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Herstellung wasserlöslicher NPK-Dünger sowie NK, PK auf Basis von Biogas Gärrest und Gülle, Teilvorhaben 3: Ammoniumoxidation von Schweinegülle zur Eruierung der Leistungsfähigkeit der Nitrifikanten

Schwerpunktprogramm (SPP) 527: Bereich Infrastruktur - Integrated Ocean Drilling Program/Ocean Drilling Program (IODP/ODP), Teilprojekt: ThermoSill - Die Effekte von lokaler Erwärmung auf die mikrobielle Aktivität in tiefen Sedimenten durch die Ausbreitung von Sills

Die kürzlich beendete IODP Exp. 385 (Guaymas Basin Tectonics and Biosphere, Sept.-Nov. 2019) bohrte acht Stellen im Guaymas Basin, einem jungen Rift Becken im Golf von Kalifornien, das sich durch aktiven Vulkanismus und hohe Ablagerungsraten von organisch reichen Sedimente auszeichnet, bedingt durch die hohe Primärproduktivität im darüber liegenden Wasser, sowie dem starken Eintrag von terrigenen Sedimenten. Die Expedition erbohrte Kerne mit organisch reichen Sedimenten die von vulkanischen Sills unterbrochen werden. Die Mikrobiologie war eines der zentralen Forschungsthemen dieser Expedition. Ein großer Probensatz zur Quantifizierung von Sulfatreduktionsraten, dem quantitativ wichtigsten Elektronenakzeptorprozess in marinen Sedimenten, wurde gesammelt und befindet sich nun am GFZ. Das vorgeschlagene ThermoSill-Projekt wird sich zunächst auf die allgemeinen Eigenschaften der mikrobiellen Sulfatreduktion in diesen Kernen sowie auf die Auswirkungen von Druck und Temperatur konzentrieren. Die Bohrkerne wiesen sehr unterschiedliche geothermische Gradienten von 200 bis über 800 Grad C / km auf, und die an Bord gemessenen geochemischen Daten weisen bereits auf eine große Vielfalt biogeochemischer Prozesse hin. In Tiefseesedimenten, insbesondere solchen, die solche in großer Sedimenttiefe und daher hoher in-situ Temperatur, sind organische Substrate wie kurzkettige organische Säuren im Allgemeinen ein begrenzender Faktor. Da die Sedimente im Guaymas-Becken hydrothermal beeinflusst werden, liefert die thermogene Aufspaltung von makromolekularen organischen Substanzen im Sediment reichlich mikrobielle Substrate. ThermoSill wird untersuchen, ob dieses große Angebot an Substraten zu einem bevorzugten Abbau bestimmter Substrate führt und damit wird damit einen Beitrag zum Verständnis der Prozesse an der oberen Temperaturgrenze des Lebens liefern. Besonderes Augenmerk wird auf die anaerobe Oxidation von Methan gelegt. Im letzten Teil des Projekts wird das Eindringen von Sills in Sedimente und der damit einhergehende Temperaturanstieg im umgebenden Sediment durch Heizexperimente simuliert. Diese Experimente werden von Pyrolyseexperimenten und kinetischen Modellen begleitet, um zu testen, ob eine solche kurzzeitige Erwärmung die mikrobielle Gemeinschaft über geologische Zeitskalen hinweg beeinflussen kann. Das vorgeschlagene Projekt ist direkt relevant für die Ziele der Expedition. Es ist auch eine Ergänzung zu einem laufenden Projekt, das die Auswirkungen von Druck und Temperatur auf die mikrobielle Sulfatreduktion in nicht hydrothermal beeinflussten Sedimenten aus dem Nankai-Trog (IODP. Exp. 370) untersucht.

Der Einfluss der Eutrophierung auf die Wasserqualität und deren Bestimmung - Transformation von algenbürtigem organischem Material in Gewässern

Wasser aus Talsperren ist in vielen Länder eine der wichtigsten Trinkwasserresourcen. Dies gilt besonders für aride Zonen, und/oder in Ländern mit hoher Bevölkerungsdichte. Allerdings sind diese Gewässer oftmals durch einen extrem euthrophen Zustand gekennzeichnet. Das Ziel dieses Projektes ist es, den Gewässergütezustand zu beschreiben, den derzeitigen Zustand der Gewässer in Hinblick auf Nährstoffgehalte und organische algenbürtige Schadstoffe zu erfassen, Ursachen, die zu einer Algenblüte führen zu bestimmen und Verfahren für die Aufbereitung zu Trinkwasser zu entwickeln. Dazu soll der Gütezustand ausgewählter Gewässer in den drei Ländern der Projektpartner (Deutschland, Israel, Jordanien) verglichen werden. Der Einfluss unterschiedlicher klimatischer Bedingungen (Mitteleuropa, Mittlerer Osten) und die unterschiedliche Nutzung der Gewässer auf deren Eutrophierung soll dabei besonders beachtet werden. Die klassischen Aufbereitungsverfahren Filtration, Adsorption, Oxidation und Desinfektion sollen auf die algenspezifische Rohwasserqualität optimiert werden. Die Ergebnisse werden sowohl hinsichtlich ökologischer Gesichtspunkte als auch hinsichtlich der Wassernutzung ausgelegt werden. Die Untersuchungen werden jeweils in Modellsystemen im Labormaßstab und im Technikumsmaßstab mit Realproben durchgeführt. Ein Probenaustausch ermöglicht die Bestimmung der unterschiedlichsten Parameter in den einzelnen Laboratorien der Projektpartner. Dazu gehört auch ein Austausch von Doktoranden, die Schulung von Mitarbeitern und die Durchführung von gemeinsamen Workshops.

Veredelung von Melasse durch gepaarte Elektrolyse und elektrodialytische Aufarbeitung, Teilvorhaben 1: Up- und Downstream processing

Das Vorhaben hat zum Ziel Melasse als Rohstoff für die elektrochemische Umsetzung zu Folgeprodukten zu verwenden. Bisher wird Melasse vor allem als Futtermittel oder als Kohlenstoffquelle für Fermentationen verwendet. Sie zeichnet sich durch einen hohen Anteil an Kohlenhydraten aus. Diese sollen durch anodische Oxidation zu Hydroxycarbonsäuren bzw. durch gepaarte Elektrolyse zu Polyolen umgesetzt werden, wobei katalytisch aktive Nickelhydroxidelektroden als innovativer Ansatz zur Anwendung kommen sollen. Dabei kommt es zunächst zu einer Spaltung der Kohlenhydrate und Oxidation zu Hydroxycarbonsäuren, welche anschließend kathodisch hydriert werden (Domino-Oxidationsreduktions-Sequenz, DoORs). Neben den im Mittelpunkt stehenden elektrochemischen Umsetzungen sind Untersuchungen zur Zusammensetzung der Melasse sowie zu den möglichen Reaktionsprodukten notwendig. Dazu werden einerseits Kopplungsmethoden wie LC- und GC-MS eingesetzt sowie direkt an die MS gekoppelte elektrochemische Durchflusszellen (EC-MS). Störende Komponenten, die entweder die elektrochemische Umsetzung verhindern oder zu störenden Nebenprodukten führen, sollen durch eine Vorbehandlung der Melasse abgetrennt werden. Hier kommen Membranverfahren wie Nanofiltration oder Elektrodialyse zum Einsatz. Für die Optimierung der Versuchs- und Prozessbedingungen werden notwendige kinetische Parameter bestimmt und auf Basis einfacher formalkinetischer Modelle die Reaktionen beschrieben. Daneben kommen statistische Methoden der Versuchsplanung zum Einsatz, um die komplexen Zusammenhänge im Hinblick auf Selektivität, Ausbeute und Energieverbrauch zu optimieren. In einem abschließenden Arbeitspaket soll in einem Durchflussreaktor unter GMP-Bedingungen Material im kg-Maßstab für Anwendungsuntersuchungen gewonnen werden.

Aufklärung der mikrobiellen Nitratumsetzung in einem Süßwasserhabitat bei Anwesenheit von Methan, Nitrat und Ammonium: Koppelung von n-damo (Nitrat/Nitrit-abhängige anaerobe Methanoxidation) und Anammox (anaerobe Oxidation von Ammonium)

In diesem Projekt wollen wir in einem Süßwasserhabitat die Koppelung der nitratabhängigen Methanoxidation (n-damo) mit dem Anammox Prozess nachweisen. Messungen der stabilen Isotope im Methan, Nitrat, Nitrit, Ammonium und DIC und molekularbiologische Methoden sollen helfen, diese Prozesse zu entschlüsseln. Zudem wollen wir klären, wie die Erkenntnis von einströmendem Grundwasser in das Habitat (Interaktion zwischen Grundwasser und Seewasser) zu erklären ist, dass die für die Prozesse (n-damo, Anammox, Methanogenese) benötigten stabilen Umwelt- bzw. anoxischen Redoxbedingungen vorliegen.

Permafrostforschung auf dem Weg zur integrierten Beobachtung und Modellierung des Methanhaushalts von Ökosystemen; Leitantrag, Vorhaben: Die Rolle von Mikrobiologie und Wasserkörpern für den Methanhaushalt von Permafrostgebieten

Erforschung des atmosphärischen Ursprungs von Aminen innerhalb der marinen Grenzschicht: Ein kombinierter Feld-Modellierungsansatz (ORIGAMY)

Amine sind wichtige, aber wenig untersuchte organische Bestandteile in der marinen Atmosphäre. Es gibt deutliche Hinweise, dass innerhalb der marinen Grenzschicht die Bildung neuer Aerosolpartikel und die Zunahme der Partikelmasse durch Amine beeinflusst wird. Allerdings existieren noch sehr hohe Unsicherheiten in Bezug auf die Quellen, die weiteren chemischen Reaktionen innerhalb des chemischen Mehrphasensystems der marinen Atmosphäre und der Beitrag zur marinen Aerosolmasse. Ein tieferes Verständnis der durch die Amine initialisierten Bildung des organischen Stickstoffes in marinen Aerosolpartikeln, sowie der potentiell oxidationsgesteuerten Emission von Aminen aus den Ozeanen in die Atmosphäre, erfordert grundlegende mechanistische Modellierungsstudien der Mehrphasenoxidation von Aminen in Kombination mit speziellen Feldmessungen. Solche Ansätze sind derzeit nicht vorhanden, da noch keine detaillierten Mechanismen- oder Modellierungsstudien zur Mehrphasenoxidation der Amine durchgeführt wurden.Das Ziel von ORIGAMY ist es, die Faktoren zu ermitteln, die die Emission von Aminen aus dem Ozean in die Atmosphäre beeinflussen und deren Auswirkungen auf die organische Aerosolmasse, den Aerosolsäuregehalt und die Bildung neuer Aerosolpartikel. Wir wollen die großen Wissenslücken bezüglich Quellen, Phasenverteilung und Oxidationsprozessen von Aminen in der marinen Grenzschicht schließen, indem wir spezielle neue Feldmessungen in Kombination mit neuartigen Modellierungsansätzen der Mehrphasenchemie anwenden. Die Kombination aus Feldmessungen, Emissionsmodellierung und Modellierung der chemischen Alterung der Amine zum Verständnis der Feldergebnisse ist dabei eine neue große innovative Leistung, die aus dieser Studie resultieren wird.Die Ergebnisse von ORIGAMY werden eine wichtige Grundlage schaffen, um die Bedeutung der Amine und deren weiteren chemischen Reaktionen in der marinen Grenzschicht zu erfassen. Weiterhin tragen diese Ergebnisse dazu bei, relevante atmosphärischen Prozesse der Amine zu identifizieren, die in höher-skalige Modellen implementiert werden müssen.

Reaktionskinetische Untersuchungen der Schwefelwasserstoffoxidation zu Schwefel mit Luft an Aktivkohle

Die Reaktionskinetik der Oxidation von Schwefelwasserstoff zu Schwefel mit Luftsauerstoff an Aktivkohle soll aufgeklaert werden. Weiterhin soll geprueft werden, ob sich andere Adsorbentien wie z.B. Kieselgel, Molekularsieb usw. als Katalysatoren eignen. Die katalytische Oxidation des Schwefelwasserstoffs wird bei verschiedenen Versuchsbedingungen - H2S-Konzentration, Feuchtigkeit der Luft, Temperatur, Verweilzeit, Beladungsgrad des Adsorbens usw.- untersucht, wobei die zeitliche Konzentrationsaenderung von Schwefelwasserstoff sowie von eventuell gebildetem Schwefeldioxid gaschromatographisch mit einem schwefelempfindlichen flammenphotometrischen Detektor gemessen wird. Die Oxidationsprodukte von H2S in einer Aktivkohlesuspension in Abhaengigkeit von den Reaktionsbedingungen werden untersucht.

Biochemische Rückgewinnung von Kupfer (Kreislaufwirtschaft) aus Abwasseremissionen (z.B. Leiterplattenfertigung)

Die gekoppelte Eliminierung und Rückgewinnung von Kupfer aus Abwassergemischen stellt ein zukünftig nur noch durch produktionsintegrierte Maßnahmen lösbares verfahrenstechnisches Problem dar, da zunehmend neben der Reinigung des Wassers auch die Wertstoffrückgewinnung und damit die ressourcenminimierte Produktion in den Vordergrund der Zielsetzung steht (Kreislaufwirtschaft). Hierbei gilt es, auf die schwierigen Reaktionsbedingungen bei kupferbelasteten Abwässern (extrem niedrige pH-Werte) und die notwendige Produktreinheit des Kupfers zu achten. Den biologischen Prozessen wurde daher bisher nur wenig Aufmerksamkeit geschenkt, obwohl gerade hier ein großes Potential zur Problemlösung bei Vermeidung der Nachteile andrer Verfahren gegeben ist. In Vorversuchen konnte gezeigt werden, dass eine solche Kupferrückgewinnung möglich wird, wenn eine gekoppelte chemische/ biochemische Redoxreaktion zur Anwendung kommt. Dem im Wasser sulfidisch gelösten Kupfer wird Eisen aus z.B. Eisenschrott zur Substitution angeboten, so dass Kupfer in reiner Form ausfällen kann (Bestandteil des hier beantragten Forschungszeitraums). Das entstehende Eisensulfat wird hierzu durch Mikroorganismen (thiobacillus ferrooxidans) oxidiert und der Gleichgewichtsreaktion entzogen. Allerdings liegen bisher keine hinreichenden Grundlagenkenntnisse zur detaillierten Beschreibung und Modellierung der dieses Verfahren bestimmenden Reaktionen und reaktionsbeeinflussenden Parameter vor. Die Erarbeitung von Auslegungskriterien sind Inhalt dieses Antrages.

Diversite microbienne rhizospherique dans les ecotones entre ecosystemes terrestres et aquatiques (FRA)

Le projet vise a mettre en evidence la diversite microbienne associee a la rhizosphere des vegetaux des ecotones entre ecosystemes aquatiques et terrestres. Cette diversite s'exprime a la fois par la diversite genetique des taxons bacteriens et par la diversite des fonctions qui leur sont associees (fixation de l'azote moleculaire, nitrification, sulfo-oxydation, hydrogenotrophie, entre autres). Elle est conditionnee par les gradients multiples (oxygene, nutriments) et par l'aspect d'interface oxique/anoxique de la rhizosphere en milieu immerge. Ce projet a fait l'objet jusqu'ici de deux travaux de diplome portant sur la fixation rhizospherique de l'azote chez le roseau. Sa poursuite fait l'objet d'une requete dans le cadre du programme MAB sur les ecotones entre ecosystemes terrestres et aquatiques, deposee dans le cadre SPP environnement/biodiversite. (FRA)

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