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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.

Profiling methane emission in the Baltic Sea: Cryptophane as in-situ chemical sensor

To overcome the limitation in spatial and temporal resolution of methane oceanic measurements, sensors are needed that can autonomously detect CH4-concentrations over longer periods of time. The proposed project is aimed at:- Designing molecular receptors for methane recognition (cryptophane-A and -111) and synthesizing new compounds allowing their introduction in polymeric structure (Task 1; LC, France); - Adapting, calibrating and validating the 2 available optical technologies, one of which serves as the reference sensor, for the in-situ detection and measurements of CH4 in the marine environments (Task 2 and 3; GET, LAAS-OSE, IOW) Boulart et al. (2008) showed that a polymeric filmchanges its bulk refractive index when methane docks on to cryptophane-A supra-molecules that are mixed in to the polymeric film. It is the occurrence of methane in solution, which changes either the refractive index measured with high resolution Surface Plasmon Resonance (SPR; Chinowsky et al., 2003; Boulart et al, 2012b) or the transmitted power measured with differential fiber-optic refractometer (Boulart et al., 2012a; Aouba et al., 2012).- Using the developed sensors for the study of the CH4 cycle in relevant oceanic environment (the GODESS station in the Baltic Sea, Task 4 and 5; IOW, GET); GODESS registers a number of parameters with high temporal and vertical resolution by conducting up to 200 vertical profiles over 3 months deployment with a profiling platform hosting the sensor suite. - Quantifying methane fluxes to the atmosphere (Task 6); clearly, the current project, which aims at developing in-situ aqueous gas sensors, provides the technological tool to achieve the implementation of ocean observatories for CH4. The aim is to bring the fiber-optic methane sensor on the TRL (Technology Readiness Level) from their current Level 3 (Analytical and laboratory studies to validate analytical predictions) - to the Levels 5 and 6 (Component and/or basic sub-system technology validation in relevant sensing environments) and compare it to the SPR methane sensor, taken as the reference sensor (current TRL 5). This would lead to potential patent applications before further tests and commercialization. This will be achieved by the ensemble competences and contributions from the proposed consortium in this project.

Untersuchung und Entwicklung von Verfahren zur drohnenbasierten infrarot-fernoptischen Quantifizierung von Methanemissionen

Zielsetzung: Um die globale Klimaerwärmung so schnell wie möglich zu bremsen, ist es dringend erforderlich, neben den CO2-Emissionen insbesondere Methanemissionen zu minimieren. Im Energie- und Industriesektor kann dies durch das Aufspüren und Reparieren von Leckagen (Leak Detection And Repair (LDAR) Programme) erreicht werden. Eine effiziente Quantifizierung der Leckagemenge ermöglicht hierbei eine Planung, Priorisierung und schnelle, effektive Durchführung der Reparaturen sowie eine messtechnisch objektive Emissionsberichterstattung. Ebenso kann das Auftreten zukünftiger Emissionen durch die quantitative Messung aktueller Leckagen und die daraus abgeleitete geeignete Wahl von robusten und „emissionsarmen“ Bauformen und Materialien z.B. von Dichtungen vermieden werden.

Kleine Anaerobanlagen zur Verwertung von Wirtschaftsdünger, Teilvorhaben 1: Wissenschaftliche Begleitung, ökonomische und ökologische Gesamtbeurteilung

In Deutschland ist die Landwirtschaft für über 59 % der Methan- und 95 % der Ammoniakemissionen verantwortlich. Dabei hat Methan ein etwa 84-mal höheres kurzfristiges Treibhauspotenzial als CO2 (IPPC), weshalb der schnellen Reduzierung von Methanemissionen zur Verlangsamung des Klimawandels Priotität eingeräumt werden muss. Zusätzlich ist es eine Vorläufersubstanz bei der Bildung von bodennahem Ozon, das Pflanzen schädigt, indirekt zum Klimawandel beitragen kann und zusätzlich zu Beeinträchtigungen der menschlichen Gesundheit führt. Die wichtigsten Quellen von Methan sind Emissionen während des tierischen Verdauungsprozesses von Wiederkäuern und Emissionen durch die Lagerung von Festmist und Gülle. Zielsetzung des Vorhabens ist die Entwicklung einer digitalisierten Biogasanlage zur Vergärung von Flüssigmist für landwirtschaftliche Betriebe mit einem Tierbestand ab ca. 170 Großvieheinheiten (GV). Diese Güllekleinanlagen verwenden eine einstufige Güllevergärung und basieren auf einem kostengünstigen, vollständig recyclierbaren Rührkesselreaktor. Diese Anlagen bieten ein sehr großes Übertragungspotenzial auf eine Vielzahl von landwirtschaftlichen Betrieben, nicht nur in Deutschland. Sie können dezentral Strom und Wärme mit hohen Nutzungsgraden bereitstellen

Kleine Anaerobanlagen zur Verwertung von Wirtschaftsdünger

In Deutschland ist die Landwirtschaft für über 59 % der Methan- und 95 % der Ammoniakemissionen verantwortlich. Dabei hat Methan ein etwa 84-mal höheres kurzfristiges Treibhauspotenzial als CO2 (IPPC), weshalb der schnellen Reduzierung von Methanemissionen zur Verlangsamung des Klimawandels Priotität eingeräumt werden muss. Zusätzlich ist es eine Vorläufersubstanz bei der Bildung von bodennahem Ozon, das Pflanzen schädigt, indirekt zum Klimawandel beitragen kann und zusätzlich zu Beeinträchtigungen der menschlichen Gesundheit führt. Die wichtigsten Quellen von Methan sind Emissionen während des tierischen Verdauungsprozesses von Wiederkäuern und Emissionen durch die Lagerung von Festmist und Gülle. Zielsetzung des Vorhabens ist die Entwicklung einer digitalisierten Biogasanlage zur Vergärung von Flüssigmist für landwirtschaftliche Betriebe mit einem Tierbestand ab ca. 170 Großvieheinheiten (GV). Diese Güllekleinanlagen verwenden eine einstufige Güllevergärung und basieren auf einem kostengünstigen, vollständig recyclierbaren Rührkesselreaktor. Diese Anlagen bieten ein sehr großes Übertragungspotenzial auf eine Vielzahl von landwirtschaftlichen Betrieben, nicht nur in Deutschland. Sie können dezentral Strom und Wärme mit hohen Nutzungsgraden bereitstellen

Kleine Anaerobanlagen zur Verwertung von Wirtschaftsdünger, Teilvorhaben 4: Rechtliche Rahmenbedingungen

In Deutschland ist die Landwirtschaft für über 59 % der Methan- und 95 % der Ammoniakemissionen verantwortlich. Dabei hat Methan ein etwa 84-mal höheres kurzfristiges Treibhauspotenzial als CO2 (IPPC), weshalb der schnellen Reduzierung von Methanemissionen zur Verlangsamung des Klimawandels Priotität eingeräumt werden muss. Zusätzlich ist es eine Vorläufersubstanz bei der Bildung von bodennahem Ozon, das Pflanzen schädigt, indirekt zum Klimawandel beitragen kann und zusätzlich zu Beeinträchtigungen der menschlichen Gesundheit führt. Die wichtigsten Quellen von Methan sind Emissionen während des tierischen Verdauungsprozesses von Wiederkäuern und Emissionen durch die Lagerung von Festmist und Gülle. Zielsetzung des Vorhabens ist die Entwicklung einer digitalisierten Biogasanlage zur Vergärung von Flüssigmist für landwirtschaftliche Betriebe mit einem Tierbestand ab ca. 170 Großvieheinheiten (GV). Diese Güllekleinanlagen verwenden eine einstufige Güllevergärung und basieren auf einem kostengünstigen, vollständig recyclierbaren Rührkesselreaktor. Diese Anlagen bieten ein sehr großes Übertragungspotenzial auf eine Vielzahl von landwirtschaftlichen Betrieben, nicht nur in Deutschland. Sie können dezentral Strom und Wärme mit hohen Nutzungsgraden bereitstellen. Innerhalb des Verbundvorhabens ist renergie Allgäu e.V. dafür zuständig, die rechtlichen und insbesonderen genehmigungsrechtliichen Rahmenbedigungen zu analysieren und wesentlich dazu beizutragen die Genehmigungsfähigkeit zu erreichen. Außerdem ist renergie Allgäu e.V. als Praxispartner dafür zuständig, die spätere Übertragbarkeit in die landwirtschaftliche Praxis sicherzustellen und zu verbessern.

Klärung der Rolle von natürlichem organischem Material für Methan-produzierende und -verbrauchende mikrobielle Prozesse in nördlichen Moorgebieten

Torfgebiete sind die größten Speicher für organischen Kohlenstoff auf der Erde. 80% der weltweiten Torfgebiete befinden sich auf der nördlichen Hemisphäre; daher stellen die nördlichen Torfgebiete die wichtigste natürliche Quelle für Treibhausgase (GHG) wie CH4 und CO2 dar. CH4 ist von besonderer Bedeutung, da es im Vergleich zu CO2 etwa 28-mal klimaschädlicher ist. Die Menge des von Mooren freigesetzten CH4 wird durch aerobe und anaerobe mikrobielle Prozesse bestimmt. Ein wenig untersuchter Teil des CH4-Kreislaufs in nördlichen Torfgebieten sind anaerobe CH4-oxidierende Prozesse (AOM). Insbesondere die erst kürzlich entdeckten AOM-Prozesse, die an die Reduktion organischer Elektronenakzeptoren wie natürlichem organischem Material (NOM) gekoppelt sind (NOM-abhängige AOM, NOM-AOM), wurden in diesen Gebieten noch nie untersucht, obwohl erhebliche Mengen an NOM und CH4-Emissionen in Torfgebieten parallel existieren. Deshalb möchten wir in diesem Projekt die Rolle von NOM für die CH4-Emissionen in die Atmosphäre über verschiedene Mechanismen der CH4-Produktion und der CH4-Oxidation bestimmen. Untersucht werden dabei NOM-Fraktionen, die in Stordalen (Abisko, Schweden), einem Modellstandort für von Permafrost betroffene nördliche Torfgebiete, vorhanden sind. Das übergeordnete Ziel dieses Projekts ist es, die Rolle der gelösten und partikulären Fraktionen von NOM (DOM und POM) für die Stimulierung oder Reduktion der Bildung und des Verbrauchs von CH4 in Mooren und kollabierenden Permafrost-Palsa-Gebieten zu untersuchen. Diese Standorte enthalten große Mengen an organischer Substanz und zeigen gleichzeitig erhebliche CH4-Emissionen. Im Arbeitspaket 1 (WP1) wird Torf vom Probenahmestandort entnommen und geochemische Parameter im Feld gemessen. Der beprobte Torf wird zur Isolierung von DOM- und POM-Fraktionen verwendet, um eine eingehende physikochemische Charakterisierung mit modernsten Analysetechniken durchzuführen, incl. DOC-/TOC-Messungen, FTIR und Messungen der Elektronenaustauschkapazität. Im WP2 werden Isotopen-Tracer-Experimente in Mikrokosmen durchgeführt, die mit Torf versetzt und mit isoliertem DOM oder POM angereichert sind, um deren Rolle bei der Stimulierung oder Unterdrückung der acetoklastischen und hydrogenotrophen Methanogenese sowie der Oxidation von CH4 durch NOM-AOM zu bestimmen. In WP3 werden die Identität und die relative Häufigkeit der Mikroorganismen, die an den untersuchten CH4-Cycling-Prozessen beteiligt sind, sowie die beteiligten funktionellen Gene mit Hilfe von DNA- und RNA-basierten molekularen Techniken wie 16S-Sequenzierung und Quantifizierung von Transkripten der Gene der Methanogenese und Methanotrophie analysiert. Wir verfolgen dabei die Hypothese, dass NOM in Permafrostgebieten je nach seinen Eigenschaften sowohl zur Emission von CH4 beitragen als auch diese abschwächen kann.

Verbesserung Wasser- und Düngernutzungseffizienz im Nassreisanbau durch Verwendung verschiedener Bodenabdeckungs-Systeme

Im Rahmen des hier vorgeschlagenen Kooperationsprojektes werden unsere chinesischen Partner Feldversuche in drei verschiedenen Klimazonen Chinas (Peking, Nanking und Kanton (Guangzhou)) durchführen. Diese sollen durch die National Nature Science Foundation of China (NSFC) gefördert werden. Die Feldversuchsanlage wird an allen Orten identisch sein. Zusätzlich führt jede Gruppe Ergänzungsstudien gemäß der jeweiligen Arbeitsrichtung durch. Unser gemeinsames Projekt soll die relative Vorzüglichkeit von GCRPS gegenüber dem traditionellen Nassreis- bzw. Trockenreisanbau in der zweiten Reisanbausaison in der Region von Guangzhou (South China Agricultural University) untersuchen. Der Schwerpunkt wird auf den Wasserbedarf, die Stickstoffnutzungseffizienz (15N-Methode und Bilanzmethode) sowie auf N2O-, CH4 und NH3-Emissionen gelegt werden. Die Felduntersuchungen in Südchina werden durch Versuche unter kontrollierten Umweltbedingungen in Kiel unterstützt. Mit diesen Experimenten soll der Effekt von Stickstoffform und Stickstoffdüngungsrate auf die Fe-, Mn- und P-Aufnahme von Reis studiert werden. Diese Frage hat hohe Priorität, denn Ernährungsstörungen aufgrund Veränderungen des Bewässerungsmanagements wurden in verschiedenen chinesischen Provinzen im Nassreisanbau beobachtet. Weiterhin sollen die physiologische Wassernutzungseffizienz und der Effekt der Stickstoffform auf die CH4-Emissionen geprüft werden. Die kooperierenden vier chinesischen Arbeitsgruppen haben ihre jeweiligen Forschungsanträge an die NSFC eingereicht.

Separation und Ansäuerung nach Fällung von Flüssigmist aus Rinderställen, Teilprojekt A

Ausgehend von den Erkenntnissen des SAFT-Projektes, welches durch die Ansäuerung von Flüssigmist mit Schwefelsäure die Ammoniak- und Methanemissionen deutlich mindert, wird ein Verfahren entwickelt, das auch für die Rinderhaltung geeignet ist. Das Verfahren soll dahingehend optimiert werden, dass der Säureverbrauch deutlich gesenkt wird, was die Kosten- und Ressourceneffizienz erhöht. Durch Einsatz von Calcium-Additiven wird der Carbonatpuffer, der für den Großteil des Säurebedarfs während der Ansäuerung verantwortlich ist, vorab eliminiert und ausgefällt. Eine Separierung des Flüssigmistes in eine flüssige und eine feste Phase reduziert den Säurebedarf zusätzlich und führt zu einer Nährstoffentfrachtung der flüssigen Phase. Unter diesen Umständen wird nach Alternativen zur Schwefelsäure gesucht. Dadurch wird das Verfahren auch im ökologischen Landbau einsetzbar, die Gefahr einer Schwefelüberdüngung nach der Flüssigmistausbringung entfällt, das Problem der Betonkorrosion in Flüssigmistkanälen und Lagerbehältern wird minimiert und die Methangasausbeute beim Einsatz des Flüssigmistes in Biogasanlagen erhöht. In Laborversuchen wird zunächst der Einsatz von Ca-Additiven und der Separation des Flüssigmistes zur Ausfällung des Carbonatpuffers untersucht. Schließlich wird an dem so vorbereiteten Flüssigmist der Säurebedarf bestimmt und der Einsatz von Alternativen zur Schwefelsäure untersucht. An dem so angesäuerten Flüssigmist wird das Biogasbildungspotential bestimmt. Die bereits etablierte Ansäuerungstechnik wird um ein Modul der Carbonatfällung und eine Separationseinheit erweitert. Die Anlage erhält für den praktischen Einsatz eine neu zu entwickelnde volumetrische Carbonatgehaltsbestimmung. Diese soll die anfällige und wartungsintensive pH-Wert-Messung mittels pH-Sonden ersetzen. Am Ende erfolgt eine ökonomische Bewertung der Ansäuerungstechnik unter Berücksichtigung der Methan- und Ammoniakemissionsminderung, des Biogaspotentials und einer Düngebilanzierung.

Separation und Ansäuerung nach Fällung von Flüssigmist aus Rinderställen, Teilprojekt C

Ausgehend von den Erkenntnissen des SAFT-Projektes, welches durch die Ansäuerung von Flüssigmist mit Schwefelsäure die Ammoniak- und Methanemissionen deutlich mindert, wird ein Verfahren entwickelt, das auch für die Rinderhaltung geeignet ist. Das Verfahren soll dahingehend optimiert werden, dass der Säureverbrauch deutlich gesenkt wird, was die Kosten- und Ressourceneffizienz erhöht. Durch Einsatz von Calcium-Additiven wird der Carbonatpuffer, der für den Großteil des Säurebedarfs während der Ansäuerung verantwortlich ist, vorab eliminiert und ausgefällt. Eine Separierung des Flüssigmistes in eine flüssige und eine feste Phase reduziert den Säurebedarf zusätzlich und führt zu einer Nährstoffentfrachtung der flüssigen Phase. Unter diesen Umständen wird nach Alternativen zur Schwefelsäure gesucht. Dadurch wird das Verfahren auch im ökologischen Landbau einsetzbar, die Gefahr einer Schwefelüberdüngung nach der Flüssigmistausbringung entfällt, das Problem der Betonkorrosion in Flüssigmistkanälen und Lagerbehältern wird minimiert und die Methangasausbeute beim Einsatz des Flüssigmistes in Biogasanlagen erhöht. In Laborversuchen wird zunächst der Einsatz von Ca-Additiven und der Separation des Flüssigmistes zur Ausfällung des Carbonatpuffers untersucht. Schließlich wird an dem so vorbereiteten Flüssigmist der Säurebedarf bestimmt und der Einsatz von Alternativen zur Schwefelsäure untersucht. An dem so angesäuerten Flüssigmist wird das Biogasbildungspotential bestimmt. Die bereits etablierte Ansäuerungstechnik wird um ein Modul der Carbonatfällung und eine Separationseinheit erweitert. Die Anlage erhält für den praktischen Einsatz eine neu zu entwickelnde volumetrische Carbonatgehaltsbestimmung. Diese soll die anfällige und wartungsintensive pH-Wert-Messung mittels pH-Sonden ersetzen. Am Ende erfolgt eine ökonomische Bewertung der Ansäuerungstechnik unter Berücksichtigung der Methan- und Ammoniakemissionsminderung, des Biogaspotentials und einer Düngebilanzierung.

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