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Nachhaltige Biomasseproduktion im Meer: Machbarkeitsstudie zur offshore-Kultur von Makroalgen für eine landseitige Verwertung

Zielsetzung und Anlass: Die Eutrophierung stellt eine der größten ökologischen Bedrohungen der Ostsee dar, was sich aktuell in einer riesigen Todeszone (Sauerstoffmangel) am Meeresboden der tiefen Becken wiederspiegelt. Deshalb soll in dieser Machbarkeitsstudie eine nachhaltige marine Biomasse-Produktion des Blasentangs (Fucus vesiculosus) in Freilandversuchen in der Ostsee durchgeführt werden, um mit Hilfe dieser Makroalge eine Abreicherung von überschüssigen Nährstoffen herbeizuführen. In mehreren Schritten werden wir untersuchen inwiefern eine Hochskalierung vom Labor- zum offshore-Maßstab möglich und wie groß das Potenzial von großflächigen offshore-Freilandkulturen von Makroalgen ist. Weiterhin untersuchen wir ob die Biomasse umweltschonend produziert und als Wertstoff (Kosmetik), organischer Dünger, und/oder Biogas-Rohstoff (Energieträger) genutzt werden kann. Das Gesamtziel des Vorhabens in diesem Konsortium ist somit die Beurteilung der Chancen und Möglichkeiten von großflächigen Makroalgen-Freilandkulturen hinsichtlich: I. Schaffung eines regional möglichst geschlossenen Nährstoffkreislaufs zur Reduzierung der Nährstoffanreicherung in der südwestlichen Ostsee, II. Produktion von nachhaltigen Rohstoffen ohne dünge-, pflanzenschutz- und wasser-intensiven Landverbrauch, sowie III. Prüfung zusätzlicher Ertragsmöglichkeiten für Fischer und Einsparmöglichkeiten für Landwirte. Das vielfältige Potenzial der Ökosystemdienstleistungen von Blasentang-Freilandkulturen wird somit erstmalig experimentell in der Ostsee untersucht, und trägt zu den UN Nachhaltigkeitszielen bei. Das Projekt wird in enger Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und regionalen Stakeholdern (Fischer, Windparkbetreiber, Landwirte, Anlagenbetreiber für Biogas) durchgeführt. Arbeitsschritte und Methoden: Während der Projektdauer von drei Jahren bearbeiten wir vier Schwerpunkte: I. Kultivierung, II. Biomassecharakterisierung, III. Ernte und IV. Nutzung des Blasentangs. I. die bereits etablierte Nachzucht von Blasentang auf für die Freilandkultur geeignete Substrate wird optimiert. Danach wird die gut funktionierende Algenkultivierung vom Labor- und Mesokosmen-Maßstab zu mittleren Feldkulturen in der Eckernförder Bucht ( Prototyp einer Offshore-Kultur) heraufskaliert. Während all der Stufen der Hochskalierung werden die Effekte auf die Umwelt (abiotisch: Nährstoffgehalte, Sauerstoffkonzentration, pH; biotisch: Biodiversität organismisch und per eDNA) detailliert untersucht. Weiterhin soll die Zusammenarbeit mit Fischern und Windanlagenbetreibern als auch Genehmigungsbehörden (BSH, LLUR etc.) als Stakeholdern in Anspruch genommen werden, zu denen bereits intensive Kontakte bestehen. II. Die erzeugte Blasentasng-Biomasse wird ökophysiologisch und biochemisch charakterisiert, um bspw. Überlebensgrenzen, optimale Erntezeitpunkte und vielversprechende Wertstoffe zu identifizieren. III. Die Erntemethodik und Erstbehandlung an Land muss sorgfältig untersucht werden. Hier ist zum einen die Expertise von Fischern gefragt, die zumindest partiell von Fischfang auf die Wartung der Algenkulturen und die Algenernte umsteigen wollen. Der Schwerpunkt liegt auf der Nutzung der Biomasse an Land. Eine energieaufwändige Trocknung soll als Vorbehandlung vermieden werden. IV. Aus den biochemischen Analysen unter II. lassen sich bereits interessante Wertstoffe (Naturstoffe) z.B. für die kosmetische Industrie ableiten. Ansonsten ist die einfachste und bereits bewährte Nutzungsmöglichkeit das Einarbeiten der Algenbiomasse nach vorheriger Extraktion von Wertstoffen als Ersatz für mineralische Kunstdünger. Vor einer großflächigen und langfristigen Nutzung der Algenbiomasse als natürlicher Mineraldüngerersatz muss deren Belastung mit Schadstoffen, z.B. Schwermetallen, geprüft werden. (Text gekürzt)

Minderung von Lachgasemissionen aus gemüsebaulich genutzten Böden durch Optimierung des Nacherntemanagements

Zielsetzung: Distickstoffmonoxid (N2O), allgemein bekannt unter dem Trivialnamen Lachgas, zählt neben Kohlenstoffdioxid (CO2) und Methan (CH4) zu den Spurengasen in der Atmosphäre, die maßgeblich zu den anthropogen bedingten Klimaveränderungen beitragen. Eine Hauptquelle für das Lachgas stellen landwirtschaftlich und gartenbaulich genutzte Böden dar. Im Zuge der Applikation von stickstoffhaltigen organischen und mineralischen Düngern werden mikrobielle Umsetzungen forciert, die zur N2O-Bildung führen. In dem geplanten Projekt soll ein neuer Ansatz zur Reduktion von Lachgasemissionen im Freilandgemüsebau entwickelt werden. Nach der Einarbeitung von leicht zersetzbaren Ernterückständen wird Lachgas mit besonders hoher Rate aus Böden freigesetzt. Ziel ist es, diese unerwünschten N-Abflüsse durch eine Optimierung des Nacherntemanagements zu minimieren. Mögliche Ansatzpunkte hierfür liegen in der Anwendung von Nitrifikationsinhibitoren, der Einarbeitungstechnik und in dem Einarbeitungstermin der Ernterückstände. Die vorgesehenen Maßnahmen sollen gleichzeitig auch zu einer Verringerung weiterer Stickstoffverluste durch Denitrifikation und Auswaschung von Nitrat beitragen. Insgesamt wird das Ziel verfolgt, die Stickstoffeffizienz bei der Erzeugung von Gemüse im Freiland zu erhöhen und damit die ökologische und ökonomische Nachhaltigkeit der Anbauprozesse zu verbessern.

Standortdifferenzierte Bewertung und Anrechnung der Nutzung von Nitrifikationsinhibitoren als Klimaschutzmaßnahme im Pflanzenbau, Standortdifferenzierte Bewertung und Anrechnung der Nutzung von Nitrifikationsinhibitoren als Klimaschutzmaßnahme im Pflanzenbau

Die Landwirtschaft ist für etwa 80% der gesamten N2O-Emissionen in Deutschland und für 45% der Treibhausgasemissionen (THG) aus dem Agrarsektor verantwortlich. Die größte N2O-Quelle in der Landwirtschaft ist der Einsatz von Stickstoffdüngern (Mineraldünger und organischer Dünger, einschließlich Biogasgärresten), der ca. 60% der gesamten N2O-Emissionen aus der Landwirtschaft verursacht. Dabei sind sowohl direkte N2O-Emissionen aus den gedüngten Böden als auch indirekte N2O-Emissionen durch die Freisetzung reaktiver Stickstoffverbindungen (z.B. Auswaschung von Nitrat, Emission von Ammoniak) von Bedeutung. Die Verringerung dieser Emissionen und die Verbesserung der Effizienz der Stickstoffnutzung sind unerlässliche Maßnahmen, um die in internationalen Vereinbarungen festgelegten Emissionsminderungsziele für den Agrarsektor zu erreichen. Nitrifikationshemmer werden als robuste und skalierbare Maßnahme zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen im Pflanzenbau vorgeschlagen. Ob dies jedoch eine effiziente, praktikable und umweltverträgliche Maßnahme zur Reduzierung der düngemittelbedingten N2O-Emissionen unter mitteleuropäischen Bedingungen ist, wird in Wissenschaft, Politik und Praxis kontrovers diskutiert. Einerseits besteht das Potenzial, durch die Hemmung der Nitratbildung sowohl die direkten als auch die indirekten N2O-Emissionen deutlich zu reduzieren und damit die Effizienz der Stickstoffdüngung zu verbessern. Andererseits fehlen wissenschaftlich belastbare und standortdifferenzierte Ergebnisse, die NI-Effekte unter mehreren Gesichtspunkten verlässlich bewerten: i) die standortdifferenzierten jährlichen N2O-Emissionen und Nitratauswaschungen, ii) die ökologische Langzeitwirkung der Hemmstoffe und ihr Einfluss auf andere umwelt- und klimawirksame Emissionen (z.B. Ammoniakemissionen) und iii) die Gesamtbewertung als Klimaschutzmaßnahme unter Berücksichtigung von Klimaschutzeffekten, ökologischen Risiken sowie ökonomischen und pflanzenbaulichen Effekten.

Verbesserte Stöchiometrie von Nährstoffen für ein nachhaltiges Ressourcenmanagement von Böden

Standortdifferenzierte Bewertung und Anrechnung der Nutzung von Nitrifikationsinhibitoren als Klimaschutzmaßnahme im Pflanzenbau, Standortdifferenzierte Bewertung und Anrechnung der Nutzung von Nitrifikationsinhibitoren als Klimaschutzmaßnahme im Pflanzenbau

Lachgasemissionen (N2O-Emissionen) der Landwirtschaft sind für rund 80% der gesamten N2O-Emission in Deutschland verantwortlich und für 45% der Treibhausgasemission des Sektors Landwirtschaft. Die größte N2O-Quelle in der Landwirtschaft ist der Einsatz von Stickstoffdüngern (mineralische Dünger und organische Wirtschaftsdünger), der rund 60% der gesamten N2O-Emission der Landwirtschaft verursacht. Bedeutend sind hier sowohl direkte N2O-Emissionen aus gedüngten Böden als auch indirekte N2O-Emissionen, die durch den Austrag von Stickstoffverbindungen (z.B. Nitratauswaschung, Ammoniakemissionen) verursacht werden. Die Minderung dieser Emissionen und die Verbesserung der Effizienz des Stickstoffeinsatzes sind daher vordringliche Maßnahmen für das Einhalten des verbindlichen Emissionsreduktionsziels. Nitrifikationshemmstoffe werden als robuste und skalierbare THG Reduktionsmaßnahme für den Pflanzenbau vorgeschlagen. Ob dies eine effiziente, praxisgerechte und umweltschonende Maßnahme zur Verringerung düngungsinduzierter N2O-Emissionen unter mitteleuropäischen Bedingungen ist, wird kontrovers diskutiert. Einerseits bestehen Potenziale, durch die Hemmung der Nitratbildung sowohl die direkten als auch indirekten (Minderung der Nitratauswaschung) N2O-Emissionen deutlich zu mindern und die Effizienz der Stickstoffdüngung zu verbessern. Andererseits fehlen für eine gesicherte Bewertung in mehreren Punkten wissenschaftlich belastbare und standortdifferenzierende Ergebnisse: i) Bewertung der Wirkung auf die N2O-Jahresemission und Nitratauswaschung, ii) ökologische Langzeitwirkungen einer regelmäßigen Ausbringung der Hemmstoffe und ihre Wirkung auf andere umwelt- und klimawirksamen Emissionen (z.B. Ammoniakemission) sowie iii) zusammenführende und standortdifferenzierende Gesamtbewertung als Klimaschutzmaßnahme unter Einbeziehung von Klimaschutzeffekten, ökologischen Risiken, sowie ökonomischen und pflanzenbaulichen Effekten.

Treibhausgasminderungspotentiale in ökologischen und konventionellen Anbausystemen - Einfluss von Düngung, Bodenbearbeitung und Stickstofftransfer in der Fruchtfolge

In Dauerfeldexperimenten werden in ökologischen und konventionellen Anbausystemen an drei Versuchsstandorten zeitlich hochauflösend Lachgasemissionen und Ammoniakemissionen gemessen, um Mechanismen der Treibhausgasbildung aufzuklären, pflanzenbauliche Strategien zur Treibhausgasminderung zu prüfen und standortspezifische Emissionsfaktoren abzuleiten. Die Messung von Treibhausgasflüssen erfolgt in Versuchen mit unterschiedlichen Fruchtfolge-, Bodenbearbeitungs- und Düngungssystemen zur Bestimmung von flächen- und produktbezogenen Emissionen. In zwei Feldexperimenten wird Pflanzenkohle in Kombination mit organischen und mineralischen Düngern eingesetzt um zu analysieren, wie der Stickstoffumsatz im Boden, der Stickstofftransfer in der Fruchtfolge und die Stickstoffemissionen beeinflusst werden. Auf der Grundlage der experimentellen Daten wird bewertet, ob es möglich ist, NH3- und N2O-Emissionen durch den Einsatz von Pflanzenkohle signifikant zu vermindern. In einem weiteren Versuch werden die Stickstoffdynamik und Lachgasemissionen in ökologischen und konventionellen Anbausystemen untersucht. Auf der Grundlage der Messdaten wird das Emissionspotenzial sowie das N2O-Minderungspotenzial von Anbausystemen bewertet. Lachgas- und Ammoniakemissionen werden in Beziehung zur Stickstoffdynamik gesetzt, um Ursachen und Prozesse aufzuklären, die zu hohen Emissionen führen. Alle pflanzenbaulichen Maßnahmen werden hinsichtlich der Effekte auf die Erträge und Produktqualität, die Stickstoffsalden und Stickstoffeffizienz bewertet, um die Umsetzbarkeit in der landwirtschaftlichen Praxis einschätzen zu können. Die experimentellen Daten verbessern die Datenbasis für die nationale Klimaberichterstattung. Sie sind für die Regionalisierung von NH3- und N2O-Minderungsmaßnahmen umfassend nutzbar. Der Transfer der Ergebnisse in die landwirtschaftliche Praxis erfolgt durch Publikationen in angewandten Zeitschriften, die Durchführung von Workshops und Feldtagen.

Treibhausgasminderungspotentiale in ökologischen und konventionellen Anbausystemen - Einfluss von Düngung, Bodenbearbeitung und Stickstofftransfer in der Fruchtfolge, Treibhausgasminderungspotentiale in ökologischen und konventionellen Anbausystemen - Einfluss von Düngung, Bodenbearbeitung und Stickstofftransfer in der Fruchtfolge

In Dauerfeldexperimenten werden in ökologischen und konventionellen Anbausystemen an drei Versuchsstandorten zeitlich hochauflösend Lachgasemissionen und Ammoniakemissionen gemessen, um Mechanismen der Treibhausgasbildung aufzuklären, pflanzenbauliche Strategien zur Treibhausgasminderung zu prüfen und standortspezifische Emissionsfaktoren abzuleiten. Die Messung von Treibhausgasflüssen erfolgt in Versuchen mit unterschiedlichen Fruchtfolge-, Bodenbearbeitungs- und Düngungssystemen zur Bestimmung von flächen- und produktbezogenen Emissionen. In zwei Feldexperimenten wird Pflanzenkohle in Kombination mit organischen und mineralischen Düngern eingesetzt um zu analysieren, wie der Stickstoffumsatz im Boden, der Stickstofftransfer in der Fruchtfolge und die Stickstoffemissionen beeinflusst werden. Auf der Grundlage der experimentellen Daten wird bewertet, ob es möglich ist, NH3- und N2O-Emissionen durch den Einsatz von Pflanzenkohle signifikant zu vermindern. In einem weiteren Versuch werden die Stickstoffdynamik und Lachgasemissionen in ökologischen und konventionellen Anbausystemen untersucht. Auf der Grundlage der Messdaten wird das Emissionspotenzial sowie das N2O-Minderungspotenzial von Anbausystemen bewertet. Lachgas- und Ammoniakemissionen werden in Beziehung zur Stickstoffdynamik gesetzt, um Ursachen und Prozesse aufzuklären, die zu hohen Emissionen führen. Alle pflanzenbaulichen Maßnahmen werden hinsichtlich der Effekte auf die Erträge und Produktqualität, die Stickstoffsalden und Stickstoffeffizienz bewertet, um die Umsetzbarkeit in der landwirtschaftlichen Praxis einschätzen zu können. Die experimentellen Daten verbessern die Datenbasis für die nationale Klimaberichterstattung. Sie sind für die Regionalisierung von NH3- und N2O-Minderungsmaßnahmen umfassend nutzbar. Der Transfer der Ergebnisse in die landwirtschaftliche Praxis erfolgt durch Publikationen in angewandten Zeitschriften, die Durchführung von Workshops und Feldtagen.

Verbundprojekt: Fossilenergiefreie Demonstrationsanlage zur Herstellung von Phosphatmineraldüngern aus biogenem Klärschlamm (DemoPhos) - Teilvorhaben: Machbarkeitsstudie zur Integration des pontes pabuli-Verfahrens in die DEMOPHOS-Demonstrationsanlage

Fossilenergiefreie Demonstrationsanlage zur Herstellung von Phosphatmineraldüngern aus biogenem Klärschlamm (DemoPhos), Teilvorhaben: Analytische und ökologische Bilanzierung der Stoffströme und des Verwertungskonzeptes DEMOPHOS sowie Maßnahmen zur Akzeptanzbildung

Phosphorrückgewinnung und Klärschlammascheverwertung durch innovativen Einsatz einer Elektrodialyse, Teilprojekt: Optimierung und Pilotierung des Power-to-P-Verfahrens zur Phosphorrückgewinnung aus Klärschlammasche unter Einsatz einer Elektrodialyse

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