzung</a>, Landnutzungsänderung und Forstwirtschaft“). Hauptquellen sind die ackerbaulich genutzten organische Böden (47 %) und die Mineralböden (45 %), letztere hauptsächlich infolge des Grünlandumbruchs. Die <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/anthropogen">anthropogen</a> bedingte Netto-Freisetzung von CO2 aus der Biomasse (7 %) ist im Ackerlandsektor gering. Dominierendes <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/treibhausgas">Treibhausgas</a> in der Kategorie Ackerland ist CO2 (2023: 19,2 Mio. t CO2 Äquivalente, rund 96 %).</p> <strong>Grünland</strong> <p>Die Landnutzungskategorie Grünland wird in Grünland im engeren Sinne, in Gehölze und weiter in Hecken unterteilt. Die Unterkategorien unterscheiden sich bezüglich ihrer Emissionen sowohl qualitativ als auch quantitativ deutlich voneinander. Die Unterkategorie Grünland im engeren Sinne (dazu gehören z.B. Wiesen, Weiden, Mähweiden etc.) ist eine CO2-Quelle, welche durch die Emissionen aus organischen Böden dominiert wird. Für die Landnutzungskategorie Grünland wurden 2023 Netto-THG-Emissionen insgesamt in Höhe von 23,7 Mio. t CO2 Äquivalenten errechnet. Diese fallen um rund 8,6 Mio. t CO2 Äquivalente ≙ 27% niedriger als im Basisjahr 1990 aus. Dieser abnehmende Trend wird durch die Pools Biomasse und Mineralböden beeinflusst. Mineralböden stellen eine anhaltende Kohlenstoffsenke dar. Die Senkenleistung der Mineralböden der Unterkategorie Grünland im engeren Sinne beträgt in 2023 -4,9 Mio. t CO2.</p> </p><p> Moore (organische Böden) <p>Drainierte Moorböden (d.h. entwässerte organische Böden) gehören zu den Hotspots für Treibhausgase und kommen in den meisten Landnutzungskategorien vor. Im Torf von Moorböden ist besonders viel Kohlenstoff gespeichert, welches als Kohlenstoffdioxid freigesetzt wird, wenn diese Torfschichten austrocken. Bei höheren Wasserständen werden mehr Methan-Emissionen freigesetzt. Zusätzlich entstehen Lachgas-Emissionen. Im Jahr 2023 wurden aus Moorböden um die 50,8 Mio. t CO2 Äquivalente an THG-Emissionen (CO2-Emissionen: 44,5 Mio. t CO2 Äquivalente, Methan-Emissionen: 2,6 Mio. t CO2 Äquivalente, Lachgas-Emissionen: 3,7 Mio. t CO2 Äquivalente) freigesetzt. Das entspricht in etwa 7&nbsp;% der gesamten Treibhausgasemissionen in Deutschland im Jahr 2023. (siehe Abb. „<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/treibhausgas">Treibhausgas</a>-Emissionen aus Mooren“). Die Menge an freigesetzten CO2-Emissionen aus Mooren ist somit höher als die prozessbedingten CO2-Emissionen des <a href="https://www.umweltbundesamt.de/node/15214#emissionsentwicklung">Industriesektors</a> (47,2 Mio. t CO2).</p> <a href="https://www.umweltbundesamt.de/system/files/medien/384/bilder/3_abb_thg-emissionen-moore_2025-05-26.png"> </a> <strong> Treibhausgas-Emissionen aus Mooren </strong> Quelle: Umweltbundesamt Downloads: <ul> <li><a href="https://www.umweltbundesamt.de/system/files/medien/384/bilder/dateien/3_abb_thg-emissionen-moore_2025-05-26.pdf">Diagramm als PDF (148,20 kB)</a></li> </ul> </p><p> Landwirtschaftlich genutzte Moorböden <p>Drainierte Moorböden werden überwiegend landwirtschaftlich genutzt. Die dabei entstehenden Emissionen aus organischen Böden werden deshalb in den Landnutzungskategorien Ackerland und Grünland im engeren Sinne (d.h. Wiesen, Weiden, Mähweiden) erfasst. Hinzu kommen die Lachgasemissionen aus den organischen Böden (Histosole) des Sektors Landwirtschaft. Insgesamt wurde für diese Bereiche eine Emissionsmenge von rund 42,1 Mio. t CO2-Äquivalente in 2023 (folgende Angaben in Mio. t CO2-Äquivalente: CO2: 42,1, Methan: 2,2 und Lachgas: 3,3) freigesetzt, was insgesamt einem Anteil von 82,9 % an den THG-Emissionen aus Mooren entspricht.</p> </p><p> Feuchtgebiete <p>Unter der Landnutzungskategorie „Feuchtgebiete“ werden in Deutschland verschiedene Flächen zusammengefasst: Zum einen werden Moorgebiete erfasst, die vom Menschen kaum genutzt werden. Dazu gehören die wenigen, naturnahen Moorstandorte in Deutschland, aber auch mehr oder weniger stark entwässerte Moorböden (sogenannte terrestrische Feuchtgebiete). Zum anderen werden unter Feuchtgebiete auch Emissionen aus Torfabbau (on-site: <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/emission">Emission</a> aus Torfabbauflächen; off-site: Emissionen aus produziertem und zu Gartenbauzwecken ausgebrachtem Torf) erfasst. Allein die daraus entstehenden CO2-Emissionen liegen bei rund 1,8 Mio. t CO2-Äquivalenten. Im Inventar in Submission 2024 neu aufgenommen sind die Emissionen aus natürlichen und künstlichen Gewässern. Zu letzteren gehören Fischzuchtteiche und Stauseen ebenso wie Kanäle der Wasserwirtschaft. Durch diese Neuerung fließen nun Methanemissionen in das Treibhausgasinventar ein, die bislang nicht berücksichtigt wurden. Dadurch liegen nun die Netto-Gesamtemissionen der Feuchtgebiete bei 8,8 Mio. t CO2-Äquivalenten im Jahr 2023 und haben im Trend gegenüber dem Basisjahr 1990 um 0,4 % abgenommen. Diese Abnahme im Trend lässt sich auf eine zwischenzeitlich verstärkte Umwidmung von Grünland-, Wald- und Siedlungsflächen zurückführen.</p> </p><p> Nachhaltige Landnutzung und Forstwirtschaft sowie weitere Maßnahmen <p>Im novellierten <a href="https://www.bmuv.de/gesetz/bundes-klimaschutzgesetz">Bundes-Klimaschutzgesetz</a> sind in § 3a Klimaziele für den <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/lulucf">LULUCF</a>-Sektor 2021 festgeschrieben worden. Im Jahr 2030 soll der Sektor eine Emissionsbilanz von minus 25 Mio. t <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/co2">CO2</a>-Äquivalenten erreichen. Dieses Ziel könnte unter Berücksichtigung der aktuellen Zahlen deutlich verfehlt werden. Um dieses Ziel zu erreichen, sind ambitionierte Maßnahmen zur Emissionsminderung, dem Erhalt bestehender Kohlenstoffpools und der Ausbau von Kohlenstoffsenken notwendig. Im Koalitionsvertrag adressieren die Regierungsparteien diese Herausforderungen. Das <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/bmuv">BMUV</a> hat bereits den Entwurf eines „Aktionsprogramm natürlicher Klimaschutz“ vorgelegt, das nach einer Öffentlichkeitsbeteiligung im letzten Jahr innerhalb der Regierung abgestimmt wird. Auf die Notwendigkeit für ambitionierte Klimaschutzmaßnahmen und die Bedeutung von <a href="https://www.umweltbundesamt.de/node/92372">naturbasierten Lösungen für den Klimaschutz</a> hat das Umweltbundesamt in verschiedenen Studien (siehe hierzu <a href="https://www.umweltbundesamt.de/node/90310">Treibhausgasminderung um 70 Prozent bis 2030: So kann es gehen!</a>) hingewiesen</p> <p>Seit dem Jahr 2015 wird die Grünlanderhaltung im Rahmen der EU-Agrarpolitik über das sogenannte Greening geregelt <a href="http://eur-lex.europa.eu/legal-content/DE/TXT/PDF/?uri=CELEX:32013R1307&amp;qid=1464776213857&amp;from=DE">(Verordnung 1307/2013/EU)</a>. Das bedeutet, dass zum ein über Pflug- und Umwandlungsverbot Grünland erhalten und zum anderen aber auch durch staatliche Förderung die Grünlandextensivierung vorangetrieben werden soll. Die Förderung findet auf Bundesländerebene statt. In der Forstwirtschaft sollen Waldflächen erhalten oder sogar mit Pflanzungen heimischer Baumarten ausgeweitet und die verstärkte Holznutzung aus nachhaltiger Holzwirtschaft (siehe <a href="https://www.charta-fuer-holz.de/">Charta für Holz 2.0</a>) gefördert werden. Weitere Erstaufforstungen sind bereits bewährte Maßnahmen, um die Senkenwirkung des Waldes zu erhöhen. Des Weiteren werden durch das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/bmel">BMEL</a>) internationale Projekte zur nachhaltigen Waldwirtschaft, die auch dem deutschen Wald zu Gute kommen, zunehmend gefördert. Eine detailliertere Betrachtung dazu findet sich unter <a href="https://www.umweltbundesamt.de/node/88649">Klimaschutz in der Landwirtschaft</a>.</p> <p>Die <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/treibhausgas">Treibhausgas</a>-Emissionen aus drainierten Moorflächen lassen sich verringern, indem man den Wasserstand gezielt geregelt erhöht, was zu geringeren CO2-Emissionen führt. Weitere Möglichkeiten liegen vor allem bei Grünland und Ackerland in der landwirtschaftlichen Nutzung nasser Moorböden, der sogenannten Paludikultur (Landwirtschaft auf nassen Böden, die den Torfkörper erhält oder zu dessen Aufbau beiträgt). Eine weitere Klimagasrelevante Maßnahme ist die Reduzierung des Torfabbaus und der Torfanwendung (siehe <a href="https://www.dehst.de/DE/Themen/Klimaschutzprojekte/Natuerlicher-Klimaschutz/Moore/moore_artikel.html?nn=284150#doc284160bodyText3">Moorklimaschutz</a>).</p> </p><p> </p><p>Informationen für...</p>

Reaktivität und Transformation funktioneller Gruppen von Spurenstoffen und organischer Hintergrundmatrix bei der Ozonierung von Abwasser

Die Ozonierung ist eine etablierte Technologie zur effizienten Oxidation von organischen Spurenstoffen in der Wasseraufbereitung. Ein wesentlicher Nachteil bei der Anwendung von Ozon ist die Bildung von stabilen und potenziell toxischen Ozonungsprodukten (OPs). Kritisch sind wegen ihrer Langlebigkeit vor allem biologisch stabile OPs. Unmöglich kann die Reaktion aller relevanter CECs mit Ozon, die dabei entstehenden OPs und deren biologische Stabilität untersucht werden. Vielmehr ist es notwendig, basierend auf dem systematischen Studium funktioneller Gruppen Kenntnisse zu generieren, die auf andere Stoffe übertragbar sind. Bislang wurden solche systematischen Studien aber nicht durchgeführt. Noch größer ist die Wissenslücke bei den im Abwasser vorliegenden organischen Kohlenstoffverbindungen (engl.: effluent organic matter, EfOM). Zwar belegt die Ozonzehrung von EfOM dessen Reaktivität gegenüber Ozon, aber welche funktionellen Gruppen reagieren, welche Produkte gebildet werden und wie biologisch stabil diese sind, ist gerade für EfOM mit Heteroatomen (N, S) nicht untersucht. Dieses Vorhaben will beide Lücken durch ein komplementäres analytisches und experimentelles Vorgehen schließen, mit dem gemeinsamen methodischen Ansatz der Einführung einer Markierung in die OPs durch Verwendung von 18O-Ozon und der nachfolgenden Detektion und Identifizierung der OPs mithilfe der (ultra-hochauflösenden) Massenspektrometrie. Das Vorhaben basiert auf der zentralen Hypothese, dass die Reaktion von Ozon sowohl mit bestimmten funktionellen Gruppen organischer Spurenstoffe als auch mit äquivalenten Gruppen des EfOM zu einer vorhersagbaren Bildung von OPs führt. Es zielt darauf ab, i) unser Verständnis der Reaktivität verschiedener funktioneller Gruppen gegenüber Ozon zu verbessern, wobei der Schwerpunkt auf der Identifikation biologisch schwer abbaubarer Funktionen innerhalb der OPs liegt, ii) ozon-reaktive funktionelle Gruppen im EfOM basierend auf bestehendem Wissen zur Transformation von Spurenstoffen zu identifizieren, wobei der Schwerpunkt auf N- und S-haltigen funktionellen Gruppen liegt, welche potentiell chemisch stabile OPs bilden, und iii) die Bedeutung des EfOM im Hinblick auf die Bildung biologisch schwer abbaubarer OPs in der Ozonierung von Abwasser zu bewerten. Dazu soll der biologische Abbau der OPs anhand deren spezifischen funktionellen Gruppen in Säulen-Abbauversuchen und einer simulierten Grundwasseranreicherung untersucht werden. Mit dem neuen Ansatz der Markierung sind wir in der Lage, OPs von CECs ebenso wie von EfOM sicher zu detektieren, besser zu identifizieren und ihre Stabilität gut zu verfolgen. Das Vorhaben generiert ein systematisches und übertragbares Verständnis zur Bildung stabiler OPs basierend auf funktionellen Gruppen organischer Moleküle, von CECs wie von EfOM. Erst wenn die Stabilität der möglichen OPs untersucht ist, wird auch eine systematische toxikologische Bewertung der Ozonung als Wasseraufbereitungsmethode möglich.

Abbau von aromatischen und aliphatischen Kohlenwasserstoffen und deren Derivaten

Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) entstehen bei unvollstaendigen Verbrennungsprozessen von organischem Material (z.B. im Kraftfahrzeugverkehr oder durch Heizkraftwerke) und sind haeufig in Altlasten zu finden. Viele dieser Verbindungen wirken auf Mensch und Tier karzinogen. So ist es von grosser Bedeutung, neue Mikroorganismen zu finden, die diese umweltrelevanten Stoffe abbauen koennen. Der Einsatz thermophiler Mikroorganismen bietet den Vorteil, dass die geringe Wasserloeslichkeit der PAK (relevant fuer die niederen kondensierten) durch die hoeheren Wachstumstemperaturen (ab 60 Grad C.) erhoeht wird und damit ein schnellerer Abbau ermoeglicht werden kann. Einige thermophile, PAK abbauende Mikroorganismen wurden bereits isoliert. Weitere sollen angereichert und isoliert werden sowie auf ihre Faehigkeit zum Abbau von anderen PAK und weiteren Xenobiotica hin untersucht werden. Ebenso ist es von grossem Interesse, die Abbauwege aufzuklaeren, um weitere nuetzliche Informationen ueber die Moeglichkeiten einer PAK-Beseitigung zu erhalten und zur Bewaeltigung der Altlastprobleme beizutragen.

Forschungsschwerpunkt CHEMISCHE DYNAMIK UND SCHICKSAL VON VERUNREINIGUNGSSUBSTANZEN

Das Schicksal der stetig ansteigenden Zahl von chemischen Verbindungen in der Umwelt wird durch viele physikalische, chemische und biologische Prozesse bestimmt. Besonders wichtig sind Vorgaenge an den Grenzflaechen fluessig/gas und fluessig/fest. Die Gleichgewichte an diesen Grenzflaechen bestimmen die Randbedingungen fuer die Verteilung in Wasser, Luft, Boden und Organismen. Felduntersuchungen sollen systematische Daten ueber Vorkommen und Verteilung ausgewaehlter Substanzen liefern. Dateninterpretation mit Verteilungsgleichgewichten und Transportmodellen. Laboruntersuchungen und Literaturstudien zur Bestimmung resp. Beschaffung phys.-chem. Parameter (Verteilungskoeffizienten, Stoffaustauschkoeff., Ab- bzw. Adsorptions-/desorptionsgeschwindigkeitskoeff. etc). Untersuchung chemischer, photochemischer und biologischer Transformations- und Abbauprozesse.

Biologische Sanierung von belasteten Boeden

Belasteter Boden wird in der Regel verbrannt oder deponiert. Durch spezielle Bakterien und Hefen koennen die Belastungen zum Teil sehr erheblich abgebaut werden. Im Vordergrund dieses Projektes steht die Analyse der Boeden. Eine Pilotanlage ist in Planung. Der erste Abschnitt der Forschungsarbeit umfasst die Analyse von Boeden auf Mineraloelkohlenwasserstoffen in ihrer Konzentration und Zusammensetzung. Die Sanierung der Bodenproben stellte sich je nach Art der Kohlenwasserstoffe unterschiedlich dar. Der zweite Schritt der Forschungsarbeit umfasst die Analyse von Boeden auf Ruestungs- und Sprengstoffrueckstaende. Erste Erkenntnisse der Sanierungserfolge sind fruehestens Ende 1996 zu erwarten.

Modellierung des Verbleibs von organischem Kohlenstoff und Mikroverunreinigungen in biologisch-aktiven Aktivkohlefiltern

Das Vorkommen von organischen Mikroverunreinigungen (OMP) in Gewässern ist aufgrund ihrer potenziellen Bedrohung für die Umwelt und die menschliche Gesundheit sehr kritisch. Kläranlagenabläufe sind eine der Hauptquellen für OMPs; deshalb werden derzeit neue rechtliche Rahmenbedingungen diskutiert und verschiedene Technologien zur Reduktion von OMPs untersucht. Granulierte Aktivkohlefilter (GAK) haben sich als geeignete Technologie zur Entfernung von OMP aus Kläranlagenabläufen etabliert. Neben der adsorptiven Entfernung sind GAK-Filter auch in der Lage, organische Stoffe und OMPs biologisch zu entfernen. Die Phänomene, die diesen adsorptiven und biologischen Abbau steuern, sowie die Synergien zwischen diesen beiden Mechanismen sind von großer Bedeutung, jedoch sind die Prozesse sehr komplex. Zum einen handelt es sich bei Abwässern um Multikomponentengemische, die schwer zu charakterisieren sind, und zum anderen sind die verschiedenen Wechselwirkungen zwischen GAK, Biofilm, OMP und organischen Stoffen nur schwer experimentell zu erfassen. Mathematische Modelle sind ein leistungsfähiges Instrument zur Überwindung solcher experimentellen Hindernisse, zur Analyse verschiedener Szenarien und zur Unterstützung der Planung weiterer Experimente. Anhand von Versuchsdaten wurde ein erstes mathematisches Modell entwickelt, das die Entfernung von gelöstem organischem Kohlenstoff in einem biologisch aktiven GAK-Filter zufriedenstellend beschreiben kann. Dieses Projekt zielt darauf ab, dieses Modell zu verbessern und um neue Schlüsselmerkmale zu erweitern, die für eine weitere Anwendung erforderlich sind. Insbesondere sollen drei Hypothesen getestet werden: (i) Ist es möglich, die Porengrößenverteilung in das Modell aufzunehmen? Die Porengrößenverteilung ist ein Schlüsselparameter für die Charakterisierung der verschiedenen GAK-Typen, daher ist ihre Implementierung in das Modell unerlässlich. Die herkömmlichen Ansätze erfordern jedoch Parameter, die schwer zu bestimmen sind. (ii) Könnte eine mikrobielle Gemeinschaft, die den Stickstoffzyklus einschließt, die Qualität des Modells verbessern? Auf der Grundlage experimenteller Belege, die den biologischen Abbau von OMPs mit der Aktivität von Nitrifikanten in Verbindung bringen, zielt das Projekt darauf ab, co-metabolische Prozesse zu implementieren und ihre Auswirkungen auf die globalen Modellierungsergebnisse zu bewerten. (iii) Wie können einzelne OMPs in das Modell einbezogen und ihr Verhalten zufriedenstellend wiedergegeben werden? Die Vorhersage des Abbaus einzelner OMPs ist von großer Bedeutung. Daher werden exemplarisch vier OMPs in das Modell aufgenommen und als Stellvertreter für den Abbau weiterer OMPs verwendet. Da die mechanistische Beschreibung der OMPs sehr kompliziert werden kann, wird der Ansatz des mechanistischen Modells mit Methoden des maschinellen Lernens kombinieren.

Evaluierung der Elektro-Ultrafiltration zur Erfassung der Stickstoffnachlieferung auf langjährig ungedüngten Standorten

Versuchsziel: Mit dem Versuch wird geprüft, ob sich eine unterschiedliche N-Nachlieferung auch dann in entsprechenden extrahierbaren organischen N-Gehalten widerspiegelt, wenn der Humusgehalt im Boden ähnlich hoch ist. Hintergrundinformation: Für die Bestimmung der N-Nachlieferung gibt es noch keine sichere Methode. Auch die weit verbreitete EUF-Methode vermag lediglich zwischen Standorten mit stark unterschiedlichen Humusgehalten zu unterscheiden. Standorte mit etwa gleichem Humusgehalt, aber unterschiedlichem N-Nachlieferungspotential kann die Methode jedoch nicht differenzieren. Nach erfolgreichen Vorarbeiten mit der Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) zur Analyse geringer Zellulosemengen (= leicht abbaubarer C im Boden) soll untersucht werden, ob sich das unterschiedliche N-Nachlieferungspotential von Böden eines Standortes (fast gleicher Humusgehalt) mit der NIRS besser differenzieren lässt als mit der EUF-Methode. Als weitere Methode soll die Extraktion mit CaCl2 geprüft werden.

Abbau von N-Methylverbindungen zu Methan, Kohlendioxid und Ammoniak

Es werden Mikroorganismen gesucht und untersucht, welche in Mischkultur mit Methanosarcina barkeri Verbindungen wie Cholin oder Betain in Methan, Kohlendioxid und Ammoniak umwandeln.

Transportverhalten und Transformation von organischen Spurenstoffen in Flüssen - Prozesse und Modellierung

Veranlassung Organische Spurenstoffe bilden beim Monitoring der Gewässergüte das größte, weiterhin zunehmende Stoffspektrum. Nach der EU-Wasserrahmenrichtlinie stellt sich die Frage, für welche Spurenstoffe Umweltqualitätsnormen festzusetzen sind und welche Maßnahmen an welchen Stellen die Konzentrationen in den Gewässern effektiv verringern können. Für eine sichere Trinkwasserversorgung aus Uferfiltrat bedarf es auch vor dem Hintergrund der angestrebten Resilienz gegenüber den Folgen des Klimawandels besserer Kenntnisse der Bedingungen, unter denen Grenz- oder Orientierungswerte im Rohwasser überschritten werden. Antworten auf diese Fragen werden dadurch erschwert, dass Transport- und Abbauverhalten organischer Spurenstoffe im Gewässer oft nicht oder nur unzureichend bekannt sind. Dies limitiert auch Prognosen zu Auswirkungen von Unterhaltungs- und Ausbaumaßnahmen auf den chemischen Zustand von Bundeswasserstraßen. Die Aufklärung der reaktiven Eigenschaften bestimmter Stoffe und Stoffgruppen im Fließgewässer und die entsprechend fortentwickelte Modellierung ermöglichen eine Optimierung des Gütemonitorings zum Schutz der Flüsse und der Trinkwasserressourcen. Die Ergebnisse liefern wesentliche Grundlagen, um die Belastung durch bestimmte Spurenstoffgruppen besser einzuschätzen, Belastungsschwerpunkte zu identifizieren und Minimierungsmaßnahmen gezielt planen zu können. Darüber hinaus werden durch erweitertes Prozessverständnis und Modellgrundlagen Voraussetzungen geschaffen, um die Auswirkungen des Klimawandels auf die stoffliche Belastung in Bundeswasserstraßen besser einschätzen zu können. Zur Modellierung organischer Spurenstoffe in Flüssen sind unterschiedliche Modelle im Einsatz. Explizite Gewässergütemodelle mit spezifischen Modulen zum reaktiven Transport organischer Spurenstoffe in Fließgewässern, die auch Photolyse, Sorption und Biodegradation berücksichtigen, sind bisher nur sehr wenige etabliert. Allen Modellen mangelt es an der Implementierung spezifischer Terme, die für den reaktiven Transport besonders relevanter Spurenstoffe bzw. -stoffgruppen im Fließgewässer maßgeschneidert sind. In der Regel fehlen Kenntnisse über das Abbauverhalten der Substanzen und über ihre Transformationsprodukte als Voraussetzung für die modelltechnische Umsetzung. Das Gewässergütemodell QSim der Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) bietet gute Voraussetzungen für eine ergänzende Entwicklung zur gezielten Simulation des reaktiven Spurenstofftransports in Flüssen: Eine numerische Lösung für den Stofftransport liegt vor und wesentliche Eingangsgrößen für den Spurenstoffabbau sind bereits im Modell angelegt. Fragen zur wasserwirtschaftlichen und ökologischen Belastung durch organische Spurenstoffe und zu deren Modellierung bewegen auch die Wasserwirtschaftsverbände im Rheineinzugsgebiet. Mit Unterstützung der BfG hat der Ruhrverband für Lenne und Ruhr QSim-Modellinstanzen aufgebaut. Ferner wurde vom Ruhrverband ein erster Ansatz zur gezielten Simulation eines photolytisch sensitiven organischen Spurenstoffes mit QSim entwickelt. Da sich zur Aufklärung der Prozesse des reaktiven Spurenstofftransports kleinere Fließgewässer besser eignen als große Flüsse, bietet sich die Kooperation mit einem Wasserwirtschaftsverband des Rheingebietes an, um anhand eines gezielten Prozessmonitorings an einem Zufluss grundlegende Erkenntnisse für die Spurenstoffmodellierung im Rhein ableiten zu können. Da der Ruhrverband und die BfG großes Interesse daran haben, zum Transport- und Abbauverhalten von Spurenstoffen und zu deren Modellierung zusammenzuarbeiten, soll das Forschungsprojekt in Kooperation durchgeführt werden.

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