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Forschergruppe (FOR) 5094: Dynamik des tiefen Untergrundes von Hochenergiestränden, Teilprojekt Spurenelemente und Metallisotope: Transformation und Fraktionierung

Durch DynaDeep soll ein Verständnis der Funktionsweise und Relevanz des Land-Meer Übergangs im Untergrund von Hochenergiestränden gewonnen werden. Wir nehmen an, dass dieser einen hoch dynamischen Bioreaktor und ein einzigartiges mikrobiologisches Habitat darstellt und Netto-Stoffflüsse in Richtung Meer stark beeinflusst. Um dieses Ziel zu erreichen, werden sechs Teilprojekte gemeinsam Felduntersuchungen und experimentelle Arbeiten durchführen und diese mit mathematischen Modellen integrativ kombinieren. P4 wird die Dynamik von Spurenmetallen und Metallisotopen im Zusammenhang mit biogeochemischen Prozessen im subterranen Ästuar (STE) auf Spiekeroog untersuchen. Wir werden die Hypothese testen, dass überlappende Redoxzonen, dynamische Änderungen mikrobieller Aktivität und räumlich-zeitliche Änderungen in Redox- und Salinitätsgrenzflächen eindeutige Spurenmetall- und Isotopensignaturen in hochenergetischen Stränden generieren. P4 wird Spurenmetallkonzentrationen (Fe, Mn, Co, Mo, Re, Tl, U, V, Seltenerdelemente) und Fe und Mo Isotope in (Poren-)Wasser und Sedimenten messen. Regelmäßige Feldprobenahmen werden Einblick in die räumlich-zeitlichen Änderungen von Spurenmetall- und Metallisotopen-Mustern unter sich ändernden Randbedingungen liefern. Inkubationsexperimente im Labor sollen genutzt werden, um die Mobilisations-, Retentions- und Fraktionierungsraten zu bestimmen, um die physikochemischen und mikrobiellen Änderungen im Detail zu verstehen, die diese Reaktionen im tiefen bis flachen Untergrund des STEs auf Spiekeroog antreiben. Spurenmetalle und zusätzlich Hauptionen, Nährstoffe und Gesamtalkalinität werden für mathematische Modellierungen (P1, P6), Bestimmung von Reaktionsraten (P2) und biogeochemische Studien in P3 und P5 zur Verfügung gestellt. Gemeinsam sollen die Daten genutzt werden, um zu beurteilen, wie die Transformation und Fraktionierung von Spurenmetallen und Metallisotopen mit der Quelle und dem Alter des Wassers, den Redoxbedingungen und den Eigenschaften von organischer Substanz und der mikrobiellen Gemeinschaft zusammenhängen.

Bilanzierung des Beitrags mikrobieller Biomasse zur Bildung refraktärer organischer Substanz im Boden mittels Isotopentracertechniken (Zellen, Zellbestandteile, CO2 und NH4)

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.

Effizientere Biogasproduktion aus lignocellulosereichen Reststoffen durch Zusatz aerober und anaerober Pilze, Teilvorhaben 1: LCR-Vorbehandlung mit anaeroben Pilzen

Ziel des vorgeschlagenen Projekts ist es, das große Potenzial aerober und anaerober Pilze zum Aufschluss lignocellulosereicher Reststoffe (LCR) für die Biogasproduktion zu nutzen. Insbesondere landwirtschaftliche Biomasse, wie anfallendes Rest-Stroh, stellt bisher eine fast ungenutzte Ressource dar, denn der Aufschluss schwerverdaulicher LCR im Biogasprozess ist immer noch eine Herausforderung. Der trotz langer Verweilzeiten schlechte Faseraufschluss im anaeroben Milieu, damit verbundene mechanische und biologische Prozessstörungen und unbefriedigende Methanausbeuten limitieren daher bisher den Einsatz solcher LCR. Pilze gehören zu den effektivsten Verwertern pflanzlicher Biomasse. Durch den spezifischen Zusatz aerober und anaerober Pilze und damit der synergistischen Nutzung ihrer speziellen Abbaustrategien soll ein besserer Aufschluss und eine gesteigerte Methanproduktion aus schwerverdaulichen LCR erzielt werden. Technische Grundlage sind zweistufige Biogasanlagen mit einer dem anaeroben Fermenter vorgeschalteten, geschlossenen aeroben Hydrolysestufe. Durch gezielte Integration von Kulturen geeigneter Pilze, die entsprechend den Bedingungen ihres natürlichen Lebensraums (aerob bzw. anaerob; Flüssig- bzw. Festsubstrat) angezogen werden, wird eine gesteigerte biologische LCR-Nutzung angestrebt, wie sie im konventionellen Betrieb mit Enzymcocktails oder physikalischer Vorbehandlung unter ökonomischen Gesichtspunkten kaum erreicht werden kann.

Marmorkrebse als Bioreaktoren für wertvolle Bio-polymere

Marmorkrebse als Bioreaktoren für wertvolle Bio-polymere, 'Bioökonomie International 2021: ChitoCray - Marmorkrebse als Bioreaktoren für wertvolle Bio-polymere'

Erprobung eines geschlossenen Hochleistungsreaktors fuer die biologische Abwasserreinigung

Untersuchung eines Bioreaktors fuer die biologische Abwasserreinigung. Der Reaktor besteht aus einem zylindrischen Behaelter, in dem sich zum dispergieren der Luft und zur Durchmischung der Biosuspension eine Hubeinrichtung befindet. Die Hubeinrichtung - bestehend aus einer Hubstange mit Lochscheiben - ist massgebend fuer die Leistungsfaehigkeit des Bioreaktors. Aus diesem Grunde soll der Einfluss von Hubfrequenz, Hubamplitude und Abstand der Lochscheiben auf die Verweilzeit des Abwassers untersucht werden. Weitere zu untersuchende Einflussgroessen sind: Bakterienkonzentration, Ruecklauf der Biokonzentration und Energiebedarf.

Aufbereitung oelhaltiger Schlaemme aus Leichtfluessigkeitsabscheidern in Bioreaktoren

Fuer die Entsorgung oelhaltiger Schlaemme aus Leichtfluessigkeitsabscheidern und Sandfaengen ist entsprechend den Anforderungen der TA-Abfall eine chemisch-physikalische, biologische Behandlungsanlage oder eine Sonderabfallverbrennung vorgesehen. Die von der FH Muenster vorgeschlagene Flotation mit nachfolgender biologischer Aufbereitung der flotativ behandelten Schlaemme soll eine Ablagerung der Schlaemme suf Deponien der Klasse 1 ermoeglichen. Die biologische Autbereitung kann in Mieten und Suspensionsreaktoren erfolgen und ist Gegenstand der Untersuchungen. Fuer den Abbau von durch Flotation vorbehandelten Oelschlaemmen aus Fluessigkeitsabscheidern wird eine Sludge-Airlift-Reaktoranlage eingesetzt. In ersten, auf sechs Wochen festgelegten Versuchen ist in Abhaengigkeit von der eingesetzten Kornfraktion, der zugegebenen Mikroflora sowie den Naehrsubstraten und Detergentien eine Abbauleistung zwischen 85 Prozent und 95 Prozent bei einer anfaenglichen MKW-Belastung von 80.800 mg/Reaktor ereicht worden. Strippverluste werden durch einen Abgaswaescher und die Rueckfuehrung des Waschwassers in den Bioreaktor ausgeglichen. Die eingesetzte, aus den Oelschlaemmen selektierte Mikroftora, wird extern angereichert und dem Prozess zugefuehrt.

Dezentrale Kultivierung von Mikroalgen unter Verwendung von CO2 aus Abgasen einer Biogasanlage, Teilvorhaben: Markt- und Kostenanalyse

Bau und Betrieb einer Biogasanlage zur gemeinsamen Vergärung von Wirtschaftsdüngern mit anschließender Aufbereitung zu Biomethan

Das Verbundvorhaben zwischen der Bioenergy Concept GmbH und des CC4E der HAW Hamburg hat zum Ziel, eine innovative Modell- und Demonstrationsanlage im Landkreis Lüneburg zu realisieren, die Wirtschaftsdünger von mehreren Landwirtschaftsbetrieben zentral zu Biogas vergärt und weiter zu Biomethan aufbereitet. Die hierfür nötige Prozesswärme wird durch den Betrieb einer Pyrolyse erzeugt. Der Einsatz ligninhaltiger Reststoffen und die Produktion von Biokohle stellen ein nachhaltiges und ökologisch zukunftsfähiges Verfahren dar. Das produzierte Biomethan soll primär im Verkehrssektor eingesetzt werden. Als potentieller Hauptabnehmer hat der Landkreis Lüneburg bereits sein Interesse bekundet, das Biomethan in der vom Landkreis betriebenen Elbfähre Bleckede - Neu Darchau und zukünftig auch im ÖPNV zu nutzen. Die als Nebenprodukt pyrolytisch erzeugte Biokohle soll zur Tierfütterung und zur Stabilisierung der Prozessbiologie im Fermenter eingesetzt werden. Sie trägt so zur Aufwertung der Gärreste und zum Humusaufbau der landwirtschaftlichen Flächen bei. Das Ziel der wissenschaftlichen Begleitung seitens der HAW ist es, die Akzeptanz zur Vergärung von Wirtschaftsdüngern zu untersuchen und ggfs. zu stärken. Für die Grundlage des dafür angestrebten Wissenstransfers in alle beteiligten Gruppen soll eine umfangreiche Ausarbeitung bestehender Forschungsergebnisse dienen. Zusätzlich wird mittels Nährstoffanalysen von Edukten und Produkten ein praxisspezifischer Kenntnisstand geschaffen, insbesondere der durch Gärung bedingten, veränderten Düngeeigenschaften von Wirtschaftsdünger. Ferner soll ein allgemeiner Leitfaden zur energetisch-stofflichen Nutzung von Wirtschaftsdüngern in Biogasanlagen geschaffen werden. Eine Bilanzierung von Treibhausgasemissionen der Demonstrationsanlage bilden die Grundlage für mögliche Erweiterungen. Das Verbundvorhabens ist auf drei Jahre vom 07/2023 - 6/2026 ausgelegt und hat ein angestrebtes Fördervolumen von 1,38 Mio €.

Green ERA Hub Call 2: CROP BOOSTERS - Biotechnologische Lösungen zur Minderung von Pflanzenstress

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