Dieser Fortsetzungsantrag eines bestehenden Forschungsprojekts innerhalb der Forschergruppe INUIT (Ice Nuclei Research UnIT) hat zum Ziel, die physikalischen und chemischen Eigenschaften von atmosphärischen Eiskeimen (ice nucleating particles, INP) und Eispartikelresiduen (ice particle residuals, IPR) zu untersuchen. Es werden hauptsächlich zwei Messtechniken eingesetzt: virtueller Gegenstromimpaktor und Laserablationsmassenspektrometrie. Eiskeime (INP) aus atmosphärischem Aerosol werden erst in einem Eiskeimzähler aktiviert, so dass sich Eiskristalle bilden, die dann mit einem bepumpten Gegenstromimpaktor aufgrund ihrer Größe extrahiert und verdunstet werden können. Die freigesetzten INP können wiederum mit dem Massenspektrometer oder anderen Messtechniken untersucht werden. Dieses Experiment wird während einer Feldmesskampagne in der Nähe der Quellen von potentiell guten Eiskeimen (Mineralstaub, Biopartikel, anthropogene Partikel) durchgeführt. Ein geeigneter Kampagnenort hierfür ist die Mittelmeerregion, z.B. Südspanien. Die Eispartikelresiduen werden direkt aus unterkühlten Mischphasenwolken gesammelt. Hierzu wird ein spezieller Eis-Gegenstromimpaktor eingesetzt, der nur Eiskristalle sammelt und von den unterkühlten Wolkentröpfchen trennt. Nach der Sammlung wird das Eis der Eiskristalle verdunstet, so dass die Eisresidualpartikel freigesetzt werden und mittels des Laser- Ablationsmassenspektrometers analysiert werden können. Dieses Experiment wird auf einer Bergstation (Jungfraujoch) durchgeführt. Die Kombination aus Eiskeimzähler, bepumptem Gegenstromimpaktor und Massenspektrometer wird auch unter Laborbedingen zur Bestimmung der Eiskeimfähigkeit von internen und externen Partikelmischungen (z.B. biologisch/mineralisch) betrieben. Das Laserablationsmassenspektrometer in seiner Eigenschaft als Einzelpartikel-Analysegerät wird ebenfalls dazu eingesetzt, um den Mischungszustand der erzeugten Mischpartikel zu charakterisieren.
Im Rahmen des hier beantragten 12-monatigen Aufenthalt bei Prof. Dr. T. Dawson werde ich verschiedene Einsatzmöglichkeiten von stabilen Isotopen zum mechanistischen Verständnis von Prozessen in der Ökophysiologie/Baumphysiologie erlernen. Besonderer Schwerpunkt wird hierbei auf dem Studium biotischer Interaktionen und Stoffumsätze im Boden liegen. Anhand von eigenem Probenmaterial aus bereits abgeschlossenen Experimenten werde ich mir zunächst die Probenaufarbeitung, Verwendung der Massenspektrometer und Dateninterpretation von Grund auf aneignen. Während eines etwa vierwöchigen Aufenthalts bei Dr. C. Andersen werde ich in die Handhabung einer Messvorrichtung für unterirdische Untersuchungen an jungen Bäumen eingeführt. Diese 'mycocosms' werden anschließend für die in Berkeley geplanten Versuche eingesetzt. Mit Hilfe der stabilen Isotope 13C und 15N und Messungen der Bodenatmungsraten werden der Fluss an neu fixiertem C von den Blättern in den Boden, der C-Umsatz dort quantifiziert sowie die N- und C-Allokation erfaßt. Die Experimente dienen dem mechanistischem Verständnis qualitativer und quantitativer Änderungen dieser Allokations- und Umsatzprozesse durch Mykorrhizapilze und Konkurrenzinteraktionen. Die erlernten Methoden werden nach Beendigung des Auslandsstipendiums in Deutschland im Rahmen von Projekten eingesetzt, die sich mit der Konkurrenz zwischen Buche und Fichte beschäftigen.
Vulkanische Gasemissionen sind bedeutsam für die lokale sowie globale Atmosphärenchemie. Die Entdeckung der Halogenchemie in Vulkanfahnen brachte neue Erkenntnisse über die Dynamik von Vulkanen und gibt möglicherweise Aufschluss über deren Eruptionspotential. Mehrere Feldmessungen führten zu großen Erfolgen in der Erforschung von reaktiven Halogenspezies (z. B. BrO, OClO, ClO). Jedoch ergaben sich auch viele Unklarheiten über die zugrundeliegenden Mechanismen und Umweltparameter wie Spurengas- und Aerosolzusammensetzung der Vulkanfahne, relative Feuchte oder der Bedeutung von potentieller NOX Emission. Der Einfluss sowie die Bedeutung dieser Parameter bezüglich der Halogenaktivierung (Umwandlung von Halogeniden in reaktive Halogenspezies (RHS)) ist essentiell für die Interpretation der Messdaten, um, z.B. (1) Rückschlüsse über die magmatischen Prozesse zu ziehen und Vorhersagen über Eruptionen mithilfe des Verhältnisses BrO zu SO2 zu machen, oder (2) den Einfluss auf die Zerstörung von Ozon, die Oxidation von Quecksilber oder die Verringerung der Lebensdauer von Methan in der Atmosphäre zu quantifizieren. Dieses Projekt soll dazu dienen, anhand eines vereinfachten Modells einer Vulkanfahne (SiO2 und Schwefelaerosole, H2O, CO2, SO2, HCl, HBr) unter kontrollierten Bedingungen die vulkanische Halogenchemie besser zu verstehen. Dazu soll in einer aus Teflon bestehenden Atmosphärensimulationskammer an der Universität Bayreuth Messungen durchgeführt werden. Die zur Messung der kritischen Parameter benötigten Instrumente können leicht in das Kammersystem integriert werden. RHS (BrO, ClO, OClO) werden mittels eines White Systems (Multi-Reflektionszelle) und Cavity Enhanced-DOAS nachgewiesen. Zum Nachweis anderer Halogenspezies (Br2, Cl2, HOBr und BrCl) wird FAPA-MS (Flowing Atmospheric-Pressure Afterglow Mass Spectrometry) verwendet. SO2, CO2, NOX und O3 werden mittels standardisierter Gasanalysatoren gemessen. Die Analyse der Zusammensetzung von Aerosolen insbesondere deren aufgenommene Menge an Halogenen wird durch Filterproben sowie Ionenchromatographie und SEM-EDX (Scanning Electron Microscope - Energy Dispersive X-ray Detector) gewährleistet. Die Kombination der verschiedenen Messtechniken ermöglicht die Erforschung von bisher schlecht Verstandenen heterogenen Reaktionen, welche höchstwahrscheinlich die Halogenaktivierung beeinflussen. Insbesondere die Einflüsse von (1) NOX und O3, (2) Ausgangsverhältnis HCl zu HBr, (3) relative Feuchte sowie (4) die Zusammensetzung der Vulkanaschepartikel (in Hinblick auf komplexere, reale Vulkanasche) auf die RHS Chemie, insbesondere des Mechanismus der sog. 'Brom-Explosion', werden innerhalb des vorgeschlagenen Projektes untersucht. Die Messergebnisse werden, gestützt durch das Chemie Box Modell CAABA/MECCA, in einem größeren Kontext interpretiert und werden helfen die natürlichen Vulkanprozesse besser zu verstehen.
Die in verschiedenen Wasserarten (Grund-, Oberflaechen- und Trinkwasser) vorhandenen Phenole werden mit Hilfe der Gaschromatographie und der Hochdruckfluessigkeitschromatographie aufgetrennt und quantitativ erfasst. Die Identifizierung der einzelnen Phenole erfolgt durch massenspektroskopische Untersuchung der aufgetrennten Verbindungen.
Das beantragte LC-Tandem Massenspektrometer (LC-MS/MS) soll aufgrund der hohen Sensitivität und Vielseitigkeit die Quantifizierung von organischen Spurenstoffen im Nanogramm pro Liter-Bereich sowie die Identifizierung von Transformationsprodukten aus der Wasserbehandlung und in natürlichen aquatischen Systemen ermöglichen. Diese Arbeiten bauen auf bisherigen erfolgreichen Forschungsaktivitäten auf. Da an der TU München bisher keine sensitiven, quantitativ nutzbaren LC-MS/MS Systeme zur Verfügung stehen, handelt sich bei dem beantragten Gerät um eine Neuanschaffung im Rahmen einer Neuberufung. Aufgrund der hohen Anzahl intern generierter Proben von ingenieurtechnischen Anlagen zur Entfernung von Spurenstoffen in wässrigen Matricen im labor- und halbtechnischen Maßstab ist es unerlässlich, diese Technologie zu etablieren. Die quantitative Analytik ist essentiell bei Untersuchungen von Wasseraufbereitungsanlagen, der Optimierung von Prozesssteuerungen sowie für die quantitative Bestimmung von Spurenstoffen in Umweltproben.
Das Vorhandensein von stabilem Boden-organischen Material (SOM) ist eine system-immanente Eigenschaft, aber auch eine Voraussetzung für das Funktionieren von Bodenökosystemen. Mikrobielle Aktivität ist dabei ein wesentlicher Treiber des Kohlenstoffumsatzes und der SOM-Bildung, aber das Ausmaß, in dem stabiles SOM gebildet wird, wird durch Randbedingungen wie Redoxzustand und Mineralzusammensetzung verändert. Derzeit sind weitere Fortschritte zum Verständnis der SOM-Stabilisierungsmechanismen durch die Möglichkeiten begrenzt, mit der die molekulare Zusammensetzung der mineralassoziierten Fraktion und die molekularen Strukturen von SOM bestimmt werden können. Neue analytische Konzepte und Methoden für chemisch hochauflösende Analysen sind daher dringend erforderlich, um die Einflussfaktoren der Kohlenstoffspeicherung in Böden besser zu verstehen. Strukturspezifische und oberflächensensitive FT-ICR MS-Methoden eröffnen eine völlig neue Perspektive, um die mikrobielle Nutzung von Substraten zur Energiegewinnung und Biomasseerzeugung zu untersuchen, molekulare Änderungen zu erfassen, Struktur-Energie-Beziehungen in komplexem SOM zu entschlüsseln, die Bildung und Stabilität von mineralassoziiertem organischem Material zu erforschen und schließlich die Stabilisierung von SOM ganzheitlich zu verstehen. Zu diesem Zweck werden wir 1) online-LC-FT-ICR-MS sowie LC-Tandem-MS-Methoden einsetzen, um physikalisch-chemische und aussagekräftige Strukturinformationen selbst für das komplexe SOM zu erhalten, 2) funktionelle Gruppen in einzelnen Molekülen mittels Isotopen-Tagging zu bestimmen, um die Prävalenz von Struktureinheiten zu untersuchen, und 3) direkte LDI-FT-ICR-MS für die Oberflächenanalyse der organischen Substanz nach der Sorption an Mineralien anwenden. Diese neuartigen Methoden werden wir auf mikrobielle Mikrokosmen mit verschiedenen Substraten und Redox-Bedingungen anwenden, um die Energie- und Materie-Zerstreuung auf molekularer Ebene aufzuschlüsseln. Das übergeordnete Ziel dieses Vorhabens ist es, das Verständnis des komplexen Umsatzes von organischer Bodensubstanz von einer Summen- und Mittelwert- auf eine strukturelle Ebene zu heben. Diese neue Ebene des SOM-Verständnisses wird zusammen mit den Projektpartnern im SPP SoilSystems eine integrative und umfassende Bewertung und Modellierung der Energienutzungskanäle und Randbedingungen des OM-Umsatzes in Böden ermöglichen. Dieses Vorhaben wird zu den zentralen Hypothesen des SPP SoilSystems beitragen, indem die Energienutzungskanäle und die Verteilung der Gibbs-Energie von Substraten während mikrobiellem Umsatz, die Konsequenz von Molekülstruktur auf die Stabilisierung von SOM durch fortwährende mikrobielle Aktivität und der Einfluss von Redoxzustand und Mineralzusammensetzung auf die Stoffnutzung und Stabilisierung von Kohlenstoff aufgeklärt wird.
Die Auswirkungen von flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) auf die Luftqualität und damit auf die Gesundheit der Menschen auf lokaler oder regionaler Skala sind direkt offenkundig durch die schädlichen Effekte auf die Lebenswelt. Noch bedeutender ist die kritische Rolle, die VOC in chemischen Prozessen der Atmosphäre einnehmen. Die Bildung vieler sekundärer organischer Schadstoffe in der Atmosphäre wie Ozon, Peroxide, Aldehyde, Peroxyacetylnitrate und sekundäre organische Aerosole hängt entscheidend von der Verfügbarkeit der VOC und ihrer Vorläufersubstanzen ab. Wir planen die Messung von Isotopenverhältnissen und Konzentrationen spezifischer VOC in der Abluft großer Ballungszentren (MPC) in Europa und Asien durch Einsatz des Luftprobensammlers MIRAH auf den HALO-Missionen EMeRGe-EU und EMeRGe-Asia. Die Luftproben werden im Labor mittels Gaschromatographie-Verbrennungs-Isotopen-Massenspektrometrie analysiert. Isotopenverhältnisse in VOC sind wertvolle Indikatoren zur Untersuchung von Reaktionen, die derzeitigen Messverfahren nicht direkt zugänglich sind. Transport- und Mischungsprozesse in der Atmosphäre können damit visualisiert werden, wertvolle Information über dominante Prozesse, an denen VOC beteiligt sind, gewonnen werden. Bereits in den letzten HALO-Missionen, TACTS/ESMVal und den beiden OMO-Missionen, konnten wir zeigen, dass die beantragte Messmethode ein sensitives Werkzeug ist, z.B. für Quellstudien von VOC, zur Ableitung von Transportwegen und deren Einfluss auf die Verteilung der VOC, zur Abschätzung des Mischungsgrads, der Unterscheidung zwischen dynamischen und chemischen Prozessen, als auch zur Untersuchung atmosphärischer Umwandlung und Verweilzeit spezifischer VOC. Die Wertstellung dieser Ergebnisse wird sogar noch gesteigert durch den Vergleich mit Ergebnissen aus 3-dimensionalen Chemie-Transport-Modellen. Die folgenden geplanten wissenschaftlichen Zielsetzungen betten sich in die übergreifenden Ziele von EMeRGe-EU and EMeRGe-ASIA: (1) Messung der Zusammensetzung der in Europa und Asien entspringenden Schadstofffahnen und Bestimmung des Beitrags bestimmter VOC an der Zusammensetzung der Atmosphäre; (2) Bestimmung der weitreichenden Luftverschmutzung sowie deren Einfluss auf die Verteilung bestimmter VOC; (3) Identifizierung möglicher Unterschiede im Transport und der Umwandlung von VOC, die mit besonderen einzigartigen Charakteristiken europäischer und asiatischer MPCs verbunden sind; (4) Identifizierung von Oxidations- und Zwischenprodukten des VOC-Abbaus; (5) Informationsgewinnung über Oxidationswege durch Messung von Vorläufer- und Oxidationsprodukten; (6) Altersbestimmung von Luftmassen in unterschiedlichen Stadien der Schadstofffahnen; (7) Gegenüberstellung photochemischer Prozessierung gegen Transport und Mischung; (8) Verbindung der Informationen aus Isotopenverhältnissen mit bestimmten regionalen meteorologischen Daten; (9) Bereitstellung der Messdaten für Chemietransportmodelle.
Um aktuelle Umwelt- und Klimaveränderungen in einem längeren zeitlichen Kontext bewerten zu können, insbesondere anthropogene und natürliche Einflüsse auf den atmosphärischen Aerosoleintrag in die Atmosphäre zu verstehen, werden Informationen über die Zusammensetzung der Atmosphäre in der Vergangenheit benötigt. Eisbohrkerne aus den Polarregionen oder Gletschern sind wertvolle Umwelt- und Klimaarchive, da sie unter anderem das mit dem Schnellfall deponierte Aerosol enthalten. Daher kann die Analyse von partikel-gebundenen Spurenstoffen in Eisbohrkernen stoffliche Informationen über zurückliegende Umwelt- und Klimabedingungen liefern. Bis heute konzentrieren sich diese Bemühungen auf anorganische Substanzen und nur wenige organische Analyten. Ein Großteil der in diesen Bohrkernen enthaltenen Informationen geht dadurch verloren. Dies charakterisiert das Hauptziel des Vorhabens, durch Erarbeitung organischer spurenanalytischer Methoden basierend auf LC-HRMS (Flüssigchromatographie in Kombination mit hochauflösender Massenspektrometrie) eine ausgewählte Palette von Markersubstanzen zu quantifizieren. Zielmoleküle sind insbesondere neue Marker für biogene sekundäre organische Aerosole (biogenic SOA) und Biomasseverbrennungs-Marker. Die Auswahl dieser Verbindungen basiert einerseits auf dem zu erwartenden Informationsgewinn über die Quellen und deren Zusammensetzung (terrestrische Vegetation/Waldbrände), andererseits auf der atmosphärischen Lebensdauer der Marker, da nur langlebige Marker weit entfernt liegende Regionen erreichen können. Zusätzlich zur Analyse dieser Zielanalyten sollen auch ââ‚ Ìnon-target screening-Methoden zum Einsatz kommen. In enger Zusammenarbeit mit einem etablierten Eisbohrkernlabor am PSI in der Schweiz werden die entwickelten Analysetechniken auf einen Eisbohrkern aus dem Belukha-Gletscher im Sibirischen Altai Gebirge angewendet.
Das Teilprojekt stellt die chemischen Grundlagen für die Forschergruppe bereit. Es widmet sich der Analyse von Speziesprofilen, die für die Entwicklung und kritische Validierung der reaktionskinetischen Modelle für die motorischen Teilprojekte benötigt werden und die dann in die Regelung einfließen. Diese Analysen sollen vornehmlich unter Niedertemperaturbedingungen an den Surrogatbrennstoffen iso-Oktan (für die GCAI-Verbrennung in TP3) und n-Heptan (für die PCCI-Verbrennung in TP4) in einem Strömungsreaktor erfolgen. Mehrere Teilaspekte stehen im Fokus der reaktionskinetischen Untersuchungen. Für die GCAI-Bedingungen steht die Veränderung der Zündwilligkeit unter Wasserzusatz im Vordergrund. Die Effekte variabler Addition von Wasser zu iso-Oktan sollen für ein Parameterfeld bei unterschiedlichen Bedingungen untersucht werden, um die Grundlagen des Wasserzusatzes auf die Reaktionskinetik im Niedertemperaturbereich zu verstehen und in die Modellbildung zu übertragen. Die geplanten Untersuchungen stellen weitgehend Neuland dar. Zur Unterstützung sollen einige Analysen hierzu auch unter den stabilen Bedingungen vorgemischter ebener Niederdruckflammen stattfinden. Für die Modellbildung im Bereich der PCCI-Verbrennung sind detaillierte Untersuchungen der Bildung von Rußvorläuferspezies im Bereich bis zu etwa vier aromatischen Ringen insbesondere unter Niedertemperaturbedingungen geplant. Während die Reaktionen zur Bildung des ersten aromatischen Ringes als sehr gut verstanden gelten können, weist das grundlegende Verständnis der Bildungskinetik in der molekularen Vorläuferphase bis zu etwa 3-4 aromatischen Ringen noch sehr große Lücken auf. Dieser Phase, an die sich die erste Partikelnukleation zum Beispiel über Dimerisierung der mehrkernigen Aromaten anschließt, kommt innerhalb der Reaktionsketten vom Brennstoffmolekül zum Rußkeim eine große Bedeutung zu. Das entsprechende fundamentale Wissen ist für die Modellentwicklung in TP4 von entscheidender Bedeutung. Die Arbeiten sollen daher auch durch die Untersuchung besonders brennstoffreicher Zonen in einer nicht vorgemischten Flamme unterstützt werden. Für beide motorische Verfahren ist es zudem interessant, die Einflüsse der Zumischung von Abgaskomponenten auf die Reaktionskinetik zu verstehen. Anknüpfend an die Untersuchungen zur Wasserbeimischung sind hierzu einige grundlegende Analysen geplant. Zur Erfassung der Spezies als Funktion der Reaktionsbedingungen sollen an allen Versuchsträgern verschiedene Varianten massenspektrometrischer Verfahren eingesetzt werden, mit denen in der Arbeitsgruppe große Erfahrung vorliegt. Als unterstützende Techniken werden Gaschromatographie sowie Laserverfahren zur Temperaturbestimmung eingesetzt.
Veranlassung Im Rahmen des BMDV-Expertennetzwerks (Themenfeld 1: Klimawandel und Extreme) werden Auswirkungen von Extremwetterereignissen, z.B. Starkregen- und Trockenwetterperioden, auf den Eintrag organischer Spurenstoffe in Bundeswasserstraßen untersucht. Erste Studien zu regeninduzierten Spurenstoffeinträgen werden am Fallbeispiel der Mosel durchgeführt. Hier werden seit April 2021 während Regenereignissen Tagesmischproben von zwei Messstationen entlang des innerdeutschen Verlaufs der Mosel entnommen. Ausgewählte Proben werden durch das Verfahren des Non-Target-Screenings mittels Flüssigkeitschromatographie gekoppelt an hochauflösende Massenspektrometrie untersucht. Mithilfe von Clusteranalysen werden ereignisbezogene Eintragsmuster in den Datensätzen entschlüsselt. Über den Abgleich mit internen Datenbanken, die über 1000 bekannte Spurenstoffe und chemische Signale aus Elutionsversuchen mit Reifenabrieben umfassen, können Signale in den Umweltproben bereits bekannten Substanzen bzw. möglichen Quellen wie Reifenabrieb zugeordnet werden. Ziele - Erfassung regeninduzierter Spurenstoffeinträge in Bundeswasserstraßen - Identifikation quellenspezifischer organischer Spurenstoffe als repräsentative Substanzen für zielgerichtetes Monitoring - Identifikation relevanter Quellen und Eintragspfade für regeninduzierte Spurenstoffeinträge - Angaben zu regen- und trockenheitsinduzierten Spurenstoffeinträgen und -konzentrationen in Bundeswasserstraßen unter Berücksichtigung von Klimaprognosen - Erstellung eines Konzepts zur quantitativen Erfassung ausgewählter quellen- und eintragsspezifischer Spurenstoffe in Bundeswasserstraßen - Integration ausgewählter Spurenstoffe in Gewässergütemodelle bzw. Schadstoffemissionsmodelle Organische Spurenstoffe gelangen über verschiedene Eintragspfade, z.B. über Kläranlagenabläufe, Regenwasserkanäle und diffusen Oberflächenabfluss, in Fließgewässer. Hier werden sie in komplexen Mischungen detektiert und können ein Risiko für das Ökosystem darstellen. Die genaue Anzahl organischer Spurenstoffe ist unbekannt. Zudem variiert die Zusammensetzung der Stoffmischungen in Abhängigkeit von Konsum, Anwendungen und witterungsbedingten Einträgen. Extremwetterereignisse wie Starkregen- und Trockenwetterperioden können angesichts des Klimawandels zunehmen, sodass deren Auswirkungen auf Stoffeinträge und -konzentrationen in Gewässern zukünftig an Bedeutung gewinnen. Durch den Klimawandel können Extremwetterereignisse zunehmen. Im Expertennetzwerk werden extremwetterbedingte Spurenstoffeinträge und deren Auswirkungen auf die Wasserbeschaffenheit in Bundeswasserstraßen untersucht.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 845 |
| Europa | 33 |
| Kommune | 5 |
| Land | 52 |
| Weitere | 14 |
| Wissenschaft | 421 |
| Zivilgesellschaft | 14 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 834 |
| Hochwertiger Datensatz | 1 |
| Repositorium | 1 |
| Text | 10 |
| unbekannt | 24 |
| License | Count |
|---|---|
| Geschlossen | 24 |
| Offen | 836 |
| Unbekannt | 10 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 785 |
| Englisch | 163 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Archiv | 1 |
| Bild | 2 |
| Dokument | 6 |
| Keine | 607 |
| Unbekannt | 2 |
| Webdienst | 1 |
| Webseite | 255 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 595 |
| Lebewesen und Lebensräume | 717 |
| Luft | 550 |
| Mensch und Umwelt | 870 |
| Wasser | 595 |
| Weitere | 863 |