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Eignung von ziegelreichen Recycling-Baustoffen für Tragschichten ohne Bindemittel

Der Anteil an Ziegel in einem RC-Baustoff ist nach den TL RC-ToB 95 begrenzt. Die Trennung in hart- und weichgebrannte Ziegel - auch in Mischung mit weiteren Baustoffkomponenten z. B. Mörtel und Putz - sowie auch die Höhe der Grenzwerte sind noch nicht ausreichend abgesichert. Mit dieser Forschungsarbeit soll geklärt werden, inwieweit sich höhere Anteile an Ziegelbruch auf die Qualität einer ToB auswirken. In Laborversuchen werden getrennt die Eigenschaften der hart- und weichgebrannten Ziegel und auch des Mörtels und Putzes im Hinblick auf den Frostwiderstand, die Schlagfestigkeit sowie die Porosität ermittelt. In RC-Gemischen werden die Auswirkungen unterschiedlicher Anteile der Ziegel bzw. des Mörtel/Putzes, insbesondere die Frostempfindlichkeit, das Tragverhalten sowie die Wasserdurchlässigkeit untersucht. Im Rahmen der Arbeit sollen auch die bisherigen praktischen Erfahrungen mit ziegelreichen RC-Baustoffen erfasst werden. Als Ergebnis sind ggf. Vorschläge für modifizierte Anforderungen an die stoffliche Zusammenstellung für RC-Baustoffe zu erarbeiten.

Der Einfluss von Strömung auf Methanproduktion und -oxidation in aquatischen Sedimenten.

Binnengewässer sind ein wichtiger Bestandteil des globalen Kohlenstoffkreislaufs und vor allem Emissionen des Treibhausgases Methan (CH4) aus Gewässern sind von zunehmendem globalen Interesse. Jüngste wissenschaftliche Untersuchungen zielen darauf ab, das prozessbasierte Verständnis der räumlichen und zeitlichen Dynamik der CH4-Emissionen aus Gewässern und ihrer treibenden Faktoren zu verbessern. Prognosen dazu, wie sich Methanemissionen aus Gewässern durch anthropogenen Einflüsse oder durch den Klimawandel bedingt verändern, sind auf Basis bisheriger Modelle nicht zuverlässig möglich. Viele der Faktoren, welche die Raten der Methanproduktion, -Oxidation und Emission in aquatischen Sedimenten beeinflussen, stehen in direkter oder indirekter Beziehung zur Strömungsgeschwindigkeit. Die Strömungsabhängigkeit der Methanproduktion und Methanemissionen von aquatischen Ökosystemen wurde jedoch bisher nicht explizit untersucht. In diesem Projekt werden wir neuartige experimentelle Mesokosmensysteme einsetzen, um die Strömungsabhängigkeit dieser Prozesse in einer Reihe von gezielten Laborexperimenten zu untersuchen. Der experimentelle Aufbau simuliert die Bedingungen, denen aquatische Sedimente in einem hydraulischen Gradienten von schnell fließenden (lotischen) hin zu schwach strömenden (lentischen) Systemen ausgesetzt sind. Solche Übergänge treten beispielsweise entlang von Längsgradienten in Flussstauhaltungen auf. Unsere Experimente zielen darauf ab, den Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf diejenigen Prozesse zu untersuchen, die zur Bilanz von Methan im Sediment und an der Sediment-Wasser-Grenzfläche beitragen. Die Ergebnisse werden wir in ein prozessbasiertes Modell implementieren, welches neben relevanten biogeochemischen Parametern auch die Strömungsgeschwindigkeit als explizite Randbedingung berücksichtigt. Mit dem validierten Modell werden wir die Relevanz der Strömungsgeschwindigkeit für die Emissionen von Methan aus unterschiedlichen Gewässern mit Hilfe eines systemanalytischen Ansatzes untersuchen.

Entwicklung eines Hochleistungskreissägeblattes mit reduzierter Wärmeaufnahme, Teilvorhaben 3: Entwicklung einer adaptiven Kühlstrategie

Mathematische Guetemodelle zur Prognose des Stoffhaushalts von Fliessgewaessern

Zweck und Ziel: Simulation und Prognose des Stoffhaushaltes abwasserbelasteter Fliessgewaesser zur Beurteilung der Auswirkungen wasserwirtschaftlicher und wasserbaulicher Massnahmen, einschliesslich Eutrophierungserscheinungen und Auswirkungen von Verklappungsmassnahmen. Ausfuehrung: Weiterentwicklung des von Dr. G. Huthmann in der BfG aufgebauten Modells, welches weitgehend empirische Zusammenhaenge verwendet, zu einem fuer verschiedene Anwendungen aussagekraeftigen Modell. Dabei werden die biologischen Vorgaenge - soweit erforderlich - mit Hilfe deterministischer Ansaetze formuliert. Die Modellentwicklung enstsprechend den Ergebnissen von Gewaesseruntersuchungen, Laborexperimenten und Literaturstudien. Ergebnisse: Das Modell besteht jetzt aus einem hydrologischen Modell, einem Temperaturmodell und dem eigentlichen Guetemodell. Folgende Stoffkonzentrationen werden berechnet: C-BSB5 (Biochemischer Sauerstoffbedarf der organischen Kohlenstoffverbindungen), CSB (Chemischer Sauerstoffbedarf, Bichromatoxidation), organischer Stickstoff, Ammoniumstickstoff, Nitratstickstoff, geloester Phosphor, ungeloester Phosphor, geloester Sauerstoff, Truebung. Ferner werden die Biomassen derjenigen langsam wachsenden Organismen berechnet, welchen einen wesentlichen Einfluss auf den Stoffhaushalt ausueben (Nitrifikanten, Algen, Zooplankter). Neuere Guetemodellrechnungen zum Sauerstoffhaushalt der Saar nach Ausbau zeigen, dass besonders in den Sommermonaten in den mittleren Stauhaltungen Lisdorf, Rehlingen und Mettlach mit Sauerstoffmangelsituationen zu rechnen ist. Um Fischsterben zu vermeiden, muss deshalb - beim jetzigen Sanierungszustand der Einleiter - kuenstlich

Forschergruppe (FOR) 1898: Mehrskalendynamik von Schwerewellen, Spontanes Ungleichgewicht (SI)

Schwerewellen (GWs) sind zu kleinskalig, um in den heutigen Wetter- und Klimamodellen aufgelöst zu werden. Sie müssen daher parametrisiert werden, da sie einen starken Einfluss auf die Dynamik der großen Skalen haben. Parametrisierungen existieren für orographisch und konvektiv erzeugte GWs, während für die GW-Quellen entlang großskaliger Jets noch keine etablierte Parametrisierung vorliegt. Die Quellen resultieren aus einer spontanen Imbalance (SI) der großskaligen quasi-geostrophischen Strömung. Die Untersuchung von Schwerewellenabstrahlung durch SI ist schwierig, da die GWs in ein sehr komplexes zeitabhängiges Strömungsfeld eingebettet sind, mit einer großen Zahl von interagierenden Prozessen. Auch die Validierung von Parametrisierungen wird dadurch erschwert. Daher kombinieren wir Theorie und numerische Modellierung mit ergänzenden Laborexperimenten. Laborexperimente garantieren eine Reproduzierbarkeit der betrachteten großskaligen Strömungssituation. Die direkte Korrespondenz zwischen den experimentellen Daten und den Modelldaten und die erwähnte Reproduzierbarkeit machen das Laborexperiment zu einem idealen Prüfstand für Parametrisierungen und für die Untersuchung klimarelevante Prozesse. Das differenziell beheizte rotierende Zylinderspalt-Experiment, welches an der BTU (Brandenburg Technische Universität Cottbus-Senftenberg) aufgebaut und betrieben wird, stellt die Referenzdaten für Benchmark-Simulationen an der GU-F (Goethe Universität Frankfurt) und dem IAP (Leibniz Institut für Atmosphärische Physik, Kühlungsborn) bereit. Dabei stehen Experimente im Vordergrund, die zeigen sollen, welche baroklinen Strömungen eine besonders ausgeprägte GW-Abstrahlung aufweisen. Ergänzend dazu werden idealisierte numerische Simulationen an der GU-F und dem IAP durchgeführt, um die Variabilität der GWs und den Abstrahlungsprozess zu untersuchen. Wichtig ist dabei, einen Zusammenhang zwischen verschiedenen großskaligen Strömungen und der mesoskaligen GW-Quelle herzustellen und diesen Zusammenhang mittels grob aufgelöster Wellenstrahlenmodelle zu validieren. Ziel ist es, eine skalenabhängige SI-Parametrisierung zu konstruieren. Diese Parametrisierung soll mit Hilfe der Labor-Referenzdaten validiert werden. Begleitet wird dies von einer Analyse grob- und feinaufgelöster Daten aus UA-ICON Simulationen. Schließlich soll die Parametrisierung an das Wellenstrahlenmodell MS-GWaM angekoppelt werden, welches in UA-ICON implementiert ist.

Menge, Zusammensetzung und Umsetzung der organischen Substanz im Unterboden

Das Wissen über die Menge, Zusammensetzung und Umsetzung der organischen Substanz in Böden der gemäßigten Breiten beschränkt sich bis auf wenige Ausnahmen auf die Oberböden (A-Horizonte und Auflagen). Hier finden sich die höchsten Konzentrationen der organischen Substanz. Jüngere Inventurarbeiten haben nun gezeigt, dass auch im Unterboden (B- und Cv-Horizonte) beträchtliche Mengen an organischer Substanz, allerdings in niedrigen Konzentrationen vorliegen. Ziel des geplanten Vorhabens ist es, (1) die Menge der organischen Substanz im Unterboden zu erfassen, (2) ihre Zusammensetzung und Herkunft zu bestimmen und (3) ihre Umsetzbarkeit zu erfassen. Daraus sollen Rückschlüsse auf die Stabilisierungsmechanismen der organischen Substanz im Unterboden gezogen werden. Nach einer Inventur der Bodenprofile an den SPP-Standorten (C-Gehalte, 14C-Alter) erfolgt die Erfassung der Zusammensetzung der organischen Substanz mittels Festkörper-13C-NMR-Spektroskopie. Die Zusammensetzung der Lipid-, Polysaccharid- und Ligninfraktion soll Hinweise auf die Herkunft der stabilisierten organischen Substanz differenziert nach oberirdischen, unterirdischen Pflanzenrückständen und mikrobiellen Resten geben. Abbauversuche unter kontrollierten Bedingungen im Labor und die Erfassung des 14C-Alters des freigesetzten CO2 sollen Aufschluß über die Umsetzbarkeit des 'jungen' und 'alten' C im Unterboden geben. Dabei werden jeweils die Profile über die gesamte Entwicklungstiefe betrachtet, um die Unterbodenhorizonte in Bezug zu den Oberböden und zu den Ergebnissen anderer AG im SPP zu setzen. Darauf aufbauend können dann in den nächsten Phasen des SPP die Eigenschaften der organischen Substanz im Unterboden und die Regulation der C-Umsetzungen im Unterboden untersucht werden.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1685: Ecosystem nutrition: forest strategies for limited phosphorus resources; Ökosystemernährung: Forststrategien zum Umgang mit limitierten Phosphor-Ressourcen, Produktion, Reaktivität und Bioverfügbarkeit gelöster organischer Phosphorspezies im Boden - Indikatoren der Recycling-Effizienz von Wäldern

Im Laufe ihrer Entwicklung gehen Waldökosysteme zur Deckung ihres Phosphorbedarfs von der Nutzung gesteinsbürtiger Mineralquellen zum Recycling organisch gebundenen Phosphors über. Da anorganischer Phosphor sehr stark durch Sekundärminerale gebunden wird, ist er kaum pflanzenverfügbar, unterliegt aber auch kaum der Auswaschung. Austräge gelösten Phosphors erfolgen überwiegend in organischer Form, egal in welcher Entwicklungsphase sich das System befindet. Allerdings ist nur wenig über die Zusammensetzung und Dynamik gelösten organischen Phosphors (DOP) bekannt. Wahrscheinlich sind insbesondere mikrobielle Produkte, wie Nukleotide und Nukleinsäuren, mobil. Hingegen scheinen pflanzliche Phosphorverbindungen, z.B. Phytate, weniger der Auswaschung zu unterliegen, weil sie vermutlich stärker gebunden werden. Die mobilen mikrobiellen Verbindungen sind potentiell enzymatisch hydrolysierbar; daher ist es möglich, dass der in ihnen enthaltene Phosphor von Pflanzen aufgenommen wird und sich so die Austräge aus Recyling-Systemen verringern. Unser Vorhaben hat zum Ziel, zu klären welche stofflichen Eigenschaften phosphorhaltiger organischer Verbindungen ihre Mobilität kontrollieren, welche Einflüsse ihre Zusammensetzung steuern, und welche Bedeutung sie als Phosphorquelle für Bäume haben. Dazu sammeln wir Auflagensickerwässer und Bodenlösungen an Standorten entlang des für der das SPP1685 vorgeschlagenen Phosphorverfügbarkeitsgradienten. Diese werden mittels spektroskopischer Methoden (v.a. NMR, an ausgewählten Proben auch XPS und XANES) auf Phosphorspezies sowie die enzymatische Umsetzbarkeit (in Kombination mit spektroskopischen Methoden) untersucht. Dadurch können mobile wie labile Substanzen identifiziert werden. Ähnliche Untersuchen werden an Lösungen aus Manipulationsexperimenten (Trockenheit, pH) andere SPP-Antragsteller zur Steuerung der Mobilisierung gelösten Phosphors vorgenommen, so dass Änderungen der Zusammensetzung und damit der chemischen und biologischen Reaktivität betrachtet werden können. Einen weiteren Schwerpunkt bilden Laborversuche zur potentiellen Mobilität bestimmter organischer Phosphorspezies (Sorptionsexperimente, in Kombination mit spektroskopischen Methoden) sowie Versuche mit 13C-, 14C- und 33P-markierten Substanzen zur potentiellen Aufnahme gelöster organischen Phosphors durch Baumsetzlinge, wobei zwischen Aufnahme nach Hydrolyse und direkter Aufnahme organischer Moleküle unterschieden werden soll.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1374: Biodiversitäts-Exploratorien; Exploratories for Long-Term and Large-Scale Biodiversity Research (Biodiversity Exploratories), Teilprojekt: Der Einfluß von Landnutzungsintensität auf die Biodiversität und funktionelle Rolle biologischer Bodenkrusten unter besonderer Berücksichtigung der biogeochemischen Kreisläufe von Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor - CRUSTFUNCTION III

Biologische Bodenkrusten (Biokrusten) sind Hotspots an mikrobieller Diversität und Aktivität, die als 'Ökosystemingenieure' biogeochemische Kreisläufe (N, P) kontrollieren und die Bodenoberfläche stabilisieren. Biokrusten sind ein komplexes Netzwerk vielfältiger, interagierender Mikroorganismen mit verschiedensten Lebensweisen. In den gemäßigten Breiten ist wenig über die Einflussfaktoren auf Struktur und Funktion der Biokrusten bekannt. Daher wollen wir die Diversität der Mikroorganismen in Biokrusten (Bakterien, Protisten, Pilze und Algen) und ihre biogeochemische Funktion in den Waldflächen der Biodiversitätsexploratorien (BE) entlang von Landnutzungsgradienten untersuchen, um deren Beeinflussung durch Landnutzung und Umweltfaktoren zu verstehen.Das zentral organisierte, neue Störexperiment in den Waldflächen ist eine hervorragende Möglichkeit, um die Entwicklung einer Biokruste unter natürlichen Bedingungen nach einer starken Störung zu verfolgen. Eine Teilfläche simuliert Kahlschlag (die Stämme werden entfernt), die andere Teilfläche einen zukünftig häufiger auftretenden Orkan (Stämme verbleiben auf der Fläche). Wir werden die Entwicklung der Bodenkrusten von einem jungen zu einem reifen Stadium visuell (Flächenbedeckung) und durch Probenahme (Biomasse, Nährstoffe, Bodenorganik, Mikrobiota) mittels Feld-, analytischen und molekularen Methoden regelmäßig über zwei Jahre verfolgen. Außerdem werden wir an der zentralen Bodenbeprobungskampagne in allen 150 Waldflächen teilnehmen und parallel Biokrusten sammeln. Wir werden die mikrobielle Biomasse in der Biokruste quantifizieren, ihre Gemeinschaftsstruktur mittels Hochdurchsatzsequenzierung beschreiben und dies mit dem Umsatz von Stickstoff- und Phosphorverbindungen verschneiden. Um Schlüsselorganismen dieser Prozesse zu identifizieren und in hoher räumlicher Auflösung zu visualisieren, wird zusätzlich ein Laborexperiment unter Anwendung von stable isotope probing und NanoSims durchgeführt. Die Daten zur Biodiversität und funktionellen Genomik werden mit den Nährstoffstatus der Biokrusten (Konzentration und chemische Speziierung von C, N und P) verknüpft. Das Laborexperiment mit stabilen Isotopen wird unser Verständnis von Biokrusten Schlüsselorganismen im N- und P-Nährstoffkreislauf und den Einfluss der räumlichen Heterogenität fundamental verbessern. Diese Daten erlauben zum ersten Mal die quantitative und qualitative Rekonstruktion der wichtigsten Stoffkreisläufe und mikrobiellen Interaktionsmuster in Biokrusten als Reaktion auf Landnutzung und Störung. Abschließend werden die ermittelten Daten in das gemeinsame bodenkundliche Netzwerk der BE integriert und dienen dann als Keimzelle für ein Synthese-Vorschlag mit dem Ziel, die Leistung der Biokruste quantitativ und qualitativ mit anderen Hotspots in Böden, wie Detritus- oder Rhizosphäre, zu vergleichen.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1374: Biodiversitäts-Exploratorien; Exploratories for Long-Term and Large-Scale Biodiversity Research (Biodiversity Exploratories), Teilprojekt: Kopplung von Totholzabbau und Stickstoffkreislauf: Diversität und Funktion von Diazotrophen (Woodstock)

Totholzstämme repräsentieren eine kohlenstoff- (C) und energiereiche aber zugleich stickstoff-(N)arme Ressource in Waldökosystemen. Biologische N2-Fixierung durch freilebende diazotrophe Mikroorganismen trägt zur N-Anreicherung im Totholz bei. Über die Funktion der Diazotrophen für die N-Versorgung von totholzbewohnenden Organismen und für den Totholzabbau ist bislang wenig bekannt. In den Biodiversität-Exploratorien existieren unterschiedliche Bedingungen für diazotrophe Mikroorganismen durch Totholzstämme von 13 Baumarten, die im BeLongDead-Experiment auf 30 Flächen exponiert sind. Ein Ziel des Projektantrags ist den Beitrag der N2-Fixierung zur N-Anreicherung zu quantifizieren und die aktiven diazotrophen Gemeinschaften in den Totholzstämmen des BELongDead-Experiments zu identifizieren. Ein weiteres Ziel ist die experimentelle Überprüfung von Einflussfaktoren auf die N2-Fixierung, Quantität und Diversität der aktiven diazotrophen Gemeinschaft und auf den Transfer von fixierten N zu holzabbauenden Mikroorganismen. Unsere Hypothesen sind, (1) N2-Fixierungsrate und Diversität von Diazotrophen im Totholz unterscheiden sich zwischen den 13 Baumarten, der Intensität des Forstmanagements und den Exploratorien, (2) diazotrophe Gemeinschaften und N2-Fixierung unterscheiden sich entlang des radialen Gradienten in den Totholzstämmen von außen nach innen, (3) Diversität und Aktivität von Diazotrophen und holzabbauenden Pilzen sind stark assoziiert aufgrund ihrer gegenseitigen Abhängigkeit von C und N Ressourcen. Die letztere Beziehung moduliert die Aktivität und Zusammensetzung von diese Gemeinschaften im initialen und forstgeschrittenen Abbaustadium. Ferner testen wir die Hypothese, dass (4) externe N-Quellen die N2-Fixierung und die Quantität von Diazotrophen reduzieren. Zur Überprüfung der Hypothesen werden wir innovative und etablierte Methoden sowie Felduntersuchungen und Laborexperimente kombinieren. N2-Fixierungsraten werden mit dem 15N2 Ansatz und die funktionellen nifH-Gene mit spezifischer quantitativer PCR und Amplicon-Sequenzierung bestimmen. Struktur und Aktivität der diazotrophen Gemeinschaft werden mit einer Bromodeoxyuridintrennung sowie dem Stabilen Isotopen Beprobungsansatz (SIP) von 15N-markierter RNA analysiert, und beide Ansätze mithilfe der Amplicon-Sequenzierung kombiniert. Schließlich wird der Einfluss verschiedener Einflussfaktoren Parameter auf die Struktur und Aktivität der diazotrophen Gemeinschaft untersucht. Unsere Expertisen ermöglichen es die Wechselwirkungen zwischen N2-Fixierung, Abundanz und Diversität der Diazotrophen und kontrollierenden Faktoren für den Totholzabbau neu zu bewerten. Durch die Zusammenarbeit in einem koordinierten und vollständig replizierten Experiment mit 30 Waldökosystemen erwarten wir belastbare Ergebnisse mit großer wissenschaftlicher Bedeutung und Nutzen für die Totholzforschung.

Modellierung anaerober Umsetzungsprozesse mit dem Anaerobic Digestion Modell No. 1 (ADM1)

Für die mathematische Beschreibung anaerober Prozesse wurde von der IWA das Anaerobic Digestion Modell No. 1 (ADM1) entwickelt. Das ADM1 berücksichtigt einen allgemein gültigen Satz von Substraten und biochemischen Prozessen und wurde zunächst für die anaerobe Schlammstabilisierung entwickelt. Für die kinetischen Parameter werden Größenordnungen vorgegeben, die jedoch hohe Schwankungen aufweisen. Kalibrierte Stoffdaten und Angaben für die Zulaufcharakterisierung und -fraktionierung unterschiedlicher Abwässer fehlen. Eine Abbildung von reaktorspezifischen Bedingungen zur Behandlung industrieller Abwässer (z.B. für UASB-Reaktoren oder EGSB-Systeme) erfordert den Aufbau von mehrstufigen angepassten Modellen, die neben dem vierstufigen Prozess auch die entsprechenden verfahrenstechnischen Stufen abbilden. Die Ziele des Vorhabens sind:1.Modellentwicklung für verfahrenstechnische Varianten der anaeroben Industrieabwasserbehandlung zur verbesserten Abbildung aller Umsetzungsprozesse (z.B. UASB-Reaktor, zweistufiger Prozess; Verlängerungsphase des Antrages: EGSB-Reaktors, Modellkalibrierung, Übertragbarkeit auf großtechnische Anlagen),2. Bestimmung der wesentlichen Modellparameter und ihren Schwankungsbreiten durch Sensitivitätsanalysen, Kalibrierung und Validierung der Modelle mit Daten aus anaeroben Batchuntersuchungen und kontinuierlich betriebenen anaeroben Laborversuchen,3. Ermittlung von abwasser- und biomassenspezifischen Stoffdaten für eine Fraktionierung der Inhaltsstoffe industrieller Abwässer und von kinetischen Parametern der Biomasse im Rahmen von Laboruntersuchungen zur Anpassung des ADM1.

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