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Quantifizierung des N-Haushaltes unter landwirtschaftlicher Nutzung und Möglichkeiten zur Reduzierung von N-Verlusten - Teil II, Quantifizierung des N-Haushaltes unter landwirtschaftlicher Nutzung und Moeglichkeiten zur Reduzierung von N-Verlusten

Das Ziel einer Reduzierung des N-Austrages aus Boeden unter Iandwirtschaftlicher Nutzung setzt ei detaillierte Erfahrung von Bodenkennwerten des N- und Wasserhaushaltes vor allem im Winterhalbjahr voraus. Mit verschiedenen neuen Methoden sollen in einem mehrjaeihrigen Feldversuch die Wirkungen unterschiedlicher ackerbaulicher Massnahmen, wie Bodenbearbeitungs N-Duengung und Zwischenfruchtanbau vergleichend erfasst und Ansaetze zur Quantifizierung des Haushalts gemacht werden.

Molekularbiologische Analyse der Rolle der Mykorrhiza für den Schwefelhaushalt der Pappel

Mykorrhizen sind in der Lage, das Wachstum der Bäume durch erhöhte Aufnahme von Nährstoffen zu verbessern. Im Gegensatz zu Phosphat und Nitrat, ist nur wenig über die Bedeutung der Mykorrhiza für die Aufnahme und den Metabolismus von Schwefel bekannt, obwohl schwefelhaltige Stoffe eine wichtige Rolle bei Rhizobiumwurzel Symbiose spielen, die in vielen Aspekten ähnlich zu Mykorrhizierung ist. Ziel des Projekts ist es, Gene des Schwefelhaushalts von Wurzeln zu identifizieren, die bei der Wechselwirkung Wurzelpilz eine Rolle spielen, und deren Expression und Regulation zu analysieren. Als Modellsystem soll dabei die Pappel und der Pilz Amanita muscaria eingesetzt werden. In diesem Modellsystem soll die Hypothese überprüft werden, dass der Pilz die Sulfatversorgung der Pflanze durch eine erhöhte Aufnahme sowie einen intensiven Austausch mit der Wurzel verbessert und, in Analogie zu Rhizobien, dem Pilz von der Pflanze reduzierter Schwefel in Form von Glutathion zur Verfügung gestellt wird. In der ersten Phase wird der Einfluss der Schwefel- und Stickstoffernährung auf die Expression der Gene des Schwefel-Metabolismus in Pappel und im Pilz untersucht. Weiterhin soll der Einfluss der Modulation des Schwefelhaushalts in Pappeln durch genetische Manipulation auf die Wechselwirkung im Schwefelhaushalt zwischen Wurzel und Pilz analysiert werden.

Bedeutung der pflanzlichen Rhizodeposition für die Bildung und Stabilisierung der organischen Bodensubstanz unter besonderer Berücksichtigung der wasserlöslichen Wurzelabscheidungen

Während der Vegetation können bis zu 20 Prozent der Netto-CO2-Assimilation durch Pflanzenwurzeln wieder an den Boden freigesetzt werden. Diese Rhizodeposition ist von beträchtlicher bodenökologischer Relevanz. Sie beeinflußt die pflanzliche Nährstoffaneignung ebenso wie die mikrobielle Besiedlung der Wurzeln. Demgegenüber ist der Umsatz dieser freigesetzten Verbindungen im Boden und insbesondere deren Beitrag zur Bildung und Stabilisierung der organischen Bodensubstanz (OBS) weitgehend unklar. Das vorliegende Teilprojekt soll einen Beitrag zur Klärung leisten. In Modellzeitreihenversuchen mit Boden aus ausgewählten Varianten der Hallenser und Bad Lauchstädter Dauerversuche sollen in sog. Doppelkompartimentgefäßen Pflanzensprosse simultan mit 14CO2 und 15NH3 begast und danach der 14C- bzw. 15N-Netto-Einbau in die verschiedenen physikalischen und chemischen OBS-Fraktionen verfolgt werden. Die Untersuchungen sollen Aufschluß über den Mengenanteil und den zeitlichen Verlauf der Umwandlung der Rhizodeposition in die OBS ermöglichen und ordnen sich daher in die Teilaspekte 4 (Umsatz verschiedener C-Pools) sowie 2 (Wechselwirkungen mit der Mineralphase) und 3 (Stabilisierung durch physikalische Trennung) ein.

Strahlenbelastung des fliegenden Personals

Piloten und FlugbegleiterInnen gehoeren zu den Personen, die einer hohen Strahlenbelastung am Arbeitsplatz ausgesetzt sind. Die kosmische Strahlung in Flughoehe besteht ausschliesslich aus Sekundaerstrahlung (hauptsaechlich Neutronen und Gammastrahlung), die in Wechselwirkung von primaeren Teilchen mit den Atomen der Lufthuelle erzeugt wird. Die Exposition des Flugpersonals ist zudem abhaengig von der Flughoehe, der geomagnetischen Breite und der solaren Aktivitaet. Aufgrund der Komplexitaet des kosmischen Strahlenfeldes ist allerdings der Umfang der Exposition schwer zu bestimmen, und physikalische Messungen geben keinerlei Hinweise auf die biologische Wirksamkeit dieser Strahlung. Ueber Chromosomenanalysen in den peripheren Lymphozyten des menschlichen Blutes konnte in einer Pilotstudie an Personal aus dem Interkontinentalverkehr eine hochsignifikant erhoehte Strahlenbelastung festgestellt werden. Die Chromosomenanalyse eines weiteren Untersuchungskollektivs, das aus einer Gruppe von Concordepiloten besteht, steht kurz vor dem Abschluss. Ergebnisse aus strahlenbiologischen Experimenten im CERN, Genf, belegten eine sehr hohe biologische Wirksamkeit der kosmischen Strahlung im Niederdosisbereich. Die Resultate dieser Versuchsreihe (in-vitro) sollen mit den Ergebnissen aus den in-vivo Ansaetzen verglichen und im Hinblick auf die biologisch Wirksamkeit kleiner Dosen von Neutronen bewertet werden. Die Ergebnisse sollen der Einfuehrung des Strahlenschutzes fuer das Flugpersonal dienen.

Kombinationswirkungen der phytotoxischen Immissionskomponenten SO2, Aethylen und NO2 mit Hilfe einer Freilandbegasungsanlage

Steuerung und Bilanzierung von Kohlenstoffakquisition, Wasserumsatz und Wachstum im Mistel-Wirt-System in Abhängigkeit von Klima, Wasserversorgung und Nährstoffangebot

Im ersten Schritt des Vorhabens sollen die Reaktionsmuster des CO2- und H2O Blattgaswechsels von Mistel-Wirt-Paaren bezüglich Mikroklima und Lebensform des Wirts (immer- oder wechselgrün) im Jahreslauf möglichst kontinuierlich untersucht werden, um diese bis heute offen gebliebenen Informationslücke zu schliessen. Dabei soll die Hypothese überprüft werden, derzufolge Misteln vielfach mehr als ihre Wirte transpirieren, um über den Transpirationsstrom Nährstoffe des Wirtes, insbesondere Stickstoff, an sich zu binden. Es sollen hierzu auch Düngungsversuche an getopften Mistel-Wirt-Paaren durchgeführt und dabei besonderes Augenmerk auf die Nettophotosynthese und Wasserumsatz gelegt werden. Weiterhin wird die unterschiedliche Reaktion der beiden pflanzlichen Komponenten auf Wasserstress untersucht. Im fortgeschrittenen Stadium der Untersuchungen ist es das Ziel, über Kronenphotosynthese und deren Bilanzierung die C-Allokationsmuster des Parasiten zu bestimmen. Aufgrund des hohen Mistelbefalls von Forstbeständen und Obstbäumen, insbesondere im Raum Baden-Württemberg, ist diese Grundlagenforschung unmittelbar vor einem angewandten Hintergrund zu sehen.

Entwicklung und Demonstration einer brennstoffflexiblen SCR-Nachrüstlösung für Reststofffeuerungen, Teilvorhaben: Studie zur Regelung einer modularen SCR-Anlage mittels Hochfrequenz-gestützter Bestimmung der Katalysator-NH3-Beladung

Die bei der energetischen Nutzung biogener Reststoffe entstehenden Schadstoffemissionen müssen mittels geeigneter Abgasreinigungssysteme gemindert werden. Bei der Konversion biogener Reststoffe entstehen neben Partikelemissionen aufgrund relativ hoher Stickstoffgehalte im Brennstoff auch erhöhte NOx-Emissionen, welche am effektivsten durch das Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) gemindert werden können. In dem Forschungsvorhaben soll eine SCR-Nachrüstlösung für mit biogenen Rest- und Abfallstoffen betriebene Kesselanlagen im kleinen und mittleren Leistungsbereich (< 1 MWth) entwickelt werden. Dabei kommt eine innovative Hochfrequenztechnik zum Einsatz, die kontinuierlich den NH3-Beladungszustand des SCR-Katalysators misst und die Reduktionsmittelmenge automatisch an den tatsächlichen brennstoff- und lastabhängigen Bedarf anpasst. Die Funktionsweise des SCR-Systems soll an einer Feuerungsanlage mit verschiedenen biogenen Rest- und Abfallstoffen demonstriert werden, wobei neben der erreichbaren NOx-Minderung auch die Effekte einer Kombination mit Systemen zur Partikelabscheidung untersucht werden sollen.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1803: EarthShape: Earth Surface Shaping by Biota, DeepEarthshape: Geomikrobiologie 'eisenmetabolisierende Bakterien als treibende Kraft für die Verwitterung von Silikat-Mineralen'

Jahrzehntelange Forschung hat die zentrale Rolle von Mikroorganismen für Verwitterungsprozesse in geologischen Systemen gezeigt. Dieser wichtige mikrobielle Beitrag liegt u.a. darin begründet, dass Mikroorganismen Redox-Umwandlungsprozesse von in Mineralien eingeschlossenen Metallen katalysieren können. Im Rahmen dieser bisherigen Untersuchungen wurden v.a. verschiedene Mikroorganismen untersucht, die Eisen(II)-Minerale oxidieren oder Eisenoxid-Minerale reduzieren können, oder es wurde der Effekt von Fe(III)-reduzierenden Mikroorganismen auf Eisen(III)-haltige Tonminerale analysiert. Diese Prozesse mögen wichtige Reaktionen in Verwitterungungsprozessen sein, allerdings sind die erwähnten Minerale selbst Verwitterungsprodukte. Eisen-metabolisierende Bakterien könnten allerdings auch in größerem Maße zur vorherigen Entstehung von verwittertem Bodenmaterial beitragen, allerdings ist die Bedeutung solcher Prozesse bisher nicht bestimmt. Die Ökologie dieser Bakterien in Relation zum Alterungsprozesses des Bodens ist so gut wie unbekannt. Dieses fehlende Wissen der ökologischen Bedeutung ist unter anderem darin begründet, dass Eisen-metabolisierende Bakterien trotz ihrem signifikanten Einfluss auf die Biogeochemie oft in etwas geringerer Zahl, relativ zur gesamten mikrobiellen Population, vorkommen, und dadurch schwieriger zu untersuchen sind. Um den zu erwartenden bedeutenden Effekt von Eisen-metabolisierenden Bakterien auf die Entwicklung des Bodens zu untersuchen, ist eine ausgewählte Kombination aus hochsensiblen molekularen- und wachstums-basierten Experimenten nötig, welche für diese speziellen Mikroorganismen angepasst und entwickelt werden müssen oder bereits entwickelt worden sind. Die Hypothese dieses Projekts ist deshalb, dass sich die Gemeinschaft der Eisen-metabolisierenden Bakterien mit der geologischen Umgebung während der Ausbildung des Bodens gemeinsam mit- und weiterentwickeln wird, und deren Aktivität wiederum die Rate der Bodenausbildung beschleunigen wird. Im Rahmen des hier beantragten Projekts schlagen wir vor, diese Prozesse anhand der drastischen klimatischen Gradienten der chilenischen Küstenkordillere zu untersuchen. Hier kann die Korrelation zwischen Abundanz, Verteilung und Identität der Eisen-metabolisierenden Bakterien und der Art der vorkommenden Eisenquelle entlang des vertikalen Bodenprofiles unter Einwirkung von vier verschiedenen Klimaregimen untersucht werden. Wir werden unter anderem Mikrokosmos-Experimente durchführen, um den Einfluss dieser Bakterien auf die Verwitterungsrate von Eisensilikaten und Raten von Mineraltransformationen zu quantifizieren. Letzten Endes wollen wir damit zeigen, wie diese Mikroorganismen zur Ausgestaltung der Erdoberfläche beitragen.

Fusionsexperiment ASDEX Upgrade

Das Experiment soll Kernfragen der Fusionsforschung unter Fusionsanlage kraftwerksaehnlichen Bedingungen untersuchen. Dazu sind wesentliche Plasmaeigenschaften, vor allem die Plasmadichte, der Plasmadruck und die Belastung der Waende, den Verhaeltnissen in einem spaeteren Fusionskraftwerk angepasst. Eines der wesentlichen Probleme ergibt sich aus der Wechselwirkung zwischen dem heissen Brennstoff und den umgebenden Waenden. Dabei wird einerseits die Wand der Plasmakammer beschaedigt und andererseits das Plasma unerwuenscht verunreinigt. Um dem entgegenzuwirken, untersucht ASDEX Upgrade eine spezielle Magnetfeldanordnung, einen Divertor. Der Divertor lenkt die aeussere Randschicht des Plasmas auf Prallplatten ab. Die Plasmateilchen treffen dort abgekuehlt und vom heissen Zentrum entfernt auf und werden abgepumpt. Auf diese Weise werden auch stoerende Verunreinigungen aus dem Plasma entfernt, zugleich wird die Wand des Plasmagefaesses geschont und eine gute Waermeisolation des Brennstoffes erreicht. Die durch den Divertor moegliche Modellierung des Plasmarandes erlaubt es damit, die zentralen plasmaphysikalischen Problemfelder -Plasmareinheit, Plasmaeinschluss und Plasma-Wand-Wechselwirkung - guenstig zu beeinflussen. Seit April 1997 ist ein verbesserter Divertor in Betrieb, der auf der Basis der bisherigen Experimente und numerischer Modellierungen entworfen wurde. Der neue Divertor II besitzt vertikale Prallplatten, die die auftreffende Leistung besser verteilen und die Plasmateilchen auch staerker in das Plasma zurueck reflektieren. Damit erarbeitet ASDEX Upgrade wesentliche Kenntnisse fuer den naechsten Schritt auf dem Weg zu einem Fusionskraftwerk - den Testreaktor ITER, der erstmals ein gezuendetes Plasma realisieren soll. Die an ASDEX Upgrade beobachtete starke Kopplung des Plasmainneren mit den Bedingungen am Plasmarand macht es auch moeglich, das Plasmazentrum vom Rand her zu optimieren und den Einschluss zu verbessern. Zusaetzlich wird untersucht, inwieweit Betriebsweisen, bei denen das Profil des Plasmastroms beeinflusst wird ('advanced tokamak'), mit dem Divertor vertraeglich sind. Hierzu wird mit Hochfrequenzwellen oder Teilcheneinschuss ein zusaetzlicher Plasmastrom erzeugt. Je nach Stromprofil kann eine Transportbarriere entstehen die die Plasmaverluste nach aussen stark verringert und die Werte im Plasmazentrum verbessert. ASDEX Upgrade wird versuchen, solche Bedingungen im Divertorbetrieb erstmals quasi stationaer (d.h. fuer einige Sekunden) zu erzeugen.

Biofilme, Makromoleküle und organische Restsubstanzen als Matrizen bei der Bildung von Organo- und Biomineralen - Geobiologische Faktoren bei der Evolution der Biomineralisation

Durch vergleichende Analyse von Organo- und Biomineralen aus evolutionsbiologisch zunehmend komplexeren Systemen - von Organofilmen (Ooide) über Biofilme zu Poriferen - sollen systemspezifische Wechselwirkungen zwischen Makromolekülen und Mineralphasen sowie Steuerungsmechanismen der Mineralbildung aufgezeigt werden. Dazu werden aus verschiedenen Habitaten (Hartwasserseen, Salzseen, Sodaseen, Meerwasser) makromolekulare Überzüge (Organofilme), polysaccharidreiche phototrophe und heterotrophe Biofilme sowie proteinreiche heterotrophe BiofilmMetazoen-Gemeinschaften (Riffhöhlen) untersucht. Ausgehend von der hydrochemischen Charakterisierung der Habitate, wird eine biochemische Charakterisierung der primären organischen Substanzen und Matrix sowie der Restsubstanzen in den assoziierten Mineralisaten durchgeführt. Eine strukturelle und mikrobiologische Analyse der beteiligten Organo- und Biofilme folgt (histochemische Färbungen, Applikation von Oligonukleotidsonden zur in situ Identifikation nicht-phototropher Bakterien - FISH). In kontrollierten Experimenten wird mittels kultivierter Mikroorganismen, Labor-Biofilme und extrahierter organischer Substanzen eine Fällung induziert. Die aus den Fallbeispielen abgeleiteten Steuerungsmechanismen der Mineralisation werden unter dem Mikroskop u.a. mit Ionen- und pH-sensitive Fluorochromen zur qualitativen Messung von chemischen Mikrogradienten und durch elektronenoptische Charakterisierung der Fällungsprodukte verifiziert. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Produktion und dem Abbau Ca2+-adsorbierender extrazellulärer polymerer Substanzen (EPS), die in Organo- und Biofilmen bezüglich Nukleation, Fällung und Gefügebildung von entscheidender Bedeutung sind und Voraussetzungen für eine enzymatisch gesteuerte Biomineralisation darstellen.

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