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On-line Messung von Quecksilber in der Messstation Schnackenburg/Elbe

Die Elbe ist einer der mit Quecksilber am staerksten belasteten Fluesse der Erde. Die zuletzt im Projekt Quecksilbermonitor gemessene Konzentration des Quecksilbers im Elbewasser (in der Messstation Schnackenburg) schwankte im Verlauf der Messkampagne vom 24.2. bis 2.3.1999 zwischen ca. 25-100ng/l. 100ng/l liegt um den Faktor 10 unter der erlaubten Konzentration fuer Trinkwasser (1000ng/l). Diese im Vergleich zum Trinkwassergrenzwert geringe Konzentration scheint auf den ersten Blick nicht der Qualitaet einer Belastung zu entsprechen. Zwei Faktoren relativieren die Konzentrationsangabe: Quecksilber wird, wie andere Schwermetalle auch, an Schwebstoffe, insbesondere die Fraktion kleiner 20um gebunden. Daher ist die Konzentration des Quecksilbers im Wasser stark vom Schwebstoffgehalt abhaengig. Ausserdem wird Quecksilber in der Nahrungskette aufkonzentriert, da nur wenig Quecksilber wieder ausgeschieden wird. So wird z.B. Plankton von Kleinkrebsen aufgenommen, die dann wieder von Fischen aus dem Wasser gefiltert werden. Auf diesem Weg kann die chronische Belastung fuer einen Menschen, der regelmaessig Fisch aus der Elbe isst, so stark werden, dass Vergiftungserscheinungen wie metallischer Geschmack im Mund, nervoese Reizbarkeit sowie Zahnausfall auftreten koennen. Ziel sollte es daher sein, die Quecksilberbelastung so weit wie moeglich zu senken und weitere Verschmutzungen zu vermeiden. Die Ursache der Quecksilberbelastung der Elbe liegt primaer bei fehlenden bzw. unzureichenden industriellen und kommunalen Abwasserreinigungsanlagen und bei alten, belasteten Gewaessersedimenten, die hauptsaechlich in den neuen Bundeslaendern und auf dem Gebiet der Tschechischen Republik vorliegen. Aufgrund der Sedimentbelastung waere selbst bei der Eliminierung aller anthropogener Quecksilberquellen nur ein allmaehlicher Rueckgang der Konzentration zu erwarten. Tatsaechlich ist die Belastung der Elbe mit Quecksilber seit 1989 stark zurueckgegangen, die Quecksilbergehalte liegen aber nach wie vor erheblich ueber den Zielvorgaben fuer den Gewaesserschutz. Eine kontinuierliche Ueberwachung der Elbe wird auf Dauer unerlaesslich sein, da die Ursachen der Verschmutzung durch eine staendige Ueberwachung leichter erkennbar werden, wenn zeitlich begrenzte Einleitungen sofort erkannt werden koennen. Auch koennen die Zusammenhaenge zwischen Temperatur, Niederschlagsmenge, Wasserstand, und der Quecksilberkonzentration klarer ermittelt werden. So koennte die Rolle des bei Niedrigwasser von Schiffen aufgewirbelten Sediments beurteilt werden.

Der Nadelblatt-Apoplast der Fichte als Lebens- und Reaktionsraum für autotrophe Nitrifizierer

Eigene Untersuchungen in einem hohen atmogenen N-Eintrag sowie erhöhten NH3- und NO2-Konzentrationen in der Außenluft ausgesetzten Fichtenwald-Ökosystem zeigen erstmals, dass autotrophe Nitrifizierer einen für diese Mikroorganismen zuvor nicht identifizierten Lebensraum, die Phyllosphäre, wahrscheinlich den Nadelapoplasten, besiedeln. Erste Ergebnisse aus in situ-Begasungsexperimenten von Fichtenzweigen dieses Standorts mit NH3 bzw. mit NH3 plus 10 Pa C2H2 (als Inhibitor der Ammoniak-Monooxygenase: AMO) deuten darauf hin, daß die beobachtete NH3-Aufnahme über die Fichtennadeln nicht allein auf pflanzliche Aktivität zurückgeführt werden kann, sondern das autotrophe Nitrifizierer hierzu wesentlich beitragen. Ziel des Vorhabens ist es, unter Einsatz molekularbiologischer und mikroskopischer Techniken (confokales LSM) zum einen die Besiedlung des Nadel-Apoplasten von Fichten durch autotrophe NH3- und NO2-Oxidierern zu charakterisieren, zum anderen die Aufnahme von atmosphärischem NH3 und NO2 in die Nadelblätter in Abhängigkeit von dieser Besiedlung zu quantifizieren. Zu diesem Zweck sollen an zwei unterschiedlich stark atmogenen N-Einträgen ausgesetzten Fichten-Standorten die Nitrifizierer im Nadel-Apoplasten genau lokalisiert und deren Zellzahlen quantifiziert werden. Diese Daten sollen mit Ergebnissen aus NH3-Gaswechselmessungen korreliert werden, die mit bzw. ohne C2H2 als Inhibitor der AMO durchgeführt werden. Darüber hinaus soll die NH3- sowie NO2-Aufnahme an sterilen bzw. mit Nitrifizierern inokulierten Fichtenjungpflanzen parametrisiert sowie im Rahmen von 15NO3-Nachweis in der apoplastischen Waschflüssigkeit die Nitrifiziereraktivität zusätzlich nachgewiesen werden.

Mesoskaliges Netzwerk zur Überwachung von Treibhausgas- und Schadstoffemissionen

Aktuelle wissenschaftliche Studien legen nahe, dass die aktuelle Erderwärmung durch Treibhausgasemissionen hervorgerufen wird, die vom Menschen verursacht sind. Um gegen diese Entwicklung geeignete Maßnahmen ergreifen zu können bzw. um zu überprüfen, ob solche Maßnahmen von Erfolg gekrönt sind, ist es notwendig, die Schadstoffkonzentrationen inklusive der zugehörigen Emissionsquellen genau zu kennen. Diese Informationen sind bisher jedoch sehr lückenhaft und beruhen auf sogenannten 'bottom-up' Berechnungen. Da diese Kalkulationen nicht auf direkten Messungen beruhen, weisen sie große Ungenauigkeiten auf und sind außerdem nicht in der Lage, bisher unbekannte Emissionsquellen zu identifizieren. In dem hier vorgestellten Projekt soll ein mesoskaliges Netzwerk für die Überwachung von Luftschadstoffen wie CO2, CH4, CO, NO2 und O3 aufgebaut werden, das auf dem neuartigen Konzept der differentiellen Säulenmessung beruht. Bei diesem Ansatz wird die Differenz zwischen den Luftsäulen luv- und leewärts einer Stadt gebildet. Diese Differenz ist proportional zu den emittierten Schadstoffen und somit eine Maßzahl für die Emissionen, welche in der Stadt generiert werden.Mithilfe dieser Methode wird es in Zukunft möglich sein, städtische Emissionen über lange Zeiträume hinweg zu überwachen. Damit können neue Informationen über die Generierung und Umverteilung von Luftschadstoffen gewonnen werden. Wir werden u.a. folgende zentrale Fragen beantworten: Wie verhält sich der tatsächliche Trend der CO2, CH4 und NO2 Emissionen in München über mehrere Jahre? Wo sind die Emissions-Hotspots? Wie akkurat sind die bisherigen 'bottom-up' Abschätzungen? Wie effektiv sind die Maßnahmen zur Emissionsreduzierung tatsächlich? Sind vor allem für Methan weitere Maßnahmen zur Reduzierung der Emissionen notwendig? Zu diesem Zweck werden wir ein vollautomatisiertes Messnetzwerk aufbauen und passende Methoden zur Modellierung entwickeln, welche u.a. auf STILT (Stochastic Time-Inverted Lagrangian Transport) und CFD (Computational Fluid Dynamics) basieren. Mithilfe der Modellierungsresultate werden wir eine Strategie entwerfen, wie städtische Netzwerke zur Überwachung von Luftschadstoffen aufgebaut werden müssen, um repräsentative Ergebnisse zu erhalten. Außerdem können mit den so gewonnenen städtischen Emissionszahlen z.B. dem Stadtreferat, den Stadtwerken München oder der Bayerischen Staatsregierung Möglichkeiten zur Beurteilung der Effektivität der angewandten Klimaschutzmaßnahmen an die Hand gegeben werden. Das hier vorgestellte Messnetzwerk dient somit als Prototyp, um die grundlegenden Fragen zum Aufbau eines solchen Sensornetzwerks zu klären, damit objektive Aussagen zu städtischen Emissionen möglich werden. Dieses Projekt ist weltweit einmalig und wird zukunftsweisende Ergebnisse liefern.

Einfluß von atmosphärischer CO2-Konzentration und pflanzlicher Artdiversität auf bodenlebende Nematoden und Mikroarthropoden eines Mesobrometums

Erhöhte atmosphärische CO2-Konzentrationen führen über vermehrtes Wurzelwachstum und vermehrte Abgabe von Wurzelexudaten zu einer intensivierten Verlagerung von Kohlenstoff in den Boden. Diese zusätzlichen Energiequellen für die Bodenmikroflora gestatten theoretisch erhöhtes mikrobielles Wachstum und erhöhte Aktivität und vermögen daher bodenbiologische Prozesse (Abbau des Bestandesabfalls, Nährstoffmineralisierung) massiv zu beeinflussen. In vielen Untersuchungen konnte dieses erwartete Anwachsen der mikrobiellen Biomasse und Aktivität jedoch nicht festgestellt werden. Möglicherweise wird die erhöhte mikrobielle Biomasse unter bestimmten Umständen effizient von bakterien- und pilzfressenden Bodentieren genutzt und der erhöhte C-Input in den Boden in tierischer Biomasse festgelegt. Untersuchungen zur Reaktion der Bodenfauna auf erhöhte atmosphärische CO2-Konzentrationen fehlen allerdings nahezu völlig. In unserem Projekt verfolgen wir die Reaktion microbivorer Organismen (Mikroarthropoden und Nematoden) in zwei vom Institut für Botanik der Universität Basel in einem Halbtrockenrasen bei Nenzlingen (CH) durchgeführten mehrjährigen CO2-Anreicherungsexperimenten.

Schwermetall-Analytik von Aerosolen mit der Hamburger Protonenmikrosonde

Die Belastung der Luft mit toxischen Stoffen stellt insbesondere in Ballungsraeumen wie Hamburg eine Beeintraechtigung der Lebensqualtitaet und eine potentielle Gefaehrdung der Bevoelkerung dar. Insbesondere in der Umgebung hier angesiedelter Industrie kann die Belastung der Luft mit Schwermetallen mitunter erhebliche Werte erreichen. Die Schwermetallanalytik wird mit der durch Protonen induzierten Emission charakteristischer Roentgenstrahlung (PIXE) an der Hamburger Protonenmikrosonde durchgefuehrt. Die hohe Empfindlichkeit der verwendeten Analysemethode erlaubt auch die Durchfuehrung kurzzeitiger (stuendlicher) Probennahmen und damit die Erfassung kurzzeitiger Veraenderungen. Fuer einen 1-Jahres-Zeitraum (1991) wurde am Standort Kaltehove ein Luftprobennehmer aufgestellt und bei taeglichem Probenwechsel die Staubbelastung, zusammen mit dem Luftdruck, der Luftfeuchtigkeit, der Wind-Staerke und -Richtung gemessen. Die gemessenen Gesamtschwebstaubbelastungen lagen bei etwa 30 Prozent der Immisionsgrenzwerte fuer Langzeitmessungen (IW1) und fuer Kurzzeitemissionen (IW2) der TA Luft. Die Bleikonzentration zeigt eine starke Korrelation zur Windrichtung, hohe Werte bei suedwestlichem Wind weisen den Fahrzeugverkehr auf den Elbbruecken als Verursacher aus. Hohe Chrom-Nickel Konzentrationen bei suedlicher Windrichtung lassen auf den dort angesiedelten Industriebetrieb als Quelle schliessen. Wie zu erwarten, wird nach Niederschlaegen ein deutlicher Rueckgang der Schwebstaubkonzentration ermittelt. Der tageszeitliche Gang der Bleikonzentration weist in 1989 einen deutlichen Zusammenhang mit der Verkehrsdichte auf. Dagegen zeigen Untersuchungen, die im Jahr 1996 im Hamburger Elbtunnel durchgefuehrt wurden, keinen signifikanten Zusammenhang mit der Verkehrsbelastung. Dies wird auf die extensive Belueftung im Elbtunnel zurueckgefuehrt. Der Rueckgang der Bleikonzentration in der Luft spiegelt die Verringerung im Einsatz bleihaltiger Additive zu Kraftstoffen wider.

Bestimmung von sehr geringen Konzentrationen an HCl in Troposphaere und Stratosphaere

Aus Untersuchungen einer amerikanischen Arbeitsgruppe geht hervor, dass Fluorchlorkohlenwasserstoffe die die Erde umgebende Ozonschicht abbauen. Ueber das Mass dieses Abbaus lassen sich keine exakten Angaben machen, da zu viele Konzentrationen beteiligter Reaktanden und Gleichgewichts bzw. Geschwindigkeitskonstanten nur ungenuegend bekannt sind. Eine sehr grosse Bedeutung kommt bei den Berechnungen der HCl-Konzentration in der Troposphaere und Stratospaere zu. Das analytische Problem HCl-Konzentrationen, die kleiner als 0,01 ppbv sind, in der Troposphaere zu bestimmen, laesst sich nur durch neue Methoden loesen. Zur Zeit sind wir deshalb mit der Ausarbeitung von zwei Methoden beschaeftigt. Bei der ersten Methode wird zunaechst traegerfreies CrO3 durch Kernreaktionen hergestellt. Anschliessend erfolgt mit dem zu bestimmenden HCl eine Umsetzung und das gebildete CrO2Cl2 wird verfluechtigt und durch Bestimmung der Aktivitaet eine HCl-Bestimmung durchgefuehrt. Bei dem zweiten Verfahren wird die Selektivitaet eines EC-Detektors fuer bestimmte Substanzen ausgenutzt. HCl wird entweder mit halogenierten Epoxiden umgesetzt oder perfluorierte organische Verbindungen werden gespalten. Die entstehenden Verbindungen werden gaschromatographisch abgetrennt und mit hoher Nachweisempfindlichkeit mit einem EC-Detektor nachgewiesen.

Struktur und Abundanz oligotropher Bakterien in Nord- und Südpolarmeer

Der Antarktische Ozean ist mit Chlorophyllgehalten von weniger als 0,3 my g per Liter und Primärproduktionsraten von weniger als 50 mg C pro m2 pro Tag extrem nährstoffarm oder ultraoligotroph. In den Wintermonaten mit kaum messbarer Photosynthese werden die biologischen Umsetzungen im Pelagial im wesentlichen von den Bakterien dominiert. So konnten obligat und fakultativ oligotrophe Bakterien als die dominante Population über den Gunnerus- und Astrid-Rücken im Antarktischen Ozean nachgewiesen werden. Sie machten hier mit etwa 10 Prozent der gesamten Bakterienzahlen einen beträchtlichen Anteil der kultivierbaren Bakterien aus. Der Arktische Ozean ist dagegen starken terrestrischen Einflüssen durch die Einträge größerer Wasserfrachten von sibirischen Flüßen ausgesetzt. Maximale Produktionsraten von 1320 mg pro m2 pro Tag wurden im Sommer in der Frobisher Bay, Kanada, gemessen. Die Chlorophyllkonzentrationen im Meerwasser schwankten in Abhängigkeit der Wassertiefe zwischen 0,22 und 1,4 my g pro Liter im nördlichen Foxe Basin, im östlichen Teil der kanadischen Arktis. Von 9 Stationen in der Framstraße und der westlichen Grönlandsee konnten obligat oligotrophe Bakterien nur an einer Station nachgewiesen werden. Die Abundanz und Struktur oligotropher Bakteriengemeinschaften in Nord- und Südpolarmeer soll nun mit klassischen und molekularbiologischen Methoden eingehender untersucht werden. Es wird erwartet, dass nach Anreicherung der oligotrophen Bakterien in der Dialysekammer durch den Einsatz der Laserpinzette und Einzelzellkultivierungen der Anteil und die Diversität der oligotrophen Isolate erheblich vergrößert werden können.

Methanemissionen aus den saisonalen Überflussingsgebieten des Amazonas

Methan (CH4) ist ein wichtiges Treibhausgas, welches hauptsächlich durch anaerobe Prozesse erzeugt wird. Eine Hauptquelle für Methan sind Feuchtgebiete. Das Amazonasbecken in Südamerika beherbergt viele dieser Feuchtgebiete und ist deshalb eine Schlüsselregion für tropische CH4-Emissionen. Trotz ihrer Bedeutung für den globalen Methanhaushalt, sind die CH4 Emissionen aus dem Amazonasbecken bisher schlecht quantifiziert und die beitragenden CH4 Quellen nicht gut verstanden. Im Amazonasbecken sind die saisonal überschwemmten Wälder potentiell wichtige Regionen für Methanemissionen, aber die wenigen Messungen erlauben es momentan nicht, den Beitrag dieser Regionen ausreichend zu quantifizieren.Das übergeordnete Ziel dieses Antrags ist es, die Rolle der saisonal überschwemmten Wälder für den CH4-Haushalt im Amazonasgebiet zu verstehen. Speziell sollen Austauschflussmessungen von CH4 (und anderen Gasen) über der Baumkrone in einem saisonal überfluteten Wald im Amazonasbecken über den Zeitraum von mindestens einem Jahr durchgeführt werden. Derartige Messungen existieren derzeit in saisonal überfuteten Wäldern im Amazonasgebiet nicht. Die Austauschflussmessungen über der Baumkrone sollen in diesem Projekt durch direkte Messungen der Methan-Quellen und -Senken ergänzt werden. Diese Kombination von Messungen erlaubt es, die Emissionen der einzelnen Quellen und Senken mit den Messungen über der Baumkrone zu verbinden und damit den CH4-Haushalt in dem Bereich des 'Footprints' der Messungen zu verstehen. Dies ist wichtig, weil einige Quellen nicht gut verstanden sind, z.B. wurden vor kurzem hohe Emissionen aus Baumstämmen in saisonal überfluteten Regionen gemessen. Darüberhinaus liefern die CH4 Flussmessungen oberhalb der Baumkrone über einen vollen Jahreszyklus einen Datensatz, der durch 'Upscaling' mit den Austauschflüssen, die man aus der Inversion atmosphärischer Konzentrationsmessungen erhält, verglichen werden kann. Die vorgeschlagenen Messungen sollen an dem Turm K34, welcher in einem saisonal überfluteten Wald nahe Manaus (Brasilien) steht, durchgeführt werden. Wir haben die Genehmigung unsere Instrumente an diesem Turm zu installieren und für das Spektrometer steht ein klimatisierter Raum zur Verfügung. Für die Flussmessungen werden wir die Relaxed Eddy Accumulation (REA) Technik mit einem FTIR-Spektrometer koppeln. Der Aufbau dieses FTIR-REA Flussmesssystems wurde in dem EU-Projekt INGOS entwickelt und das Messsystem steht zur Verfügung. Das System ist in der Lage, die Flüsse von CH4, CO2, N2O, CO und d13CO2 gleichzeitig zu messen. Die einzelnen Emissionsquellen innerhalb des 'Footprints' der Flussmessungen werden mit einem tragbaren Analysator im Rahmen einzelner Kampagnen bestimmt.

Raumluftsensorsystem zur bedarfsabhaengig geregelten Einzelraumlueftung

Es wird ein Sensorsystem zur automatisierten bedarfsabhaengig geregelten Einzelraumlueftung entwickelt. Dieses ist vergleichbar mit einem Raumthermostat, wobei zusaetzlich zur Raumtemperatur weitere Groessen, insbesondere die Feuchte und die CO2 -Konzentration gemessen und ueber eine geeignete Lueftungsanlage geregelt werden. Mit diesem System kann eine Reduktion der Lueftungswaermeverluste auch in domestischen Bereichen erreicht werden. In modernen Niedrigenergiehaeusern diese schon jetzt groesser als die Konvektionsverluste. Eine nachhaltige Heizenergiebedarfsreduktion und die damit verbundene Verringerung der CO2 -Produktion sind die Ziele dieses Forschungsvorhabens.

Entwicklung eines Streulichtmessverfahrens zur Partikelgroessenanalyse in Gasstroemungen

Zur Konzentrationsmessung und Ermittlung von Partikelgroessenverteilungen in Gasstroemen wurde ein beruehrungsloses, optisches Messverfahren mit den folgenden Spezifikationen entwickelt: Konzentrationen bis 10 hoch 11 Partikel/m3, Partikelgroessenbereich von 1 : 100 mit einer unteren Messbereichsgrenze von 0.1 - 0.2 Mikrometer, freier Arbeitsabstand von 200 mm. Durch einen eng gebuendelten Lichtstrahl und durch das Gesichtsfeld einer senkrecht dazu angeordneten Detektoroptik wird ein kleines, rein optisch abgegrenztes Messvolumen erzeugt. Die zu vermessenden Partikel durchfliegen das Messvolumen, werden beleuchtet, und das gestreute Licht wird von der Detektoroptik aufgezeichnet. Das Messvolumen ist im Hinblick auf die Partikelkonzentration so klein gewaehlt, dass sich mit grosser Wahrscheinlichkeit jeweils hoechstens ein Partikel darin befindet (Koinzidenz). Die Beleuchtung erfolgt durch einen Argon-Ionen-Laser. Der weite Partikelgroessenbereich wird durch Simultanmessungen in zwei ineinanderliegenden Messvolumina unterschiedlicher Groesse, Intensitaet und Wellenlaenge abgedeckt. Die Streulichtsignale sind vom Rauschen der Photonen und der elektronischen Geraete ueberlagert. Sie werden daher vor Ermittlung der Signalhoehe mathematisch durch Fourier-Transformation und frequenzselektive Filterung geglaettet.

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