Veranlassung
Der gelöste und der partikuläre organische Kohlenstoff (dissolved organic carbon, DOC und particulate organic carbon, POC) sind zentrale Komponenten im Naturhaushalt von Gewässern. Die Akkumulation von organischem Kohlenstoff - beziehungsweise die damit verbundene hohe Sauerstoffzehrung - ist insbesondere in den Ästuaren ein wichtiger Belastungsfaktor für den Sauerstoffhaushalt und trägt damit zu deren schlechtem ökologischem Zustand bei. Die Bewertung der zu erwartenden Sauerstoffzehrung kann aber nur mit umfassender Kenntnis der Qualität der organischen Kohlenstoffgehalte in gelöster Form oder als Bestandteil der Schwebstoffe erreicht werden. Des Weiteren spielt die Zusammensetzung des organischen Materials eine wichtige Rolle bei der Sorption und dem Transport von Schadstoffen, sodass eine umfassende Beschreibung des organischen Kohlenstoffs auch die Vorhersage der Ausbreitung von Schadstoffen ermöglicht. Im Projekt OrgCarbon soll eine umfassende Charakterisierung des organischen Kohlenstoffs jenseits der traditionell erfassten Parameter (TOC, DOC und POC) stattfinden, da bekannt ist, dass sowohl POC als auch DOC eine komplexe, bisher wenig erforschte Vielzahl unterschiedlicher Stoffklassen beinhaltet. In einem ersten Schritt erfolgt eine Fraktionierung von partikulärem und gelöstem organischem Material, basierend auf der chemischen Zusammensetzung und mikrobiellen Abbaubarkeit. Wichtige Parameter wie Sauerstoffverbrauch, mikrobielle Atmung, chemische Zusammensetzung und die Herkunft des organischen Materials werden für jede Kohlenstofffraktion bestimmt. Durch die daraus resultierende Verbesserung des Verständnisses bezüglich organischem Kohlenstoff in Ästuaren und Flüssen zielt das OrgCarbon-Projekt darauf ab, zu besseren Umweltmanagement- und Naturschutzstrategien für die Bundeswasserstraßen beizutragen.
Ziele
Ein zentrales Ziel des OrgCarbon-Projekts ist es, eine Vielzahl interdisziplinärer Methoden zu testen, um die vielfältigen Eigenschaften des Kohlenstoffes zu erfassen. Es werden verschiedene chemisch-analytische Verfahren mit Messungen zur biologischen Aktivität und Abbaubarkeit des Kohlenstoffs sowie mit mineralogischen Untersuchungen kombiniert. Dadurch lässt sich ein Set an Methoden identifizieren, das zukünftig auch mit weniger Aufwand eine detaillierte Charakterisierung des Kohlenstoffs ermöglicht. Als Ergebnis von OrgCarbon angestrebt ist die Entwicklung eines standardisierten Protokolls, das den gesamten Prozess von der Probenahme über die Kohlenstofffraktionierung bis hin zur Analyse und Datenauswertung umfasst. Dieses ermöglicht es, die Qualität des organischen Kohlenstoffs sowie dessen Eigenschaften und Abbaubarkeit in Zukunft besser abzuschätzen und gemeinsam zu interpretieren. Dieses Protokoll soll in bestehende Messprogramme der BfG integriert werden, um regelmäßig die Herkunft, das Sorptionspotenzial für Schadstoffe sowie die Abbaubarkeit und die Sauerstoffzehrung von organischem Kohlenstoff zu bestimmen.
Organischer Kohlenstoff spielt eine entscheidende Rolle in Ästuaren und Flüssen. Seine Zusammensetzung beeinflusst Prozesse wie die (mikro)biologische Produktivität, den Sauerstoffverbrauch, den Schadstofftransport und die Agglomeration von Schwebstoffen. Die Bestimmung erfolgt routinemäßig nur als Summenparameter (total organic carbon, TOC) weshalb über die Zusammensetzung des organischen Materials, dessen Abbauverhalten und Quellen meist wenig bekannt ist. Darüber hinaus reicht die Betrachtung des Gesamtkohlenstoffgehalts in vielen Fällen nicht aus, um eine Vergleichbarkeit von Schwebstoffen aus unterschiedlichen Quellen zu gewährleisten. Das OrgCarbon-Projekt widmet sich darum einer umfassenden Analyse des organischen Kohlenstoffs in Feldproben aus Ästuaren und Flüssen mit unterschiedlichen Kohlenstoffgehalten und Zusammensetzungen, wie der Tide-Ems und der Tide-Elbe. (Text gekürzt)
Neue Ansätze in digitalem Wald-Monitoring, Aufbereitung und der digitalen Bereitstellung von räumlich und zeitlich hochaufgelösten Daten zu Wuchsleistung, Stress, und Waldschäden sind dringend erforderlich, um die Auswirkungen mehrerer und kombinierter Stressfaktoren auf das Funktionieren von Waldökosystemen und den damit verbundenen Ökosystemleistungen besser und auch schneller beurteilen zu können. Das Verbundvorhaben WALD-Puls setzt sich aus zwei integrierten Teilvorhaben zusammen. Ziel des ersten Teilvorhabens ist die Entwicklung und Erprobung eines Wald-Monitoring Systems, das in Nahe-Echtzeit und räumlich verteilt boden- als auch satellitengestützte Daten sammelt und verknüpft, um dadurch die Risikoabschätzung zu verbessern und langfristige Projektionen zu unterstützen - von der Wurzel bis zur Krone - vom Einzelbaum zum Bestand - vom Bestand zum Waldökosystem. Ziel des zweiten Teilvorhabens ist den bereits bestehenden Waldzustandsmonitor (WZM) bzgl. der räumlichen Auflösung und der zeitlichen Latenz zu verbessern, zusätzliche Produkte einschließlich Frühwarnindikatoren bereitzustellen um darauf basierend ein deutschlandweites, digitales Waldzustandsmonitoring aufzubauen. Beide TVs sollen durch ein integratives Arbeitspaket schließlich miteinander verknüpft werden, um durch iterative Optimierung maximale Synergien zu erzielen. Den traditionellen Blick von unten in die Baumkronen wird in WALD-Puls um den informierten Blick von oben erweitert. Echtzeitdaten des Baumwachstums werden mit Satellitendaten verschnitten, ermöglichen eine flächenhafte, hochaufgelöste Risikobewertung und werden direkt über eine Web-Plattform und ein gekoppeltes, automatisiertes Frühwarnsystem (z.B. SMS) Waldbewirtschafter*innen und anderen Interessent*innen zur Verfügung gestellt.
Die einzelnen Belastungsfaktoren von Kulturgütern können durch apparativ aufwendige und kostenintensive Einzelmessungen mit Hilfe der modernen Analytik genau bestimmt werden. Mit den sogenannten Glassensoren wurde am Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (ISC) eine elegante und zerstörungsfreie Methode entwickelt, die ohne aufwendige Messungen der einzelnen Parameter die auftretenden Gesamtbelastungen über einen längeren Zeitraum hinweg registrieren kann. Die Verwendung von sensibilisierten Glasflächen als Dosimetermaterial wurde für den bisherigen Anwendungsbereich ausgeschöpft. Ziel dieses Vorhabens ist es, neue korrosionsempfindliche Materialien und Komponenten herzustellen und für den prinzipiellen Einsatz zur Überwachung der Umweltbedingungen an Kulturgütern zu prüfen. Zum einen sollen Granulate der bisherigen Glasmaterialien mit unterschiedlicher Körnung in eine NIR-transparente Trägermatrix aus SiO2-Aerogel eingebracht werden. Zum anderen bietet sich die Modifizierung der inneren Oberfläche von SiO2-Aerogelen an, die dann selbst als detektionsaktive Medien fungieren können. Ein weiterer Syntheseweg soll so gewählt werden, dass Aerogel- oder Xerogelschichten ohne überkritische Trocknung auf Glas als Trägermaterial hergestellt werden. In jedem Fall muss der korrosive Einfluss bestimmter Umweltfaktoren (Feuchte, Temperatur, Schadgase) in einem Expositionsprogramm in Klimakammern, zunächst durch Variation einzelner Parameter und schließlich durch deren Kombination systematisch charakterisiert werden. Nach Abschluss dieser Labortestphase können - bei Projektende - Expositionsprogramme in Museen verwirklicht werden.
In A22 werden wir mithilfe der Metagenomik untersuchen, wie die Mikrodiversität von Bakterien und Viren auf die Degradation von Fließgewässern unter dem Einfluss von mäßigen bis starken Stressoren (Fließgeschwindigkeit, Salz, Temperatur und Dürre) reagiert und wie sie sich nach einer Stressorenphase erholt. Wir nutzen die Daten aus ExStream-Experimenten (für alle vier Stressortypen in verschiedenen Kombinationen) und aus Freilanduntersuchungen (Dürre). Die Mikrodiversität wird sowohl anhand von Einzelnukleotidvarianten (SNVs) als auch von Strukturvarianten (SVs) analysiert.
Ziel des Vorhabens ist es, die Grundlagen für den energieeffizienz- und lebensdaueroptimalen Betrieb von Fernwärme- und Fernkältenetze zu erarbeiten. Berücksichtigt werden dabei die zukünftig regenerative und eher dezentrale Erzeugungsstruktur, niedrigere Vorlauftemperaturen sowie ein zunehmender Ausbau der Sensorik durch Smart Metering. Zum Erreichen dieser Ziele sollen Modelle zur Ermittlung von Energieverlusten sowie Stressfaktoren entwickelt und durch Messungen von z.B.Temperatur und Feuchtigkeit im Boden kalibriert werden. Weiterhin soll ein vorhandenes, hydraulisches Netzberechnungsverfahren um die thermische Komponente erweitert sowie für die Anwendung auf Kältenetze angepasst werden. Lebensdauerverluste sollen auf Basis von Erkenntnissen aus dem Forschungsvorhaben 'FW-Instandhaltung' abgeschätzt werden. Zudem sollen diesbezüglich neue, KI-basierte Algorithmen entwickelt werden. Das Verfahren zur Netzberechnung soll um diese Lebensdauerprognose erweitert werden, sodass jederzeit die hydraulischen und thermischen Zustandsgrößen sowie Stressfaktoren vorliegen und bei der Netzregelung berücksichtigt werden können. Auf Basis dessen soll sowohl ein modellprädiktiver als auch ein KI-basierter Ansatz zur optimalen Netzregelung entwickelt und im praktischen Einsatz erprobt werden. Teilvorhaben: Alterung und Stressfaktoren Im Rahmen dieses Teilvorhabens werden Algorithmen zur Ermittlung von Alterungseffekten und Stressfaktoren in Wärme- und Kältenetzen entwickelt. Dabei sollen sowohl vorhandene Messdaten verwendet als auch neue, innovative Messkonzepte entwickelt werden, um eine möglichst genaue Lebensdauervorhersage treffen zu können. Um in Echtzeit eine Lebensdauerbewertung durchführen zu können, kommen und A. KI-basiert Verfahren zum Einsatz. Die entwickelten Ansätze sollen zudem in ein thermo-hydraulisches Netzmodell integriert werden, sodass dieses im Rahmen einer modellprädiktiven Regelung zur Effizienz- und Lebensdaueroptimierung verwendet werden kann.