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s/spectrometrie/Spektrometrie/gi

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Umsatzraten und Herkunft von Lipiden in Ackerböden: Zeitlich aufgelöste strukturelle und isotopische Charakterisierung der Lipidfraktionen einer natürlich markierten Schwarzerde

Lipide haben wahrscheinlich große Bedeutung für die Stabilisierung organischer Substanz in Böden, sie wurden aber bisher mittels moderner strukturchemischer und isotopischer Methoden nur wenig untersucht. Durch die Kombination dieser Methoden sollen erstmals gleichzeitg Aussagen über Herkunft (Pflanzen, Bakterien, Pilze) und Umsatzraten (d13C) der Lipide auf molekularer Ebene ermöglichen. Der Nutzungswechsel von Roggen- (C3-) zu Mais-Monokultur (C4-Pflanze) markierte die zugeführte Biomasse strukturell und isotopisch. Die Nutzung von Rückstellproben ermöglicht eine über vier Jahrzehnte zeitlich aufgelöste Auswertung dieses landwirtschaftlichen Freilandversuchs. Die Lipide sollen mit einer Kombination moderner struktureller, spektroskopischer und isotopischer Analysetechniken der Bodenchemie, organischen Geochemie und Biochemie untersucht werden. Untersuchungen sollen an Gesamtböden und ausgewählten PartikelgrößenFraktionen erfolgen. Die Bodenlipide werden erstmalig über eine automatisierte sequentielle Flüssigkeitschromatographie in folgende Fraktionen getrennt: a) Aliphaten, b) Ketone/Alkohole, c) Fettsäuren, d) Aromaten, e) basische Lipide und f) hochpolare Biopolymere. Diese Fraktionen sollen anschließend strukturell identifiziert (13C NMR, GC-MS) und die Fraktionen a) bis c) gesamt- und komponentenspezifisch (GC-irmMS) d 13C-isotopisch charakterisiert werden.

Dünnschicht-Tandem-Photovoltaik: Nachhaltige Perowskit/CIGS Solarmodule aus industriellen Prozessen, Teilvorhaben: Tintenstrahldruck, Modulverschaltung, Lebenszyklusanalyse

Kartierung von Klimagasen mittels spektroskopischer Messung von reflektiertem Sonnenlicht

Urbane Emissionen von Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) machen einen Großteil der Treibhausgasemissionen weltweit aus. Deshalb sind Städte auch Vorreiter bei der Entwicklung von Emissionsreduktionsmaßnahmen zur Mitigation des Klimawandels. Solche Maßnahmen müssen durch räumlich und zeitlich hochaufgelöste, vollständige, verlässliche und verifizierte Informationen begleitet und in Bezug auf ihre Effizienz überprüft werden. Unter den Beobachtungsmethoden für Treibhausgase gibt es allerdings eine Lücke im Bereich der horizontalen, flächendeckenden Kartierung auf der Skala einiger Kilometer. Dort braucht es eine Technik, die die Empfindlichkeitslücke zwischen lokalen in-situ Messungen und regional-integrierenden Säulenmessungen durch Fernerkundungsmessungen füllt.Hier schlage ich vor, urbane Treibhausgasquellen mit einer innovativen und portablen Technik zu studieren, die die CO2 und CH4 Konzentrationsfelder flächendeckend kartieren kann und so die Beobachtungslücke erfasst. Die erste Studienregion ist der Großraum Los Angeles, wo sich die CO2 und CH4 Emissionen auf mehr als 100 MtCO2/a und 300 ktCH4/a belaufen, was die Region zu einer der größten, lokalisierten Quellen weltweit macht. Los Angeles wurde in der Vergangenheit vielfältig in Bezug auf seine Treibhausgasquellen untersucht, indem beispielsweise Inventarisierungen durchgeführt und durch atmosphärische Messungen bewertet wurden. Ein herausragendes Experiment läuft gerade im Rahmen des CLARS-FTS (California Laboratory for Atmospheric Remote Sensing - Fourier Transform Spectrometer) – ein Spektrometer, das auf Mt. Wilson stationiert ist und reflektiertes Sonnenlicht aus dem Los Angeles Stadtgebiet einfängt. Wir haben eine portable Variante dieses Instruments entwickelt und schlagen nun vor beide Instrumente gemeinsam mit kalifornischen Partnern bei einer Feldkampagne zu betreiben.Dabei ist es unser Ziel das neue portable Observatorium zu validieren und für zukünftige Langfristvorhaben zu empfehlen. Dazu wollen wir innovative Beobachtungsmuster wie die Definition von Zoom-Regionen oder die Verwendung von gekreuzten Lichtwegen ausprobieren, um die räumliche und zeitliche Auflösung zu optimieren. Zudem werden wir die Genauigkeiten verbessern, indem wir einen neuen Ansatz der Strahlungstransportmodellierung implementieren, der simultan mit der Gasbestimmung auch die Streuung an atmosphärischen Partikeln berücksichtigt. Für die Fallstudie Los Angeles werden wir die Variabilität und die Gradienten der CO2 und CH4 Konzentrationen auf ihre Konsistenz mit den Emissionsinventaren überprüfen und untersuchen, bis zu welchem Grad sich die Einflüsse des meteorologischen Transports, der regionalen Advektion, episodischer Ereignisse und der urbanen Biosphäre unterscheiden lassen.

Species discrimination of plant roots by Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy

Comprehension of belowground competition between plant species is a central part in understanding the complex interactions in intercropped agricultural systems, between crops and weeds as well as in natural ecosystems. So far, no simple and rapid method for species discrimination of roots in the soil exists. We will be developing a method for root discrimination of various species based on Fourier Transform Infrared (FTIR)-Attenuated Total Reflexion (ATR) Spectroscopy and expanding its application to the field. The absorbance patterns of FTIR-ATR spectra represent the chemical sample composition like an individual fingerprint. By means of multivariate methods, spectra will be grouped according to spectral and chemical similarity in order to achieve species discrimination. We will investigate pea and oat roots as well as maize and barnyard grass roots using various cultivars/proveniences grown in the greenhouse. Pea and oat are recommendable species for intercropping to achieve superior grain and protein yields in an environmentally sustainable manner. To evaluate the effects of intercropping on root distribution in the field, root segments will be measured directly at the soil profile wall using a mobile FTIR spectrometer. By extracting the main root compounds (lipids, proteins, carbohydrates) and recording their FTIR-ATR spectra as references, we will elucidate the chemical basis of species-specific differences.

Zur Sorption von anorganischen und organischen Arsenverbindungen an Oxiden: Makroskopische und Spektroskopische Untersuchungen der Oberflächenkomplexierung

Es ist allgemein akzeptiert, dass die Sorption an oxidischen Mineralien den vorherrschenden natürlichen Mechanismus zur Verringerung der Mobilität von Schadstoffen darstellt. Um die potentielle Remobilisierbarkeit abschätzen zu können, ist es jedoch nicht ausreichend, die Sorption in konventionellen Batch- oder Säulen-Versuchen zu untersuchen, da hierbei nur eingeschränkt auf bestimmte Scenarien abgezielt werden kann. Vielmehr ist die lokale Struktur der sich bildenden Oberflächenbindungen zu charakterisieren, um daraus die Entwicklung der Bindungsstärken bei Veränderung der physikochemischen Eigenschaften des Milieus voraussagen zu können. Strukturelle Kenntnisse durch Oberflächenspektroskopie erlauben zum einen, qualitativ die Stabilität der Oberflächenkomplexe abzuschätzen (einzahnig oder mehrzahnig). Zum anderen ermöglichen sie es, einen Bezug zwischen der mikroskopischen Struktur und den vorliegenden oder zu prognostizierenden makroskopischen Mobilitätsdaten als dualen Ansatz eines realitätsnahen Adsorptionsmodells herzustellen. Die Auseinandersetzung mit diesem modernen dualen Ansatz ist bisher in der umweltgeochemischen Lehre und Forschung in Deutschland wenig vertreten und sollte daher eine Bereicherung mit guten Aussichten auf Erfolg darstellen.

Quantifizierung der Gerinnespeicherung von kohäsiven Feinpartikeln im Verlauf von künstlich erzeugten Hochwasserwellen und stationären Trockenwetterrandbedingungen

Kohäsive Feinpartikel sind potentielle Träger von anorganischen und organischen Schadstoffen und spielen eine entscheidende Rolle beim Stoffaustausch zwischen Wasserkörper, Schwebstoff und Sediment. Daher ist die Kenntnis der Depositionsdynamik dieser Feinpartikel ein wichtiger Baustein für ein effizientes Sedimentmanagement und eine physikalisch basierte Modellierung des Schadstofftransfers in Fließgewässern. Es überrascht jedoch, dass sich Untersuchungen zum Transport- und Sedimentationsverhalten kohäsiver Partikel bisher häufig auf definierte stationäre Randbedingungen im Labormaßstab und Trockenwetterbedingungen im Gelände konzentrieren. Weitgehend ungeklärt ist hingegen das Verhalten von Feinpartikeln und deren Speicherung im Gerinnebett während der dynamischen Phase von Hochwasserereignissen. Um die im Gerinne ablaufenden Prozesse weitgehend unabhängig von den Einzugsgebietsprozessen zu untersuchen hat sich in unserer Arbeitsgruppe seit nunmehr über 10 Jahren ein Ansatz mit künstlich generierten Hochwasserwellen bewährt. Es ist ein genereller Vorteil von solchen Geländeexperimenten, dass einzelne steuernde Größen ausgeschlossen oder gezielt kontrolliert werden können. Außerdem ist ein solcher Ansatz eine Voraussetzung, um die Aussagekraft experimentell gewonnener Laborergebnisse zur potentiell hohen Feinpartikel-Retention in Sand- und Kiessedimenten in einem natürlichen System zu validieren. Das übergeordnete Ziel des hier beantragten Projekts ist es, die Gerinnespeicherung kohäsiver Feinpartikel in einem natürlichen System bei variierenden hydrologisch-hydraulischen Randbedingungen zu quantifizieren. Zu diesem Zweck werden standardisierte Feinpartikeltracer (Kaolinit, d50 = 2ìm, ñ = 2,6 g/cm3) sowohl im Verlauf von künstlich generierten Hochwasserwellen als auch während stationärer Trockenwetterbedingungen in einen Mittelgebirgsbach induziert. Die Retention und Sedimentation der eingegebenen Feinpartikel wird gezielt in kleinräumig variierenden Flussbettstrukturen (Hyporheische Zone, Stillwasserzonen, Gerinnerandbereiche, Riffle-Pool-Sequenzen) und für einzelne Gerinneabschnitte erfasst. Die Quantifizierung der Speicherung erfolgt mit bereits erprobten Resuspensionstechniken und Sedimentfallen sowie einer in Pilotprojekten erfolgreich getesteten Tracerfrachtberechnung mittels FTIR-DRIFT Spektroskopie an mehreren Basismessstationen im Längsprofil. In einem interdisziplinären Forscherverbund mit Kollegen des 'Hydraulics Laboratory' und des 'Dept. of Civil Engineering' der Universität Gent, der 'Ecosystem Management Research Group, Dept. of Biology' der Universität Antwerpen und des 'Dept. of Hydrology and Hydraulic Engineering' der Freien Universität Brüssel in Belgien wird darüber hinaus die Transport- und Speicherdynamik der Feinpartikel mit der neuen, FORTRAN basierten Modellierungssoftware 'FEMME' ('Flexible Environment for Mathematically Modelling the Environment') abgebildet.

Stabilisierung der organischen Bodensubstanz im intrapartikulären Porenraum von Mineralclustern

Die Festlegung von gelöster organischer Substanz im intrapartikulären Raum von Mineralclustern, insbesondere in sogenannter Mikro- und Mesoporen (A kleiner 2-50 nm) kann über physikalischem Ausschluss von Exoenzymen zur Stabilisierung organischer Substanzen führen. Ziel der geplanten Arbeiten ist die Quantifizierung des Beitrags dieses Prozesses zur Bildung stabiler organischer Bodensubstanz. Dazu werden verschiedene Mineralphasen mit natürlicher organischer Substanz belegt. Diese Proben werden im Vergleich zu Bodenproben der vier Referenzstandorte hinsichtlich der Verteilung der organischen Bodensubstanz im intrapartikulären Porenraum untersucht. Gasadsorption (N2, CO2) und Hg-Porosimetrie erlauben Aussagen zur Inkorporation von organischer Substanz in Abhängigkeit von spezifischer Oberfläche, Porengrößenverteilung und Porengeometrie. Die Kombination verschiedener mikroskopischer (TEM, ESEM), mikrospektroskopischer Methoden (XPS, SANS/SAXS, ESI, EELS) liefert detaillierte Informationen zu Ausmaß und Art der Festlegung von organischer Substanz in den intrapartikulären Porenräumen. Die Arbeiten haben ferner zum Ziel, eine geeignete Strategie für zukünftige enzymatische Abbauversuche zu entwickeln, mit denen die Umsatzraten der so stabilisierten organischen Komponenten quantifiziert werden können.

Dissolved organic matter driven changes in minerals and organic-mineral interactions during paddy soil development

Previous studies indicated that the development and biogeochemistry of paddy soils relates to the parent material, thus the original soil paddies derive from. The proposed research focuses on redox-mediated changes in mineral composition and mineral-associated organic matter (OM) during paddy transformation of different soils. We plan to subject soil samples to a series of redox cycles, in order to mimic paddy soil formation and development. Soils with strongly different properties and mineral composition as well as at different states of paddy transformation; ranging from unchanged soils to fully developed paddy soils, are to be included. We hypothesize that dissolved organic matter is one key driver in redox-mediated transformations, serving as an electron donator as well as interacting with dissolved metals and minerals. The extent of effects shall depend on the parent soil's original mineral assemblage and organic matter and their mutual interactions. The experimental paddy soil transformation will tracked by analyses of soil solutions, of the (re-)distribution of carbon (by addition of 13C-labelled rice straw), of indicative biomolecules (sugars, amino sugars, fatty acids, lignin) and of minerals (including the redox state of Fe). For analyses of organic matter as well as of mineral characteristics we plan to utilize EXAFS and XPS, for Fe-bearing minerals also Mößbauer spectroscopy. This approach of experimental pedology seems appropriate to give insight into the major factors during paddy soil formation and development.

Sequenzselektive molekulare Erkennung als Wirkprinzip am Beispiel der kleinen GTPasen Rheb und K-Ras

Mutationen in den Ras-GTPasen treten in bis zu 30% aller Krebserkrankungen und bei 90% der bösartigen Magen- und Darmtumore auf. Ras-Proteine werden erst nach posttranslationaler Farnesylierung und Membraneinbettung funktional. Am Beispiel der GTPasen Rheb und K-Ras sollen im geplanten Vorhaben sequenzselektive Liganden für die CaaX-Box - die Erkennungseinheit der Farnesyltransferase -, für die hypervariable C-terminale Region sowie für die Bindungsstellen des Downstream-Effektors Raf-Kinase gefunden werden. Im Falle der C-terminalen CaaX-Box werden Carboxylat-erkennende Kopfgruppen synthetisiert, die dann mittels kombinatorisch-chemischer Methoden in sequenzselektive Rezeptoren für die CaaX-Box umgewandelt werden. Diese bilden mit der CaaX-Box einen supramolekularen Komplex und verhindern dadurch die molekulare Erkennung durch die Farnesyltransferase. Im Falle der weiteren Bindungsstellen soll ein NMR-Fragment-Screening (Kooperation mit der Bio-NMR Gruppe von Raphael Stoll an der Ruhr-Universität Bochum) einen ersten Liganden für die weitere chemische Modifikation liefern. Mittels NMR-spektroskopischer Untersuchungen sollen die Bindungseigenschaften ausgewählter Liganden sowie die Strukturen von Ligand-Protein Komplexen ermittelt werden. Im Erfolgsfall liefert das vorgeschlagene Vorhaben Ras-Subtyp-spezifische und damit toxikologisch unbedenklichere Antitumor-Leitstrukturen.

Bestimmung von Elementspuren in Maritimen, geologischen und biologischen Materialien durch Neutronenaktivierungsanalyse

Bei der Spurenanalytik maritimer Proben treten stoerende Matrixprobleme auf. Die Untersuchungen erstrecken sich daher auf: Entwicklung von Verfahren zur Abtrennung der Matrixelemente; Entwicklung von Multielementbestimmungsverfahren; Entwicklung von Auswerteprogrammen fuer die Gamma-Spektroskopie; Automatisierung der Analysenauswertung.

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