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Ueber die Herkunft von Ammonium im Wasser

In einigen Veroeffentlichungen der letzten Jahre wird die Bildung von Ammonium aus Nitrat in Frage gestellt. Wir haben aus je einer Erd- und Talsperrensedimentprobe 60 verschiedene Staemme von nitratammonifizierenden Bakterien erhalten. Von den Bakterien, die unter anaeroben Bedingungen aus Nitrat Ammonium bilden, sind diejenigen zu trennen, die Nitrat unter Bildung von N2 oder N2O denitrifizieren. Verschieden von beiden Prozessen ist die Ammoniumbildung aus organischen, stickstoffhaltigen Verbindungen (Ammonifikation). Nitratammonifizierende Bakterien koennen auch Nitrit und teilweise Hydroxylamin unter anaeroben Bedingungen reduzieren. Sowohl bei der Denitrifikation als auch bei der Nitratammonifikation kann aus organischer Substanz Ammonium gebildet werden.

Abbau von hohen Nitratgehalten in vorwiegend anorganisch belasteten Abwaessern

Zahlreiche Industrieabwaesser weisen einen hohen Gehalt von anorganischen N-Verbindungen auf. Diese muessen vor Einleitung in den Vorfluter beseitigt werden, da sie sowohl fuer die Gewaesser-Biologie (Eutrophierung) als auch fuer die Trinkwassergewinnung Probleme aufwerfen. Hierfuer kommen in erster Linie mikrobiologische Verfahren in Frage: verschiedene Bakterien koennen Nitrat unter aneroben Bedingungen zu N2 reduzieren, das als Gas entweicht (Denitifikation); Ammonium kann von sog. Nitrifikanten zu Nitrat unter aeroben Verhaeltnissen oxidiert werden, das dann anschliessend (wie o. erwaehnt) zu N2 reduziert werden kann. - Ziel des Projektes ist es, diese Prozesse mit belasteten Abwaessern unter Verwendung besonders geeigneter Bakterien zu untersuchen. Dabei sollen die einzelnen Parameter zunaechst im Labormasstab (und zwar im kontinuierlichen Betrieb) ermittelt werden. Fuer die Denitrifikation sollen Thiobacillen eingesetzt werden, deren Verwendung besonders praktisch und oekonomisch ist, da sie keine organische C-Quelle benoetigen.

CRISTA-NF Beobachtungen von polaren Stratosphärenwolken und Spurengasmischungsverhältnissen in der arktischen Stratosphäre im Winter

Die Verteilungen vieler Spurengase wie HNO3, O3 und ClONO2 im polaren Vortex werden durch polare Stratosphärenwolken (PSCs) beeinflusst. NAT (Nitric Acid Trihydrate)-Teilchen, die ein Typ von PSC-Teilchen sind, können auf Größen anwachsen, die zu einem Absinken der Teilchen führen und somit zu einer Umlagerung von NOy. In denitrifizierten Luftmassen dauert der Ozonabbau länger an, da die Chlordeaktivierung dort verlangsamt abläuft. Wenn man die Verteilung der wichtigen Spurengase möglichst genau simulieren möchte, muss man diese Prozesse verstanden und im Modell berücksichtigt haben. Vor allem Bildung und Wachstum der NAT-Teilchen ist dabei sehr wichtig, da diese Prozesse in Modellen nur auf Basis von Messungen parametrisiert, aber bis jetzt noch nicht komplett verstanden sind. Selbst bei verbesserten Parametrisierungen treten immer noch Abweichungen zwischen Simulation und Messung (z.B. Größenverteilung der NAT-Teilchen, NOy Umlagerung) auf.Messungen des flugzeuggetragenen Infrarot-Limbsounders CRISTA-NF (CRyogenic Infrared Spectrometers and Telescope for the Atmosphere - New Frontiers) werden verwendet, um mehr über die relevanten Prozesse zu lernen. CRISTA-NF misst Höhenprofile der thermischen Emission verschiedener Spurengase im mittleren Infrarot. Die Messungen ermöglichen die Herleitung 2-dimensionaler Vorhänge der Mischungsverhältnisse unterschiedlicher Spurengase (z.B. HNO3, CFC-11, O3, ClONO2) und zudem die Detektion verschiedener PSCs (NAT, STS (Supercooled Ternary Solution) und Eis). Kleine NAT-Teilchen (Radius größer als 3 mym) verursachen eine spektrale Signatur, die zur Detektion verwendet wird. Neue Ergebnisse zeigen, dass es zu einem Verschub der Signatur kommen kann und dass die Stärke des Verschubs von der Größenverteilung der Teilchen abhängt. In der bestehenden Detektionsmethode wird der Verschub nicht berücksichtigt und die Methode wird verbessert werden, um Fehlinterpretationen zu reduzieren. Zudem wird die neue Methode die Herleitung von Informationen über die Größenverteilung kleiner NAT-Teilchen ermöglichen. Weiterhin soll der Strahlungseinfluss aufgrund der PSCs im Retrieval berücksichtigt werden, was die Herleitung von Spurengasmischungsverhältnissen in der Gegenwart von PSCs deutlich verbessert.Innerhalb des Projekts werden Simulationen des Chemie-und-Transport-Modells ClaMS (Chemical Lagrangian Model of the Stratosphere) verwendet werden. Vergleiche zwischen den CRISTA-NF Beobachtungen und den Modellergebnissen werden genutzt, um die wichtigen Prozesse besser zu verstehen. Detaillierte Vergleiche ermöglichen die Untersuchung verschiedener Aspekte, wie den Einfluss eines möglichen Temperaturbias oder Temperaturschwankungen auf die NAT Bildung und den Einfluss der Modellauflösung (zeitlich und räumlich). Vor allem kann man aber die Bildung von und die HNO3-Aufnahme durch NAT- und STS-Teilchen, die zur selben Zeit vorhanden sind, untersuchen sowie die Konsequenzen auf die Größenverteilungen und NOy Umlagerung.

Isotopenspezifisches Monitoring des H2O-, CO2- und N2O-Austauschs zwischen Atmosphäre und Ökosystem, Teilprojekt 1: Bestimmung der Isotopologenflüsse an einem Ackerstandort

Maßnahmen zur Minderung direkt und indirekt klimawirksamer Emissionen, die durch Denitrifikation in landwirtschaftlich genutzten Böden verursacht werden, Maßnahmen zur Minderung direkt und indirekt klimawirksamer Emissionen, die durch Denitrifikation in landwirtschaftlich genutzten Böden verursacht werden

Das Verbundvorhaben adressiert die Themen der Minderung der Lachgasemission und Verbesserung der Stickstoffeffizienz durch Modellierung, der Bewertung möglicher Minderungsmaßnahmen und der standortdifferenzierenden Bewertung der Denitrifikation. Gasförmige Emissionen aus der Denitrifikation verursachen pflanzenbaulich relevante N-Verluste und verursachen direkte N2O-Emissionen des Pflanzenbaus. Pflanzenbauliche Klimaschutzmaßnahmen im Bereich der Düngung, Bodenbearbeitung, Fruchtfolge sind im Hinblick auf die Rolle der Denitrifikation kaum erforscht. Ein pflanzenbauliches Management welches N-Effizienz optimiert und gleichzeitig N-Emissionen minimiert ist daher bisher nicht verlässlich definiert. Übergeordnetes Ziel des vorliegenden Antrags ist es, pflanzenbaulich praktikable Minderungsmaßnahmen im Hinblick auf N2 und N2O-Emissionen der Denitrifikation für Ackerbausysteme in Deutschland zu identifizieren, indem der Kenntnisstand zu denitrifikativen N-Verlusten durch Feld- und Laborstudien verbessert und zur Parametrisierung, Validierung und Anwendung von Simulationsmodellen eingesetzt wird. Unsere Teilziele sind wie folgt: 1. Regionalisierung der N-Verluste durch Denitrifikation in Deutschland auf Basis vorhandener Modelle 2. Bestimmung der Wirkung von pflanzenbaulichen Klimaschutzmaßnahmen auf N2- und N2O-Verluste 3. Prüfung von Minderungsoptionen auf der Modell-, Labor- und Feldskala unter Berücksichtigung des Oberbodens und des durchwurzelten Unterbodens für verschiedene Böden 4. Weiterentwicklung von Denitrifikationsmodellen, um die Abbildung von Minderungsmaßnahmen zu verbessern anhand vorhandener und neuer Messdaten 5. Prüfung der Minderungsoptionen für Deutschland anhand der verbesserten Modelle unter Berücksichtigung von Ertrag, Wirtschaftlichkeit, Technologiebedarf, N2O-Emission, N-Effizienz, Düngerbedarf, NH3-Emisissionen und Nitratauswaschung.

Sonderforschungsbereich (SFB) 1076: AquaDiva: Forschungsverbund zum Verständnis der Verknüpfungen zwischen der oberirdischen und unterirdischen Biogeosphäre; Understanding the Links between Surface and Subsurface Biogeosphere, Teilprojekt B 05: Von den Baumkronen zum Aquifer: die Rolle mikrobieller Prozesse in der Bildung und Umsetzung von Nitrat in der 'Critical Zone'

Dieses Projekt untersucht mikrobiell vermittelte Schlüsselprozesse im Zuge des Nitrat-Eintrages in bzw. Stickstoffverlustes aus den Kalkstein-Aquiferen des Hainich CZE. Unsere Untersuchungen befassen sich mit Änderungen von Nitrifikationspotential und Nitrifikanten-Gemeinschaften von den Baumkronen bis hin zu den Aquiferen, inklusive einer Abschätzung der möglichen Rolle der vollständigen Nitrifikation (Comammox), sowie mit der Relevanz der anaeroben Ammonium-Oxidation (Anammox) im Vergleich zur Denitrifikation für Stickstoff-Verluste aus dem Grundwasser. Unter Verwendung von 15N-basierten Techniken, quantitativer PCR, Illumina Amplikon-Sequenzierungen und Single Cell Genomics werden Aktivitätsmessungen von Nitrifikation, Anammox und Denitrifikation zu räumlichen Verbreitungsmustern und transkriptioneller Aktivität der entsprechenden mikrobiellen Gruppen in Beziehung gesetzt.

Impact of elevated nitrogen inut on the biogeochemistry and productivity of tropical forests (NITROF) - Effects of enhanced N deposition on productivity and structure of a tropical montane rainforest in Panama

Nitrogen deposition in tropical areas is projected to increase rapidly in the next decades due to increase in N fertilizer use, fossil fuel consumption and biomass burning. As tropical forest ecosystems cover about 17 percent of the land surface and are responsible for about 40 percent of net primary production, even small changes in N (and consequently C) cycling can have global consequences. Until now studies an consequences of enhanced N input in tropical forest ecosystems have been very limited and even very rarely addressed its deleterious effects to the environment. There is undoubtedly a huge discrepancy between the expected increase in N deposition in the tropics and the present knowledge an how tropical forest ecosystems will react to this extra input of reactive N. Our research aims at quantifying the changes in processes of N retention (plant growth, biotic and abiotic N immobilization in the soil) and losses (gaseous N losses, nitrification, denitrification, leaching of different forms of dissolved N). Implementation of policy and management tools, like the international trading of carbon credits under the Kyoto Protocol, need researches that allow us to better understand the consequences of environmental change (N deposition) an forest productivity. Our research will have important implications for predicting future responses of forest C cycle to changes in N deposition, and for the role of N deposition in tropical forests to affect potential feedback mechanisms of CO2 fertilization and climate change.

Potenzielle Nitratkonzentration im Sickerwasser – Basis-Emissionsmonitoring 2023

Die potenzielle Nitratkonzentration im Sickerwasser in [mg NO3/l] ist eine wichtige Kenngröße zur Abschätzung und Bewertung der Sickerwassergüte an der Untergrenze des Wurzelraumes. Im Rahmen des landesweiten Basis-Emissionsmonitorings erfolgt die Abschätzung der potenziellen Nitratkonzentration auf Grundlage des Stickstoff-Flächenbilanzsaldos aus der Landwirtschaft auf Gemeindeebene, der atmosphärischen Stickstoff-Deposition, der Landnutzung nach ATKIS-DLM, dem Nitratabbau im Boden (Denitrifikation) sowie der Sickerwassermenge. Die berechnete potenzielle Nitratkonzentration im Sickerwasser wird neben den gemessenen Nitratkonzentrationen in den Grundwassermessstellen zur Gefährdungsabschätzung und Bewertung des chemischen Zustands der Grundwasserkörper gemäß EG-WRRL herangezogen. Bei der landesweit ermittelten potenziellen Nitratkonzentration im Sickerwasser ist zu beachten, dass die Werte aufgrund der räumlichen Auflösung der verfügbaren Eingangsdaten nicht für eine schlaggenaue Bewertung geeignet sind. Detaillierte Methodenbeschreibung siehe: Erläuterung_Basis-Emissionsmonitoring_LBEG_2023.pdf

Potenzielle Nitratkonzentration im Sickerwasser (2019)

Die potenzielle Nitratkonzentration im Sickerwasser in [mg NO3/l] ist eine wichtige Kenngröße zur Abschätzung und Bewertung der Sickerwassergüte an der Untergrenze des Wurzelraumes. Im Rahmen des landesweiten Basis-Emissionsmonitorings erfolgt die Abschätzung der potenziellen Nitratkonzentration auf Grundlage des Stickstoff-Flächenbilanzsaldos aus der Landwirtschaft auf Gemeindeebene, der atmosphärischen N-Deposition, der Landnutzung nach ATKIS-DLM, der zusätzlichen N-Mobilisierung bzw. Immobilisierung im Boden, dem Nitratabbau im Boden (Denitrifikation) sowie der Sickerwassermenge. Die berechnete potenzielle Nitratkonzentration im Sickerwasser wird neben den gemessenen Nitratkonzentrationen in den Grundwassermessstellen zur Gefährdungsabschätzung und Bewertung des chemischen Zustands der Grundwasserkörper gemäß EG-WRRL herangezogen. Bei der landesweit ermittelten potenziellen Nitratkonzentration im Sickerwasser ist zu beachten, dass die Werte aufgrund der räumlichen Auflösung der verfügbaren Eingangsdaten nicht für eine schlaggenaue Bewertung geeignet sind. Detaillierte Methodenbeschreibung siehe: Methodik_Basis_Emissionsmonitoring_LBEG.pdf

Linking nutrient cycles, land use and biodiversity along an elevation gradient on Mt. Kilimanjaro

To understand impacts of climate and land use changes on biodiversity and accompanying ecosystem stability and services at the Mt. Kilimanjaro, detailed understanding and description of the current biotic and abiotic controls on ecosystem C and nutrient fluxes are needed. Therefore, cycles of main nutrients and typomorph elements (C, N, P, K, Ca, Mg, S, Si) will be quantitatively described on pedon and stand level scale depending on climate (altitude gradient) and land use (natural vs. agricultural ecosystems). Total and available pools of the elements will be quantified in litter and soils for 6 dominant (agro)ecosystems and related to soil greenhouse gas emissions (CO2, N2O, CH4). 13C and 15N tracers will be used at small plots for exact quantification of C and N fluxes by decomposition of plant residues (SP7), mineralization, nitrification, denitrification and incorporation into soil organic matter pools with various stability. 13C compound-specific isotope analyses in microbial biomarkers (13C-PLFA) will evaluate the changes of key biota as dependent on climate and land use. Greenhouse gas (GHG) emissions and leaching losses of nutrients from the (agro)ecosystems and the increase of the losses by conversion of natural ecosystems to agriculture will be evaluated and linked with changing vegetation diversity (SP4), vegetation biomass (SP2), decomposers community (SP7) and plant functional traits (SP5). Nutrient pools, turnover and fluxes will be linked with water cycle (SP2), CO2 and H2O vegetation exchange (SP2) allowing to describe ecosystem specific nutrient and water characteristics including the derivation of full GHG balances. Based on 60 plots screening stand level scale biogeochemical models will be tested, adapted and applied for simulation of key ecosystem processes along climate (SP1) and land use gradients.

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