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Transport und Verbleib von Mikroplastik in Süßwassersedimenten

Mikroplastik (MP, Plastikteile kleiner als 5 mm) werden als neu aufkommende Schadstoffe betrachtet und neuste Studien belegen die potentielle Gefahr von MP für die menschliche Gesundheit und die Umwelt. Die Forschung hat sich bisher mehrheitlich auf die Untersuchung von MP in der marinen Umgebung konzentriert. Allerdings konnte MP auch vermehrt Süßwasser und -sedimenten weltweit nachgewiesen werden. Als Primärpartikel oder Sekundärprodukte aus dem Abbau von Makroplastik kann MP entweder direkt toxisch wirken oder als Überträger von sorbierten Schadstoffen fungieren. Neuste Studien belegen außerdem, dass MP in die menschliche Nahrungskette eindringen kann. Weiterhin können die dem MP beigefügten endokrinen Disruptoren wie Bisphenol A (BPA) and Nonylphenol (NP) während der Transportprozesse an das Süßwasser abgegeben werden. Dabei können Flussbettsedimente potentielle Hotspots für die Akkumulation von MP und deren Additive darstellen.Das Hauptziel dieses Projektes ist, die Akkumulation und den Transport von MP in Süßwasser und -sedimenten näher zu untersuchen. Dabei soll den folgenden beiden grundsätzlichen Fragen nachgegangen werden:(i) Welche Prozesse kontrollieren Transport und Akkumulation von MP verschiedener Größe, Dichte und Zusammensetzung und wie bilden sich sogenannte Mikroplastik-Hotspots in der hyporheischen Zone?(ii) Wie können Transport und Akkumulation von MP sowie die Freisetzung von Additiven wie BPA und NP unter variablen Umweltbedingungen beschrieben und vorhergesagt werden? Zwei Arbeitspakete (WP) sollen helfen, diese Fragen zu beantworten:WP1 befasst sich mit den Auswirkungen der grundlegenden Eigenschaften von MP wie Größe, Form, Zusammensetzung, Dichte, Auftrieb auf deren Transport und untersucht systematisch, wie verschiedene Arten von MP in der hyporheischen Zone (hier Flussbettsedimente) unter diversen hydrodynamischen und morphologischen Bedingungen akkumulieren. Dafür sollen Versuche in künstlichen Abflusskanälen (artificial flumes) durchgeführt werden. In diesen Versuchen werden repräsentative hydrodynamische und morphologische Bedingungen geschaffen, um eine Spannbreite an primären und sekundären MP zu testen, ihr Transportverhalten zu beschrieben und die Freisetzung von Additiven näher zu untersuchen. MP wird mit verschiedensten Methoden charakterisiert, z.B. mit single particle ICP-MS zur Bestimmung der Größe oder FT-IR zur Bestimmung des vorherrschenden Polymers. Während der Flume-Experimente werden die Eigenschaften der Sedimente, des Porenwassers und der Biofilme, sowie die Konzentration an BPA und NP gemessen und später analysiert, um die Reaktivität der Akkumulationshotspots zu bestimmen.WP2 beinhaltet die Entwicklung und Anwendung eines Models, um MP-Transport sowie die Freisetzung von Additiven in der hyporheischen Zone vorherzusagen. Da Modelle, die momentan im Bereich Stofftransport verwendet werden nicht für MP ausgelegt sind, soll die Lattice-Boltzmann Methode als neuer Modellansatz verfolgt werden.

Nachhaltige Landwirtschaft in der euRegionalen Seenlandschaft (Projektteil BA für Wasserwirtschaft)

Mit den erhobenen Messdaten wurde es möglich die Nährstoffeinträge in den Mondsee für 2 große Zubringer auch für vergangene Jahre zu berechnen. Die Messungen an 98 Punkten im Einzugsgebiet geben Aufschluss darüber wie sich die Phosphorkonzentration verhält und wie sich der Längsverlauf der drei großen Zubringer darstellt. Aus diesen Ergebnissen konnte man die durchschnittliche Nährstofffracht in den Mondsee abschätzen. Mit Hilfe dieses Parameters wurde der kritische Nährstoffeintrag für den Mondsee, der als oligotroph eingestuft wird, berechnet. Die Berechnungen haben ergeben, dass der Nährstoffeintrag in den Mondsee ziemlich genau dem kritischen Flächenaustrag entspricht. Die gemessenen Phosphorwerte im Seewasser ergeben ein ähnliches Bild in den letzten Jahren. Es tritt kaum eine Veränderung in der Phosphorkonzentration im Freiwasser auf, allerdings kann man den Trend nach dem Hochwasserjahr 2002 und dem trockenen Jahr 2003 gut erkennen, was bestätigt, dass bei gleich bleibendem Phosphoreintrag keine Verbesserung im See zu erwarten ist. Mit den erhobenen Zeitreihen konnte man einen Einblick gewinnen, wie sich die Phosphorkonzentration bei der Schneeschmelze verhält. Wassergesättigte Böden nach der Winterruhe, kein Niederschlag und trotzdem hohe Nährstoffkonzentrationen lassen den Schluss zu, dass besonders im Frühjahr Phosphor mobiler und leichter verfügbar ist als im restlichen Jahreskreis. Das bedeutet, dass das Ökosystem besonders im Frühling sehr sensibel reagiert. Die Nährstoffe nach Abklingen der Schneeschmelze aufzubringen, die natürliche Auswaschung abzuwarten, bringt weniger Auswaschung ins Gewässer und die später gedüngten Nährstoffe stehen vor Ort für das Pflanzenwachstum, besonders für den ersten Aufwuchs, zur Verfügung. Der Anteil an gelöstem Phosphor ist mit über 50 Prozent bei 70 Prozent der erhobenen Messwerte sehr hoch. Zu erwarten war, dass partikulär transportierter Phosphor den Hauptanteil an der Phosphorfracht hat. Dass ein großer Teil des Phosphors gelöst in den See gelangt macht ihn im aquatischen System schneller verfügbar und begünstigt das Algenwachstum. Die erhobenen Messwerte über das Abflussverhalten und die Phosphorkonzentration im Einzugsgebiet dienten als Basis für die Kalibrierung eines Modells zur Berechnung des mittleren jährlichen Nährstoffeintrags. Phosphorkonzentration, Phosphorfracht und Flächenaustrag wurden für die einzelnen Punkte im Einzugsgebiet für verschiedene Zeitpunkte berechnet. Um einen Teilaspekt des Wasserkreislaufs, die potentielle Evapotranspiration, in ihrer Größenordnung abschätzen zu können, wurden unterschiedliche Verdunstungsmodelle herangezogen. Mit der Bedingung, räumliche Unterschiede mit den Eingangsparametern erfassen zu können, um eine sinnvolle Anwendung in einem Geographischen Informationssystem zu ermöglichen, wurden die Berechnungen mit den vorhandenen klimatologischen Daten durchgeführt und ein Modell (WENDLING, 1984) als das beste ausgewählt.

Verwertung des Aufwuchses von vernässtem Grünland für die Erzeugung von regenerativer Energie sowie Kohlen zur CO2-Speicherung, Teilvorhaben: Stoffstromanalyse, Prozessentwicklung und Analytik sowie ökonomische und ökobilanzielle Bewertung

Abrupte Veränderungen von Süßwasserökosystemen unter Einwirkung von multiplen Stressoren wie steigenden Temperaturen, Nährstoffen und Pestiziden

Flache Süßwasser-Lebensräume bieten wichtige Ökosystem-Funktionen, sind aber von multiplen Stressoren bedroht. Während die Reaktion auf den globalen Klimawandel wahrscheinlich eher graduell ist, sind abrupte Veränderungen möglich, wenn kritische Schwellenwerte durch zusätzliche Effekte lokaler Stressoren überschritten werden. Die Analyse dieser Effekte ist komplex, da Stressoren additiv, synergistisch oder antagonistisch wirken können. CLIMSHIFT zielt auf ein mechanistisches Verständnis von Stressor-Interaktionen, die auf flache aquatische Ökosysteme wirken. Diese sind aufgrund ihrer hohen Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisse, der großen Ufer-Grenzfläche und der Grundwasser-Konnektivität besonders anfällig für Klimaerwärmung und Stoffeinträge aus landwirtschaftlichen Einzugsgebieten. Die komplexen Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Primärproduzenten sowie assoziierten Konsumenten führen zum Auftreten stabiler Regime, und multiple Stressoren können nichtlineare Übergänge zwischen diesen Regimen auslösen, mit weitreichenden Folgen für entscheidende Ökosystemprozesse und -funktionen. Unsere Haupthypothese ist, dass erhöhte Temperaturen die negativen Auswirkungen der landwirtschaftlichen Stoffeinträge, die Nitrat, organische Pestizide und Kupfer enthalten, verstärken. Submerse Makrophyten, Periphyton und Phytoplankton als Primärproduzenten werden kombiniert mit Schnecken, die Periphyton und Pflanzen fressen, sowie benthischen und pelagischen Phytoplankton-Filtriern, Dreissena und Daphnien. Wir testen unterschiedliche Expositionsszenarien auf zwei räumlichen Skalen, Mikrokosmen im Labor und Mesokosmen im Freiland, um Effekte auf individueller, gemeinschaftlicher und ökosystemarer Ebene zu verstehen. Während des gesamten Projekts werden die Experimente durch Modellierungen ergänzt, um kritische Schwellwerte zu simulieren und Stress-Interaktionen vorherzusagen. Die Modellentwicklung wird in Zusammenarbeit mit allen Arbeitspaketen durchgeführt, um empirische Ergebnisse zu integrieren, unterschiedliche räumliche und zeitliche Skalen zu verknüpfen und Ergebnisse zu extrapolieren. Wir erwarten, dass kombinierte Stressoren zu plötzlichen Verschiebungen der Gemeinschaftsstruktur führen. Submerse Makrophyten werden voraussichtlich durch Phytoplankton oder benthische Algen ersetzt, mit Konsequenzen für wichtige Ökosystemfunktionen. Die Stärke unseres Antrages liegt darin, dass ökotoxikologische Stressindikatoren der Organismen wie Wachstum und Biomarker mit funktionalen Gemeinschafts-/Ökosystemansätzen kombiniert werden, die den Metabolismus und die Dynamik des Ökosystems betrachten. Das kombinierte Know-how von 5 Laboren mit komplementärem Fachwissen und allen notwendigen Einrichtungen wird die spezifische Projektfähigkeit sicherstellen. Unsere Ergebnisse sollen dazu beitragen, safe operating spaces/sichere Handlungsräume für eine nachhaltige Landwirtschaft und das Management von flachen aquatischen Ökosystemen in einer sich verändernden Welt zu definieren.

Bioenergieanlagen (Landkreis Göttingen)

Standorte der vorhandenen Bioenergieanlagen im Landkreis Göttingen. Es handelt sich um Anlagen zur Erzeugung regenerativer Energien (Biogas) aus Biomasse durch Vergärung. Biogas stellt eine wichtige und vielseitige Form der Bioenergie aus der Landwirtschaft dar. Die neuen Anlagen setzen fast ausnahmslos nachwachsende Rohstoffe (NaWaRo) wie Mais, Getreide, Hirse, Zuckerrüben, Sonnenblumen und teilweise Aufwuchs von Grünland mit oder ohne Gülle ein. Biogas wird derzeit überwiegend dezentral produziert und als Strom- und Wärmelieferant genutzt. Aufgrund dieser Dezentralität der Anlagen, die dadurch begründet ist, dass das primäre Ausgangsmaterial für die Biogaserzeugung wie Gülle oder Energiepflanzen aufgrund der niedrigen Energiedichte aus ökonomischen Gründen in der Regel nicht über längere Distanzen transportiert werden kann, ist die Integration guter Wärmenutzungskonzepte nicht immer möglich.

Auswirkung von Klaerschlamm auf Gruenlandertrag und Pflanzenbestand sowie auf Schwermetallgehalt im Boden und im Aufwuchs

Bei der Beseitigung von Klaerschlamm spielt die sachgerechte Unterbringung in der Landwirtschaft, vor allem auf Acker-, aber auch auf Gruenland, eine Rolle. In einigen Klaeranlagen faellt mit Brannt- und Dolomitkalk versetzter, stickfester Klaerschlamm an. Dieser kann wegen dem hohen Kalkgehalt nicht ausschliesslich auf Ackerflaechen ausgebracht werden. Aus diesem Grund ist die Unterbringung auf Gruenland relevant. In einem Versuch auf Dauergruenland wird die Auswirkung differenzierter Klaerschlammgaben auf Ertrag und Pflanzenbestand, vor allem aber auf Schadstoffbelastung (Schwermetalle) des Bodens und des Weideaufwuchses geprueft.

Bodenaushagerung nach Einstellung der Stickstoffduengung auf verschieden geduengtem Wirtschaftsgruenland zur Ueberfuehrung in Extensivgruenland

Auf vorher mit 0, 180, 300, 420 und 660 kg N/ha N zT aus Handelsduenger, zT aus Guelle; die Guelle zT als Vollguelle, zT als verduennte Guelle und zT mit Nachregnen-geduengten Flaechen wird nicht mehr mit N geduengt. Alle Varianten werden 4mal geschnitten. Ermittelt werden Trockenmasseertrag und N-Gehalt im Aufwuchs sowie NO3-Konzentration im Bodenwasser (90 cm Tiefe), Nmin im Boden bei 100 cm Tiefe und Gesamt-N und Gesamt-C bis 40 cm Tiefe.

Multi Skalen Modellierung von Abtragprozessen bei Biofilmen mit einem poroviskoelastischen Modell

Das Biofilmwachstum in Biofilmreaktoren wird hauptsächlich durch den Abtragprozess reguliert. Den Abtragprozess zu kontrollieren ist daher ein wichtiges Anliegen für den stabilen Betrieb eines Bioreaktors. Zur Kontrolle des Reaktors und um die größte Effizienz zu erreichen sind mathematische (bzw. numerische) Modelle, die den Abtragsprozess darstellen, hilfreich. Solche Modelle können möglicherweise sogar für den Entwurf von Biofilmreaktoren nützlich zu sein. In diesem Projekt soll ein multidimensionales, poroviskoleastisches Biofilm Modell entwickelt werden, das den Abtragsprozess abbildet. Dabei soll auch der Abtrag durch das Auslösen von größeren Stücken ('sloughing'), das durch die Schubspannungen an der Biofilm Grenzfläche und durch das Spannungsfeld im Biofilm entsteht, erfasst werden. Das Modell für den Abtrag soll basierend auf den Schubspannungen an der Grenzfläche und dem Spannungsfeld im Biofilm formuliert werden. Das Modell wird mit experimentellen Beobachtungen kalibriert und validiert. Biofilm Modelle, die für Reaktoren verwendet werden, sind in der Regel eindimensional (1D). Aus diesem Grund soll in diesem Projekt mittels Modellrechnungen mit dem validierten multi-dimensionalen Abtragmodell ein vereinfachtes ('upscaled') 1D Modell entwickelt werden.

Linking micro-aggregation to the sequestration of organic pollutants in soils

Physicochemical and steric properties of organic chemicals on the one hand and physicochemical surface properties and structural properties of the sorbent on the other hand determine sorptive interactions at biogeochemical interfaces. In order to gain a mechanistic understanding of these interactions we want to combine macroscopic, micro-calorimetric, and spectroscopic methods. We hypothesise that sorption and distribution of a polar organic chemical at biogeochemical interfaces is either determined by the molecules hydrophobic R-groups (?R-determined?) or its functional groups (?F-determined?). To test our hypothesis we will study sorption of bisphenol A and fenhexamid (R-determined chemicals), and bentazon and naproxen (F-determined chemicals) in pure systems of minerals (kaolinite, illite, gibbsite, and quartz), in model substances for biofilms (polygalacturonic acid and dextran), in combined systems of mineral phases with organic layers, and in topsoils and subsoils. Interpretation and modelling of sorption isotherms and sorption kinetics derived from batch experiments together with results from diffusion experiments with polysugars of variable crosslinking will provide macroscopic insight into sorptive interactions. Information regarding the thermodynamics of sorption will by derived from micro-calorimetry. Spectroscopic (ATR FTIR, NMR) measurements deliver information on molecular interactions and structure.

Struktur und Funktion des Oekosystems in einem Mittelgebirgsbach

Struktur- und Funktionsbeschreibung des Modell-Oekosystems Breitenbach bei Schlitz/Hessen. Ausgangsinformationen: physikochemische Rahmenbedingungen, Fauna im einzelnen bekannt. Jetzige Aktivitaeten: 1) Praezise Messung physikochemischer Parameter, teils durch staendige automatische Registrierung, Erfassung diurnaler und saisonaler Variationen. 2) Analyse der Primaerproduzenten: Erfassung der Algenflora: Bestandsaufnahme, Standortansprueche, Produktionsleistung dominanter Vertreter (z.Zt. nicht besetzt). Allochthone Nahrungsbasis der Biozoenose: Partikulaeres organisches Material in fliessender Welle und Sediment im Jahresgang. 4) Gehalt an geloesten organischem C, als Nahrungsbasis der Bakterienflora; dessen Festlegung in Bakterienbiomasse. 5) Bakterienzahlen und Aktivitaeten in freier Welle und Sedimenten. 6) Emergenz der Wasserinsekten. 7) Zusammenhang zwischen Emergenz und benthischer Produktion. 8) Laengsverteilung der Zoenose und jaehrliche Unterschiede im Emergenzerfolg der Wasserinsekten in Abhaengigkeit von abiotischen und biotischen Faktoren (Nahrungsversorgung, Konkurrenz). 9) Interaktionen zwischen Aufwuchs und Weidegaengern. 10) Experimentelle Untersuchungen zur Autooekologie dominanter Taxa, vor allem der Wasserinsekten und Amphipoda. 1-9 als Bausteine fuer eine synoekologische Gesamtbetrachtung des Systems.

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