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Biofilme, Makromoleküle und organische Restsubstanzen als Matrizen bei der Bildung von Organo- und Biomineralen - Geobiologische Faktoren bei der Evolution der Biomineralisation

Durch vergleichende Analyse von Organo- und Biomineralen aus evolutionsbiologisch zunehmend komplexeren Systemen - von Organofilmen (Ooide) über Biofilme zu Poriferen - sollen systemspezifische Wechselwirkungen zwischen Makromolekülen und Mineralphasen sowie Steuerungsmechanismen der Mineralbildung aufgezeigt werden. Dazu werden aus verschiedenen Habitaten (Hartwasserseen, Salzseen, Sodaseen, Meerwasser) makromolekulare Überzüge (Organofilme), polysaccharidreiche phototrophe und heterotrophe Biofilme sowie proteinreiche heterotrophe BiofilmMetazoen-Gemeinschaften (Riffhöhlen) untersucht. Ausgehend von der hydrochemischen Charakterisierung der Habitate, wird eine biochemische Charakterisierung der primären organischen Substanzen und Matrix sowie der Restsubstanzen in den assoziierten Mineralisaten durchgeführt. Eine strukturelle und mikrobiologische Analyse der beteiligten Organo- und Biofilme folgt (histochemische Färbungen, Applikation von Oligonukleotidsonden zur in situ Identifikation nicht-phototropher Bakterien - FISH). In kontrollierten Experimenten wird mittels kultivierter Mikroorganismen, Labor-Biofilme und extrahierter organischer Substanzen eine Fällung induziert. Die aus den Fallbeispielen abgeleiteten Steuerungsmechanismen der Mineralisation werden unter dem Mikroskop u.a. mit Ionen- und pH-sensitive Fluorochromen zur qualitativen Messung von chemischen Mikrogradienten und durch elektronenoptische Charakterisierung der Fällungsprodukte verifiziert. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Produktion und dem Abbau Ca2+-adsorbierender extrazellulärer polymerer Substanzen (EPS), die in Organo- und Biofilmen bezüglich Nukleation, Fällung und Gefügebildung von entscheidender Bedeutung sind und Voraussetzungen für eine enzymatisch gesteuerte Biomineralisation darstellen.

Wirkung von Fällmitteln auf Sedimentation, Biozönose und Physiologie von Belebtschlämmen

Statistical-dynamical methods for scale dependent model evaluation and short term precipitation forecasting (STAMPF)

Das Ziel des Projektes ist die skalenabhängige Evaluierung von Niederschlagsprognosen der DWD-Modellkette (LM/GME) bezüglich dynamischer Parameter und Wolkeneigenschaften. Ein neu entwickelter dynamischer Zustandsindex (DSI), die mit der spezifischen Feuchte gewichtete Divergenz sowie Wolkentyp, Bedeckung und Höhe der Wolkenobergrenze sind die Evaluierungsparamater. Der DSI wurde aus den ursprünglichen Gleichungen abgeleitet und beschreibt die Abweichungen von einem verallgemeinerten dynamischen Gleichgewicht, verursacht durch Instationarität und diabatische Prozesse. Die Evaluierung konzentriert sich auf die Wechselwirkungen zwischen der synoptischen und konvektiven Skala, die häufig die Ursache für extreme Niederschlagsereignisse sind. Sie untersucht die Beziehung zwischen den synoptisch-skaligen Prozessen und der konvektiven Parameterisierung. Eine Voraussetzung der Evaluierung ist eine vom Modell unabhängige feldmäßige Analyse des täglichen Niederschlages und der Wolkenparameter in der Gitterauflösung des LM/GME. Ein schon existierendes Analyseschema der synoptischen Beobachtungen wird weiter verbessert und erweitert durch Satellitendaten. Diese liefern kontinuierliche Wolkendaten und Niederschlagsraten. Die Genauigkeit der analysierten Felder wird mit Hilfe moderner statistischer Methoden abgeschätzt. In einem weiteren Schritt werden die getesteten dynamischen Parameter zu einer quasi-prognostischen Niederschlagsvorhersage oder als Prediktoren für einen MOS-Ansatz verwendet.

Optimierung der Behandlung von Abwasser durch Untersuchung des Zusammenhanges zwischen der Flockungsgeschwindigkeit und der elektrischen Ladung der Schwebestoffe

Es soll versucht werden, die Zugabe von Dispersionsmitteln und Tensiden am Entstehungsort der Abwaesser so zu optimieren, dass die Faellung bei der Abwasserreinigung moeglichst erleichtert wird und der Gesamtbedarf an Hilfsstoffen (Dispersions- und Flockungsmittel) moeglichst gering gehalten wird.

Nährstoffrückgewinnung aus Klärschlamm

Der Abwasserverband Braunschweig optimiert mit einer technischen Innovation die Energiebilanz seiner Kläranlage und gewinnt wertvolle Nährstoffe aus dem Klärschlamm zurück. Das Bundesumweltministerium fördert dieses Vorhaben mit knapp 2 Millionen Euro aus dem Umweltinnovationsprogramm. Ziel des Vorhabens ist eine energetisch optimierte Schlammbehandlung mit erhöhter Faulgasausbeute und damit erhöhter Stromproduktion sowie die Rückgewinnung der Nährstoffe Stickstoff und Phosphor aus dem Abwasser für den späteren Einsatz als Düngemittel. Das Vorhaben leistet somit einen wichtigen Beitrag zur Erhöhung der Energie- und Ressourceneffizienz in der Abwasserwirtschaft und ist insbesondere in Hinblick auf die Nährstoffrückgewinnung auf andere Abwasserbehandlungsanlagen übertragbar. Das jährliche Einsparpotenzial an CO2-Emissionen beträgt circa 430 Tonnen. Zudem führt das Verfahren zu einer Verbesserung der energetischen Bilanz der Kläranlage. Und so funktioniert das neue Verfahren: In einer Zentrifugenanlage wird ausgefaulter Überschussschlamm auf circa 15 Prozent Trockenrückstand entwässert und direkt einer thermischen Desintegration zugeführt, in der mittels Druckhydrolyse eine Erhöhung des abbaubaren Anteils des Schlamms erreicht wird. Damit fällt eine höhere Menge an Faulgas an, gleichzeitig sinkt die zu entsorgende Schlammmenge. Die beim Zentrifugieren anfallende hoch nährstoffreiche Flüssigkeit - das Zentrifugat - wird nacheinander den beiden Nährstoffrückgewinnungsstufen, der Magnesium-Ammonium-Phosphat-Fällung und der Ammoniak-Strippung, zugeführt. Sowohl das dabei gewonnene Magnesium-Ammonium-Phosphat als auch das Ammoniumsulfat sind von hoher Qualität und zum Einsatz als Düngemittel geeignet. Das Bundesumweltministerium fördert mit dem Umweltinnovationsprogramm erstmalige, großtechnische Anwendungen einer innovativen Technologie. Das Vorhaben muss über den Stand der Technik hinausgehen und sollte Demonstrationscharakter haben.

Oekologische, systematische und biochemische Untersuchungen an eisenoxidierenden und -praezipitierenden Bakterien

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.

Phosphateliminierung aus Siedlungsabwaessern unter dem Gesichtspunkt der Gewinnung von P-Duengemitteln

Durch chemische Ausfaellung mit Al-, Fe-Salzen oder Kalk lassen sich die Phosphate aus den Abwaessern weitgehendst entfernen. Bei einem durchschnittlichen Phosphatanfall in den haeuslichen Abwaessern von 4 g P/Einwohner/Tag liesse sich ueber die chemische Nachfaellung des Klaerwassers etwa 1 kg P/Einwohner/Jahr rueckgewinnen. Die P-reichen Faellungsprodukte werden auf ihre Duengewirksamkeit in Gefaessversuchen (auch nach Markierung mit 32 P) und Feldversuchen vergleichend mit marktgaengigen Phosphat-Handelsduengern geprueft.

Abtrennung von NE-Metallen aus Phosphatierschlaemmen der Oberflaechenbehandlung

Flüssigkeitschromatographie mit Triplequadrupol-Massenspektrometer

Die Arbeitsgruppen Anorganische Chemie (Prof. Lang), Koordinationschemie (Prof. Mehring), Chemische Technologie (Prof. Stöwe) an der Technischen Universität Chemnitz haben sich zu einem Interessenverbund zum Thema nachhaltige Wasserwirtschaft zusammengefunden und mit dem regionalen führenden kommunalen Energieversorger dieses Interesse abgestimmt. Ziele sind die Entwicklung von neuen Abwasseraufbereitungsmethoden zur Entfernung von Mikroverunreinigungen wie Endokrin Disruptiven Verbindungen (EDCs), Pestiziden und Pharmazeutika aus kommunalen Abwässern über unterschiedliche Methoden, wie z.B. photokatalytischen Abbau oder elektrochemische Fällung. Zur Spuren- und Ultraspurenanalytik der Schadstoffe in wässrigen Medien, der Aufklärung von Abbauprodukten und -mechanismen dieser Verbindungen wird eine flüssigkeitschromatographische Trennmethode auf der Basis einer UHPLC mit angekoppelter Triple-Quadrupol-Massenspektrometrie benötigt. Weiterhin soll das System in Kooperation mit weiteren Gruppen (Prof. Kataev) zur Analytik der Produktverteilung in supramolekularen und katalytischen Reaktionen, Reinheitsbestimmung sowie kinetische und mechanistische Untersuchungen zum Reaktionsablauf von organischen Produktkomponenten eingesetzt werden.

Quecksilberisotopenverhältnisse als Werkzeug zur Bestimmung von Speziestransformationsprozessen in kontaminierten Boden-Aquifer-Systemen

Aufgrund seiner hohen Toxizität ist Quecksilber (Hg) immer noch ein großes Umweltproblem. Die Mobilität und Bioverfügbarkeit von Hg wird maßgeblich durch die chemisch-physikalischen Eigenschaften verschiedener Hg-Spezies (z.B. Hg(II)Cl2, Hg(0), HgS) bestimmt. Die Verteilung stabiler Hg-Isotope wird dabei in einem messbaren Ausmaß durch Speziestransformationsprozesse (z.B. Reduktion/Oxidation, Sorption, Fällung und Verflüchtigung) verändert, womit die Bestimmung des Hg-Umweltverhaltens durch Hg-Isotopenverhältnisse ein neues analytisches Werkzeug bietet. Verschiedene Spezies-Umwandlungsprozesse resultieren dabei in unterschiedlichen massenabhängigen und massenunabhängigen Fraktionierungs-Signaturen, die zum einen ein weiterreichendes Verständnis, zum anderen eine Quantifizierung der verschiedenen biogeochemischen Kontrollfaktoren ermöglichen. Zur Untersuchung der Isotopenfraktionierung durch Speziestransformationsprozesse in Boden-Grundwassersystemen wurden als natürliche Labore zwei Standorte ausgewählt, die durch die Anwendung von hochgiftigem HgCl2 zur Holzimprägnierung stark kontaminiert wurden und somit nur eine einzige Hg-Kontaminationsquelle aufweisen. Vorstudien belegen bereits das Auftreten verschiedener Speziestransformationsprozesse im Boden und Grundwasser und einer damit verbundenen Variation der Hg-Isotopie. Wir postulieren, dass die Hg-Isotopensignaturen im Boden und Grundwasser Hg-Speziestransformationsprozesse abbilden und somit eine Bestimmung dieser Prozesse an Fest-/Flüssigphasengrenzen sowie zwischen verschiedenen Hg-Festphasen-Pools möglich ist. Neben der Untersuchung umfangreicher Grundwasser - und Bodenproben sollen Labor-versuche zur Bestimmung der Hg-Fraktionierung während einzelnen Speziesumwandlungs-prozessen durchgeführt werden. Für ein tieferes Verständnis der biogeochemischen Prozesse der Hg-Speziesumwandlung im Grundwasser soll, basierend auf den gewonnenen Daten, darüber hinaus ein Modell zum reaktiven Hg-Transport im Grundwasser entwickelt werden, das auch die Implementierung der Isotopenfraktionierung beinhaltet. Die erstmalige Kombination von Hg-Speziationsverfahren (Pyrolyse-Thermodesorption) und der Hg-Isotopenbestimmung (Kaltdampf-MC-ICP-MS) in Flüssig-, Fest-, und Gasproben wird unsere Möglichkeiten die Mobilität und Speziation von Hg, nicht nur in den untersuchten kontaminierten Systemen, sondern auch in unbelasteten Boden-Grundwassersystemen signifikant verbessern. Im Gegensatz zur Anwendung von Hg-Isotopendaten zur Ermittlung von Kontaminationsquellen ist die Verwendung als Prozessanzeiger bisher nicht beschrieben. Zudem liegen in der Fachliteratur keine Daten zur Hg-Isotopie in Grundwässern vor.

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