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Bilanz der Verteilung und Umwandlung von Umweltchemikalien in Modelll-Oekosystemen (Boden-Pflanzen, aquatische Systeme)

Das Schicksal von Umweltchemikalien in hoeheren Pflanzen wird bei verschiedenen Applikationsraten in Gewaechshaus- und Freilandversuchen untersucht. Die Metaboliten werden identifiziert und erneut appliziert bis zur Identfizierung der Endprodukte des Abbaus. Diese Versuche sollen einen Hinweis auf moegliche Rueckstaende von Umwandlungsprodukten in Nahrungsmitteln geben.

Menge, Zusammensetzung und Umsetzung der organischen Substanz im Unterboden

Das Wissen über die Menge, Zusammensetzung und Umsetzung der organischen Substanz in Böden der gemäßigten Breiten beschränkt sich bis auf wenige Ausnahmen auf die Oberböden (A-Horizonte und Auflagen). Hier finden sich die höchsten Konzentrationen der organischen Substanz. Jüngere Inventurarbeiten haben nun gezeigt, dass auch im Unterboden (B- und Cv-Horizonte) beträchtliche Mengen an organischer Substanz, allerdings in niedrigen Konzentrationen vorliegen. Ziel des geplanten Vorhabens ist es, (1) die Menge der organischen Substanz im Unterboden zu erfassen, (2) ihre Zusammensetzung und Herkunft zu bestimmen und (3) ihre Umsetzbarkeit zu erfassen. Daraus sollen Rückschlüsse auf die Stabilisierungsmechanismen der organischen Substanz im Unterboden gezogen werden. Nach einer Inventur der Bodenprofile an den SPP-Standorten (C-Gehalte, 14C-Alter) erfolgt die Erfassung der Zusammensetzung der organischen Substanz mittels Festkörper-13C-NMR-Spektroskopie. Die Zusammensetzung der Lipid-, Polysaccharid- und Ligninfraktion soll Hinweise auf die Herkunft der stabilisierten organischen Substanz differenziert nach oberirdischen, unterirdischen Pflanzenrückständen und mikrobiellen Resten geben. Abbauversuche unter kontrollierten Bedingungen im Labor und die Erfassung des 14C-Alters des freigesetzten CO2 sollen Aufschluß über die Umsetzbarkeit des 'jungen' und 'alten' C im Unterboden geben. Dabei werden jeweils die Profile über die gesamte Entwicklungstiefe betrachtet, um die Unterbodenhorizonte in Bezug zu den Oberböden und zu den Ergebnissen anderer AG im SPP zu setzen. Darauf aufbauend können dann in den nächsten Phasen des SPP die Eigenschaften der organischen Substanz im Unterboden und die Regulation der C-Umsetzungen im Unterboden untersucht werden.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1294: Bereich Infrastruktur - Atmospheric and Earth system research with the 'High Altitude and Long Range Research Aircraft' (HALO), Physikalische und chemische Eigenschaften von Wolkenpartikelresiduen und eisnukleierenden Partikeln in Verbindung mit Wolken in hohen geographischen Breiten vom Mischphasen- bis zum Zirrenniveau (HALO 2020, CIRRUS-HL)

Es wird vermutet, dass Zirruswolken in hohen geographischen Breiten (arktische Zirren), einen positiven „Cloud Radiative Effect“ (CRE) haben und somit zum Phänomen der "Arctic Amplification" beitragen. Das Vorzeichen und die Stärke des CRE arktischer Zirren hängt von deren mikrophysikalischen Eigenschaften, d.h. der Eispartikelkonzentration, dem effektiven Eispartikelradius und dem Eiswassergehalt (IWC), ab. Diese Parameter werden hauptsächlich durch den Eisbildungsprozess (heterogen vs. homogen) und durch den Bildungspfad (in-situ vs. flüssiger Ursprung) bestimmt. Dies impliziert insbesondere für Zirren flüssigen Ursprungs die Beteiligung von eisnukleierenden Partikeln (INP), was deren Häufigkeit, Eigenschaften und Quellen zu Schlüsselfaktoren für die Bildung, die mikrophysikalischen und Strahlungseigenschaften von Zirren in hoher Breiten macht. Informationen über INP in hohen geographischen Breiten im Allgemeinen und in größeren Höhen im Besonderen, extrem rar. Im Rahmen der HALO-Mission CIRRUS-HL wollen wir daher das Wissen hinsichtlich arktischer INP über a) die Charakterisierung von Eispartikel- (IPR) und Wolkentröpfchenresiduen (CPR, Summe aus IPR und Tröpfchenresiduen) in arktischen Zirren und Mischphasenwolken, und b) die vertikal aufgelöste Messung (Mischphase bis Zirrusniveau) von Hochtemperatur INP (> -30°C) außerhalb von Wolken, erweitern. Für die geplanten Untersuchungen werden der HALO-CVI („Counterflow Virtual Impactor“) und der Aerosolpartikelfiltersammler HERA verwendet werden. Hinter dem HALO-CVI werden Instrumente zur physikalischen (Anzahl der Konzentrationen, Partikelgrößenverteilung, BC-Konzentration) und chemischen (Einzelpartikelzusammensetzung, MPI-C) Charakterisierung der IPR und CPR betrieben. Die von HERA gesammelten Filterproben werden im Anschuss an die Kampagne in den TROPOS-Laboratorien hinsichtlich der physikalischen INP-Eigenschaften (Anzahlkonzentrationen und Gefrierspektren) sowie der chemischen Zusammensetzung der Aerosolpartikel analysiert.Bei In-Wolken-Messungen werden der HALO-CVI und HERA kombiniert werden. So können die INP, innerhalb der gesammelten IPR (Zirren) und Wolkentropfenresiduen (CPR, in Mischphasenwolken) identifiziert, quantifiziert und charakterisiert werden. Diese INP könnten potenzielle Vorläufer von Zirrus mit flüssigem Ursprung in hohen Breiten sein.In Verbindung mit den Ergebnissen der im Rahmen von CIRRUS-HL durchgeführten in-situ Messungen wolkenmikrophysikalischer Eigenschaften, sowie der Analyse von Rückwärtstrajektorien der untersuchten Luftmassen werden wir a) bzgl. der Häufigkeit und der Eigenschaften von INP ein bisher einmaliges Schließungsexperiment (innerhalb und außerhalb der Wolke) durchführen, b) das Wissen über die raumzeitliche Verteilung, die Eigenschaften und die Quellen von INP signifikant erweitern und c) tiefe Einblicke in INP-Effekte auf die Bildung und die mikrophysikalischen Eigenschaften von Zirruswolken in hohen geographischen Breiten erhalten.

Mitverbrennung von Abfällen und Biomasse in Kraftwerken / Verwendung von Reststoffen (Flugaschen) aus der Mitverbrennung

Prüfung der technischen und wirtschaftlichen Möglichkeiten zur Mitverbrennung eines breiten Spektrums von Abfällen und biogenen Materialien als Ersatzbrennstoffe in kalorischen Kraftvwerken. Klärung von Fragestellungen betreffend Handling und Aufbereitung von Ersatzbrennstoffen, Korrosionsrisiken, Emissionen udgl. Untersuchung der Auswirkungen der Mitverbrennung auf die Eigenschaften von Karftwerksreststoffen (insbesondere von Flugaschen) und auf die Verwertungseignung.

Entwicklung eines Schnellauslaugungsverfahrens zur Beurteilung von industriellen Nebenprodukten und Recycling-Baustoffen für den Einsatz im Straßenbau

Das Auslaugverfahren nach DEV S4 soll durch ein Schnellauslaugverfahren ergänzt werden, mit dem industrielle Nebenprodukte und RC-Baustoffe in ca. 30 Minuten in vergleichbarer Weise eluiert werden können wie nach dem Normverfahren. Das Verfahren soll so weit optimiert werden, dass es zur Eingangskontrolle bei der Anlieferung von Baustoffen zugelassen werden kann. Es sollen verschiedene Ultraschallsysteme erprobt und die Randbedingungen des Verfahrens so variiert werden, dass die Ergebnisse weitgehend denen aus dem modifizierten S4-Verfahren gleichen. Das Verfahren wird an auseinandergesiebten und nach vorgegebener Sieblinie zusammengesetzten Rückstellproben sowie an weiteren praxisrelevanten Baustoffen erprobt. Durch Vergleich mit laufenden praxisgerechten Feldversuchen an RC-Baustoffen können die für Routineanalysen wichtigen Parameter ermittelt werden. Eine Schnelluntersuchung einschließlich der Analyseverfahren soll modellhaft vorgeschlagen werden.

Linking nutrient cycles, land use and biodiversity along an elevation gradient on Mt. Kilimanjaro

To understand impacts of climate and land use changes on biodiversity and accompanying ecosystem stability and services at the Mt. Kilimanjaro, detailed understanding and description of the current biotic and abiotic controls on ecosystem C and nutrient fluxes are needed. Therefore, cycles of main nutrients and typomorph elements (C, N, P, K, Ca, Mg, S, Si) will be quantitatively described on pedon and stand level scale depending on climate (altitude gradient) and land use (natural vs. agricultural ecosystems). Total and available pools of the elements will be quantified in litter and soils for 6 dominant (agro)ecosystems and related to soil greenhouse gas emissions (CO2, N2O, CH4). 13C and 15N tracers will be used at small plots for exact quantification of C and N fluxes by decomposition of plant residues (SP7), mineralization, nitrification, denitrification and incorporation into soil organic matter pools with various stability. 13C compound-specific isotope analyses in microbial biomarkers (13C-PLFA) will evaluate the changes of key biota as dependent on climate and land use. Greenhouse gas (GHG) emissions and leaching losses of nutrients from the (agro)ecosystems and the increase of the losses by conversion of natural ecosystems to agriculture will be evaluated and linked with changing vegetation diversity (SP4), vegetation biomass (SP2), decomposers community (SP7) and plant functional traits (SP5). Nutrient pools, turnover and fluxes will be linked with water cycle (SP2), CO2 and H2O vegetation exchange (SP2) allowing to describe ecosystem specific nutrient and water characteristics including the derivation of full GHG balances. Based on 60 plots screening stand level scale biogeochemical models will be tested, adapted and applied for simulation of key ecosystem processes along climate (SP1) and land use gradients.

Linear model tools for high-throughput gene expression data

Data generated from high-throughput platforms in plant-biological research are often analysed by linear model procedures. Checking model assumptions and subsequently transforming data or taking other measures to remedy violations poses a formidable task with these kinds of large datasets because of the need to automate the analysis pipeline as much as possible in order to save computing time and overall time needed for analysis. This project will develop procedures for critically inspecting and testing residuals from linear model fits. Moreover, data transformations and parametric link functions will be investigated regarding their suitability for highthroughput data. Particular emphasis will be given to transcriptome sequencing (RNAseq) using the Illumina sequencing technology and metabolite profiling. The proposed procedures will be investigated by simulation as well as by application to empirical datasets provided by our collaborators. A pipeline implementing these procedures will be developed and made available as an R-package. Computationally intensive components such as Monte Carlo simulation modules will be programmed in a low-level programming language.

Optimization of a Method for the Isolation of Chloroplasts from Fresh Plant Material for the Development of a Bioassay Test for the Determination of Pesticides in Water

Bio-assays are increasingly used in supplement to classical analyses to determine the effect of contamination of waters with herbicides, some of which have been shown to be able to determine herbicides within the limits in compliance with EC-ordonance for drinking water. Preliminary work carried out at the University of Bonn has demonstrated that contamination of different water systems can be identified using inhibition of the light dependent production of oxygen by chloroplasts. Further experiments at IRMM have shown a potential to transfer membrane systems of chloroplasts into stable powder that can be used to carry out such bio-assays. Results: A method has been developed tor the isolation and breakage ot chloroplasts that allow freeze drying of the thylakoid membranes. The photosynthetic activity of the lyophilized material was maintained to 86 - 95 per cent. This powder can be stored for over five month without loss of activity.

1. Unerwuenschte Rueckstaende im Fleisch schlachtbarer Haustiere 2. Rueckstaende in Geweben wild lebender Tierarten

1. Zielsetzung: Verbraucherschutz. Die Proben werden von Fleischbeschautieraerzten eingesandt. Die Ergebnisse werden bei der fleischbeschaurechtlichen Beurteilung beruecksichtigt. Auf folgende Stoffe wird untersucht (in Klammern Methode): a) Hemmstoffe (Agar-Diffusionstest) b) Thyreostatika (Histologie) c) Oestrogene (Radioimmuniassay) d) Schwermetalle (Atomadsorptionsspektrometrie) e) Pestizide (Gaschromatographie) f) sonstige Stoffe mit pharmakologischer Wirkung (verschiedene) 2. Zielsetzung: Belastung wild lebender Tiere durch Schwermetalle und Pestizide zu erfassen. Die Proben werden von den Veterinaeraemtern oder Forstaemtern eingesandt. a) Schwermetalle (Atomadsorptionsspektrometrie) b) Pestizide (Gaschromatographie).

Der Einfluss von Regenwuermern auf die Bioverfuegbarkeit von Bentazon und seiner Abbauprodukte im Boden

Viele Pflanzenschutzmittel bilden nicht extrahierbare Rueckstaende im Boden, die konventionellen analytischen Methoden nicht zugaenglich sind. Untersuchungen dieser Pestizidfraktion deuten darauf hin, dass die Belastung des Bodens mit Pflanzenschutzmitteln bisher moeglicherweise unterschaetzt wurde. Das Herbizid Bentazon wird im Boden ueberwiegend in Huminstoffe eingebaut. Da Regenwuermer grosse Bedeutung fuer die Umsetzung organischer Materialien, insbesondere Huminstoffen, haben, wird in Laborexperimenten der Einfluss dieser Tiergruppe auf die Bindung von radioaktiv markierten Bentazonrueckstaenden untersucht. Ferner werden Veraenderungen des Metabolitspektrums im Boden und die Verteilung von Bentazon in Regenwuermern analytisch und autoradiographisch erfasst.

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