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.
In Teilprojekt liegt der Fokus auf der Entwicklung von Feinbetonmischungen mit gezielter Steuerung der rheologischen Eigenschaften, um diese für Extrusion und Umformung konstanter und variabler Querschnitte einsetzen zu können. Dabei werden auch alkalisch aktivierte Bindemittel (TP B04) betrachtet. Ein zweiter Schwerpunkt ist die Erprobung von zweistufig aushärtenden Textiltränkungen (TP B02) hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit im Extrusions- und anschließenden Umformprozess. Es werden Aspekte der Tragfähigkeit (z. B. der Verbund zwischen Prepregs und Feinbeton, globales Strukturverhalten), der technologischen Umsetzung (z. B. Lagegenauigkeit der Textilien) sowie der Gebrauchstauglichkeit erforscht.
Im Teilprojekt werden wissenschaftliche Grundlagen für die Integration von kontinuierlichen Faserbewehrungen in mineralisch basierten Verbundwerkstoffen bei generativer Fertigung erarbeitet. Als Matrices werden Feinkornbetone mit zementbasierten Bindemitteln und alkalisch aktivierten Bindern unter-sucht. Als kontinuierliche Faserbewehrung werden online mineralisch getränkte Carbongarne integriert. Im TP erfolgen das Werkstoffdesign für zementbasierte Betone, die Formulierung und Erprobung von Konzepten für die generative Fertigung von Strukturelementen sowie die Entwicklung und Anwendung von zugehörigen Prüfverfahren.
In dem geplanten Vorhaben soll eine neue Produktionsroute für Natron (Natriumhydrogencarbonat) und Soda (Natriumcarbonat) bis zum Technikumsmaßstab entwickelt und optimiert werden. Durch die Verwendung von regenerativen Strom biogenem Kohlendioxid aus Biogasanlagen und salzhaltigen Abwässern soll ein nachhaltigerer Prozess als das konventionellen Ammoniak-Soda Verfahren entwickelt werden. Dafür sollen modernste Membrantechnologie und bipolare Elektrodialyse eingesetzt werden, um den Energiebedarf zu minimieren. Das neue Verfahren soll eine nachhaltige Alternative bzw. Ergänzung zum konventionellen Verfahren darstellen und dazu beitragen die Abfallströme der Sodaindustrie (Entsalzung von Abwasser) zu reduzieren, fossile Rohstoffe (Kalkstein, Erdgas, Koks bzw. Anthrazit) zu vermeiden und gleichzeitig als CO2-Senke (Carbon Capture & Utilization) zu wirken. Als zusätzliches Produkt wird bei dem Verfahren Salzsäure produziert. Des Weiteren wird geprüft, inwieweit Calciumchlorid aus den entstandenen Abfallströmen abgeschieden und vermarktet werden kann. Das Projekt wird gemeinsam durch die Partner des Fraunhofer-IKTS, der CIECH Soda Deutschland, dem E.S.C.H. Engineering Service Center und Handel GmbH, dem DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH, dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf und der Wemag Projektentwicklung GmbH bearbeitet.
Die stratosphärische Ozonschicht absorbiert die UV-C und UV-B Sonnenstrahlung und schützt damit Pflanzen, Tiere und Menschen vor Strahlenschäden. Durch anthropogen emittierte Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs) wird die Ozonschicht abgebaut. Da FCKWs seit dem Montrealer Protokoll stark zurückgegangen sind, werden halogenierte Verbindungen wie Chlormethan (CH3Cl), die aus natürlichen Quellen freigesetzt werden, für den Abbau der Ozonschicht in der Stratosphäre zunehmend relevant. CH3Cl ist das am häufigsten vorkommende chlorhaltige Spurengas in der Erdatmosphäre, das für etwa 17% der durch Chlor katalysierten Ozonzerstörung in der Stratosphäre verantwortlich ist. Daher wird CH3Cl vornehmlich die zukünftigen Gehalte an stratosphärischem Chlor bestimmen. Die aktuellen Schätzungen des globalen CH3Cl-Budgets und die Verteilung der Quellen und Senken sind sehr unsicher. Ein besseres Verständnis des atmosphärischen CH3Cl-Budgets ist daher das Hauptziel dieses Projektes.Die Analyse stabiler Isotopenverhältnisse von Wasserstoff (H), Kohlenstoff (C) und Chlor (Cl) hat sich zu einem wichtigen Werkzeug zur Untersuchung des atmosphärischen CH3Cl-Budgets entwickelt. Das zugrundeliegende Konzept besteht darin, dass das atmosphärische Isotopenverhältnis einer Verbindung wie CH3Cl gleich der Summe der Isotopenflüsse aus allen Quellen angesehen werden kann, korrigiert um den gewichteten durchschnittlichen kinetischen Isotopeneffekt aller Abbauprozesse. Dadurch ist es möglich, die Bedeutung wichtiger Quellen und Senken mit bekannten Isotopensignaturen zu entschlüsseln. Eine Grundvoraussetzung für detaillierte Hochrechnungen des globalen Budgets ist die Bestimmung der durchschnittlichen Isotopenverhältnisse von H, C und Cl des troposphärischen CH3Cl. Aufgrund der relativ geringen Konzentration von atmosphärischem CH3Cl von ~550 ppbv stellt dies eine große messtechnische Herausforderung dar. Daher liegt der Schwerpunkt dieses Antrags auf der erfolgreichen Entwicklung von Dreifachelement-Isotopenmethoden zur genauen Messung von atmosphärischem CH3Cl.Im ersten Schritt wird ein Probenahmesystem für große Luftmengen konstruiert und für die Messungen der stabilen Isotopenverhältnisse von CH3Cl optimiert. Das Probenahmegerät wird zunächst im Labor getestet und dann zum Sammeln von Luftproben an drei verschiedenen Orten eingesetzt: an der Universität Heidelberg, am Hohenpeißenberg und im Schneefernerhaus. Die Probenahmen werden über einen Zeitraum von einem Jahr durchgeführt, um möglichst auch saisonale Schwankungen zu erfassen. Die Isotopenverhältnisse der Proben werden mit modernsten massenspektrometrischen Methoden im Labor gemessen. Die Ergebnisse aller Standorte und Zeitpunkte werden in der Gesamtheit evaluiert, um die durchschnittlichen stabilen H-, C und Cl-Isotopenwerte einschließlich ihrer saisonalen Schwankungen darzustellen. Abschließend werden die Daten hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit für komplexe numerische Modelle kritisch diskutiert.
In Projekt P2 werden wir die Chrolonolgie und Intensität der menschlichen Besiedelung der Bale-Mountains untersuchen und deren Auswirkungen auf die Entwaldung des Sanetti-Plateaus durch Feuer. Um diese Zusammenhänge zu untersuchen, werden wir uns auf folgende Punkte konzentrieren:1. In Zusammenarbeit mit Projekt P1 (Archäologie) werden wir Chronologie (mittels Radio-Kohlenstoff- und Optisch stimulierter Lumineszenz-Datierungen) und Art und Intensität der menschlichen Besiedelung untersuchen. Hierzu dienen Anthrosole unter Felsvorsprüngen und Höhlen als Archive und molekulare Marker als Landnutzungs-Indikatoren, wie z.B. Phosphor-Mapping (Birk et al. 2007), Benzolpolycarbonsäuren (Glaser et al. 1998) und Sterole und Gallensäuren als Fäkalbiomarker (Birk et al. 2012). 2. In Zusammenarbeit mit den Projekten P3 (Basis-Umweltdaten-Erhebung) und P7 (Erd-Käfer) werden wir typische Standortseigenschaften (Böden und Topographie) erhoben. Diese Daten erlauben uns die Rekonstruktion der ehemaligen Erica-Ausbreitung sowie von gegenwärtigen reellen und potenziellen Erica-Standorten. 3. Mit der gleichen Intension werden wir potenzielle molekulare Erica-Marker untersuchen wie z.B. Cutin und Suberin (Spielvogel et al. 2014), CuO lignin und Monosaccharide (Spielvogel et al. 2007; Eder et al. 2010), Phytolithe (Iriarte et al. 2010), n-Alkane, Stabilisotopen-Signaturen (Glaser und Zech 2005).Sollten keine Erica-spezifischen Biomarker gefunden werden, wenden wir Metabolomics-Techniken an, um zwischen Erica und Gras-Vegetation im Boden zu unterscheiden.4. Um mögliche Interaktionen zwischen der menschlichen Besiedelung und der zeitlichen und räumlichen Dynamik der Erica-Vegetation zu identifizieren, werden Sedimente von konkaven glazialen Ablagerungen auf dem Sanetti-Plateau mit den oben beschriebenen molekularen Markern untersucht. Wir gehen davon aus, dass die Chronologie und Intensität von Feuer die Dynamik der Erica-Vegetation bestimmt. In Zusammenarbeit mit P4 (Paleoökologie, Pollen) und P5 (Paleoclimatologie, 18O-Zucker) werden wir identifizieren, ob das Brennen der Erica-Standorte mehr durch die menschliche Besiedelung oder durch paläoklimatische Fluktuationen bestimmt wird.
Beim mikrobiellen Umsatz von organischen Verbindungen wird ein beträchtlicher Anteil des Kohlenstoffs zunächst zum Aufbau von Biomasse durch Bakterien genutzt. Diese Biomasse unterliegt nach ihrem Absterben wieder einem Abbau durch andere Mikroorganismen. In diesem Prozess werden Fragmente der abgestorbenen Zellen entweder selbst wieder zum Substrat für andere Organismen oder direkt in der Bodenmatrix festgelegt. Damit tragen sie substanziell zur Bildung der organischen Bodensubstanz (SOM) bei. Im Rahmen der geplanten Arbeiten sollen vorwiegend durch Markierungsexperimente mit stabilen und radioaktiven Isotopen die mikrobiellen Umsatzraten und die Bildung von Huminstoffen aus bakterieller Biomasse und fraktionierten Zellbestandteilen wie auch aus mikrobiellen Mineralisationsprodukten wie CO2 und NH4 in Modellböden des Schwerpunktprogrammes detailliert untersucht werden. Dazu wird die Transformation isotopisch markierter Biomassebestandteile (14C; 13C; 15N) in Bodenbioreaktoren untersucht. Die festgelegten und umgewandelten Produkte der markierten Biomasse sollen in den verschiedenen Partikel- und Huminstofffraktionen des Bodens bilanziert und mit isotopenchemischen und strukturchemischen Methoden charakterisiert werden. Damit können der stoffliche Beitrag der Biomasse an der Bildung von Huminstoffen im Boden bilanziert und Konversionsfaktoren sowie Raten für die Stoffverteilung abgeschätzt werden. Ergebnisse aus ersten Versuchen lassen zudem auf einen signifikanten Einbau von Kohlenstoff aus CO2 in die SOM schließen. Daraus könnte sich eine Neubewertung von Tracerexperimenten zur Bildung von gebundene Resten aus Xenobiotika ergeben. Im zweiten Schritt sollen Methoden zur Ermittlung der Struktur und Funktionalität der festgelegten Biopolymere entwickelt werden. Besonderes Augenmerk wird auf die Festlegung von Zellwandbestandteilen, Strukturproteinen und Nukleinsäuren gelegt.
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