Teilprojekt C05 hat zum Ziel, den wichtigen Eintragsweg für Kunststoffe, in Form von Mikroplastik, in die Umwelt aus technischen Anlagen (MP) mechanistisch aufzuklären. Gleichzeitig sollen neue Ansätze verfolgt werden, die zur Vermeidung bzw. Reduktion von MP aus Standardkunststoffen maßgeblich beitragen sollen. Zu diesem Zweck sollen Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Nylon, Polyethylenterephthalat, Polyisopren und Polyvinylchlorid durch Beschleuniger (in situ) in ihren Oberflächeneigenschaften für die Biofilmbildung modifiziert und dadurch unter Prozessbedingungen biologisch angreifbar und abbaubar gemacht werden. So können auch Standardkunststoffe umweltverträglicher bezüglich der MP-Partikel Bildung werden. Damit geht TP C05 weit über die bislang üblichen eher deskriptiven Studien zu MP in technischen Anlagen und der Umwelt hinaus. Folgende zentrale Fragen sollen in TP C05 in Hinblick MP-Partikel in technischen Anlagen der Abfall- und Abwasserwirtschaft beantwortet werden: 1. Kommt es in den Anlagen zu spezifischen (biologischen) Abbau- und Degradationsvorgängen? 2. Wie hängen die zu beobachtenden Prozesse von MP-Charakteristika (Materialsorte, Zusammensetzung, Größe, Morphologie, Beschichtung) ab, ? 3. Lassen sich die Vorgänge ('Bioabbaubarkeit') durch gezielte Modifikation der Partikeloberfläche vor oder in den Anlagen beschleunigen? 4. Welche ökologischen Konsequenzen einer Ausbringung der (modifizierten) Partikel in die Umwelt und hier vor allem in den Boden lassen sich postulieren?
Im Jahr 2018 wurden in Deutschland rund 866 Millionen Tonnen Treibhausgase produziert, wobei weltweit 10-12 % der anthropogenen Treibhausemissionen der Landwirtschaft zuzuordnen sind. Während der Austausch an CO2 durch die gleichzeitige CO2 Fixierung in organische Masse fast ausgeglichen ist, beträgt der Anteil der Landwirtschaft bei Methan 50 % und Lachgas sogar 60 % aller Emissionen. Dies ist vor allem auf den Einsatz mineralischer und organischer Düngemittel zurückzuführen. Ohne ein aktives Gegensteuern wird eine Steigerung der Lachgasemissionen um 30-65 % bis 2030 in der Agrarwirtschaft erwartet. Um das gesetzte klimapolitische Ziel einer weitgehenden Treibhausgas-Neutralität bis 2050 zu erreichen, stellt ein klimaschonender Anbau von nachwachsenden Rohstoffen in der Landwirtschaft eine wichtige Strategie dar. Ein zentraler Teilaspekt dieser Strategie könnte die Ansiedlung der gegenüber biotischen und abiotischen Bedingungen toleranten terrestrischen Cyanobakterien sein, die in der Lage sind Luftstickstoff zu fixieren und in - für andere Organismen verwertbaren - Stickstoff umzuwandeln und an die Umgebung abzugeben. Zusätzlich dazu wachsen terrestrische Cyanobakterien eingebettet in einer Matrix aus extrazellulären polymeren Substanzen was zu einer wünschenswerten Bodenstabilisierung und damit zum Schutz vor Bodenerosion sowie zur Förderung der Wasserspeicherung im Boden beitragen könnte. Hierzu sollen stickstofffixierende Cyanobakterien, die aus der kühlgemäßigten Klimazone isoliert wurden, eingesetzt werden. Geeignete Stämme müssen die Stickstofffixierung räumlich durch die Ausbildung von Heterozysten vom Photosyntheseapparat getrennt haben und den bioverfügbaren Stickstoff an die Umgebung abgeben. Co-Kultivierungen von Cyanobakterien mit Arabidopsis thaliana (Acker-Schmalwand) sowie Triticum aestivum (Weizen) sollen zeigen, ob eine künstlich induzierte Symbiose möglich ist. Neben der Agrarpflanze Weizen wurde A. thaliana ausgewählt, da es sich hierbei um eine schnellwachsende und gut charakterisierte Modellpflanze handelt und sie zur selben Familie wie die Nutzpflanzen Kohl, Brokkoli und Meerrettich zählt. Zur Ausbringung der Biofilme in die Agrarwirtschaft sollen diese auf einem biologisch abbaubaren Trägermaterial immobilisiert werden. Hierfür soll ein Aerosolreaktor konzipiert und charakterisiert sowie ein Animpf- und Ernteverfahren etabliert werden. Zusätzlich dazu soll der Wasserrückhalt der Biofilme durch Variation der Prozessparameter optimiert werden. Abschließend soll die Co-Kultivierung von immobilisierten Cyanobakterien auf dem Trägermaterial und Pflanzen in Pflanzsubstraten in Abhängigkeit der Temperatur untersucht werden. Hier soll die Frage beantwortet werden, ob ein periodisches Ausbringen der Cyanobakterien notwendig ist, oder ob eine dauerhafte Implementierung von Biofilmen im Boden möglich ist.
Der Algen-, Leuchtbakterien- sowie BSB-Test sind Testverfahren, die Reaktionen von Mikroorganismen auf Umweltveraenderungen quantitativ erfassen. Diese Messverfahren sind in Rechtsvorschriften festgelegt. Die Erweiterung auf kontinuierliche, auch prozessbegleitende Messverfahren setzt Aenderungen in den apparativen Ausfuehrungen voraus, die hier weiter optimiert bzw. den Erfordemissen des Labors fuer Bioverfahrenstechnik angepasst werden. Mit dem modifizierten Algentest ToxAlarm der Firma LAR zur Bestimmung der Guetequalitaet von Gewaessern wird die Toxitaet verschiedener Herbizide, Insektizide und Metallverbindungen mit guter Reproduzierbarkeit bestimmt. Eine eigene kontinuierlich arbeitende Biofloureszenzmesseinrichtung kommt zur Toxitaetspruefung von Tensiden fuer die situ-Bodensanierung zum Einsatz. BSB on line Messungen mit dem Biomonitor von LAR dienen vor allem der Prozesskontrolle bei der aeroben Abwasserreinigung. Die Zeitverzoegerung der Messwerte betraegt etwa sieben Minuten. Eine fuenftaegige Inkubationsphase ist nicht mehr erforderlich. Die erhaltenen Werte dienen als Mass fuer die Belastung der Klaeranlage und koennen sofort beruecksichtigt werden. Es gelingt, die Reproduzierbarkeit der Messwerte zu verbessern.
Eine Substitution fossiler durch biogene Rohstoffe für stoffliche Anwendungen ist ein maßgeblicher Schritt zur Reduktion der anthropogenen CO2 Emissionen. Dabei sollte Biomasse im Sinne der Bioökonomie möglichst ganzheitlich und effizient genutzt werden, um die Flächeneffizient und den Beitrag zur Eindämmung des Klimawandels zu maximieren. Die hochwertige Verwendung von bisher kaum genutzten landwirtschaftlichen Reststoffen ist eine vielversprechende Methode zur Effizienzsteigerung. Die stoffliche Nutzung von Agrarreststoffen ist allerdings problematisch. Biogene Stoffe haben stets eine schwankenden Produktqualität. Deshalb ist eine Vorbehandlung und Auftrennung der Reststoffe auf verwertbare Bestandteile notwendig und ein entscheidender Schritt für die Weiternutzung. Deutschland und Taiwan stellen zwei Technologieführer mit hohem Umweltbewusstsein in ihrer jeweiligen Klimazone dar. Deutschland befindet sich in der gemäßigten Klimazone, während Taiwan sich in der (sub-)tropischen Klimazone befindet. Besonders vielversprechende landwirtschaftliche Reststoffe, die sich für eine stofflich Nutzung eignen und daher untersucht werden sollen, sind in der gemäßigten Klimazone Getreidestroh und in der (sub-)tropischen Klimazone Kakao- und Bananenschalen, sowie Reisstroh. Zudem fallen Tomatenpflanzenreste in beiden Klimazonen an. Im angestrebten Projekt wird der landwirtschaftliche Reststoff zunächst in einem hydrothermalen Aufbereitungsverfahren aufgeschlossen, um die anaerob kaum abzubauenden Fasern von den sehr gutvergärbaren Bestandteilen zu trennen. Dies wird in Deutschland mittels Thermodruckhydrolyse realisiert und in Taiwan mittel Überkritischer Wassermethode. Anschließend folgt eine Auftrennung in einem Flüssig/Fest-Separator. Der faserreiche Feststoff soll als Torfersatzprodukt und als Substrat zur mikrobiellen Zelluloseproduktion genutzt werden. Torf findet insbesondere im Gartenbau Anwendung, da er diverse Vorteile besitzt. Allerdings bildet sich Torf in Mooren nur sehr langsam und zur Gewinnung müssen die CO2-bindende Moore entwässert werden. Im Projekt soll untersucht werden in wie weit die produzierten Fasern Torf ersetzen können. Ein zweiter zu untersuchender Ansatz im Projekt ist es die Feststofffraktion als Nährmedium für Bakterienkulturen zu verwenden, die gezielt mikrobielle Zellulose produzieren. Die Flüssigkeit soll mithilfe innovativer zweistufiger Biogasanlage energetisch genutzt werden soll. Die Nutzung der Organik zur Biogasproduktion soll die Prozessenergie der energieintensiven Aufbereitung bereitstellen. Der TS-Gehalt der flüssigen Fraktion ist sehr gering, was bei herkömmlichen volldurchmischten Reaktoren eine lange Verweilzeit und somit ein sehr großes Reaktorvolumen verursacht. Um diese Nachteile zu reduzieren, sollen im Projekt zweistufige Reaktorsysteme untersucht werden. Während in Taiwan beide Fermenter volldurchmischt betrieben werden, wird in Deutschland der Methanreaktor als Festbettfermenter ausgeführt.