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Neue Beprobungstechniken zur Untersuchung der Rolle von Carboxylat-Exsudaten in der Phosphoraufnahmeeffizienz von Hartweizen (DGT Exudates)

Die Carboxylat-Exsudation ist ein wichtiger Prozess für Pflanzen, um eine ausreichende Nährstoffaufnahme, insbesondere in Böden mit Phosphor-Mangel, sicherzustellen. Die Gewinnung von Carboxylatproben von im Boden gewachsenen Wurzeln ist aufgrund der geringen Konzentrationen von Carboxylaten in der Bodenlösung und ihrer schnellen Mineralisierung durch Mikroben sehr anspruchsvoll. Deshalb wurden die meisten Studien bisher mit künstlichen Wachstumssystemen (z. B. Hydroponik) durchgeführt, von denen viele die Zusammensetzung und Menge der Wurzelexsudate beeinflussen können. Wegen dieser erheblichen technischen Lücke besteht immer noch eine große Wissenslücke hinsichtlich der räumlichen Verteilung von Carboxylat-Exsudaten in der Rhizosphäre, sowie hinsichtlich des zeitlichen Verlaufs der Exsudation über die Vegetationsperiode von Kulturpflanzen. Wir haben kürzlich eine niedrig-invasive Citrat-Exsudat-Probenahmemethode entwickelt, die auf der “Diffusive Gradients in Thin Films” Methode (DGT) basiert. Diese Methode stellt eine signifikante Verbesserung gegenüber bestehenden Techniken dar. In diesem Projekt werden wir (1) unsere DGT-Citrat-Probenahmemethode weiterentwickeln, um weitere wichtige Carboxylat-Exsudat-Verbindungen einzubeziehen, (2) die DGT-Chemical-Imaging-Funktion nutzen, um Carboxylat-Exsudations-Bildgebungs-Workflows mit mm- und sub-mm-Auflösung zu entwickeln, (3) die entwickelten DGT-Carboxylat-Probenahmemethoden hinsichtlich ihrer Möglichkeiten und Einschränkungen charakterisieren und (4) die DGT-Carboxylat-Probenahme anwenden, um die Rolle der Carboxylat-Exsudation bei der Phosphoraufnahmeeffizienz von Hartweizen-Genotypen über ihre Vegetationsperiode und mit hoher räumlicher Auflösung zu untersuchen. Ausgewählte Anionenaustauscherharze werden auf ihre Carboxylatbindungseigenschaften charakterisiert. Räumliche Carboxylatverteilungen werden durch Schneiden der DGT-Gele und durch hochauflösende Massenspektrometrie (LDI-FTICR-MS) visualisiert. Die Probenahmeeffizienz der neuen Methode wird unter Verwendung von Mikrodialyse (künstliche Wurzelsonden) in Kombination mit C-14-markierten Carboxylatverbindungen quantifiziert. Die numerische Simulation der Probenahme und der experimentelle Vergleich mit herkömmlichen Methoden werden die Möglichkeiten und Grenzen der DGT-Carboxylat-Probenahme demonstrieren. Die neu entwickelte Probenahmetechnik wird die Probenahme von ganzen Wurzelsystemen und Wurzelsystemteilen, die Kartierung mit einer Auflösung im mm-Maßstab, die Abbildung von Exsudatgradienten im Mikrometer-Maßstab, und die wiederholte Probenahme über die gesamte Vegetationsperiode ermöglichen. Mit dieser neuartigen Methodik werden beispiellose Daten zu Carboxylat-Exsudationsmustern in Wurzelsystemen von Hartweizen gesammelt werden. Diese Methode wird eine wichtige technische Lücke schließen und zur Entwicklung/Auswahl von Kultursorten mit hoher Phosphoraufnahmeeffizienz beitragen.

Untersuchungen des Tagesgangs verschiedener Spurengase mit Hilfe der solaren Absorptionsspektroskopie im infraroten Spektralbereich im tropischen Westpazifik (TROPAC)

Der Ozean im Westpazifik ist mit Temperaturen von ganzjährig 30°C der wärmste Ozean der Welt. Im tropischen Westpazifik ist die Lufttemperatur der Grenzschicht weltweit am höchsten und die Ozonkonzentration am niedrigsten. Aufgrund der allgemeinen Advektion der Luftmassen in der unteren und mittleren Troposphäre aus dem Osten durch die Walker-Zirkulation über den Pazifik befindet sich die Luft über dem tropischen Westpazifik für längere Zeit in einer sauberen, warmen und feuchten Umgebung. Der Abbau von reaktiven Sauerstoff- und Ozonvorläufern wie NOx findet daher länger als anderswo in den Tropen, was zu sehr niedrigen Ozonkonzentrationen führte. Dies erhöht die Lebensdauer von kurzlebigen biogenen und anthropogenen Spurengasen. Darüber hinaus begünstigen hohe Meeresoberflächentemperaturen eine starke Konvektion im tropischen Westpazifik, was zu niedrigen Ozonmischungsverhältnissen in den konvektiven Ausflussgebieten in der oberen Troposphäre führen kann. Der Warmpool im Westpazifik ist auch eine wichtige Quellregion für stratosphärische Luft. Daher fallen die Region, in der die Lebensdauer kurzlebiger Spurengase erhöht ist, und die Quellregion der stratosphärischen Luft zusammen. Somit bestimmt die Zusammensetzung der troposphärischen Atmosphäre in dieser Region in hohem Maße auch die globale stratosphärische Zusammensetzung.Ozon ist aufgrund von Rückkopplungsprozessen zwischen Temperatur, Dynamik und Ozon ein wichtiges Spurengas in der Klimaforschung. Da der Warmpool im Westpazifik die Hauptquellenregion für stratosphärische Luft ist, ist die Kenntnis von Ozon und anderen kurzlebigen Spurengasen auch wichtig, um den Transport von Spurengasen in die Stratosphäre zu verstehen.Ziel unseres Projektes ist die Messung des Tagesgangs von Ozon und anderen Spurengasen mit Hilfe der hochauflösenden solaren Absorptions-FTIR-Spektroskopie. Die Messungen liefern die Gesamtsäulendichten von bis zu 20 Spurengasen. Für einige Spurengase erlaubt die Analyse der Spektrallinienform die Ableitung der Konzentrationsprofile in bis zu etwa vier atmosphärischen Höhenschichten. Ergänzt werden die Beobachtungen durch Ozonballonsondierungen, kontinuierliche Messungen der UV-Strahlung, und Modellrechnungen mit einem Chemie-Transport-Modell. Die Messungen sind für den Zeitraum August bis Oktober 2022 geplant, die Auswertung und Interpretation von November 2022 bis Januar 2023.

Bestimmung und Vorhersage des Oberflächencoatings von Nanopartikeln, dessen molekularer Zusammensetzung, physico-chemischen Eigenschaften und der kolloidalen Stabilität nach in-situ-Exposition gegenüber natürlichen Gewässern

Nanopartikel (NP) sind neuartige Schadstoffe, deren Umweltverhalten sich grundlegend von molekularen Schadstoffen unterscheidet. Die Sorption von natürlichen organischen Substanzen (NOM) an NP ist ein Schlüsselfaktor für das weitere Umweltverhalten der NP wie Aggregation oder Sorption auf Oberflächen. Verfügbaren Daten zum Verhalten von NP beschränken sich auf Laborstudien unter stark vereinfachte Bedingungen. Für die Modellierung des Verbleibs von NP in der Umwelt ist es daher unerlässlich, die Sorptionsmechanismen unter umweltrelevanten Bedingungen zu erforschen. Dafür haben wir eine neue Methode entwickelt und validiert, bei der die NP mittels eines Dialysebeutels im Kontakt mit den gelösten Komponenten des Gewässers gebracht werden. Diese Methode ermöglicht es erstmals Partikel mit einer realistischen NOM Oberflächenbeschichtung (Coating) zu erhalten. Moderne Methoden der Oberflächencharakterisierung erlauben es zudem, die Zusammensetzung und Eigenschaften von NP Coatings detailliert zu untersuchen. Ziel dieses Projekts ist es, die Sorptionsmechanismen unter Umweltbedingungen, ihren Einfluss auf die kolloidale Stabilität und ihren Zusammenhang mit dem initialen NP Coating zu erforschen und vorherzusagen. Dazu werden die Zusammensetzungen und die Eigenschaften der unter Feldbedingungen gebildeten NP Coatings für fünf TiO2-Nanopartikeltypen, einschließlich der aus kommerziellen Produkten extrahierten Partikel, untersucht. Diese Partikel werden in 60 ausgewählten Gewässern, welche einer großen Bandbreite an wasserchemischen Parametern entsprechen, mittels Dialysebeutelmethode exponiert. Nach der Entnahme werden die Partikel mit XPS, FT-IR, ToF-SIMS und AFM analysiert, um die Oberflächenzusammensetzung, den Sorptionsmodus und die Schichtdicke des Coatings zu bestimmen. Zur Untersuchung der Schichtdicke mittels AFM wird eine neu entwickelte Probenpräparationsmethode weiterentwickelt und validiert. Die molekulare Zusammensetzung und Stabilität der NP Coatings werden mittels direkter Messung von Molekülen auf der Partikeloberfläche mit einer neu entwickelten Laser-Desorptions-Ionisation ultrahochauflösender FT-ICR MS Methode sowie sequentieller Extraktion, gefolgt von Elektrospray-Ionisation FT-ICR MS untersucht. Zudem werden Experimente zur Aggregationskinetik der exponierten NP durchgeführt. Dazu werden Proben der 60 Gewässer mit und ohne natürliche Kolloide verwendet, um Hetero- und Homoaggregation zu berücksichtigen. Die gewonnenen Daten werden in ein multivariates Machine-Learning-Modell einfließen, um die Beziehung zwischen initialem Coating, Coating mit NOM nach Exposition, der Gewässerchemie und der Aggregation der Partikel zu bestimmen und um die Eigenschaften des Coatings und die Aggregationsrate aus den vorliegenden Wasserparametern vorherzusagen. Die Modellergebnisse werden wertvolle Beiträge für die Vorhersage des Umweltverhaltens von Nanopartikeln in natürlichen Gewässern liefern.

Fonctionnement physique du sol (FRA)

La connaissance de la distribution entre les phases solide, liquide et gazeuse d'un echantillon non perturbe de sol permet une premiere approche de son mode de fonctionnement. Cette approche est completee par des mesures dynamiques: desorption, echange d'air etc. Enfin des mesures mecaniques en laboratoire et en champ permettent de porter un jugement sur la stabilite structurale du sol. La connaissance de l'etat physique du sol est un prealable indispensable a l'interpretation de son fonctionnement en termes agronomiques: resistance a l'erosion ou au tassement, aptitude au passage de machines de travail du sol, aptitude a assurer la degradation des residus divers... (FRA)

Lichtgesteuerte Membranadsorber zur effizienten Aufreinigung protei-nogener Biomaterialien, KMU-innovativ -KMUi-BÖ04: LiMemBio - Lichtgesteuerte Membranadsorber zur effizienten Aufreinigung proteinogener Biomaterialien

Schwerpunktprogramm (SPP) 1158: Antarctic Research with Comparable Investigations in Arctic Sea Ice Areas; Bereich Infrastruktur - Antarktisforschung mit vergleichenden Untersuchungen in arktischen Eisgebieten, Einflusss von Umweltveränderungen auf antarktisches Phytoplankton untersucht mit Hilfe eines synergistischen multi- und hyper-spektralen Satellitendatenansatzes

Klimamodelle sagen voraus, dass sich in naher Zukunft im Antarktischen Ozean signifikant die Temperatur und der PH-Wert ändern werden, bedingt durch den Anstieg der Konzentrationen troposphärischer Treibhausgase und vor allem durch den erhöhten Kohlenstoffdioxidausstoß aus fossilen Brennstoffen. Solche Änderungen wirken sich auf die Zusammensetzung des Phytoplanktons aus und damit auch auf die Stoffkreisläufe wichtiger Elemente (Kohlenstoff, Stickstoff, usw.). Ziel dieses interdisziplinären Projektes ist die genauere Bestimmung der räumlichen und zeitlichen Variabilität der Biomasse von unterschiedlichen Phytoplanktontypen im Antarktischen Ozean. Einerseits wird hiermit das Verständnis der Rolle des antarktischen Phytoplanktons für das Ökosystem vertieft und andererseits deren Beitrag für den globalen Kohlenstoffzyklus genauer quantifiziert. Durch die einzigartige Kombination von Satellitendaten zweier unterschiedlicher Instrumententypen soll die Konzentration verschiedener Phytoplankton-Typen im Antarktischen Ozean zum ersten Mal mit umfassender zeitlicher und räumlicher Abdeckung bestimmt werden. Die Gesamtbiomasse wird durch eine an die Antarktis angepasste Prozessierung mit Hilfe multispektraler Satellitenmessdaten berechnet. Der Anteil wesentlicher Phytoplanktontypen an der Gesamtbiomasse wird anhand der Auswertung charakteristischer Absorptionsstrukturen von hyperspektralen Messdaten (PhytoDOAS-Methode) ermittelt. Somit soll ein synergetisches Produkt aus sich ergänzenden Informationen multi- und hyperspektraler Satelliteninstrumente entwickelt werden, das auf ähnliche Satelliteninstrumente, deren Messungen in naher Zukunft starten, übertragbar sein wird. Damit kann dann ein Datensatz über die Verteilung von Phytoplanktontypen über Dekaden erstellt werden. Mit dem im Projekt entstehenden Datensatz über die Verteilung der Phytoplanktontypen soll deren Variabilität und Korrelation mit sich ändernden Umweltfaktoren im Antarktischen Ozean in den vergangenen untersucht werden. Darüber hinaus soll unser Datensatz genutzt werden, zur Verbesserung und Evaluierung eines Ökosystem-Models, welches die Biogeographie verschiedener Phytoplanktontypen durch Parametrisierung physiologischer Eigenschaften an ein Ozeanzirkulatonsmodell errechnet. Mit Hilfe des Langzeitdatensatz und dem damit verbundenen Wissen über die Variabilität der Phytoplanktontypen, wird ein Fundament geschaffen, um den Einfluss der Klimaveränderungen im Antarktischen Ozean zu bemessen.

Untersuchungen zum Stoffwechsel von Vinylchlorid unter dem Blickpunkt der chemischen Kanzerogenese

Untersuchungen in vivo und in vitro. Untersuchung der Aufnahmekinetik von Vinylchlorid. Untersuchung der Gewebsverteilung von Vinylchlorid. Untersuchung der kovalenten Bindung von Metaboliten des Vinylchlorid an Makromolekuele und Nucleinsaeuren. Beitrag zur Frage der chemischen Kanzerogenese von Vinylchlorid. Diese Untersuchungen erfolgten mit radioaktiv markiertem Vinylchlorid und sind z.T. schon abgeschlossen. Es wurde eine Untersuchungsanordnung fuer diese und analoge Fragestellungen neu konzipiert.

Einfluss einer chronischen Blei-Intoxikation auf enzymatische Vorgaenge in der Niere der Ratte

Fragestellung/Ziel der Untersuchungen: Bei chronischer Pb-Intoxikation scheinen aktive Vorgaenge der tubulaeren Rueckresorption gestoert zu sein. Moeglicherweise ist eine Beeintraechtigung des Energiestoffwechsels der proximalen Tubuluszellen die Ursache der gestoerten Nierenfunktion. Es soll untersucht werden, ob die Intensitaet energieliefernder Stoffwechselprozesse in der Niere unter dem Einfluss einer langdauernden Pb-Aufnahme veraendert ist. Besondere Beruecksichtigung finden einige Schritte des Citratzyklus, des Pentophosphatweges und der Glykolyse. Ein groesseres Teilprojekt betrifft die Dosis- und Zeitabhaengigkeit der enzymatischen Laesionen in der Reaktionskette des Zitratzyklus.

Modellvorhaben gasbetriebene Nutzfahrzeuge

Online-Optimierung eines Absorptions- und Desorptionsprozesses für die Koksofengasreinigung

In der Prozessindustrie sind die Anforderungen an die Verfahren wie preiswertes Design und umweltschonenden Betrieb vielseitig, und teilweise auch gegenläufig. Hierdurch steigt der Bedarf an flexibleren Produktionsanlagen, um den steigenden Anforderungen bezüglich der schnell wechselnden Marktanforderungen und der Umweltverträglichkeit gerecht zu werden. Ressourcenschonung und Reduzierung der Umweltbelastung sind Ziele, die die gängigen Verfahren aufgrund der sich ändernden Umweltauflagen (Reinheit der Gasemission) an die Grenzen der Wirtschaftlichkeit bringen. Die Reaktivabsorption und die anschließende Desorption stellt durch die Kombination von Stofftrennung und chemischer Reaktion in Mehrkomponentensystemen ein sehr komplexes Verfahren mit einem hohen Optimierungspotential dar. Dies gilt insbesondere für die im Rahmen des Forschungsprojektes zu untersuchende Ammoniak-Schwefelwasserstoff-Kreislaufwäsche zur Reinigung von Kokereiabgasen. Bei diesem industriell relevanten und hier exemplarisch ausgewählten Prozess basiert der konventionelle Betrieb integrierter Kolonnensysteme auf der vorherigen Auslegung für einen konstanten Betriebspunkt. In der Realität ändern sich jedoch die Randbedingungen, so dass die Prozesse am vorgegebenen Betriebspunkt nicht optimal betrieben werden können. Hier liegt die besondere wissenschaftliche Herausforderung bezüglich der Online-Optimierung, die Umweltrestriktionen sowie alle Produktanforderungen unter den gegebenen Anlagenbegrenzungen und den sich ändernden Echtzeit-Randbedingungen zur Minimierung der Betriebskosten gleichzeitig einzuhalten. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wird eine Methodik zur Online Optimierung entwickelt und an einer realen Anlage (AS-Kreislaufwäsche) im Pilotmaßstab erprobt und bewertet. Als Ergebnis ist ein effizientes robustes Online-Optimierungssystem zur Ermittlung optimaler Prozessführungsstrategien für dynamische nichtlineare große Systeme unter Echtzeit-Randbedingungen zu erwarten. Die zu entwickelnde Methodik der Online-Optimierung ist allgemeingültig und soll für die Optimierung anderer Prozesse übertragbar sein.

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