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Ecosystem Engineering: Sediment entrainment and flocculation mediated by microbial produced extracellular polymeric substances (EPS)

Sediment erosion and transport is critical to the ecological and commercial health of aquatic habitats from watershed to sea. There is now a consensus that microorganisms inhabiting the system mediate the erosive response of natural sediments ('ecosystem engineers') along with physicochemical properties. The biological mechanism is through secretion of a microbial organic glue (EPS: extracellular polymeric substances) that enhances binding forces between sediment grains to impact sediment stability and post-entrainment flocculation. The proposed work will elucidate the functional capability of heterotrophic bacteria, cyanobacteria and eukaryotic microalgae for mediating freshwater sediments to influence sediment erosion and transport. The potential and relevance of natural biofilms to provide this important 'ecosystem service' will be investigated for different niches in a freshwater habitat. Thereby, variations of the EPS 'quality' and 'quantity' to influence cohesion within sediments and flocs will be related to shifts in biofilm composition, sediment characteristics (e.g. organic background) and varying abiotic conditions (e.g. light, hydrodynamic regime) in the water body. Thus, the proposed interdisciplinary work will contribute to a conceptual understanding of microbial sediment engineering that represents an important ecosystem function in freshwater habitats. The research has wide implications for the water framework directive and sediment management strategies.

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.

Tiefenaufgelöste Analytik von Biofilmen mittels Photoakustischer Spektroskopie (PAS) zur Untersuchung von Flockenabriss und Kolloidinkorporation

Unter einem Biofilm versteht man die Aggregation von Mikroorganismen an einer Oberfläche, die in eine Matrix aus extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) eingebettet sind. Biofilme sind in der Natur weit verbreitet (Boden, Gewässer) und werden im Rahmen der biologischen Abwassserreinigung zum Abbau organischer Wasserinhaltsstoffe eingesetzt. Neben der Stoffwechselaktivität der Mikroorganismen haben insbesondere Stofftransport, Biofilmwachstum und -ablösung einen entscheidenden Einfluß auf die Effektivität des Prozesses. Schichtdicke und Stabilität des Biofilms werden von einer Vielzahl an Prozeßbedingungen (pH, Temperatur, Strömungsbedingungen, Zusammensetzung von Nährmedium und Abwasser) beeinflußt. Da jedoch bisher keine geeignete On-line-Analytik zur Verfügung stand, konnten die Auswirkungen verschiedener Parameter auf den Biofilm nicht ausreichend untersucht werden. Ein im Rahmen des von der DFG geförderten SFB 411 entwickeltes photoakustisches Sensorsystem soll nunmehr zur simultanen Überwachung von Biofilmen an drei Stellen in einem Reaktor eingesetzt werden. Der Einfluß variierendener Prozeßparameter auf Architektur und Stabilität soll untersucht werden, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf Partikelinkorporation und Flockenabriss liegt. Die Ergebnisse des beantragten Projekts könnten einen wesentlichen Beitrag leisten, um die Prozeßsteuerung bezüglich der Biofilmablösung zu verbessern.

Einfluss natuerlicher organischer Substanzen auf die Mobilitaet von hydrophoben Umweltchemikalien

Die Wechselwirkung mit natuerlichen organischen Substanzen (z.B. Huminstoffe) kann die Mobilitaet von hydrophoben Xenobiotika in zweierlei Weise beeinflussen: zum einen kann durch Sorption eine Immobilisierung bzw. eine stark verringerte Migration bewirkt werden, zum anderen koennen geloeste Verbindungen auch eine Loesungsvermittlung und damit eine erhoehte Mobilitaet bewirken. Fuer Polycyclische Aromatische Kohlenwasserstoffe, Polychlorierte Biphenyle und Hexachlorcyclohexan Isomere konnte ein unterschiedliches Verhalten bei der Anwesenheit von geloesten und/oder fixierten Huminstoffen nachgewiesen werden, das vor allem von der Aromatizitaet der Verbindungen abhaengt. Weitere Untersuchungen sollen klaeren wann der beschleunigende Effekt von geloesten Huminstoffen den sorbierenden Effekt von fixierten Huminstoffen ueberwiegt und welchen Einfluss Biofilme auf das System haben.

Entwicklung und Kalibrierung eines numerischen Modells für mikrobiell unterstützte Förderung von Methan aus Kohleflözen

Das übergeordnete Ziel des vorgeschlagenen Vorhabens ist die Entwicklung eines numerischen Modells, das in der Lage ist Prozesse zu simulieren, die bei der mikrobiell unterstützten Produktion von Methan aus Kohleflözen (englisch: MECBM) auftreten. Dieses Modell soll in den numerischen Simulator Dumux (www.dumux.org) implementiert werden, der als Open Source Programm zur Verfügung steht. Indem das Modell zur Ergänzung und Unterstützung experimenteller Arbeiten eingesetzt wird, können damit gezielt verschiedene Hypothesen über den reaktiven Transport bei MECBM Prozessen getestet werden. Dies betrifft verschiedene Detailfragen, die zur Zeit noch nicht vollständig verstanden sind. Dies soll durch Vergleiche zwischen Simulationen und Experimenten erreicht werden, die am Center for Biofilm Engineering an der Montana State University in Bozeman/USA (MSU-CBS) durchgeführt werden. Zunächst sollen hierfür Säulenexperimente verwendet werden, um Sensitivitäten der simulierten Prozesse hinsichtlich verschiedener Modellparameter zu analysieren. Wo erforderlich, werden die Modellgleichungen dann entsprechend an neu gewonnene Daten und Erkenntnisse aus den Validierungsversuchen mit experimentellen Daten angepasst. Unsere Vision ist es, dass das neu entwickelte Modell ein wesentliches Werkzeug sein wird, um letztendlich das Wissen und Know-how von der Laborskala auf die Feldskala zu übertragen, und um dann auch geplante MECBM-Demonstrationsprojekte im Feld zu konzipieren. Das numerische Modell soll eine wichtige Rolle bei der weiteren Entwicklung von MECBM-Produktionstechnologien spielen; spezifische Möglichkeiten dazu ergeben sich z.B. für geplante Feldanwendungen durch MSU-CBS in Zusammenarbeit mit der US Geological Survey (USGS).Das erwartete Ergebnis aus dem vorgeschlagenen Projekt wird also ein deutlich verbessertes Grundlagenwissen über MECBM Prozesse sein, welches mit dem neu entwickelten Simulationswerkzeug in Kombination mit experimentellen Studien am MSU-CBE auf der Labor- und Feldskala erzielt wird. Die Entwicklung von Simulationskapazitäten soll aber in keinster Weise die Wichtigkeit von Experimenten schmälern, aber die Simulation wird einen entscheidenden Beitrag leisten, um die vorhandenen Ressourcen of die wesentlichen experimentellen (Feld-)Studien zu fokussieren.

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.

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.

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.

Nachhaltige Entwicklung der Bundeswasserstraßen, Untersuchungen zum Stoffhaushalt, zur Planktondynamik sowie Biofilmen in Bundeswasserstraßen

Untersuchungen zu Aspekten der mikrobiellen Ökologie einschließlich des Phyto- und Zooplanktons. Umsetzungen des organischen Kohlenstoffs und von Nährstoffen in der Wassersäule und den Sedimenten.

Aktivität und Stoffumsatz mikrobieller Nahrungsnetze im arktischen und antarktischen Meereis

Das Meereis ist ein einzigartiger Lebensraum für eine Gemeinschaft aus Pflanzen und Tieren, die ein im Meereis ausgebildetes Solekanalsystem besiedeln. Während ein guter Kenntnisstand über die mesoskalige Verteilung (ca. 10 cm) und die Zusammensetzung dieser Gemeinschaften vorliegt, ist die kleinskalige Verteilung (1 cm) und die Interaktionen der Organismen dieser Gemeinschaften nur wenig bekannt. Das Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist die Untersuchung der kleinskaligen Verteilung der Organismen und der Struktur des Nahrungsnetzes, das von ihnen gebildet wird. Dabei soll insbesondere der Einfluß der inneren Oberfläche des Meereises auf den Aufbau des Nahrungsnetzes berücksichtigt werden. Von der Vermutung ausgehend, dass ein großer Anteil der eisassoziierten Bakterien- und Algenbiomasse in Form von Biofilmen vorliegt, soll die Biomasse und Aktivität an Oberflächen gebundener Bakterien und Algen mit der von frei in der Sole lebenden Organismen verglichen werden. Ein weiterer Schwerpunkt liegt in der Untersuchung von bakterien- und algenfressenden Protozoen und der Quantifizierung ihrer Bedeutung für den Stoffumsatz im Meereis.

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