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Verfolgung verschiedener Strategien zur Methanminderung mithilfe von Kohlenstoffisotopenverhältnissen bei Wiederkäuern

Der Agrarsektor trägt erheblich zu den weltweiten Treibhausgasemissionen bei, was in der Öffentlichkeit zu wachsender Besorgnis über die Umweltauswirkungen von Nutztieren, insbesondere in der Milchviehhaltung, führt. Derzeit entwickeln viele Gruppen Technologien zur Methanminderung, die Methanogene entweder direkt mit Inhibitoren oder indirekt durch Begrenzung ihres Substrats angreifen. Es hat sich gezeigt, dass Strategien zur Methanminderung mithilfe von Methanogeninhibitoren oder Wasserstoffsenken die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft auf Pansenebene verändern und damit auch den Stoffwechselweg des Mikrobioms verändern. Wechselwirkungen zwischen bestimmten Bakterien und Methanogenen können die Methanproduktion prägen, wie auch die Konkurrenz um Wasserstoff und das Vorhandensein sekundärer Metaboliten die Methanproduktionsraten beeinflussen können. Das 13C/12C-Verhältnis von Methan, das über die drei Hauptpfade im Pansen (hydrogenotrophe, methylotrophe und acetoklastische) produziert wird, ist aufgrund des 13C-Gehalts der für die Methanproduktion verwendeten Kohlenstoffquelle unterschiedlich. Da methanogene Stoffe unterschiedlich durch Methaninhibitoren beeinflusst werden, könnte das 13C/12C-Verhältnis ein Indikator für die Methanhemmung sein. Das Hauptziel des Projekts besteht darin, die Wege der Pansenmethanproduktion als Reaktion auf verschiedene Minderungsstrategien unter Verwendung von C-Isotopenverhältnissen zu untersuchen. Die Verwendung verschiedener natürlich angereicherter Futtermittel in Kombination mit Minderungsstrategien wird es uns ermöglichen, die für die Fütterung bei Milchkühen verwendeten Minderungsstrategien und die Wege, auf die die neuen Strategien abzielen, zu bewerten. Letztendlich besteht das Ziel darin, einen Prototyp einer Schnüffeltechnologie zu entwickeln, die auf Basis von Schlüsselmetaboliten und ihren Isotopenverhältnissen die Methanbildung anhand von Atemproben eines Wiederkäuers abschätzen kann.

Standortdifferenzierte Bewertung und Anrechnung der Nutzung von Nitrifikationsinhibitoren als Klimaschutzmaßnahme im Pflanzenbau

Lachgas(N2O)-Emissionen der Landwirtschaft sind für rund 80% der gesamten N2O-Emission in Deutschland verantwortlich und für 45% der Treibhausgasemission (THG) des Sektors Landwirtschaft. Die größte N2O-Quelle in der Landwirtschaft ist der Einsatz von Stickstoffdüngern, der rund 60% der gesamten N2O-Emission der Landwirtschaft verursacht. Bedeutend sind hierbei sowohl direkte N2O-Emissionen aus den gedüngten Böden als auch indirekte N2O-Emissionen, die durch den Austrag reaktiver Stickstoffverbindungen verursacht werden. Sowohl direkte als auch indirekte THG Emissionen der N-Düngung hängen direkt mit der ausgebrachten N-Menge zusammen. Die Minderung dieser Emissionen und die Verbesserung der Effizienz des Stickstoffeinsatzes sind daher vordringliche Maßnahmen für das Einhalten des verbindlichen Emissionsreduktionsziels des Sektors Landwirtschaft. Nitrifikationshemmstoffe werden als robuste und skalierbare THG Reduktionsmaßnahme für den Pflanzenbau vorgeschlagen. Ob dies aber eine effiziente, praxisgerechte und umweltschonende Maßnahme zur Verringerung düngungsinduzierter N2O-Emissionen unter mitteleuropäischen Bedingungen ist, wird von Wissenschaft, Politik und Praxis kontrovers diskutiert. Einerseits bestehen die Potenziale, durch die Hemmung der Nitratbildung sowohl die direkten als auch indirekten N2O-Emissionen deutlich zu mindern und die Effizienz der Stickstoffdüngung zu verbessern. Andererseits fehlen für eine gesicherte Bewertung in mehreren Punkten wissenschaftlich belastbare und standortdifferenzierende Ergebnisse: i) die Bewertung der Wirkung auf die N2O-Jahresemission und Nitratauswaschung, ii) die ökologischen Langzeitwirkungen einer regelmäßigen Ausbringung der Hemmstoffe und ihre Wirkung auf andere umwelt- und klimawirksamen Emissionen sowie iii) die zusammenführende und standortdifferenzierende Gesamtbewertung als Klimaschutzmaßnahme unter Einbeziehung von Klimaschutzeffekten, ökologischen Risiken, sowie ökonomischen und pflanzenbaulichen Effekten.

Standortdifferenzierte Bewertung und Anrechnung der Nutzung von Nitrifikationsinhibitoren als Klimaschutzmaßnahme im Pflanzenbau

Lachgasemissionen (N2O-Emissionen) der Landwirtschaft sind für rund 80% der gesamten N2O-Emission in Deutschland verantwortlich und für 45% der Treibhausgasemission des Sektors Landwirtschaft. Die größte N2O-Quelle in der Landwirtschaft ist der Einsatz von Stickstoffdüngern (mineralische Dünger und organische Wirtschaftsdünger), der rund 60% der gesamten N2O-Emission der Landwirtschaft verursacht. Bedeutend sind hier sowohl direkte N2O-Emissionen aus gedüngten Böden als auch indirekte N2O-Emissionen, die durch den Austrag von Stickstoffverbindungen (z.B. Nitratauswaschung, Ammoniakemissionen) verursacht werden. Die Minderung dieser Emissionen und die Verbesserung der Effizienz des Stickstoffeinsatzes sind daher vordringliche Maßnahmen für das Einhalten des verbindlichen Emissionsreduktionsziels. Nitrifikationshemmstoffe werden als robuste und skalierbare THG Reduktionsmaßnahme für den Pflanzenbau vorgeschlagen. Ob dies eine effiziente, praxisgerechte und umweltschonende Maßnahme zur Verringerung düngungsinduzierter N2O-Emissionen unter mitteleuropäischen Bedingungen ist, wird kontrovers diskutiert. Einerseits bestehen Potenziale, durch die Hemmung der Nitratbildung sowohl die direkten als auch indirekten (Minderung der Nitratauswaschung) N2O-Emissionen deutlich zu mindern und die Effizienz der Stickstoffdüngung zu verbessern. Andererseits fehlen für eine gesicherte Bewertung in mehreren Punkten wissenschaftlich belastbare und standortdifferenzierende Ergebnisse: i) Bewertung der Wirkung auf die N2O-Jahresemission und Nitratauswaschung, ii) ökologische Langzeitwirkungen einer regelmäßigen Ausbringung der Hemmstoffe und ihre Wirkung auf andere umwelt- und klimawirksamen Emissionen (z.B. Ammoniakemission) sowie iii) zusammenführende und standortdifferenzierende Gesamtbewertung als Klimaschutzmaßnahme unter Einbeziehung von Klimaschutzeffekten, ökologischen Risiken, sowie ökonomischen und pflanzenbaulichen Effekten.

Standortdifferenzierte Bewertung und Anrechnung der Nutzung von Nitrifikationsinhibitoren als Klimaschutzmaßnahme im Pflanzenbau

Nitrifikationshemmstoffe werden als robuste und skalierbare THG Reduktionsmaßnahme für den Pflanzenbau vorgeschlagen. Ob dies aber eine effiziente, praxisgerechte und umweltschonende Maßnahme zur Verringerung düngungsinduzierter N2O-Emissionen unter mitteleuropäischen Bedingungen ist, wird von Wissenschaft, Politik und Praxis kontrovers diskutiert. Einerseits bestehen die Potenziale, durch die Hemmung der Nitratbildung sowohl die direkten als auch indirekten N2O-Emissionen deutlich zu mindern und dadurch die Effizienz der Stickstoffdüngung zu verbessern. Andererseits fehlen für eine gesicherte Bewertung in mehreren Punkten wissenschaftlich belastbare und standortdifferenzierende Ergebnisse: i) die standortdifferenzierende Bewertung der Wirkung auf die N2O-Jahresemission und Nitratauswaschung, ii) die ökologischen Langzeitwirkungen einer regelmäßigen Ausbringung der Hemmstoffe und ihre Wirkung auf andere umwelt- und klimawirksamen Emissionen sowie iii) die zusammenführende und standortdifferenzierende Gesamtbewertung als Klimaschutzmaßnahme unter Einbeziehung von Klimaschutzeffekten, ökologischen Risiken, sowie ökonomischen und pflanzenbaulichen Effekten. Ziel dieses Teilprojekts ist die standortabhängige pflanzenbauliche Bewertung des Einsatzes von Nitrifikationsinhibitoren und damit verbundener Düngungsstrategien auf die Qualität und Höhe der Erträge und Stickstoffnutzungseffizienz. Neben bereits verfügbaren Daten aus der Literatur fließen hier insbesondere die pflanzenbaulichen Daten aus den Feldversuchen des Verbundprojektes ein. Zur weiteren Extrapolation der Erkenntnisse werden statistische und pflanzenbauliche Modelle herangezogen.

Extraktion von Lithium aus thermalen Solen, Teilvorhaben: Hydrogeochemische Untersuchung und Bewertung der nachhaltigen Förderung von thermalen Solen zur Lithiumextraktion

KonBioFerm - Kontinuierliche Bioethanol-Fermentation

Schwerpunktprogramm (SPP) 2125: Dekonstruktion und Rekonstruktion der pflanzlichen Mikrobiota, Teilprojekt: Die Rolle von Basidiomyceten-Hefen in der Entstehung komplexer mikrobieller Netzwerke

Pflanzen-besiedelnde Mikroorganismen etablieren komplexe Netzwerke, in denen Pilze und Oomyceten entscheidend die Diversität von Pflanzen-assoziierten Bakterien beeinflussen. Andererseits konkurrieren Oomyceten und Pilze um die ökologische Nische „Pflanze“. Daher ist es von großer Bedeutung, die Wechselwirkungen beider Organismengruppen zu verstehen.Ein Schlüsselorganismus der Phyllosphäre ist der Oomycet Albugo laibachii. In Vorarbeiten identifizierten wir zudem die zu den Basidiomyceten gehörende Hefe Moesziomyces bullatus ex Albugo on Arabidopsis (MbA) als Antagonisten von A. laibachii. Mittels Gen-Deletion konnten wir eine Glucoside hydrolase-family 25 (GH25) aus MbA identifizieren, die für den Antagonismus gegen A. laibachii essentiell ist. In Arabidopsis -Experimenten zeigte rekombinant produziertes GH25, welches eine Lysozymaktivität besitzt, eine signifikante Inhibition gegen A. laibachii. Phylogenetische Analysen zeigten, dass GH25 in Basidiomyceten weit verbreitet ist und in 2 Kladen auf splittet. Einige Basidiomyceten besitzen jedoch kein GH25-Ortholog. Zu diesen gehören die Cystofilobasidiales, die wir als “core taxa“ der Arabidopsis-Phyllosphere identifizieren konnten. Cystofilobasidiales zeigen einen Antagonismus gegenüber A. laibachii vergleichbar mit MbA, was einen GH25-unabhängigen Mechanismus der Inhibition impliziert.In diesem Projekt soll die Rolle von GH25-vermitteltem Antagonismus in mikrobiellen Gemeinschaften untersucht werden. Zudem sollen GH25-unabhängige Mechanismen in basidiomyceten Hefen identifiziert werden. Wir untersuchen die funktionelle Konservierung von GH25 als Inhibitor verschiedener Oomyceten, Pilze und Bakterien. Weiterhin werden wir die Rolle der GH25 Aktivität für die Mikrobiom-Struktur untersuchen unter der Annahme, dass ein Verlust der GH25-vermittelten Inhibition zur Destabilisierung und damit erhöhten Fluktuation in mikrobiellen Gemeinschaften führt.GH25-Orthologe verschiedener Basidiomyceten werden in der MbA_GH25 Mutante exprimiert, um deren Funktion in der mikrobiellen Interaktion zu testen. Parallel werden wir Inhibitoren aus Cystofilobasidium identifizieren. Dabei untersuchen wir den Einfluss von MbA und Cystofilobasidium auf bakterielle Gemeinschaften in An- und Abwesenheit von A. laibachii, wobei uns insbesondere die Rolle von GH25 für die Fitness der Hefen in verschiedenen Interaktionen interessiert.Parallel dazu werden wir Algorithmen weiter entwickeln, die es uns ermöglichen, mikrobielle Eigenschaften wie deren Wirtsspezifität und Lebensweise vorherzusagen, um die Zusammensetzung mikrobieller Substrukturen sowie die Rolle einzelner Schlüsselgene wie GH25 für deren Ausbildung zu verstehen. Somit kombiniert dieses Projekt einen bioinformatischen Ansatz zur Analyse und Vorhersage mikrobieller Strukturen mit einer funktionellen Analyse spezifischer Interaktionen, um Assemblierung, Stabilität und Verhalten mikrobieller Gemeinschaften in der Phyllosphäre auf mechanistischer Ebene zu verstehen.

IBÖM09: ClimateCow - Entwicklung eines Futtermittelzusatzes zur Reduktion klimaschädlicher Methanemissionen in der Nutztierhaltung

Standortdifferenzierte Bewertung und Anrechnung der Nutzung von Nitrifikationsinhibitoren als Klimaschutzmaßnahme im Pflanzenbau, Standortdifferenzierte Bewertung und Anrechnung von Nitrifikationsinhibitoren als Klimaschutzmaßnahme im Pflanzenbau

Ziel des interdisziplinären Verbundvorhabens ist die standortdifferenzierte Bewertung des Einsatzes von Nitrifikationsinhibitoren bei der Stickstoffdüngung als Klimaschutzmaßnahme. Das beantragte Projekt der CAU Kiel ist Teil eines Verbundprojektes welches sowohl ein deutschlandweites Netzwerk abgestimmter Feld- (8 Standorte) und Laborversuche (4 Labors) zu den Wirkungen von Nitrifikationsinhibitoren auf die Stickstoffdynamik im Boden, die direkte N2O-Emission, die Nitratauswaschung sowie die Stickstoffeffizienz und die Qualität und Höhe der Erträge als auch integrierte Untersuchungen zu Wirkungen auf das Bodenmikrobiom (Zielorganismen und Nichtzielorganismen), die Verlagerung von Hemmstoffen, die Interaktion mit anderen umwelt- und klimawirksamen Emissionen (Ammoniak, Methan) sowie die ökonomische Bewertung von Nitrifikationshemmstoffen als Klimaschutzmaßnahme umfasst. Das Teilprojekt ist an der Modellierung und Regionalisierung der Wirkungen von Nitrifikationshemmstoffen, die Abbildung möglicher Klimaschutzwirkungen im Treibhausgasemissionsinventar Deutschlands, die zusammenführende Bewertung als mögliche Klimaschutzmaßnahme sowie der Wissenstransfer in die Praxis beteiligt. Es ist federführend bei der Modellierung der Stickstoffauswaschung als Komponente der indirekten THG-Emissionen. Wesentliche Ziele dieses des Projektes sind die standortdifferenzierte Erfassung und Bewertung - des annuellen Effekts von NI auf die direkte N2O Emission, - der Wirkung von NI auf Ammoniakemissionen und auf die Methanaufnahme von Böden, - der Wirkung von NI auf Ertragseffekte (Höhe, Qualität) und die Stickstoffnutzungseffizienz, - der Wirkung von NI auf die annuelle Nitratauswaschung, - der Wirkungen verschiedener Inhibitorprodukte, - der Effektivität von NI nach mehrmaliger und mehrjähriger Anwendung.

Versuchs- und Messstand für biotechnologische Prozesse

Mit dem Großgerät werden die zu untersuchenden abwasser- und abfalltechnischen Bioprozesse ganzheitlich betrachtet und alle Stoffströme (Gas, Wasser, Feststoffe) vollständig und unter realen Prozessbedingungen bilanziert. Kinetische Parameter werden für unterschiedliche Substrate und Hemmstoffe ermittelt, die dann Eingang in die mathematische Modellierung finden. Mit den gewonnenen Ergebnissen sollen ferner die Prozessmodellierung inklusive deren Kalibrierung und Validierung weiterentwickelt werden. Durch den Einsatz des Großgerätes wird ein erheblicher Erkenntnisgewinn erwartet, der dazu genutzt werden soll, neue und innovative Prozesse im Hinblick auf ihre Leistungsfähigkeit und Grenzen schneller zu erfassen und im Hinblick auf eine Life-Cycle-Analysis zu bewerten. Damit können auch langwierige Versuche an halbtechnischen Anlagen und Pilotanlagen auf wenige Fragestellungen begrenzt werden und es können durch parallele Versuche Zeiten und Kosten eingespart werden. Das für die Verfahrensentwicklung notwendige Upscaling lässt sich ebenfalls erheblich verkürzen.

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