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Teil 1

Das Projekt "Teil 1" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Hohenheim, Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie (740) durchgeführt. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines vollkommen neuen Verfahrens zur Erzeugung von gasförmigen Kraftstoffen aus organischen Abfallstoffen. Dazu werden erstmals fermentative Verfahren und bio-elektrische Systeme zu einem neuen Prozess kombiniert. In diesem Prozess werden die Abfallstoffe zunächst in einem 'dark fermentation reactor' fermentativ in organische Säuren umgewandelt und anschließend einer bio-elektrochemischen Konversion, bestehend aus einer Anoden- und einer Kathodenkammer zugeführt werden. An der Anode werden die gelösten organischen Säuren durch exoelektrogene Bakterien zu CO2, H+ und e- oxidiert. Während die Protonen durch eine PEM (proton exchange membrane) der Kathode zugeführt werden, geben die Bakterien die freiwerdenden Elektronen an die Anode ab, so dass diese über eine elektrische Verbindung an die Kathode weiter geleitet werden. Das gebildete CO2 wird ergänzend bedarfsgerecht der Kathode zugeführt. Die Einzelziele des Projektes sind wie folgt definiert: - Entwicklung und Erprobung eines geeigneten Anoden- und Kathodenmaterials und Optimierung der Elektrodenstruktur - Untersuchung der biologischen Diversität der Mikroorganismen an den Elektroden - Optimierung des fermentativ bioelektrochemischen Gesamtverfahrens unter technischen Aspekten im Labormaßstab. Im Berichtszeitraum wurden im Wesentlichen folgende Arbeiten durchgeführt: Ausgehend von Vorarbeiten zur Wasserstoffproduktion mit Edelstahlkathoden in dem für die Methanogenen geeigneten Kulturmedium, wurde iterativ ein auf die Anforderungen der Kathodenentwicklung hin optimiertes Reaktorkonzept entwickelt. Eine Hauptanforderung an den Reaktor ist dabei die integrierte CO2-Versorgung. Hinsichtlich der Entwicklung eines geeigneten Biofilm-Trägermaterials wurden vergleichende Untersuchungen mit Glasfasern und Nanofasern aus Polyacrylnitril (PAN) in einer Kultur von M. barkeri durchgeführt. Die PAN-Nanofasern wurden teilweise zusätzlich mit (3-Aminopropyl)triethoxysilan (ATPES) behandelt, um deren Oberfläche mit positiven Ladungen auszurüsten und so die Biofilmansiedlung zu verbessern. In verschiedenen Langzeitexperimenten mit bioelektrochemischen Systemen, die mit Perkolat als Substrat betrieben wurden, konnte gezeigt werden, dass die bereits im Perkolat bestehende Community an Organismen in der Lage ist, die enthaltenen organischen Säuren komplett zu oxidieren. Dabei konnten Stromstärken von bis zu 0,5 mA/cm2 Anodenfläche gemessen werden. Die durchgeführten Untersuchungen zum fermentativen Aufschluss der Abfallstoffe belegen, dass die gewählten Substrate sehr gut in organische Säuren überführt werden können. Es traten keinerlei Prozessstörungen auf. In HPLC-Untersuchungen konnten keine Alkohole und Zucker im Perkolat nachgewiesen werden. Die Untersuchung des Perkolats zeigte für pH-6,0 die höchsten Konzentrationen an organischen Säuren, besonders die Gehalte an Essigsäure und Buttersäure lagen im Vergleich deutlich über den Werten bei pH-5,5.

Teil 3

Das Projekt "Teil 3" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Institut für Mikrosystemtechnik durchgeführt. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines vollkommen neuen Verfahrens zur Erzeugung von gasförmigen Kraftstoffen aus organischen Abfallstoffen. Dazu werden erstmals fermentative Verfahren und bio-elektrische Systeme zu einem neuen Prozess kombiniert. In diesem Prozess werden die Abfallstoffe zunächst in einem 'dark fermentation reactor' fermentativ in organische Säuren umgewandelt und anschließend einer bio-elektrochemischen Konversion, bestehend aus einer Anoden- und einer Kathodenkammer zugeführt werden. An der Anode werden die gelösten organischen Säuren durch exoelektrogene Bakterien zu CO2, H+ und e- oxidiert. Während die Protonen durch eine PEM (proton exchange membrane) der Kathode zugeführt werden, geben die Bakterien die freiwerdenden Elektronen an die Anode ab, so dass diese über eine elektrische Verbindung an die Kathode weiter geleitet werden. Das gebildete CO2 wird ergänzend bedarfsgerecht der Kathode zugeführt. Die Einzelziele des Projektes sind wie folgt definiert: - Entwicklung und Erprobung eines geeigneten Anoden- und Kathodenmaterials und Optimierung der Elektrodenstruktur - Untersuchung der biologischen Diversität der Mikroorganismen an den Elektroden - Optimierung des fermentativ bioelektrochemischen Gesamtverfahrens unter technischen Aspekten im Labormaßstab. Im Berichtszeitraum wurden im Wesentlichen folgende Arbeiten durchgeführt: Ausgehend von Vorarbeiten zur Wasserstoffproduktion mit Edelstahlkathoden in dem für die Methanogenen geeigneten Kulturmedium, wurde iterativ ein auf die Anforderungen der Kathodenentwicklung hin optimiertes Reaktorkonzept entwickelt. Eine Hauptanforderung an den Reaktor ist dabei die integrierte CO2-Versorgung. Hinsichtlich der Entwicklung eines geeigneten Biofilm-Trägermaterials wurden vergleichende Untersuchungen mit Glasfasern und Nanofasern aus Polyacrylnitril (PAN) in einer Kultur von M. barkeri durchgeführt. Die PAN-Nanofasern wurden teilweise zusätzlich mit (3-Aminopropyl)triethoxysilan (ATPES) behandelt, um deren Oberfläche mit positiven Ladungen auszurüsten und so die Biofilmansiedlung zu verbessern. In verschiedenen Langzeitexperimenten mit bioelektrochemischen Systemen, die mit Perkolat als Substrat betrieben wurden, konnte gezeigt werden, dass die bereits im Perkolat bestehende Community an Organismen in der Lage ist, die enthaltenen organischen Säuren komplett zu oxidieren. Dabei konnten Stromstärken von bis zu 0,5 mA/cm2 Anodenfläche gemessen werden. Die durchgeführten Untersuchungen zum fermentativen Aufschluss der Abfallstoffe belegen, dass die gewählten Substrate sehr gut in organische Säuren überführt werden können. Es traten keinerlei Prozessstörungen auf. In HPLC-Untersuchungen konnten keine Alkohole und Zucker im Perkolat nachgewiesen werden. Die Untersuchung des Perkolats zeigte für pH-6,0 die höchsten Konzentrationen an organischen Säuren, besonders die Gehalte an Essigsäure und Buttersäure lagen im Vergleich deutlich über den Werten bei pH-5,5.

Sub project G

Das Projekt "Sub project G" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von bbe Moldaenke GmbH durchgeführt. SIGN bearbeitet die Entwicklung und Weiterentwicklung von Konzepten des Umweltmanagements, das durch innovative Methoden der gezielten, langfristig ausgelegten Umweltbeobachtung unterstützt wird. Das Teilprojekt ErEnSen fokussiert sich dabei auf den Einsatz von neu erforschten und entwickelten Sensoren, die helfen sollen, die räumliche und zeitliche Dynamik des Algenwachstums, seiner Zusammensetzung und seines Gefährdungspotentials für Trinkwasser zu beurteilen . Das Ziel dieses Teilprojekts ist die Entwicklung und der Betrieb neuer Monitoring - Technologien. Die Aktivitäten sind unterteilt in drei Arbeitspakete (APs). Zuerst wird eine tauchbare Sonde entwickelt, die nicht nur Algen und Algenklassen, sondern auch deren photosynthetische Aktivität messen kann unabhängig vom Sonnenlicht. Das zweite AP betrifft die Entwicklung eines Monitors im Online-Betrieb, der als indirekter Cyanotoxin-Monitor bei der Trinkwasseraufnahme angewendet wird. Dieser Monitor erlaubt die Beobachtung des Status von Cyanobakterienmembranen und zieht Rückschlüsse von diesen Signalen auf die Freisetzung der Toxine aus den Zellen. Der dritte Schritt (AP3) betrifft die Einbindung des Toxinmonitors als Teil eines Bojensystems, der Monitor wird umkonstruiert zum Einsatz an einer Boje. Alle bbe Technologien werden Teil eines Frühwarn,- Monitoring und Vorhersagesystems.

Teil 2

Das Projekt "Teil 2" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Angewandte Biowissenschaften, Abteilung Angewandte Mikrobiologie durchgeführt. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines vollkommen neuen Verfahrens zur Erzeugung von gasförmigen Kraftstoffen aus organischen Abfallstoffen. Dazu werden erstmals fermentative Verfahren und bio-elektrische Systeme zu einem neuen Prozess kombiniert. In diesem Prozess werden die Abfallstoffe zunächst in einem 'dark fermentation reactor' fermentativ in organische Säuren umgewandelt und anschließend einer bio-elektrochemischen Konversion, bestehend aus einer Anoden- und einer Kathodenkammer zugeführt werden. An der Anode werden die gelösten organischen Säuren durch exoelektrogene Bakterien zu CO2, H+ und e- oxidiert. Während die Protonen durch eine PEM (proton exchange membrane) der Kathode zugeführt werden, geben die Bakterien die freiwerdenden Elektronen an die Anode ab, so dass diese über eine elektrische Verbindung an die Kathode weiter geleitet werden. Das gebildete CO2 wird ergänzend bedarfsgerecht der Kathode zugeführt. Die Einzelziele des Projektes sind wie folgt definiert: - Entwicklung und Erprobung eines geeigneten Anoden- und Kathodenmaterials und Optimierung der Elektrodenstruktur - Untersuchung der biologischen Diversität der Mikroorganismen an den Elektroden - Optimierung des fermentativ bioelektrochemischen Gesamtverfahrens unter technischen Aspekten im Labormaßstab. Im Berichtszeitraum wurden im Wesentlichen folgende Arbeiten durchgeführt: Ausgehend von Vorarbeiten zur Wasserstoffproduktion mit Edelstahlkathoden in dem für die Methanogenen geeigneten Kulturmedium, wurde iterativ ein auf die Anforderungen der Kathodenentwicklung hin optimiertes Reaktorkonzept entwickelt. Eine Hauptanforderung an den Reaktor ist dabei die integrierte CO2-Versorgung. Hinsichtlich der Entwicklung eines geeigneten Biofilm-Trägermaterials wurden vergleichende Untersuchungen mit Glasfasern und Nanofasern aus Polyacrylnitril (PAN) in einer Kultur von M. barkeri durchgeführt. Die PAN-Nanofasern wurden teilweise zusätzlich mit (3-Aminopropyl)triethoxysilan (ATPES) behandelt, um deren Oberfläche mit positiven Ladungen auszurüsten und so die Biofilmansiedlung zu verbessern. In verschiedenen Langzeitexperimenten mit bioelektrochemischen Systemen, die mit Perkolat als Substrat betrieben wurden, konnte gezeigt werden, dass die bereits im Perkolat bestehende Community an Organismen in der Lage ist, die enthaltenen organischen Säuren komplett zu oxidieren. Dabei konnten Stromstärken von bis zu 0,5 mA/cm2 Anodenfläche gemessen werden. Die durchgeführten Untersuchungen zum fermentativen Aufschluss der Abfallstoffe belegen, dass die gewählten Substrate sehr gut in organische Säuren überführt werden können. Es traten keinerlei Prozessstörungen auf. In HPLC-Untersuchungen konnten keine Alkohole und Zucker im Perkolat nachgewiesen werden. Die Untersuchung des Perkolats zeigte für pH-6,0 die höchsten Konzentrationen an organischen Säuren, besonders die Gehalte an Essigsäure und Buttersäure lagen im Vergleich deutlich über den Werten bei pH-5,5.

SP 4

Das Projekt "SP 4" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bremen, Institut für Biochemie, Centrum für Biomolekulare Interaktionen in Bremen (CBIB) durchgeführt. Projektziel: Das Hauptziel von CATCHY ist, Zwischenfrüchte zur Entwicklung innovativer Anbausysteme einzusetzen, die die Bodenfruchtbarkeit erhalten und verbessern. Zu den Zielen gehört auch ein besseres Verständnis der Ursache-Wirkungs-Beziehungen von Bodenfruchtbarkeitsparametern, biologischen Funktionen und Wechselwirkungen in Boden und Rhizosphäre. Die funktionale Ausrichtung wird ergänzt durch eine agronomische und sozioökonomische Management-Interaktion. Hintergrund: Der Zwischenfruchtanbau ist eine wichtige Agrarumweltmaßnahme und trägt als langfristige Meliorationsmaßnahme zur Verbesserung und Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit in Fruchtfolgesystemen sowie der komplexen Bodenfunktionen bei. Zwischenfrüchte haben einen positiven Einfluss auf chemische und physikalische Bodenparameter sowie einen multifaktoriellen positiven pflanzenbaulichen Einfluss auf die Fruchtfolgen. Während heute meist einzelne Zwischenfrüchte eingesetzt werden, sollen diverse Zwischenfruchtmischungen zu wissensbasierten Lösungsansätzen beitragen, um Anbaustrategien und Bodenmanagement zu optimieren. Ergebnisausblick: Die Ergebnisse sollen als Grundlage zur Weiterentwicklung systemoptimierter kommerzieller Zwischenfruchtmischungen dienen. Ackerbauliche Anbausysteme sollen im Sinne der Nachhaltigkeit insbesondere in Bezug auf Bodenfunktionsparameter optimiert werden. Beratungskonzepte und -inhalte sollen im Hinblick auf ressourcenoptimierte Bodenbewirtschaftungssysteme angepasst bzw. transformiert werden. Analysen zur Wirtschaftlichkeit und Akzeptanz der entwickelten agronomischen Ansätze werden in das Projekt integriert.

SP 5

Das Projekt "SP 5" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Justus-Liebig-Universität Gießen, Institut für Agrarpolitik und Marktforschung, Professur für Agrar- und Umweltpolitik durchgeführt. Projektziel: Das Hauptziel von CATCHY ist, Zwischenfrüchte zur Entwicklung innovativer Anbausysteme einzusetzen, die die Bodenfruchtbarkeit erhalten und verbessern. Zu den Zielen gehört auch ein besseres Verständnis der Ursache-Wirkungs-Beziehungen von Bodenfruchtbarkeitsparametern, biologischen Funktionen und Wechselwirkungen in Boden und Rhizosphäre. Die funktionale Ausrichtung wird ergänzt durch eine agronomische und sozioökonomische Management-Interaktion. Hintergrund: Der Zwischenfruchtanbau ist eine wichtige Agrarumweltmaßnahme und trägt als langfristige Meliorationsmaßnahme zur Verbesserung und Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit in Fruchtfolgesystemen sowie der komplexen Bodenfunktionen bei. Zwischenfrüchte haben einen positiven Einfluss auf chemische und physikalische Bodenparameter sowie einen multifaktoriellen positiven pflanzenbaulichen Einfluss auf die Fruchtfolgen. Während heute meist einzelne Zwischenfrüchte eingesetzt werden, sollen diverse Zwischenfruchtmischungen zu wissensbasierten Lösungsansätzen beitragen, um Anbaustrategien und Bodenmanagement zu optimieren. Ergebnisausblick: Die Ergebnisse sollen als Grundlage zur Weiterentwicklung systemoptimierter kommerzieller Zwischenfruchtmischungen dienen. Ackerbauliche Anbausysteme sollen im Sinne der Nachhaltigkeit insbesondere in Bezug auf Bodenfunktionsparameter optimiert werden. Beratungskonzepte und -inhalte sollen im Hinblick auf ressourcenoptimierte Bodenbewirtschaftungssysteme angepasst bzw. transformiert werden. Analysen zur Wirtschaftlichkeit und Akzeptanz der entwickelten agronomischen Ansätze werden in das Projekt integriert.

Sub project: Core Project 9 'Soil' Linking biodiversity and land use to soil functions

Das Projekt "Sub project: Core Project 9 'Soil' Linking biodiversity and land use to soil functions" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Max-Planck-Institut für Biogeochemie durchgeführt. Böden sind als Standort für Pflanzen und Lebensraum für eine Vielzahl von Mikroorganismen ein integraler Bestandteil von Ökosystemen. Das Kernprojekt Boden stellt grundlegende Daten über Bodeneigenschaften und Bodenfunktionen bereit. Wir organisieren zudem koordinierte Bodenprobenahmen auf den Experimentier-Flächen (EP) und beteiligen uns an der Synthese in den Biodiversitäts Exploratorien (BE). Im Vordergrund steht dabei die Fragestellung, wie sich Landnutzung und Biodiversität auf den Eintrag, die Speicherung und die Stabilität von Kohlenstoff und Nährstoffen im Boden auswirken. In der vergangenen Projektphase der BE haben wir 2017 die koordinierte Bodenprobenahme auf allen EP wiederholt und grundlegende Bodenparameter für weitere Projekte zur Verfügung gestellt. Wir haben zudem das Monitoring des Streufalls auf allen Waldflächen fortgesetzt. Wir konnten zeigen, dass der Streufall in den ungenutzten Wäldern größer als in genutzten Wäldern war, wozu insbesondere die größere Menge an Zweigen, Ästen und Früchten im ungenutzten Wald beitrug. Die Umsatzzeiten von Kohlenstoff in der organischen Auflage zeigen, dass diese sowohl durch den Standort (z.B. pH Wert, Nährstoffverfügbarkeit) als auch durch die Qualität der Streu beeinflusst werden. Der Abbau von organischer Substanz wurde auf allen Experimentier-Flächen in situ durch Messung der Bodenatmung bestimmt. Durch die Trockenheit im Sommer 2018 waren die gemessenen Bodenatmungsraten gering. Trotzdem konnten im Wald Effekte der Untersuchungsregion, der Landnutzung und der Hauptbaumart nachgewiesen werden. Die Nährstoffauswaschung wurde mit Austauscherharzen im Jahr 2018/19 kumulativ bestimmt, so dass die Analyse noch nicht abgeschlossen ist. In der kommenden Projektphase werden wir das Bodenmonitoring auf allen EP fortsetzen. In enger Kooperation mit anderen Projekten werden wir eine weitere Bodenprobenahme auf allen 300 EP organisieren. Diese Probenahme wird dann auch die neu etablierten Wald- und Grünlandexperimente einschließen. Auf allen Flächen werden wir grundlegende Bodeneigenschaften und Indikatoren für die Bodenqualität bestimmen, auch um die Vergleichbarkeit der neuen Versuchsflächen mit den bisherigen Untersuchungsflächen (den Kontrollflächen) sicherzustellen. Wir werden das Bodenprobenarchiv sowie das Streufall-Monitoring in den BE fortführen. Da die zentrale Frage des Waldexperiments ist, inwiefern ein Lückenschlag durch geänderte Resourcenverfügbarkeit die Biodiversität beeinflusst, werden wir in den neu etablierten Lücken sowohl den Streueintrag, als auch die Nährstoffverfügbarkeit im Boden bestimmen. Wir werden überprüfen, ob diese Änderungen in der Nährstoffverfügbarkeit durch den Abbau von organischer Bodensubstanz bedingt werden. Dazu werden wir die Bodenatmung, Enzymaktivitäten, den Streuabbau und die Aktivität der Bodenfauna bestimmen. Zusätzlich zu unseren bisherigen Synthese-Aktivitäten werden wir dann zur gemeinsamen Bewertung des Waldexperimentes beitragen.

Teilprojekt F

Das Projekt "Teilprojekt F" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Helmholtz-Zentrum Dresden-Roßendorf e.V., Institut für Ressourcenökologie durchgeführt. Als Ziel des Projektes soll die Frage geklärt werden, inwieweit EPS Bestandteile (extrazelluläre polymerische Substanzen) und von Mikroorganismen produzierte Metabolite in der Lage sind, die Ausbreitung von Actiniden, im besonderen Uran, Americium und als chemisches Analogon Europium zu beeinflussen, d.h. zu mobilisieren oder immobilisieren. 1. Bestimmung der anorganischen und organischen Zusammensetzung der 'bulk solution' und des Wassers im Innern der Biofilme inkl. TRLFS 2. EPS Analytik 3. Mikrobielle Diversität 4. Bestimmung geochemischer Parameter (pH, Eh, gelöste O2 Konz.) in den Biofilmen 5. Speziationsrechnungen 6. CLSM- Anfärben struktureller Biofilmkomponenten (inkl. EPS)- Bildbearbeitung: Darstellung der Biofilm Struktur - Detektion fluoreszierender Metalle in Biofilmen bzw. Mikroorganismen mittels CLSM/LIFS 7. Elektronenmikroskopie REM/EDX und TEM/EDX

Sub project: Biodiversity and land-use effects on root biomass and arbuscular mycorrhizal communities in roots

Das Projekt "Sub project: Biodiversity and land-use effects on root biomass and arbuscular mycorrhizal communities in roots" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Freie Universität (FU) Berlin, Institut für Biologie, Arbeitsgruppe Ökologie der Pflanzen durchgeführt. As most land use practices in grasslands (grazing, mowing) remove aboveground plant biomass, an important carbon sink in grasslands is plant roots. Thus, knowledge on the impact of land use on root growth and biomass is important for studies on belowground biota and for models of carbon sink strength. Arbuscular mycorrhizyal fungi (AMF) are among the most common microbes associated with roots, providing a direct link from above to belowground biota, as AMF in roots are directly influenced by their host plant. We predict that host plant identity and specific plant traits (e.g. root structure) will lead to phylogenetic clustering in AMF communities, which should lead to closely related plant species being colonized by similar AMF. With increasing land use intensity AMF species richness declines, which will dissolve phylogenetic clusters, leading to more uniform communities between plants. We will also collaborate on a fine-scale (temporal and spatial) study where we expect variation in plant communities to lead to unique assemblages of AMF which are directly linked to diversity in other soil microorganism groups. Our project will yield data on AMF communities in roots at an unprecedented level of comprehensiveness, enabling us to test critical hypotheses about phylogenetic controls on communities. Through full integration in the Exploratory design the project will engender maximal synergies with other projects.

Teilprojekt B

Das Projekt "Teilprojekt B" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik durchgeführt. Mit einer Biomasse von 379 Mio. Tonnen stellt der antarktische Krill Euphausia superba eine vielversprechende Ressource für biotechnologische Anwendungen dar. Überraschenderweise ist bisher allerdings noch sehr wenig über das Mikrobiom des Krill-Darms und eine damit entsprechende biotechnologische Nutzung bekannt. Deshalb soll im Rahmen des Projekts KiGuMi die mikrobielle Diversität des Krills untersucht und so genannte metaOMICS-Verfahren auf der Genom-, Transkriptom-, Proteom- sowie Metabolom-Ebene etabliert und angewendet werden. Am Fraunhofer IGB sollen dabei mithilfe neuester Verfahren der Metagenomik und Transkriptomik die Komplexität und die Variabilität der genetischen Repertoires bestimmt und in Datenbanken organisiert werden. Isolate aus dem Krill-Darm sollen sowohl phänotypisch hinsichtlich ihrer Fähigkeit Polymere abzubauen, als auch auf Ebene ihrer Erbinformation charakterisiert werden, um damit auch die zugrundeliegenden Gene zu identifizieren und einer biotechnologischen Anwendung zuzuführen.

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