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Stickstoff-Immobilisierung - Regionalisierung von Eingangsdaten der Critical-Load-Berechnung

Ziel der vorliegenden Studie ist es, für Deutschland flächendeckend Stickstoffimmobilisierungsraten für die Critical-Load-Berechnung abzuleiten. Es soll dabei geprüft werden, inwieweit die landnutzungs - spezifische Bodenübersichtskarte Deutschland 1/1.000.000 (BÜK1000N v2.3) sowohl als Karten- wie auch als Datengrundlage genutzt werden kann. Aufbauend auf dem Vorgängerprojekt (Projektnr. 76011) werden die Stickstoffimmobilisierungsraten anhand rezent gemessenen Stickstoffvorräte und dem dazugehörigen Bodenalter abgeleitet. Die Eignung der BÜK1000N als Datengrundlage wird dabei aufgrund der Datenlage zu den Stickstoffvorräten als unzureichend eingeschätzt. Die Nutzung der Daten der zweiten Bodenzustandserhebung im Wald (BZE II) wird favorisiert. An den BZE-Punkten können Stickstoffvorräte der organischen Auflage und des Mineralbodens bis zu einer Tiefe von 90 cm berechnet werden. Das Bodenalter der BZE-Punkte wird entsprechend dem Vorgehen des Vorgängerprojektes anhand der maximalen Vereisung während der letzten Eiszeit festgelegt. Die Stickstoffvorräte der BZE-Aufnahmepunkte werden den BÜK1000N-Einheiten und Corine Landnutzungsklassen zugeordnet. Es zeigt sich, dass sich die Stickstoffimmobilisierungsraten anhand der BÜK1000N-Einheiten in drei Klassen gruppieren lassen. Die höchsten Immobilisierungsraten finden sich in den organischen Böden der BÜK1000N-Einheiten 6 und 7 mit 1,37 +/- 0,29 kg ha-1 a-1, mittlere Raten in Höhe von 0,93 +/- 0.06 kg ha-1 a-1 in den BÜK1000-Einheiten 19 - 21 mit mittel- bis tiefgründige Böden vorwiegend aus Geschiebelehm oder -mergel sowie Böden im montanen und subalpinen Bereich des Alpenraums. In den übrigen BÜK1000N-Einheiten weisen die Böden Raten von 0,31 +/- 0,04 kg ha-1 a-1 auf. Innerhalb der einzelnen BÜK1000N-Einheiten zeigen sich kaum Unterschiede zwischen den Waldtypen der Corine Landnutzungsdaten, so dass empfohlen wird, die Stratifizierung der Immobilisierungsraten anhand der BÜK1000N-Einheiten vorzunehmen. Mit dem vorliegenden Regionalisierungsansatz können 98,8 % der Rezeptorflächen der Critical-Load-Berechnung abgedeckt werden. Quelle: Forschungsbericht

POD Immobilisierung - Immobilisierung von bio-katalytisch wirksamen Peroxidasen an textilen Trägermaterialien, POD Immobilisierung - Immobilisierung von bio-katalytisch wirksamen Peroxidasen an textilen Trägermaterialien

Das Hauptziel des Teilvorhabens, Peroxidasen aus Pilzen, die entweder aus Submers Kulturen von Basisdiomyceten selbst isoliert oder von den Partnern ASA und AB Enzymes (assoziierter Partner) zur Verfügung gestellt werden, nach der Immobilisierung an geeigneten Trägertextilien bzgl. ihrer Enzymaktivitäten zu untersuchen. Zur biochemischen Charakterisierung der immobilisierten Peroxidasen (Km, kcat) dienen dabei neben allgemeinen Peroxidase-Modellsubstraten wie ABTS insbesondere Bixin und beta-Carotin. Ein besonderes Augenmerk liegt daneben auf der Bereitstellung des erforderlichen Cofaktors H2O2 in geeigneter Konzentration. Darüber hinaus werden die immobilisierten Peroxidasen im wiederholten oder dauerhaften Einsatz zur Bleichung von Molke erprobt. Die Bleichung der Molke wird mittels CIELab-System quantitativ erfasst. Zur biochemischen Charakterisierung der freien und textil-geträgerten Peroxidasen dienen photometrische und elektrophoretische Untersuchungen. Wichtige Parameter sind die Erfassung der (Rest)aktivität der Peroxidasen nach der Immobilisierung, die Detektion eines eventuellen Übergangs des Enzyms in die Lebensmittelmatrix Molke, sowie die Einstellung einer optimalen Konzentration des Cofaktors H2O2.

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Herkunft und Bindungsformen von Schwermetallen in Böden sowie deren Fixierung unter besonderer Berücksichtigung von Chelatbildnern

In dem gut voruntersuchten Raum Stolberg (Rheinland) soll die Umverteilung der Elemente Cd und TI zwischen den Kompartimenten Gestein, Boden, Grundwasser, Oberflächenwasser sowie anthropogener Bildungen (z.B. Bergbauhalden) untersucht werden. In stark kontaminierten Arealen soll überprüft werden, ob Chelatbildner (z.B. Polyphenole) zur Immobilisierung der Schwermetalle eingesetzt werden können.

Untersuchung der Mobilität, Reduktion und Immobilisierung von Chromat im Grundwasser bei belasteten Standorten

In der Schweiz gibt es schätzungsweise 30 Altlasten, welche hauptsächlich mit Chromat belastet sind. Im Trinkwasser ist Cr(VI) schon in geringen Konzentrationen toxisch (Grenzwert nach AltlV.: 0.01mg/l). Für die Evaluation von Sanierungsmass­nahmen bei Chromat-Altlasten sind gute Kenntnisse über die Mobilisierung und die chemischen/hydrogeologischen Prozesse der mit Chromat belasteten Grundwässer unerlässlich. Eine der Sanierungsmöglichkeiten von Chromatverunreinigungen ist die Reduktion und Immobilisierung der Chromverbindungen im Untergrund (in situ). Dies kann in reaktiven Zonen geschehen, in welchen das stark toxische Cr(VI) zu un­schädlichem Cr(III) reduziert und immobilisiert wird. Im Rahmen des Umwelttechnologieprojektes UTF 31.05.00 wurde in Willisau, Luzern, eine neuartige Konstruktion einer permeablen reaktiven Barriere in Form einer Pfahl­reihe entwickelt. Das reaktive Material in den Pfählen besteht aus einem Gemisch von Grauguss und Kies. Das Prinzip der reaktiven Pfahlreihe beruht zum einen auf der Reduktion des Cr(VI) direkt in den reaktiven Pfählen sowie in der im Abstrom der Pfahlreihe generierten Fe-Fahne. Tiefendifferenzierte Beprobungen von Grundwasser und reaktivem Material ermöglichten ein gutes Verständnis der dort vorherrschenden hydrogeochemischen Bedingungen. Die Untersuchungen im Sanierungsfall Rivera, Tessin, ergänzen die Resultate der Analysen, Experimente und Modellierungen von Willisau um einen weiteren Grund­wassertyp (Aquityp), weshalb sich wichtige Erkenntnisse für die Forschung wie für die Praxis ergeben sollten. Auf dem ehemaligen Gelände der Firma 'Ex-Tugir' in Rivera ist eine erhebliche Chromatverschmutzung vorhanden, die Verhältnisse im Unter­grund unterscheiden sich aber stark im Vergleich zum Fall Willisau. Die unterschiedliche Hydrogeologie, Geologie und Geochemie eignen sich vortreff­lich, um die oben genannte Problematik unter verschiedenen Bedingungen analytisch und modellhaft zu betrachten und an einem weiteren realen Sanierungsfall zu verifi­zieren. Mit der vorgeschlagenen Studie sollen vier zentrale Fragen über das Verhalten von Chro­mat im Untergrund geklärt werden: 1. Welchen Einfluss hat der kristalline Aquityp (pH/Leitf.) auf die Chromatmobilität. 2. Spielt der Torfhorizont in Bezug auf die RedOx-Prozesse die Rolle einer natürlichen Barriere und wenn ja, welche Prozesse sind bestimmend und wie effektiv sind diese im Vergleich zu metallischen Oxidationsmitteln (Grauguss). 3. Wie verhält sich die Kinetik der RedOx-Prozesse im Vergleich zur Situation in Willisau (Laborexperimente). 4. Lässt sich mit den erarbeiteten Grundlagen der reaktive Transport so modellieren, dass quantitative Aussagen für belastete Standorte zu machen sind.

Entwicklung eines Reaktionssystems zur biologischen Reinigung EDTA-haltiger Abwaesser

Ethylendiamintetraacetat (EDTA) ist ein insbesondere im industriellen Bereich vielfaeltig eingesetzter Komplexbildner, der in der Natur und in konventionellen Klaeranlagen kaum abgebaut wird. Ziel des Projekts ist die Entwicklung von dezentralen Reinigungsanlagen, in denen EDTA durch speziell angereicherte und adaptierte Bakterienmischkulturen abgebaut wird. Zu diesem Zweck wurden geeignete Mikroorganismen angereichert und charakterisiert sowie der Abbauweg und der Einfluss von Metallionen auf den biologischen Abbau untersucht. Fuer eine effiziente Behandlung EDTA-haltiger Abwaesser ist die Konzeption und Auslegung geeigneter Kompaktbioreaktoren notwendig, in denen durch Immobilisierung auf Traegermaterialien eine effiziente Biomasseanreicherung erreicht wird. In Zusammenarbeit mit EDTA-Anwendern wird eine Abwasserteilstrombehandlungsanlage zur Behandlung von Realabwaessern installiert, so dass weitere Auslegungsdaten fuer eine Scale-up bestimmt und Stoergroessen erkannt werden koennen. Neben EDTA werden weitere Komplexbildner auf mikrobielle Abbaubarkeit untersucht. Nach der Anreicherung fuer den Abbau geeigneter Mikroorganismen sollen deren Eigenschaften ebenfalls charakterisiert werden.

Entwicklung eines biologischen Verfahrens zur Reinigung Komplexbildner enthaltender Abwaesser, Entwicklung eines biologischen Verfahrens zur Reinigung Komplexbildner enthaltender Abwaesser

Durch grundlegende, praxisorientierte Untersuchungen an einer speziell angereicherten Mischkultur und dem daraus isolierten EDTA-verwertenden Stamm BNC 1 soll die Eliminierung von schwer abbaubaren Komplexbildnern - insbesondere EDTA - aus industriellen Abwaessern ermoeglicht werden. Hierzu sollen die Parameter, die den Abbau positiv oder negativ beeinflussen (z.B. Art des Metall-EDTA-Komplexes, Grenzkonzentrationen usw.), bestimmt, die Zellen auf geeigneten Traegermaterialien immobilisiert; die kinetischen Daten und die kritischen bzw. Schritte des Abbaus ermittelt sowie Moeglichkeiten zur Stabilisierung des Abbaus erarbeitet werden. Ferner sollen relevante Realabwaesser hinsichtlich der Abbaubarkeit von EDTA untersucht und das Spektrum an verwertbaren Komplexbildnern erweitert werden. Die Ergebnisse sollen zudem dazu beitragen, die Ursachen der schlechten Abbaubarkeit von Komplexbildnern zu verstehen und bei Kenntnis der Abwasserzusammensetzung Voraussagen ueber die Abbaubarkeit des darin enthaltenen Komplexbildners treffen zu koennen.

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1. Vorhabenziel: Gemäß der partnerspezifischen Kernkompetenz des DTNW ist es das Hauptziel des Teilvorhabens innerhalb des Kooperationsprojektes, die von den Partnern zur Verfügung gestellten Peroxidasen nach unterschiedlichen Verfahren an textilen Trägermaterialien dauerhaft zu immobilisieren. In Zusammenarbeit mit den Partnern sollen die permanent fixierten Enzyme hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit am Beispiel der Bleichung von Molke getestet und entsprechend optimiert werden. 2. Arbeitsplanung: Die Immobilisierung von unterschiedlichen Katalysatoren an textilen Trägermaterialien wird am DTNW seit vielen Jahren im Arbeitsbereich 'Biotechnologie & Katalyse' erfolgreich erforscht. Entsprechend seiner Expertise liegt die Kernzuständigkeit des DTNW innerhalb des FuE-Vorhabens bei der Immobilisierung von Peroxidasen an geeigneten textilen Trägermaterialien. Diese werden über nasschemische oder photochemische Methoden unter Zuhilfenahme von Ankermolekülen und vernetzenden Reagenzien (Cycanurchlorid, Glutardialdehyd, Polycarbodiimid etc.) an unterschiedlichen textilen Trägern permanent fixiert und über entsprechende Analyseverfahren vollständig charakterisiert (REM, UV-Vis, FT-IR (ATR), Farbreaktionen, Ninhydrin-Test, ICP-OES etc.).

Datenerhebung für die Anwendung und Überprüfung von Modellen zur Stickstoffdynamik in Waldökosystemen und empfindlichen waldfreien Ökosystemen unter Berücksichtigung biologischer Prozesse und Indikatoren

A) Derzeit werden Methoden zur dynamischen Modellierung des Stickstoffhaushaltes in Ökosystemen entwickelt. Es ist bereits jetzt abzusehen, dass die in einem geplanten Projekt (Beginn November 01) erhobenen Daten zum Einfluss von N auf den Humusstatus von Waldböden nicht ausreichen (z.B. hinsichtlich der N-Dynamik und Stofffreisetzungen im Mineralboden, räumliche Repräsentativität). Entsprechend den Ergebnissen der Critical Load Konferenz von Kopenhagen (1999) und den Empfehlungen der 17.Task Force on International Cooperative Programm (ICP) Mapping spielen biologische Indikatoren und Prozesse eine zunehmende Rolle bei der Bewertung von Wirkungen von Luftschadstoffen. B) Der Arbeitsplan der Arbeitsgruppe Wirkungen (WGE) sieht die Anwendung dynamischer Modelle für den Stickstoffhaushalt und die Wirkung eutrophierenden Stickstoffs im europäischen Maßstab vor. Dazu hat das National Focal Center (NFC) Deutschland einen nationalen Beitrag zu leisten. Auf der 17. Tagung der Task Force on ICP Mapping wurde dringender Bedarf zur Durchführung eines internationalen Workshops zu Stickstoff konstatiert. C) Ziel des Vorhabens ist die Erhebung von bodenchemischen Parametern in Abhängigkeit von Geologie/Pedologie sowie atmosphärischen Belastungen (vor allem Stickstoff) und Auswirkungen auf Biozönosen bzw. biologische Prozesse an ausgewählten Standorten sowie Auswertung bereits vorhandener Datenbestände zur Anwendung und Validierung dynamischer Modelle. Der Wissensstand hinsichtlich a) der Auswirkungen atmosphärischer Depositionen von N (und anderen Luftschadstoffen) auf bestimmte Aspekte der Erhaltung der Biodiversität sowie b) der Weiterentwicklung empirischer Critical Loads soll synoptisch erfasst werden. Für einen internationalen Stickstoffworkshop im Herbst 2002, der diesbezüglich den Wissensstand und den Forschungsbedarf reflektiert, sollen sowohl fachlich inhaltliche Beiträge in englischer Sprache als auch organisatorische Beiträge geleistet werden.

Ethanolherstellung aus nachwachsenden Rohstoffen mittels einschlussimmobilierter Zellen - Einsatz von Zymomonas mobilis

In diesem Forschungsvorhaben soll das Potential des Bakteriums Zymomonas mobilis für die industrielle Ethanolproduktion aus zuckerhaltigen nachwachsenden Rohstoffen untersucht werden. In einem Screening soll ein geeigneter Stamm des Bakteriums Zymomonas mobilis gefunden werden, für den durch geeignete Anzuchtparameter und Medien eine reproduzierbare Stammhaltung festgelegt wird. Die Immobilisierung des Bakteriums soll bezüglich Aktivität, einfacher Handhabbarkeit und Kosten optimiert werden. Die so erhaltenen Immobilisate sollen charakterisiert und im Laborfermenter unter praxisnahen Bedingungen eingesetzt werden. Die ermittelten Daten sollen mit denen konventioneller Ethanolproduktion mit Hefen verglichen werden. Wenn es gelingt, mit einem geeigneten Bakterienstamm in einem optimierten Immobilisierungssystem unter praxisnahen Bedingungen Bioethanol mit deutlich höherer Produktivität als bei konventionellen Verfahren herzustellen, erscheint eine technische Realisierung der Bioalkoholproduktion auf dieser Basis sehr wahrscheinlich. Die Beurteilung der Ergebnisse und deren industrielle Bedeutung wird in Zusammenarbeit mit der Braunschweigische Maschinenbauanstalt AG (BMA) erfolgen.

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