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Schwerpunktprogramm (SPP) 1374: Biodiversitäts-Exploratorien; Exploratories for Long-Term and Large-Scale Biodiversity Research (Biodiversity Exploratories), Teilprojekt: Veränderung der Struktur von Zersetzer-Nahrungsnetzen von Wäldern mit der Intensität der menschlichen Nutzung

Das beantragte Projekt untersucht Veränderungen in der Struktur von Boden-Nahrungsnetzen mit dem Waldtyp und der Intensität der forstlicher Waldnutzung in den drei Regionen der Biodiversitäts-Exploratorien. Die geplanten Arbeiten sind in vier Arbeitspakete (WPs) gegliedert. WP1 untersucht Dichte, Biomasse und Zusammensetzung der Meso- und Makrofauna von jeweils 16 Flächen der drei Exploratorien. Die Untersuchung erlaubt die langfristige zeitliche Dynamik in der Struktur von Bodentiergemeinschaften zu analysieren und erweitert die existierende Zeitreihe auf 15 Jahre. WP2 fokussiert auf Energieflüsse durch Zersetzergemeinschaften und ihre Variation mit Waldtyp / Intensität der Waldnutzung, und quantifiziert wichtige Ökosystem-Dienstleistungen der Bodenfauna wie Zersetzung und Prädation; hierzu werden Untersuchungen mit stabilen Isotopen sowie Komponenten-spezifische Analysen von Fettsäuren und Aminosäuren durchgeführt, die es erlauben, die trophische Struktur sowie die relative Bedeutung von Energiekanälen im Boden, mit Pflanzen, Bakterien und Pilzen als basalen Ressourcen, zu quantifizieren. WP3 fokussiert auf die Analyse der Nahrungsbeziehung zwischen mikrobivoren Mikroarthropoden und ihrer mikrobiellen Beute unter Verwendung von molekularer Darminhaltsanalyse basierend auf generellen Primern für Bakterien und Pilzen. In WP 4 wird im Rahmen des neuen 'forest gap' Experiments die Reaktion der Bodenfauna auf eine starke Störung untersucht. Die Ergebnisse der Untersuchungen erlauben (1) die Struktur und zeitliche Dynamik von Bodennahrungsnetzen in bisher unerreichter Genauigkeit zu verstehen und zu modellieren (WP1, WP2, WP4); (2) allgemeine Charakteristika von Bodentiergemeinschaften zu erkennen und deren Beitrag zu Ökosystemfunktionen in Wäldern unterschiedlicher Nutzungsintensität zu quantifizieren (WP2, WP3); (3) neue Methoden zur Untersuchung der Struktur von Boden-Nahrungsnetzen zu verwenden, die ein genaueres Verständnis der relativen Bedeutung von Energiekanälen in Wäldern unterschiedlicher Nutzungsintensität ermöglichen (WP2, WP3); und (4) die Reaktion von Boden-Nahrungsnetzen auf starke Störungen zu verstehen (WP4). Insgesamt erlaubt das Projekt die Struktur von Boden-Nahrungsnetzen, deren Variation in Raum und Zeit, und deren strukturierende Größen in bisher unerreichtem Umfang und Genauigkeit zu charakterisieren. Allgemein trägt das Projekt dazu bei, Variationen in der Struktur und Funktion von Waldökosystemen mit der Intensität menschlicher Eingriffe zu verstehen, und bildet damit eine essentielle Komponente der Biodiversitäts-Exploratorien.

Schwerpunktprogramm (SPP) 2089: Rhizosphere Spatiotemporal Organisation - a Key to Rhizosphere Functions, Teilprojekt: Hot gradients & cold spots - Räumliche Zusammenhänge zwischen C-Ausbreitung und Nährstoffimmobilisierung in der Rhizosphäre und Konsequenzen für die Pflanzenernährung

Die Verteilung von Kohlenstoff (C), die Umwandlung organischer Stoffe und die Immobilisierung von Nährstoffen folgen vermutlich bestimmten räumlichen Mustern im Wurzel-Boden-System. Gemäß dem grundliegenden Verständnis der Rhizosphärendynamik beginnt die räumliche Verteilung mit der Wurzelexsudation an der Pflanzenwurzel und führt zu allmählichen Veränderungen in der Chemie und Biologie der Rhizosphäre. In Phase 1 stellten wir die Hypothese auf, dass die Morphologie der Wurzeln und die Eigenschaften des Bodens, insbesondere seine Textur, die Verteilung von C steuern. Wir erarbeiten Mittel zur Analyse der C-Ausbreitung im Mikrometerbereich und beobachteten erhebliche Unterschiede, die überwiegend durch die Wurzelmorphologie gesteuert wurden. Wir stellten ferner die Hypothese auf, dass die Umwandlung von C durch Mikroben erfolgt, die organische Substanzen wie Polysaccharide, Phospholipidfettsäuren und Fettsäuren bilden, und konnten dies im Millimeterbereich verfolgen.Diese Ergebnisse führen nun zu folgenden neuen Hypothesen, dass i) der C-Ausbreitung durch Wurzelexsudation die Immobilisierung organisch gebundener Nährstoffe an Orten mit geringem Umsatz, sogenannten cold spots, folgt, und dass diese Stellen in bestimmten Regionen der Rhizosphäre auftreten, ii ) in Böden mit geringem Abbau der Wurzelbiomasse (wie in Phase 1 für sandigen Boden beobachtet) die Immobilisierung von Nährstoffen in der Rhizosphäre zunimmt und so mit der Pflanzenernährung konkurriert, und iii) bei Trockenheit sich die Mobilisierungsprozesse von Nährstoffen von der Bodenlösung zu Pilznetzwerken verlagert.Wir werden weiterhin Ansätze im 2D-Mikrometerbereich wie die Überwachung des Laserablations-Isotopenverhältnisses für C-Umsatzanalysen verwenden (LA-IRMS), und auf NanoSIMS für N-Verteilungsanalysen erweitern sowie SEM-EDX/WDX einbeziehen, um die Immobilisierung von Nährstoffen wie N und P über einen räumlich-stöchiometrischen Ansatz zu verfolgen. Unseren in Phase 1 etablierten Ansatz zur Probenahme im Millimeterbereich, der uns ermöglicht die organische Substanz in Rhizosphärengradienten chemisch zu charakterisieren, nutzen wir nun um immobilisierten N und P mithilfe von komponenten- oder fraktionsspezifischen d13C- und d15N-Analysen an mikrobieller Nekromasse zu analysieren (Aminozucker und organisch gebundener P). Mit diesen Hypothesen haben wir enge Anknüpfung zu den Projekten P3, P8, P13, P19, P21, P24 und P25. Wir werden einen neuen räumlichen Datensatz zur Verteilung organischer Stoffe in Rhizosphären erstellen, um die Prozesse der C-Verteilung, Nährstoffimmobilisierung und -mobilisierung unter verschiedenen externen und internen Kontrollen wie z.B. Bodeneigenschaften, Wurzelmorphologie und Dürre, zu verstehen. Diese Daten können dann in Simulations- und Modellierungsansätze implementiert werden, die ebenfalls im SPP 2089 integriert sind, so dass unser neues Wissen auch auf andere Böden und Pflanzenarten übertragen werden kann.

Synthese von biobasierten Acrylnitril als Monomer für Carbonfasern auf Multipurpose-Demonstrationsanlagen, Teilvorhaben: LCA von biobasierten Acrylnitril

Öle und Fette

Pflanzliche Öle werden als energiereiche Reservestoffe in Speicherorgane von Pflanzen eingelagert. Sie sind chemisch gesehen Ester aus Glycerin und drei Fettsäuren. In Deutschland konzentriert sich der Ölsaatenanbau auf Raps, Sonnenblume und Lein. Im Freistaat Sachsen dominiert auf Grund der Standortbedingungen und vor allem der Wirtschaftlichkeit eindeutig der Raps. Der maximal mögliche Anbauumfang von Raps liegt aus anbautechnischer Sicht bei 25 % der Ackerfläche und ist noch nicht ausgeschöpft (Sachsen 2004: 17 %). Für den landwirtschaftlichen Anbau kommen eine Reihe weiterer ölliefernder Pflanzenarten oder spezieller Sorten in Betracht. Interessant sind sie aus der Sicht der Verwertung insbesondere, wenn sie hohe Gehalte einzelner spezieller Fettsäuren aufweisen. Bei der Verarbeitung können dann aufwändige Aufbereitungs- und Trennprozesse eingespart und die Synthesevorleistung der Natur optimal genutzt werden. Der Anbauumfang ist jedoch meist noch sehr gering. Beispiele sind Nachtkerze und Iberischer Drachenkopf, aber auch Erucaraps und ölsäurereiche Sonnenblumensorten. a) stoffliche Verwertung In der stofflichen Verwertung reichen die Einsatzfelder pflanzlicher Öle von biologisch schnell abbaubaren Schmierstoffen, Lacken und Farben, über Tenside, Kosmetika, Wachse bis zu Grundchemikalien, aber auch Bitumen. b) energetische Verwertung Desweiteren können Pflanzenöle in Fahrzeugen, stationären oder mobilen Anlagen energetisch verwertet werden. Für den breiten Einsatz ist derzeit vor allem Biodiesel geeignet. Dieser kommt als reiner Kraftstoff zum Einsatz, seit 2004 auch in Beimischung zu Dieselkraftstoff. Eine weitere Möglichkeit eröffnet sich durch die Verwendung von reinem Rapsöl.

Entwicklung einer Methode zur Aufarbeitung gebrauchter und minderwertiger nativer Fette und Öle zu Treibstoff für Dieselmaschinen

Gebrauchte oder minderwertige native Fette und Öle sind eine interessante Energiequelle für Dieselmaschinen, die sich durch eine ausgezeichnete Ökobilanz auszeichnen und nicht in Konkurrenz zu Nahrungs- oder Futtermitteln stehen. Dem Einsatz in Dieselmschinen stehen der i.d.R. hohe Gehalt an Schlackebildnern (Ca, Mg, Na, K, P) und an freien Fettsäuren entgegen. Ziel des Vorhabens ist es, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem die o.g. Rohstoffe so aufzuarbeiten sind, dass sie ohne weiteres in Dieselmaschinen eingesetzt werden können. Dazu wurde der Rohstoff einer sauer katalysierten Veresterung mit biogenem Ethanol unterworfen, mit dem die Gehalte sowohl an freien Fettsäuren, als auch an den genannten Schlackebildnern soweit gesenkt werden konnten, dass die Maßgaben der DIN-VN 51 605 erfüllt werden. Abgesehen davon, dass die so gewonnen Treibstoffe aus rein biogenen Rohstoffen bestehen, weisen sie Stockpunkte von teilweise unter -20 Grad Celsius auf.

Die Qualitaet pflanzlicher Oele und ihre zuechterische Verbesserung

Die Versorgung der Bevoelkerung mit ernaehrungsphysiologisch hochwertigen Pflanzenfetten ist ein wichtiges Anliegen zur Gesunderhaltung der Menschen. Mit dem Ziel der Verbesserung der Fettsaeuremuster in den wichtigsten oelliefernden Pflanzen wird gearbeitet mit: Winterraps, Sommerraps, Rueben, Lein, Sojabohnen, Sonnenblumen.

Elektrosynthetische Herstellung von Paraffinen aus Tallöl, Teilvorhaben 2: Etablierung von Kolbe-Elektrolyse an TOFA zur Herstellung von Weißölen und Paraffinen

Bioraffineriekonzepte, zu welchen das hier beantragte Projekt gehört, werden in Zukunft mehr und mehr dazu beitragen, fossile durch heimische und biobasierte Rohstoffquellen zu ersetzen. Ein bereits lange bestehendes Konzept resultiert aus der Zellstoffproduktion. Hierfür werden schon immer biobasierte Produkte eingesetzt. Jedoch werden die Reststoffe der Zellstoffproduktion meist nur energetisch genutzt. In den letzten Jahrzehnten ist das Interesse an Lignin und den enthaltenen Fettsäuren aber stetig gewachsen, wobei bis heute noch kein industrieller Prozess zur stark wertgesteigerten Verwertung dieser Reststoffe, und somit eine Erweiterung des Bioraffineriekonzeptes zur Herstellung von Spezialchemikalien, erreicht werden konnte. Dies soll mit dem hier beschriebenen Projekt erfolgen. Gesamtziel des Projektes ist die Entwicklung (i) der chemischen Umsetzung von Fettsäuren mittels Kolbe-Elektrolyse (ii) eines passgenauen Elektrolyseurs und (iii) der Hochskalierung zur Herstellung von Mustermengen an Weiß- bzw. Paraffinölen auf Basis von biobasierten Fettsäuren aus der Tallöldestillation. Diese sollen in Formulierungen für Kosmetik- oder Bauprodukten getestet werden. Am Ende soll ein technischer Elektrosyntheseprozess grundlegend etabliert sein und dessen Wirtschaftlichkeit inkl. einer ersten LCA abgeschätzt werden. Dazu sollen im Projekt mehrere Teilziele erarbeitet werden.

Elektrosynthetische Herstellung von Paraffinen aus Tallöl, Teilvorhaben 3: Aufbau einer Elektrolysezelle für die Kolbe-Elektrolyse zur Gewinnung von Paraffinölen

Bioraffineriekonzepte, zu welchen das hier beantragte Projekt gehört, werden in Zukunft mehr und mehr dazu beitragen, fossile durch heimische und biobasierte Rohstoffquellen zu ersetzen. Ein bereits lange bestehendes Konzept resultiert aus der Zellstoffproduktion. Hierfür werden schon immer biobasierte Produkte eingesetzt. Jedoch werden die Reststoffe der Zellstoffproduktion meist nur energetisch genutzt. In den letzten Jahrzehnten ist das Interesse an Lignin und den enthaltenen Fettsäuren aber stetig gewachsen, wobei bis heute noch kein industrieller Prozess zur stark wertgesteigerten Verwertung dieser Reststoffe, und somit eine Erweiterung des Bioraffineriekonzeptes zur Herstellung von Spezialchemikalien, erreicht werden konnte. Dies soll mit dem hier beschriebenen Projekt erfolgen. Gesamtziel des Projektes ist die Entwicklung (i) der chemischen Umsetzung von Fettsäuren mittels Kolbe-Elektrolyse (ii) eines passgenauen Elektrolyseurs und (iii) der Hochskalierung zur Herstellung von Mustermengen an Weiß- bzw. Paraffinölen auf Basis von biobasierten Fettsäuren aus der Tallöldestillation. Diese sollen in Formulierungen für Kosmetik- oder Bauprodukten getestet werden. Am Ende soll ein technischer Elektrosyntheseprozess grundlegend etabliert sein und dessen Wirtschaftlichkeit inkl. einer ersten LCA abgeschätzt werden. Dazu sollen im Projekt mehrere Teilziele erarbeitet werden.

Elektrosynthetische Herstellung von Paraffinen aus Tallöl

Bioraffineriekonzepte, zu welchen das hier beantragte Projekt gehört, werden in Zukunft mehr und mehr dazu beitragen, fossile durch heimische und biobasierte Rohstoffquellen zu ersetzen. Ein bereits lange bestehendes Konzept resultiert aus der Zellstoffproduktion. Hierfür werden schon immer biobasierte Produkte eingesetzt. Jedoch werden die Reststoffe der Zellstoffproduktion meist nur energetisch genutzt. In den letzten Jahrzehnten ist das Interesse an Lignin und den enthaltenen Fettsäuren aber stetig gewachsen, wobei bis heute noch kein industrieller Prozess zur stark wertgesteigerten Verwertung dieser Reststoffe, und somit eine Erweiterung des Bioraffineriekonzeptes zur Herstellung von Spezialchemikalien, erreicht werden konnte. Dies soll mit dem hier beschriebenen Projekt erfolgen. Gesamtziel des Projektes ist die Entwicklung (i) der chemischen Umsetzung von Fettsäuren mittels Kolbe-Elektrolyse (ii) eines passgenauen Elektrolyseurs und (iii) der Hochskalierung zur Herstellung von Mustermengen an Weiß- bzw. Paraffinölen und Paraffinen auf Basis von biobasierten Fettsäuren aus der Tallöldestillation. Diese sollen in Formulierungen für Kosmetik- oder Bauprodukten sowie als Verarbeitungshilfsmittel bei Polymeren getestet werden. Am Ende soll ein technischer Elektrosyntheseprozess grundlegend etabliert sein und dessen Wirtschaftlichkeit inkl. einer ersten LCA abgeschätzt werden. Dazu sollen im Projekt mehrere Teilziele erarbeitet werden.

Elektrosynthetische Herstellung von Paraffinen aus Tallöl, Teilvorhaben 1: Scale-Up und Pilotierung

Bioraffineriekonzepte, zu welchen das hier beantragte Projekt gehört, werden in Zukunft mehr und mehr dazu beitragen, fossile durch heimische und biobasierte Rohstoffquellen zu ersetzen. Ein bereits lange bestehendes Konzept resultiert aus der Zellstoffproduktion. Hierfür werden schon immer biobasierte Produkte eingesetzt. Jedoch werden die Reststoffe der Zellstoffproduktion meist nur energetisch genutzt. In den letzten Jahrzehnten ist das Interesse an Lignin und den enthaltenen Fettsäuren aber stetig gewachsen, wobei bis heute noch kein industrieller Prozess zur stark wertgesteigerten Verwertung dieser Reststoffe, und somit eine Erweiterung des Bioraffineriekonzeptes zur Herstellung von Spezialchemikalien, erreicht werden konnte. Dies soll mit dem hier beschriebenen Projekt erfolgen. Gesamtziel des Projektes ist die Entwicklung (i) der chemischen Umsetzung von Fettsäuren mittels Kolbe-Elektrolyse (ii) eines passgenauen Elektrolyseurs und (iii) der Hochskalierung zur Herstellung von Mustermengen an Weiß- bzw. Paraffinölen und Paraffinen auf Basis von biobasierten Fettsäuren aus der Tallöldestillation. Diese sollen in Formulierungen für Kosmetik- oder Bauprodukten sowie als Verarbeitungshilfsmittel bei Polymeren getestet werden. Am Ende soll ein technischer Elektrosyntheseprozess grundlegend etabliert sein und dessen Wirtschaftlichkeit inkl. einer ersten LCA abgeschätzt werden. Dazu sollen im Projekt mehrere Teilziele erarbeitet werden.

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