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Stabilisation und Mobilisation organischer Substanz durch Regenwürmer

Die Stabilisierung und Mobilisierung von Kohlenstoff durch Regenwürmer hängt von verschiedenen Faktoren ab. Wichtige Einflußgrößen sind: (1) die Zusammensetzung der Streu, (2) die Zusammensetzung der anorganischen Matrix und (3) die Regenwurmart und die Wechselwirkung zwischen Regenwurmarten. Ziel des geplanten Projektes ist die Untersuchung der Bedeutung dieser Einflußfaktoren, wobei ein kausalanalytisches Verständnis der Wirkmechanismen angestrebt wird. Zentrale Hypothesen des Projektes sind: (1) Die Stabilisierung organischer Substanz durch Regenwürmer erfolgt vor allem durch den Aufbau eines physikalisch geschützten C-Pools; (2) der Aufbau eines physikalisch geschützten C-Pools hängt von der Verfügbarkeit einer nicht Humus-gesättigten anorganischen Matrix ab; (3) der stabilisierenden Wirkung von Regenwürmern wirken kurzfristig mobilisierende Effekte entgegen. Die Untersuchungen erfolgen in Laborsystemen mit Acker- und Waldböden. Abbauprozesse werden durch Einsatz 14C-markierter Streusubstrate verfolgt. Stabilisations- und Mobilisationsprozesse werden unter Verwendung von Böden mit unterschiedlichem 13C/12C-Verhältnis analysiert.

Ökonomische und technische Optimierung der anaeroben Vergärung von Schweinegülle, Teilvorhaben 3: Logistik und Praxisanforderungen

Nutzung transgener Pflanzen zur Charakterisierung des Beitrages von arbuskulären Mykorrhizapilzen zur Nährstoffaufnahme von Pflanzen

Es soll geklärt werden, ob Aufnahme und Transport von Schwermetallen oder anderen Mikroelementen in mykorrhizierten Pflanzen von der Pflanze je nach Bedarfssituation reguliert werden können, oder ob die Höhe der gleichzeitigen Phosphat- bzw. Stickstoffversorgung einen bedeutenden Einfluss hat. Die in diesen Versuchen verwendeten Isolate von arbuskulären Mykorrhizapilzen wurden von Standorten mit verschiedener Schwermetallbelastung gewonnen. Im Rahmen dieser Untersuchungen sollen Modellversuche mit räumlich getrenntem Angebot an Schwermetallen, Phosphat und verschiedenen Stickstofformen zu Hyphen und Wurzeln eingesetzt werden. Eine besonders attraktive Untersuchungsmöglichkeit stellt die Verwendung genetisch manipulierter Pflanzen- oder Pilzpartner dar. Soweit dieses Material im Schwerpunktprogramm von anderen Gruppen erzeugt und zur Verfügung gestellt wird, werden wir eine physiologische Charakterisierung des Elementtransportes der veränderten Symbiose durchführen. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt steht für diese Untersuchungen eine Tomatenmutante zur Verfügung, die eine stark reduzierte Mykorrhizabesiedlung zeigt. Für Studien einer Schwermetallmobilisierung im Substrat durch Mykorrhizahyphen werden Sterilkulturen von Mykorrhizapilzen verwendet werden.

Analyse der Stabilisierung der organischen Substanz in aggregierten Böden anhand der natürlichen 13C-Verteilung - C-Pools, Umsatzraten, Modellierung

Quantitative Kenntnisse über die Einbauraten von Streukohlenstoff in unterschiedlich stabile Fraktionen der organischen Bodensubstanz (SOM) sind eine wichtige Voraussetzung für das Verständnis der Regulation der Stabilisierung organischer Substanz in Böden. Die Bestimmung der Bildungs- und Umsatzraten unterschiedlich stabiler Fraktionen der organischen Bodensubstanz im Zuge des Streuabbaus setzt voraus, dass der Ursprung des organischen Kohlenstoffs in den Fraktionen zurückverfolgt werden kann. Ziel dieses Projektes ist es, die langfristigen Umsatz- und Stabilisierungsraten von maisbürtigem Kohlenstoff in den Böden der Maismonokulturflächen (seit 1961) des Dauerversuches 'ewiger Roggen' zu erfassen. Die Analyse erfolgt anhand der natürlichen 13C-Verteilung in unterschiedlichen Fraktionen der organischen Bodensubstanz. In Inkubationsversuchen wird die Bedeutung der unterschiedlich alten SOM-Vorräte (maisbürtig bzw. vor 1961 gebildet) als Substrat für die DOC-Produktion und die Bodenrespiration quantifiziert. Weiterhin soll der Einfluss mineralischer Nährstoffzufuhr auf die Umsatz- und Stabilisierungsfragen von Maisstreu erfasst werden. Die Ergebnisse werden zur Modellierung der Dynamik der C-Umsetzungsprozesse mit dem Rothamsted C-Modell eingesetzt.

Betriebsstabile Deammonifikation mit Swinging Redox

Seit dem Jahr 2009 werden an der Technischen Universität München, vom Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft, Untersuchungen zur Deammonifikation im SBR durchgeführt, bei der mittels Intervallsteuerung und spezieller Regelstrategie das gleichmäßige Schwingen des Redoxpotentials (ORP) im Fokus steht. Postuliert wird bei dieser Methode die Unterstützung eines enzymgebundenen Ladungsaustauschs zur Regeneration der Biozönose im wechselnden Milieu von Oxidation und Reduktion. Die ORP-Amplituden zeigen während der aeroben und anoxischen Phasen typische Signale, die mit den Stickstoff-Konzentrationen korrelieren. Als Resümee ist herauszustellen, dass der Prozess mit Kläranlagen-Belebtschlamm und deammonifizierendem Schlamm aus vorangegangenen Untersuchungen angefahren werden kann. Gesamtstickstoff-Abbaugrade von 90 % werden bei einer Betriebs-Temperatur von 30 °C und Belastung von mehr als 380 gN/(m3 d) erreicht. Nach zwei Jahren Betriebserfahrung mit der Behandlung von KA-Zentraten aus Garching und Ingolstadt in mehreren 150 l SBR-Technikumsanlagen wurde von 2010 bis 2012 im Klärwerk Landsberg an einer Pilotanlage mit 20 m3 SBR eine automatische Steuerung entwickelt, die eine betriebsstabile Prozessführung ermöglicht. Seitdem sind im Rahmen von Master- und Studienarbeiten die optimalen Betriebsbereiche zur Deammonifikation im Technikum präzisiert worden. Um Substrat-Hemmung sowie Nitrat-Akkumulation zu vermeiden, ist bei der Prozessregelung strickt auf Konzentrationsgradienten und ORP-Amplituden-Grenzwerte zu achten. Für die Einfahrphase hat sich die Zugabe von einem Viertel Kläranlagen-Zulauf zum Zentrat bewährt, um besonders im Teillastbereich ein ausreichendes Reduktionspotential vorzugeben. Weitere Additive sind im Regelbetrieb nicht erforderlich. Die jüngsten Ergebnisse zeigen, dass bei Voll-Last, das heißt bei einer Abbauleistung von mehr als 360 gN/(m3 d) und Zulaufkonzentrationen von 1.400 mg/l NH4-N, auch die Nitrat-Konzentration im Ablauf auf weniger als 5 % reduziert werden kann. Mit der Online-Messung von ORP, LF und pH ist der Prozess stabil zu führen. Ammonium, Nitrat und TS werden zwei bis dreimal pro Woche gemessen.

Einflüsse der C- und N-Einträge durch Wurzeln und Ernteresiduen von annuellen Kulturpflanzenarten auf die Struktur von Mikroorganismengesellschaften und die C- und N-Umsatzprozesse in Böden - Teilprojekt 'Struktur von Mikroorganismengesellschaften'

Dieser Antrag ist Teil eines Kooperationsprojektes mit Prof. Dr. J. Heß (GH Kassel), der für seinen Teil ebenfalls Fördermittel bei der DFG beantragt (s. HE 3067/2-1, in dieser HA- Liste). Ziel des Gesamtprojektes ist es, in Gefäßuntersuchungen transiente und persistente Wirkungen von annuellen Kulturpflanzenarten auf die Struktur von mikrobiellen Lebensgemeinschaften und deren Funktionen bei C- und N-Umsatzprozessen im Boden zu charakterisieren. Diese Umsatzprozesse werden unter besonderer Berücksichtigung der C- und N-Einträge durch Rhizodepositionen und Ernteresiduen von Körnerleguminosearten untersucht. Dieser Antragsteil befasst sich mit der Charakterisierung der Struktur von bakteriellen und pilzlichen Populationen im Boden und deren Umsatzpotential für bodencharakteristische Substrate. Charakteristische Banden der erfaßten 16S und 18S rDNA-(Gesamtpopulation) bzw. der entsprechenden rRNA-Fingerprints (aktive Populationen) werden sequenziert, phylogenetisch eingeordnet und zur Konstruktion von fluoreszenzmarkierten Oligonucleotid Sonden verwendet, die zur in-situ-Detektion der Mikroorganismen mit Hilfe des konfokalen Laserscanningmikroskops eingesetzt werden. Damit ist es möglich gezielt diese Organismen in situ zu lokalisieren und deren Aktivität nachzuweisen. Die gewonnen Ergebnisse sollen integrativ zusammen mit den von Prof. Heß erhobenen Daten ausgewertet werden.

Root distribution and dynamics and their contribution to subsoil C-fluxes

It has been suggested that dying and decaying fine roots and root exudation represent important, if not the most important, sources of soil organic carbon (SOC) in forest soils. This may be especially true for deep-reaching roots in the subsoil, but precise data to prove this assumption are lacking. This subproject (1) examines the distribution and abundance of fine roots (greater than 2 mm diameter) and coarse roots (greater than 2 mm) in the subsoil to 240 cm depth of the three subsoil observatories in a mature European beech (Fagus sylvatica) stand, (2) quantifies the turnover of beech fine roots by direct observation (mini-rhizotron approach), (3) measures the decomposition of dead fine root mass in different soil depths, and (4) quantifies root exudation and the N-uptake potential with novel techniques under in situ conditions with the aim (i) to quantify the C flux to the SOC pool upon root death in the subsoil, (ii) to obtain a quantitative estimate of root exudation in the subsoil, and (iii) to assess the uptake activity of fine roots in the subsoil as compared to roots in the topsoil. Key methods applied are (a) the microscopic distinction between live and dead fine root mass, (b) the estimation of fine and coarse root age by the 14C bomb approach and annual ring counting in roots, (c) the direct observation of the formation and disappearance of fine roots in rhizotron tubes by sequential root imaging (CI-600 system, CID) and the calculation of root turnover, (d) the measurement of root litter decomposition using litter bags under field and controlled laboratory conditions, (e) the estimation of root N-uptake capacity by exposing intact fine roots to 15NH4+ and 15NO3- solutions, and (f) the measurement of root exudation by exposing intact fine root branches to trap solutions in cuvettes in the field and analysing for carbohydrates and amino acids by HPLC and Py-FIMS (cooperation with Prof. A. Fischer, University of Trier). The obtained data will be analysed for differences in root abundance and activity between subsoil (100-200 cm) and topsoil (0-20 cm) and will be related to soil chemical and soil biological data collected by the partner projects that may control root turnover and exudation in the subsoil. In a supplementary study, fine root biomass distribution and root turnover will also be studied at the four additional beech sites for examining root-borne C fluxes in the subsoil of beech forests under contrasting soil conditions of different geological substrates (Triassic limestone and sandstone, Quaternary sand and loess deposits).

Nanostrukturen für Hochleistungssolarzellen

Die Energieumwandlung aus photovoltaischen Zellen ist eine seit vielen Jahrzehnten bekannte und hoch entwickelte Technologie. Für eine nachhaltige Energiegewinnung ist es allerdings notwendig Solarzellen kostengünstiger zu produzieren um mit fossilen Brennstoffen konkurrieren zu können. Die bei weitem am weitesten verbreitete und höchsten entwickelte Technologie basiert auf der Verwendung von Siliziumwafern. Diese Technologie ist aber aufgrund des hohen Preises von hochreinem Silizium sehr teuer. Anstatt der Verwendung relativ dicker Siliziumwafer können die Materialkosten mit Hilfe von Dünnschichttechnologien, oder Solarzellen der 'zweiten Generation' reduziert werden. Die Effizienz von Solarzellen kann durch Technologien der so genannten 'dritten Generation' signifikant verbessert werden. Sowohl für Solarzellen der zweiten bzw. der dritten Generation können höhere Absorption aus dem Sonnenlicht zu höheren Effizienzen führen. Plasmonische und photonische Effekte sind viel versprechende Methoden um höhere Effizienzen zu erzielen. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es plasmonische Strukturen mittels des physikalisch-chemischen Prozesses 'Substrat Induzierte Koagulation' (engl. Substrate Induced Coagulation - SIC) herzustellen. Bis zum heutigen Tag behandelte kein Forschungsprojekt, diese physikalisch-chemische Methode. Substrat Induziere Koagulation hat ein herausragendes Potential Strukturen einerseits billiger und andererseits unter Wahrung der ursprünglichen Form, oder durch die Möglichkeit Partikel mit anderen, kleineren zu beschichten ('core-shell'-particles), eine Vielzahl an plasmonischen Strukturen herzustellen. Die geplante Grundlagenforschung über diesen Weg sollte es möglich machen, die Wechselwirkung zwischen Licht und plasmonischen Nanostrukturen besser zu verstehen und die Effizienz von Dünnschichtsolarzellen (a-Silizium) zu erhöhen.

Bodenkarte von Schleswig-Holstein 1:25 000

Die Bodenkarte von Schleswig-Holstein 1:25.000 stellt für ca. die Hälfte des Landes die Böden als Bodenformen dar. Jeder Fläche ist eine flächendominante Bodenform zugeordnet. Begleitböden werden nicht aufgeführt. Neben den Bodentypen enthält die Karte Angaben zur dominanten Substratgenese, zur Bodenartenschichtung, zum Bodenausgangsgestein und zur Grundwasserstufe sowie zu möglichen anthropogenen Veränderungen oder Besonderheiten. Die Böden werden bis 2m unter Geländeoberfläche beschrieben. Die Karte basiert auf analog erschienenen Einzelkartenblättern des Kartenwerks Bodenkarte 1:25.000 von Schleswig-Holstein. Dieses Kartenwerk ist im Laufe von über 50 Jahren Bodenkartierung in Schleswig-Holstein entstanden und in den letzten Jahren zu einer digitalen, blattschnittfreien Karte mit einer einheitlichen Legende entwickelt worden. Die Legende basiert auf der Bodenkundlichen Kartieranleitung (Ad-hoc-AG Boden 2005). Zu der Karte existiert eine umfangreiche Profildatenbank mit nutzungsdifferenzierten idealisierten Leitprofilen, die es dem Nutzer ermöglicht, viele eingeführte bodenkundliche Auswertungsmethoden (vgl. Methodendokumentation Bodenkunde 2000 mit Aktualisierungen 2012) anzuwenden.

Reinigung von Grauwasser mit Hilfe von vier vertikal durchstroemten Bodenfiltern mit verschiedenen Substraten und Sumpfpflanzen (L1 48 99)

Die Eignung von Regenwasser in Zisternen (bei sachgemaesser techn. Ausfuehrung) ist fuer die Nutzungsarten WC-Spuelung, Gartenberegnung und Waeschewaschen nicht mehr umstritten. Aus diesem Grunde ist es sinnvoll die Dachablaufwaesser in Regenwassernutzungsanlagen (RWNA) zu sammeln und fuer o.g. Nutzungsarten zu verwenden. Auf diese Art kann teures Trinkwasser eingespart, das Kanalisationsnetz und die techn. Klaerwerke entlastet werden. In vielen Regionen der BRD reicht jedoch der Niederschlag fuer o.g. Nutzungsarten nicht aus, so dass eine Nachspeisung der Zisterne zwingend notwendig wird. Anstelle der Nachspeisung mit Trinkwasser koennte auch gereinigtes Grauwasser zum Einsatz kommen; Voraussetzung: es ist in seiner Beschaffenheit vergleichbar mit Regenwasser. Hauptproblem sind hierbei die hohen Konzentrationen von Tensiden, die ueber die Waschmittel in das Grauwasser gelangen. Ziel des Versuches ist es das Grauwasser mittels bepflanzten Bodenfiltern so gut zu Reinigen, dass die Grenzwerte der EU-RL ueber die Qualitaet der Badegewaesser eingehalten bzw. unterschritten werden koennen.

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