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Auswirkung subletaler und synergistischer Belastung auf makro-Invertebrata des Rheins

An einer groesseren Anzahl von Tieren aus dem Rhein wird die Auswirkung gleichzeitiger Belastung mit 3-4 Stoffen bzw. Schadfaktoren (O2-Mangel, Erwaermung) geprueft. Gemessen wird nicht der Tod der Versuchstiere, sondern bereits vorher sich andeutende, sublethale Schaedigung ueber die Messgroessen Sauerstoff-Verbrauch, Aktivitaet, Filtrationsleistung etc. Als Ergebnisse sind Daten ueber Resistenz-Unterschiede bei den Versuchstieren zu erwarten, weiterhin Auskunft ueber synergistisch besonders aktive Substanzen im Abwasser.

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.

Turbulenzgesteuerte sedimentäre Prozesse entlang eines hydrodynamischen Gradienten im Ostfriesischen Wattenmeer: Labor- und Geländeuntersuchungen

Dieses Forschungsvorhaben soll in Zusammenarbeit mit der Abteilung Meeresforschung des Forschungsinstitutes Senckenberg, mit Hilfe methodisch neuer sedimenthydraulischer Messungen einen Beitrag zum Grundlagenverständnis des Stoffhaushaltes im System Wattenmeer leisten und physikalische Eingangsparameter und Grenzwerte für den Beginn von Erosion und Sedimenttransport für die Modellierung dieser Küstenzone liefern. In der beabsichtigten Kombination von Labor- und Feldmessungen sollen jene hydraulischen Grenzzustände erfasst werden, in deren Bereich das Watt den weitgehend stabilen Zustand verlässt. Weiterführende und hierauf aufbauende Modelluntersuchungen werden dem geplanten Sonderforschungsbereich 1739 an der Universität Oldenburg vorbehalten. Der Einsatz der Turbulenzsonde (ADV, Acoustic Doppler Velocimeter, Fa. SONTEC) bietet zum ersten Mal die Möglichkeit, sohlnahe turbulente Strömungen im Labor und im Gelände quantitativ und standardisiert zu erfassen. Im Marburger Strömungs- und Wellenkanal sollen zunächst an natürlichen, aber sterilisierten Wattsedimenten die Wechselwirkungen zwischen dem Turbulenzmuster in der bodennahen Strömung unter einfachen monochromatischen Wellen und dem Sediment untersucht werden. Zugleich soll damit das Messverfahren kalibriert und standardisiert werden. In einem zweiten Schritt soll vergleichend über unterschiedlichen, auch kohäsiven und biogenen fixierten natürlichen Sedimenten der kritische Strömungszustand beim Bewegungsbeginn erfasst werden. In sechs aus dem Rückseitenwatt der Nordsee-Insel Spiekeroog ausgewählten und bereits eingemessenen Meßfeldern mit für den Ablagerungsraum typischen faziellen Mustern wird unter verschiedenen Strömungs- und Wellenbedingungen (Ebb- und Flutstrom, verschiedene Wassertiefen, Seegang, Wellenklima) die ADV-Sonde für dreidimensionale Strömungsmessungen eingesetzt. Parallel zu den bodennahen turbulenten Strömungsverhältnissen soll das Einsetzen von Erosion und Suspensionsentwicklung aufgezeichnet werden. Der Einfluss von Mikroorganismen auf Textur und Stabilität der Sedimentoberfläche soll parallel zu den Messungen verfolgt werden.

Grundlagenforschung zur Ausnutzung hydrodynamischer Effekte zur Verringerung des Membranfoulings durch die Einführung spezieller Anordnungen neuartiger Feed-Spacer-Geometrien in Kombination mit unregelmäßigen Membranoberflächenmustern

Umkehrosmose- (UO) und Nanofiltrationsmembranen (NF) sind bekannt für ihre hohe Selektivität gegenüber gelösten Stoffen und neu auftretenden Schadstoffen, die in verschiedenen Wassertypen vorhanden sind. Elemente mit spiralförmig gewickelten Membranen sind die am häufigsten verwendete Membrankonfiguration in UO/NF-Anlagen. Sie bestehen aus mehreren Taschen aus Dünnschichtverbundmembranen (TFC), einem Permeatrohr sowie Spacer (Abstandshalter) für Permeat (Produkt) und Feed (Zulauf). Feed-Spacer bilden einen Strömungskanal zwischen zwei benachbarten Taschen. Sie spielen eine wesentliche Rolle für die Flüssigkeitscharakteristika innerhalb der Feed-Strömungskanäle und folglich bei der Beeinflussung der Querströmungsgeschwindigkeit und des Druckabfalls. Dies beeinflusst Membranverschmutzung (Fouling) und Energieverbrauch und damit die Betriebskosten. Feed-Spacer sind vorteilhaft, um den Massentransport, die Fluidmischung und die Scherrate zu verbessern, was die Konzentrationspolarisation (Ansammlung zurückgehaltener Stoffe in einer Grenzschicht nahe der Membranoberfläche) und das Scaling (Überschreiten des Löslichkeitsgleichgewichts von Salzen) mildern sollte. Es wird jedoch auch beobachtet, dass Spacer zu Zonen mit schlechtem Massentransport führen, in denen dann partikuläres Fouling und Biofouling verstärkt auftreten. Die Nutzung von synergetischen Einflüssen einer Oberflächen-Mikrostrukturierung der Membran (regelmäßiges Muster im Mikro- oder Nanometerbereich auf der aktiven Seite) sowie des Designs und der Ausrichtung der FeedSpacer kann potenziell eine Flüssigkeitsmischung fördern und den Massentransport durch eine erhöhte Scherrate an der Membranoberfläche und in den Feed-Spacer-Strukturen verbessern. Dies mildert die Adhäsion von Partikeln und Biofouling erheblich, reduziert die Konzentrationspolarisation und erhöht somit den durchschnittlichen Permeatfluss und den für das Einsetzen von Fouling kritischen Fluss. Bisher wurden das Partikelablagerungsverhalten und die Neigung zu Biofouling in mit Spacern gefüllten Kanälen oberflächenstrukturierter TFC-Membranen weder in theoretischen (Simulation) noch experimentellen Studien untersucht. Das vorgeschlagene Forschungsprojekt soll das Verständnis grundlegender Design- und Betriebsaspekte im Hinblick auf neue und innovative Entwicklungsansätze fördern. Basierend auf experimentell ermittelten räumlichen Verteilungen von Partikeln und Biofoulants in Feed-Spacern soll die Topographie der Membranoberfläche an die Geometrie der Feed-Spacer angepasst und spezifisch gestaltet werden. Dies führt zu einer neuen Generation maßgeschneiderter Membrantaschen, die verbesserte Trennleistung und Antifouling-Eigenschaften aufweisen. Dieses neue Entwicklungskonzept wird eine Erhöhung der Prozesseffizienz und der Modullebensdauer sowie eine Verringerung des Energieverbrauchs bewirken und damit nachhaltigere und kostengünstigere Wasserreinigungsprozesse ermöglichen.

Ausbreitungsprozesse, Diasporenverfügbarkeit und Diversität in Flusstal-Landschaften (AuDiD)

Die Diversität von Pflanzenbeständen wird vor allem durch abiotische Standortbedingungen, biotische Interaktionen, das Störungsregime und auch die Diasporenverfügbarkeit beeinflusst. Welche Rolle die einzelnen Faktoren und deren unterschiedliche Kombination quantitativ für die Entstehung und Erhaltung von Diversität haben, ist bislang unklar und wird in dem beantragten Forschungsvorhaben modellhaft für die niedermoorgeprägte Grünlandvegetation nordwestdeutscher Flusstal-Landschaften analysiert. In regelmäßig überfluteten Grünlandbeständen kommt der hydrochoren Ausbreitung eine besondere Rolle für die Diasporenverfügbarkeit zu. Dabei sind die Einflussfaktoren für die Quantität und die Artenzusammensetzung des Diasporentransports in Fließgewässern sowie dessen zeitliche und räumliche Variabilität noch weitgehend unverstanden. Unbekannt ist, ob und in welchem Ausmaß transportierte Diasporen während Überflutungsereignissen sedimentieren, in Spülsäumen akkumulieren und vor allem ob diese sedimentierten Diasporen unter den aktuellen standörtlichen Gegebenheiten und Nutzungsverhältnissen tatsächlich einen Einfluss auf die Artenzusammensetzung und Diversität der Pflanzenbestände haben. Untersuchungen sowie Freilandexperimente zu diesen Fragen sollen die Bedeutung der Hydrochorie für die Grünlandvegetation von Flusstallandschaften aufzeigen. In (faktoriellen) Freilandexperimenten werden Effekte der Diasporenverfügbarkeit, der Standortbedingungen und der Nutzungsverhältnisse sowie des Störungsregimes auf die Artenzusammensetzung und -vielfalt analysiert und deren Interaktion untersucht.

Entwicklung und Demonstration einer brennstoffflexiblen SCR-Nachrüstlösung für Reststofffeuerungen, Weiterentwicklung der HF-Analyse zur Diagnose von SCR-Katalysatoren

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) 2322: Systemökologie von Böden - das Mikrobiom und die Randbedingungen modulieren die Energieentladung, Teilprojekt: Sorptionsthermodynamik und Aggregation als Kontrollen der Substratnutzung und Mineralisierung 2: Reaktion auf komplexe Randbedingungen

Die Sorptionsstärke organischer Moleküle an Mineralien und die Stabilität von Aggregaten, die organische Substrate schützen, gehören zu den Randbedingungen, die „die Energie- und Stoffdynamik der Bodenbiota prägen“ (Gesamthypothese C des SPP 2322). Obwohl die Stabilisierung organischer Substanz gegen mikrobielle Nutzung und Mineralisierung im Boden mit Sorption in Verbindung gebracht wurde, ist ihr Zusammenhang mit der Thermodynamik von Sorptionsprozessen weiterhin Gegenstand laufender Forschung. In der ersten Förderphase fanden wir heraus, dass die Sorptionsenergie von Carbonsäuren an Eisenoxidoberflächen wahrscheinlich ein dominierender Faktor für die mikrobielle Verarbeitung und damit die Bindung von Kohlenstoff ist. Bei Zuckern und Aminosäuren überlagerten biochemische Kreisläufe und andere Randbedingungen wie Nährstoffverfügbarkeit, Feuchtigkeitsgehalt oder pH-Wert die Effekte der Sorption und beeinflussten das Verhältnis mineralisierter/assimilierter Substrate (Kohlenstoffnutzungseffizienz). Um die Reaktion auf komplexe Randbedingungen zu analysieren, die die Energie- und Stoffnutzung beeinflussen, da sie von der Sorptionsthermodynamik abhängen, werden wir die folgenden Hypothesen testen: (HI) Die Gibbs-Freienergie der Sorption kleiner organischer Säuren und die thermodynamische Hysterese steigen mit der Nichtkristallinität des Minerals und den Hydroxylgruppen an der Oberfläche der sorbierenden Oxidmineralien. (HII) Die Kohlenstoffnutzungseffizienz (CUE) wird hauptsächlich durch Assimilation bestimmt und durch eine komplexe Kombination von Randbedingungen (Desorbierbarkeit, Nährstoffverfügbarkeit, Feuchtigkeit und pH-Wert) und nicht durch die Sorptionsstärke allein gesteuert. (HIII) Die mikrobielle Nutzung sorbierter Substrate steigt mit zunehmender funktioneller Vielfalt und Komplexität der mikrobiellen Gemeinschaft des Bodens bei konstanter N-, P- und Energieverfügbarkeit. Und (HIV) die Stabilität mineralischer Aggregate steigt mit sinkendem osmotischem Potenzial und Mikroben produzieren extrazelluläre polymere Substanzen, wodurch die Zugänglichkeit von Substanzen zur mikrobiellen Verarbeitung in wasserstabilen Aggregaten sinkt. Wir werden diese Hypothesen in sechs Arbeitspaketen (AP) anhand gespiegelter mineral- und aggregatbasierter Ansätze in Bochum/Gießen und Freiburg testen. Der mineralbasierte Ansatz skaliert von Oberflächen-Molekül-Interaktionen bis hin zur mikrobiellen Nutzung von an Mineralen sorbierten Substraten mit zunehmender Komplexität der Mineraloberflächen (Anzahl der OH-Gruppen, Kristallinität). Der aggregatbasierte Ansatz skaliert vom Wasserpotenzial von Bodensäulen bis hin zu einzelnen wasserstabilen Aggregaten, die aus komplexen Wechselwirkungen zwischen Wasser, Wärme und Mikroorganismen entstehen. Beide verwenden einen gemeinsamen Satz von Mineralen und Substraten: Goethit, Gibbsit, Kaolinit, Glucose*, Zitronensäure und teilweise Phenol* (*C6-Verbindungen aus dem Kernexperiment). Das Bodenmaterial stammt aus Thyrow (Projektstandard) sowie einer Auswahl der Zeitschritte und aller Bodenmischungen aus den jeweiligen gemeinsamen Batterie- und Komplexitätsexperimenten des SPP. Durch die Kombination der erwarteten Ergebnisse aus komplexen Randbedingungen wird unser Projekt wesentliche Erkenntnisse für die Integration thermodynamischer Konzepte in die Funktionsweise von Bodenökosystemen liefern.

Belastung und Leistungsfaehigkeit des Menschen unter unguenstigen Umweltbedingungen

Auswirkungen einzelner und kombinierter Belastungen: Druck/Temperatur/Vibration/Laerm-Schlafentzug/toxische Substanzen (Alkohol und Medikamente).

Experimente über zunehmende Schädigungen an Rebstöcken durch die Reblaus Dactulosphaira vitivoliae (Fitch): Mikrokompartimentuntersuchungen im Wurzelsystem

Das Projekt dient der Ursachenforschung von Rebschäden bei Reblausbefall auf unterschiedlich bewirtschafteten Rebflächen. Rebstöcke kontaminierter Versuchsflächen sind im Wurzelbereich mit der Reblaus befallen, jedoch unterscheiden sie sich deutlich in der vegetativen Leistung. In Rebflächen mit kostenextensiver Bewirtschaftung und mangelnder Bodenpflege zeigen die Reben häufig eine Absterbezone, während sie in Anlagen mit guter Bodenpflege trotz Reblausbefalls einen vitalen Wuchszustand aufweisen können. Als Kontrollfläche dienen reblausfreie Rebanlagen, ferner sind ergänzende Topfversuche in Gewächshäusern geplant. Die Untersuchungen sind fokussiert auf das Wurzelsystem mit reblausinduzierten Wurzelveränderungen (Nodositäten) und damit in Frage kommender Interaktionen mit potentiellen Schadorganismen (Mikroorganismen, Nematoden). Sie umfassen populationsbiologische Reaktionen der Rebläuse auf Bewirtschaftungsmaßnahmen (Düngung, Bodenbearbeitung), die Erfassung von Gewebeveränderungen und Aktivitätsspuren an den Saugplätzen der Rebläuse (Nodositäten) und die Lokalisierung und Bestimmung von Mikroorganismen und Nematoden im freien Boden, in der Rhizosphäre und im Wurzelgewebe. Zur Ermittlung des Schädigungsgrades der Wurzeln wird ein Verbraunnungsindex ermittelt.

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.

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