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Der Teufel steckt im Detail: Kontrolle phageninduzierter Stoffkreisläufe in Böden durch das Mikrohabitat

Einer der global größten Kohlenstoffspeicher ist die organische Bodensubstanz (OBS), welche eine zentrale Quelle für die Pflanzennährstoffe Stickstoff (N) und Phosphor (P) darstellt. Bodenmikroorganismen sind die Hauptakteure beim Umsatz der OBS und damit ein zentrales Bindeglied zwischen Kohlenstoff- (C) und Nährstoffkreisläufen. Sie sind jedoch stark durch Phagen (also Viren, die Bakterien befallen) beeinflusst. In Ozeanen sterben täglich 20% der bakteriellen Zellen durch Phagen, was zu einem Umsatzpfad („viral shunt“) führt, der große Mengen organischer Substanz und damit assoziierter Nährstoffe aus bakterieller Biomasse freisetzt. Das erhöht die Produktivität der Ozeane und speichert C in bakteriellen Rückständen. Trotz ihrer hohen Abundanz in Böden wurden Phagen in der Bodenbiogeochemie kaum berücksichtigt. Meine Nachwuchsgruppe wird erstmals untersuchen wie die Biophysik des Mikrohabitats die Infektion durch Phagen und damit bakterielle Sterberaten steuert. Wir werden herausfinden, ob hierdurch ein vergleichbarer „viral shunt“ in Böden vorliegt und quantifizieren dessen Auswirkung auf Nährstoff- und CO2-Feisetzung sowie auch der Speicherung von C. Wir möchten gezielt über phänomenologische Beschreibungen hinausgehen und zugrundeliegende Mechanismen aufklären. Bodenmikrohabitate werden mit modernsten bildgebenden Verfahren zur Aufklärung mikroskaliger Strukturen charakterisiert: 3D Wasserverteilung im Habitat durch synchrotronbasierte Mikrotomographie, Verteilung der OBS mit Rasterelektronenmikroskopie und Mineralogie der Porenoberflächen mittels Raman-Mikrospektroskopie. Phagen aus Böden werden isoliert und ihre Phage-Habitat-Interaktionen erfasst, um so die Relevanz des Mikrohabitats für die Phagenausbreitung zu eruieren. Der Einfluss des Mikrohabitats auf die Infektionsrate und damit auf Stoffkreisläufe wird mittels der Kopplung molekularer Methoden mit Isotopenanwendungen untersucht werden, und zwar i) 18O-DNA Markierung (SIP) zur Erfassung der Phagenbildung sowie des bakteriellen Zellsterbens, ii) der Bestimmung der Abundanz relevanter funktioneller Gene und iii) der Quantifizierung der Mineralisationsraten durch Isotopenverdünnung. Der Einsatz isotopisch markierter Phagen (13C, 15N, 33P) wird die phageninduzierte Änderungen der Elementflüsse aufzeigen. Damit wird erstmal ein mechanistisches Verständnis erlangt, wie Bodenphagen in Interaktion mit ihrem Habitat biogeochemische Kreisläufe von globaler Bedeutung beeinflussen. Des Weiteren wird der Einfluss dynamischer Änderungen des Mikrohabitats auf Phagen untersucht sowie evolutionäre Anpassungen der Phagen an ihre Habitate. Detailliertes Prozessverständnis ist hier von höchster Relevanz um die Auswirkung anthropogener Aktivität oder des Klimawandels auf Bodenphagen vorherzusagen. Daher werden diese Erkenntnisse final in ein dynamisches Modell integriert, um erstmals die Vorhersage phageninduzierter Prozesse in Böden zu ermöglichen - für deren Einsatz in Landnutzung und Landwirtschaft.

Verfahrensentwicklung zur klimaneutralen Produktion von Grundchemikalien mittels innovativer Membranverfahren am Beispiel von Alkalicarbonaten, Teilprojekt 3: Anlagenentwicklung und -bau, Verfahrensbewertung

Verfahrensentwicklung zur klimaneutralen Produktion von Grundchemikalien mittels innovativer Membranverfahren am Beispiel von Alkalicarbonaten, Teilprojekt 5: Aufbau und Erprobung einer Versuchsanlage

Verfahrensentwicklung zur klimaneutralen Produktion von Grundchemikalien mittels innovativer Membranverfahren am Beispiel von Alkalicarbonaten, Teilprojekt 4: Aufbau und Erprobung der Versuchsanlage

CO2-Entnahme durch Alkalinitätserhöhung - Potenzial, Nutzen und Risiken, Vorhaben: Verstärkte Verwitterung in warmen Küstengewässern

Die unbekannte Rolle von Karsteinzugsgebieten für den Kohlenstofftransfer zwischen Kontinent und Atmosphäre

Terrestrisch-aquatische Systeme liefern nicht nur Kohlenstoff vom Land zum Meer, sondern ein bedeutender Teil davon wird in Form von CO2 zurück in die Atmosphäre transportiert. Karstgebiete werden dabei in der Literatur von einigen Studien als Kohlenstoffsenke gesehen, während andere Arbeiten starke CO2 Übersättigungen zeigen. Aufgrund des großen anorganischen Kohlenstoffreservoirs der Kalksteine könnten Bäche und Flüssen in Karstgebieten durchaus eine bedeutende Quelle für CO2 Entgasung einnehmen. Bislang ist allerdings nur wenig über die Rolle von Karst-Einzugsgebieten im globalen Kohlenstoffkreislauf bekannt. Darüber hinaus wurden Auswirkungen tageszeitlicher Änderungen auf die CO2 Entgasung nur selten untersucht. Die jüngsten Entwicklungen bei transportablen laser-basierten Instrumenten erlauben direkte Messungen von Konzentrationen und stabilen Isotopenverhältnissen im Gelände. Diese Messungen ermöglichen Rückschlüsse auf Quellen und Umsetzungsprozesse des freigesetzten Kohlenstoffs. Die Anwendung dieser technischen Neuerungen wird dazu beitragen numerische Modelle zur Quantifizierung von CO2 Ausgasung signifikant zu verbessern. Hauptziel der vorgeschlagenen Studie ist es, die Rolle von Karstgebieten mittlerer Breiten für den Kohlenstoffkreislauf zu untersuchen. Hierbei soll der Schwerpunkt auf CO2 Ausgasungen aus Flussoberläufen und Quellgebieten liegen. Die Studie soll räumliche und zeitliche Quantifizierungen durch direkte Geländemessungen erfassen, um dadurch die physikalischen und biogeochemischen Prozesse zu entschlüsseln, die für den CO2-Transport in Karstgebieten verantwortlich sind. Hierzu sind detaillierte Untersuchungen des Wiesent-Einzugsgebietes in Nordbayern als Pilotstudie geplant. Direkte Vergleiche zu nahegelegenen Oberläufen eines granitischen und eines im Sedimentgestein gelegenen Einzugsgebietes sind ebenfalls vorgesehen. Regelmäßige monatliche Geländekampagnen sehen Konzentrations- und stabile Isotopenmessungen von CO2 direkt im Gelände vor. Die regelmäßigen Beprobungen werden um saisonale Tag-Nacht-Beprobungen sowie eventbezogene Probenahmen ergänzt. Anschließende Laboranalysen für Konzentrationen und Isotopenverhältnissen der anderen aquatischen Kohlenstoffphasen (DIC, DOC und POC) komplettieren die Untersuchung des Kohlenstoffkreislaufs. Dieser Multi-Parameter-Ansatz eröffnet über die stabilen Isotopen-untersuchungen neue Modellierungsansätze für CO2 Entgasungsmodelle. Diese neuen Ansätze haben das Potenzial, die derzeit abgeschätzten CO2-Transferraten aus terrestrischen aquatischen Systemen in Zukunft deutlich besser bestimmen zu können. Dies könnte die Grundlagen liefern, um Kohlenstofftransferraten zukünftig auch auf regionale oder globale Skalen hoch zu skalieren.

Verbesserte Minerallösungskinetik in der reaktiven Transportmodellierung

Reaktive Stofftransportmodelle sind wichtig für die Vorhersage von Mineralauflösungsreaktionen, der Entwicklung des Porennetzwerks, des Strömungsfelds und der Durchlässigkeit, was u.a. für die Verwitterung in der kritischen Zone, die Entwicklung von Karstsystemen und die technische Kohlenstoffspeicherung von Bedeutung ist. Die Zuverlässigkeit reaktiver Transportmodelle mit Mineralauflösung hängt von der Berücksichtigung der reaktiven Oberflächen ab. Dies in reaktiven Transportmodellen auf der Kontinuumsskala zu berücksichtigen ist schwierig, da die intrinsische Variabilität der Oberflächenreaktivität auf der Mikrometerskala schwer zu quantifizieren ist und die Auswirkungen des Zusammenspiels zwischen der kleinräumigen Variabilität von Strömung und Reaktivität auf den effektiven reaktiven Stofftransport auf größeren Skalen unbekannt sind. Ziel des Projekts ist es daher, die intrinsische Oberflächenreaktivität in reaktiven Transportmodellen zu implementieren, um die Vorhersagbarkeit der Mineralauflösung im Mikrometer- bis Zentimetermaßstab zu verbessern. Auf der Mikrometerskala wird der Einfluss der Oberflächen-Nanotopografie auf die Kalzitauflösung mit zwei Parametrisierungen der Nanorauigkeit bewertet: eine basierend auf der Standardabweichung der Oberflächenhöhe, die andere auf der Verteilung der Oberflächenneigung. Die reaktiven Transportmodelle im Mikrometermaßstab werden auf Testfälle der Mineralauflösung von einzelnen Kristallen bis zu komplexen Porennetzwerken angewandt, für die Datensätze mit gemessener Nanotopografie und Netto-Lösungsraten existieren. Als nächstes schlagen wir eine Upscaling-Strategie vor, um die Variabilität der intrinsischen Oberflächenreaktivität auf der Mikrometerskala in Simulationen auf der Zentimeterskala zu berücksichtigen. Es werden neue Beziehungen zwischen der Porosität und der Permeabilität aufgrund der mikrometerskaligen Simulationen entwickelt. Die hochskalierten Reaktionsraten und die petrophysikalischen Beziehungen werden in Modellen auf der Zentimeterskala implementiert, um die Vorhersagbarkeit der Mineralauflösung zu verbessern. Mit den entwickelten reaktiven Transportmodellen sollen experimentell abgeleitete heterogene Ratenverteilungen und beobachtete bevorzugte Auflösungsmuster reproduziert werden. Schließlich werden wir die Abhängigkeit der Mineralauflösungskinetik von räumlichen und zeitlichen Skalen in Systemen mit heterogener intrinsischer Oberflächenreaktivität untersuchen. Es werden Sensitivitätsstudien durchgeführt, um die Skalenabhängigkeit der effektiven Kalzitauflösung beinicht aufgelöster Variabilität der intrinsischen Oberflächenreaktivität zu verstehen. Für verschiedene Bedingungen werden wir eine Längenskala angeben, von der an die Heterogenität der intrinsischen Oberflächenreaktivität homogenisiert werden kann, was zu konstanten effektiven Koeffizienten führt. Wir erwarten, die allgemeine Anwendbarkeit der entwickelten reaktiven Stofftransportmodelle zu bestätigen.

ERA-NET SUMFOREST: Vergleich von Nachhaltigkeitsleistungen von Wertschöpfungsketten (BenchValue)

Europa geht in Richtung einer Bioökonomie. Für diese Entwicklung sind neue innovative Wertschöpfungsketten notwendig, auch und besonders für den Grundstoff Holz. Es zeigt sich jedoch, dass ein breiterer Einsatz von bio-basierten Produkten nur dann möglich ist, wenn Wettbewerbsvorteile sowohl ökonomischer Natur als auch auf Basis von Nachhaltigkeitseffekten besser dargestellt werden können. Das Ziel des Projekts ist, eine vielseitige Benchmarking Methode zu entwickeln, die es ermöglicht, Wertschöpfungsketten zu vergleichen, die auf erneuerbaren, holzbasierten Rohstoffen und nicht erneuerbaren Rohstoffen andererseits basieren. Dadurch soll es möglich werden, die Nachhaltigkeitseffekte zu bewerten und die positiven Klimaeffekte von Substitution nicht-erneuerbarer Materialien durch holzbasierte Stoffe abzuschätzen. Das übergeordnete Ziel ist, Entscheidungsträger in Politik und Marktwirtschaft mit besseren Entscheidungsgrundlagen in der Materialverwendung zu unterstützen. Als Demonstrationsobjekt wird der Bausektor herangezogen, anhand dessen die BenchValue Methode getestet. Holz soll als starke und langlebige Alternative zu energieintensiven Stoffen überprüft werden, und die Effekte von Kohlenstoffspeicherung in Gebäuden und deren positive Effekte auf Reduzierung von Treibhausgasen analysiert werden. Der Hintergrund dieser Auswahl ist, dass der Bausektor einer der führenden Sektoren in der Eurasischen Wirtschaft ist, und dementsprechend bedeutende Potenziale für die Ausprägung einer Bioökonomie aufweist. Um eine hohe Akzeptanz für die entwickelte Methode begleitend zu generieren und eine klare Transparenz der Arbeiten und Ergebnisse zu gewährleisten, wird auf einem im Rahmen von EU-Forschung entwickelten Impact Assessment Tool aufgebaut. Dieses Instrument, ToSIA, wurde für Wald-Holz Wertschöpfungsketten entwickelt (Lindner et al., 2010) und erwies sich als flexibel für erweiterte Aufgabengebiete. Vor diesem Hintergrund ist eine Erweiterung für das Benchmarking verschiedener Wertschöpfungsketten in BenchValue vorgesehen. Eine wichtige Komponente ist, Stakeholdern eine valide, einheitliche Methode zur Verfügung zu stellen, die es erlaubt, die Nachhaltigkeitseffekte verschiedener Materialien zu testen und eine informierte Entscheidungsfindung zu unterstützen. ToSiA hat sich in diesem Gebiet als tragfähig erwiesen (Tuomasjukka et al. 2013). Im Gegensatz zu diesen neuen Anforderungen gibt es zurzeit keine Label, Standards or Methoden, oder nur partiell (z.B. EN 15978 LCA spricht Umweltaspekte von Bauwerken an). Für Instrumente wie die EU Energy Performance of Buildings Directive (European Parliament & Council of the European Union 2010), die ab 2020 rechtlich verbindlich werden, sind solch Aspekte jedoch essenziell. BenchValue setzt sich zum Ziel, politik-relevantes Wissen zu generieren zu Instrumenten und Politiken, die in direktem Zusammenhang mit der Bioökonomie stehen.

Kohlenstoffspeicher der Vegetation

Kohlenstoffvorräte der oberirdischen Biomasse Berlins pro Block- und Teilblockflächen ohne Gewässer sowie pro Straßenfläche auf Grundlage der Blockkarte 1 : 5.000 (ISU5, Raumbezug Umweltatlas 2015). Die Daten stellen ein Teilergebnis des FE-Vorhabens NatKos der HU Berlin dar, gefördert im Berliner Programm für Nachhaltige Entwicklung (BENE). Datenstand ist Januar 2020.

Kommunales Informationssystem Holzbau - Modell zur Quantifizierung und Darstellung von Treibhausgas-Einsparpotenzialen durch stoffliche Holzverwendung in Kommunen

Die Bundesregierung hat hohe Ziele für den Klimaschutz bis 2045 beschlossen. Der Gebäudebestand verursacht etwa 30% aller Treibhausgase und soll daher bis 2045 klimaneutral werden. Aufgrund der langjährigen Nutzungsdauer der Gebäude stellen sich Effekte nur langsam ein und deshalb müssen Anpassungen ab sofort in die Planungsprozesse eingespeist werden. Die Umsetzung von Klimaschutzstrategien und Klimaschutzmaßnahmen auf kommunaler Ebene im Gebäudebestand muss zukünftig in enger Abstimmung mit den Zielen der kommunalen Bauleitplanung erfolgen. Dies stellt die Kommunen vor große Herausforderungen. Das hier dargestellte Klimaschutzprojekt 'Kommunales Informationssystem Holzbau (Holzbau-KIS)' hat als Ziel, das Potenzial einer stofflichen Nutzung von Holzprodukten im Bauwesen als zusätzliche Klimaschutzmaßnahme für Kommunen darzustellen und praktisch handhabbar zu machen. In verschiedenen Szenarien werden realisierbare Potenziale für THG-Einsparungen durch Bauen und Sanieren mit Holz projiziert. Bereits existierende Ansätze für Neubau und Sanierung sollen um weitere Szenarien ergänzt und auf ausgewählte Nichtwohngebäude ausgeweitet werden. Die Ergebnisse zeigen sowohl die Kohlenstoffspeicherung im Holzwerkstoff als auch das Substitutionspotenzial durch den Ersatz von Bauteilen in mineralischer Bauweise durch Holzkonstruktionen. Das Holzbau-KIS soll ein praxisnahes, webbasiertes Planungs- und Kommunikationstool werden, das es den Kommunen in Selbstverwaltung ermöglicht, die THG-Einsparungen durch den Einsatz von Holz als Baumaterial in kommunale Klimaschutzkonzepte zu integrieren. Das Teilvorhaben der RUB befasst sich mit der methodischen Erweiterung und der fachlichen thematischen Ergänzung der bestehenden Konzepte für die drei kommunalen Pilotanwendungen. Außerdem soll die Erstellung eines Transferkonzepts zur Übertragung auf weitere Kommunen begleitet werden und bspw. methodische, aber auch organisatorische Aspekte eines Betriebs des Tools bei einer Kommune beleuchten.

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