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Die Bedeutung von Pflanzenstreu für die Keimlingsetablierung von krautigen Arten aus Grünland- und Waldgesellschaften

Abgestorbene Pflanzenteile (Streu) stellen eine wichtige Komponente biogeochemischer Nährstoffzyklen dar. Die Abbaurate von Streu durch Mineralisationsprozesse ist eine Steuergröße für die Produktivität von Ökosystemen und die Zusammensetzung von Pflanzengemeinschaften. Abgesehen von diesen langfristigen Effekten auf Ökosystemprozesse übt die Akkumulation von Pflanzenstreu jedoch auch bedeutende kurzfristige Auswirkungen auf Pflanzengemeinschaften aus. Diese können direkter Natur sein, z.B. wenn Streu als physische Barriere für die Entfaltung und Etablierung von Keimlingen wirkt, oder sie können indirekt über Veränderung abiotischer Bedingungen wirken. Die Zusammensetzung lokaler Pflanzengemeinschaften wird durch eine Reihe von Filtern kontrolliert, die aus dem globalen Artenpool jene Arten durchlassen, die (i) einen spezifischen Wuchsort überhaupt erreichen, (ii) die lokalen Standortbedingungen tolerieren und (iii) erfolgreich Interaktionen mit anderen Organismen derselben oder anderer trophischer Ebenen eingehen. Verschiedene Studien haben die wichtige Bedeutung von Interaktionen nach dem Tode , die durch die Effekte von Streu auf Artenzusammensetzung und Diversität vermittelt werden, hingewiesen. Pflanzenstreu besitzt das Potential, Etablierung und Fitness von Pflanzen in unterschiedlichen Entwicklungsstadien zu beeinträchtigen. Dies geschieht durch Veränderung der chemischen (Nährstoffverfügbarkeit, Allelopathische Effekte) oder physikalischen Umwelt (Quantität und Qualität des Lichts, Temperaturamplitude, Bodenfeuchte unter einer Streudecke), durch mechanische Effekte (Streu als Barriere für das Wachstum von Keimlingen) oder durch die Beeinflussung biotischer Interaktionen, d.h. durch Auswirkungen von Streu auf Konkurrenz zwischen Pflanzenarten oder auf Herbivorie. In einer Reihe von Experimenten haben wir verschiedene Aspekte des potentiellen Effekts einer Streudecke auf die Etablierung von Keimlingen unterschiedlicher Arten von Grünland-, Wald und Steppenhabitaten untersucht (siehe Veröffentlichung).

Forschergruppe (FOR) 2401: Optimierungsbasierte Multiskalenregelung motorischer Niedertemperatur-Brennverfahren, Teilprojekt: Chemische Grundlagen für die Modellentwicklung zur Motorenregelung

Das Teilprojekt stellt die chemischen Grundlagen für die Forschergruppe bereit. Es widmet sich der Analyse von Speziesprofilen, die für die Entwicklung und kritische Validierung der reaktionskinetischen Modelle für die motorischen Teilprojekte benötigt werden und die dann in die Regelung einfließen. Diese Analysen sollen vornehmlich unter Niedertemperaturbedingungen an den Surrogatbrennstoffen iso-Oktan (für die GCAI-Verbrennung in TP3) und n-Heptan (für die PCCI-Verbrennung in TP4) in einem Strömungsreaktor erfolgen. Mehrere Teilaspekte stehen im Fokus der reaktionskinetischen Untersuchungen. Für die GCAI-Bedingungen steht die Veränderung der Zündwilligkeit unter Wasserzusatz im Vordergrund. Die Effekte variabler Addition von Wasser zu iso-Oktan sollen für ein Parameterfeld bei unterschiedlichen Bedingungen untersucht werden, um die Grundlagen des Wasserzusatzes auf die Reaktionskinetik im Niedertemperaturbereich zu verstehen und in die Modellbildung zu übertragen. Die geplanten Untersuchungen stellen weitgehend Neuland dar. Zur Unterstützung sollen einige Analysen hierzu auch unter den stabilen Bedingungen vorgemischter ebener Niederdruckflammen stattfinden. Für die Modellbildung im Bereich der PCCI-Verbrennung sind detaillierte Untersuchungen der Bildung von Rußvorläuferspezies im Bereich bis zu etwa vier aromatischen Ringen insbesondere unter Niedertemperaturbedingungen geplant. Während die Reaktionen zur Bildung des ersten aromatischen Ringes als sehr gut verstanden gelten können, weist das grundlegende Verständnis der Bildungskinetik in der molekularen Vorläuferphase bis zu etwa 3-4 aromatischen Ringen noch sehr große Lücken auf. Dieser Phase, an die sich die erste Partikelnukleation zum Beispiel über Dimerisierung der mehrkernigen Aromaten anschließt, kommt innerhalb der Reaktionsketten vom Brennstoffmolekül zum Rußkeim eine große Bedeutung zu. Das entsprechende fundamentale Wissen ist für die Modellentwicklung in TP4 von entscheidender Bedeutung. Die Arbeiten sollen daher auch durch die Untersuchung besonders brennstoffreicher Zonen in einer nicht vorgemischten Flamme unterstützt werden. Für beide motorische Verfahren ist es zudem interessant, die Einflüsse der Zumischung von Abgaskomponenten auf die Reaktionskinetik zu verstehen. Anknüpfend an die Untersuchungen zur Wasserbeimischung sind hierzu einige grundlegende Analysen geplant. Zur Erfassung der Spezies als Funktion der Reaktionsbedingungen sollen an allen Versuchsträgern verschiedene Varianten massenspektrometrischer Verfahren eingesetzt werden, mit denen in der Arbeitsgruppe große Erfahrung vorliegt. Als unterstützende Techniken werden Gaschromatographie sowie Laserverfahren zur Temperaturbestimmung eingesetzt.

Biogeochemische Prozesse und Ozean/Atmosphäre- Austauschprozesse in marinen Oberflächenfilmen (BASS): Chemische und Photochemische Umsetzung Organischer Stoffe

Die Grenzfläche zwischen Ozean und Atmosphäre ist durch einen allgegenwärtigen, < 1 mm dicken marinen Oberflächenfilm, den sogenannten sea-surface microlayer (SML), charakterisiert. Der SML ist nicht nur direkter UV-Strahlung und atmosphärischen Oxidantien ausgesetzt, sondern zeichnet sich im Vergleich zum unterliegenden Wasser auch durch höhere Konzentrationen an organischen Stoffen aus. Bisher ist unklar, welche Bedeutung die dadurch bedingten SML-spezifischen abiotischen Prozesse für die Umsetzung und die Emission organischer Stoffe insgesamt haben und wie man diese Prozesse parametrisieren kann. In diesem Projekt, das eng mit anderen Projekten der interdisziplinären Forschungsgruppe â€ÌBiogeochemische Prozesse und Ozean/Atmosphäre- Austauschprozesse in marinen Oberflächenfilmen (BASS)â€Ì verbunden ist, sollen daher molekulare Details SML-spezifischer Reaktionen (Photochemie, heterogene Oxidation, Radikalchemie) genauer untersucht werden. Ziel ist es, Reaktionsprodukte und -geschwindigkeiten quantitativ zu erfassen und Unterschiede zwischen Reaktionen im SML und in der freien Wassersäule herauszuarbeiten. Basierend auf der Expertise der drei beteiligten Arbeitsgruppen im Bereich Photochemie, Reaktionskinetik, Laserspektroskopie, Analytik und theoretischer Modellierung, soll ein molekulares Verständnis ausgewählter Reaktionen und des Einflusses der komplexen SML-Reaktionsumgebung erreicht werden. Dazu sollen experimentelle Verfahren wie Schwingungs-Summenfrequenzerzeugung, hochempfindliche Chromatographie-Massenspektrometrie und gepulste Laserphotolyse-Langwegabsorption mit Methoden der Quantenchemie und Molekulardynamik kombiniert werden. Arbeitsschwerpunkte bilden die Oxidationskinetik von Halogen- bzw. Hydroxyl-Radikalreaktionen in der flüssigen Phase, die Ozonolyse von Fettsäure-Monoschichten und die durch Photosensibilisatoren verstärkte Bildung von reaktiven Radikalen bzw. Zersetzung von organischen Schichten. Neben wohldefinierten Labor-Modellsystemen werden auch natürliche Proben analysiert werden. Dabei stellt sich z.B. die Frage nach den Einflussfaktoren der während einer Algenblüte zunehmenden Bildung von oberflächenaktiven Stoffen im SML und der Bedeutung der durch die Sonne bedingten Photolyse auf die abiotische Umsetzung organischer Stoffe. Flankierend werden im Projekt auch die eingesetzten Untersuchungsmethoden weiterentwickelt; das beinhaltet sowohl die Ausarbeitung von Messprotokollen zur Quantifizierung bestimmter organischen Substanzklassen (z.B. Carbonyle und Kohlenhydrate) im SML, die Synthese und Charakterisierung von neuartigen oberflächenaktiven Photosensibilisatoren (z.B. Benzoyl-Benzoesäure-funktionalisierte Lipide) sowie die Entwicklung und Erprobung mehrstufiger Modellierungsverfahren zur theoretischen Beschreibung von Struktur-Reaktivitätsbeziehungen der Fettsäure-Ozonolyse (z.B. Beschreibung des Einflusses sterischer und elektronischer Effekte der organischen Matrix).

Retentionsverhalten und Abbau von Bioziden anhand von Labor- und Feldversuchen in Weinbaugebieten im Hinblick auf die Kontamination des Grundwassers

Untersucht wird das Vermoegen der Boeden, Biozide sorptiv zu binden. Weiterhin sollen die Abbaurate im Boden bestimmt und die entsprechenden Metabolite der Biozide ermittelt werden.

Führt eine gesteigerte Siliziumverfügbarkeit zu eine Erhöhung der Mineralisierung von organischem Material in Niedermooren?

Silizium (Si) spielt eine wichtige Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf. Die Si-Verfügbarkeit in Ökosystemen ist dabei sehr unterschiedlich, abhängig von Ökosystemtyp, Ausgangsgestein, Vegetation und weiteren Faktoren. Aktuelle Forschung hat gezeigt, dass die Si-Verfügbarkeit entscheidend für Nährstoffgehalt und Nährstoffstöchiometrie von pflanzlicher Streu ist; besonders deutlich ist dieser Zusammenhang in Gräser-dominierten Systemen. Bedeutend in dem Zusammenhang ist eine gesteigerte Abbaurate von organischem Material bei gesteigerter Si-Verfügbarkeit. Pflanzenstreu mit geringen Nährstoffgehalten wird bekanntermaßen langsamer abgebaut als nährstoffreiche Streu. Allerdings konnte kürzlich gezeigt werden, dass nährstoffarme Streu mit hohen Si-Gehalten schneller abgebaut wird als nährstoffreiche Streu mit wenig Si. Dabei wurde gleichzeitig durch die Erhöhung des Si-Gehaltes der Streu die Biomasse der abbauenden Pilze stark reduziert. Dies beweist die Bedeutung von Si für den Kohlenstoffkreislauf und die mikrobielle Abbaugemeinschaft in von Gräsern dominierten Ökosystemen. Niedermore, als wichtige Kohlenstoffspeicher und bedeutende Treibhausgas-emittenden, sind solche von Gräsern dominierten Ökosysteme mit einem potentiell hohen Einfluss von Si auf den Kohlenstoffkreislauf. Eine Vorabstudie, welche den Einfluss von Si auf den Kohlenstoffkreislauf in einem Niedermoor untersuchte, zeigte eine verstärkte Respiration mit einer Vordopplung der Methangehalte im Torfkörper auf Si gedüngten Flächen. Allerdings wurde gleichzeitig zu den erhöhten Respirationsraten auch ein Anstieg der Phosphorgehalte (P) in der Bodenlösung gemessen. Eine Erhöhung des verfügbaren P führt bekanntermaßen ebenfalls zu einer Erhöhung der Respiration. Das Ziel des beantragten Projektes ist die direkten Effekte von Si auf den Kohlenstoffkreislauf von den indirekten Effekten (durch die Si bedingte P-Mobilisierung) zu trennen und eine Quantifizierung beider Prozesse vorzunehmen. Unsere Hypothesen sind (i) eine höhere Si Verfügbarkeit führt zu einer Steigerung der Respiration organischer Substanz (Torf), durch (ii) direkte Si-Effekte und indirekte Si-Effekte durch eine Steigerung der P-Verfügbarkeit, (iii) die Steigerung der Respiration durch Si wird vorrangig durch Bakterien als durch Pilze erzielt und (iv) eine Steigerung der Si Verfügbarkeit führt zu einer Steigerung von P und N Verfügbarkeit, Umsatz und Aufnahme durch Pflanzen und damit zu labilerer Streu. Die Mechanismen zu verstehen auf welche Weise Si den Kohlenstoffkreislauf in Niedermooren beeinflusst ist ein wichtiger Teil eines verbesserten Verständnisses des terrestrischen Kohlenstoffkreislaufs.

Regenerative Reinigung organisch und anorganisch kontaminierter Feststoffe durch Oxidation

In diesem Vorhaben werden die Einsatzmoeglichkeiten von in der Wassertechnologie gaengigen Oxidationsverfahren, speziell der Ozonung, im Bereich der Reinigung von Feststoffen untersucht. Dabei standen bisher in erster Linie organisch kontaminierte Boeden von ehemaligen Gaswerksstandorten im Mittelpunkt. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl bei einer in-situ- als auch einer ex-situ-Behandlung eine ueber 95prozentige Elimination der Schadstoffklasse der PAK moeglich ist. Der Ozonbedarf betraegt dabei im Falle einer in-situ -Anwendung etwa 5 g Ozon je g organisch gebundenem Kohlenstoff. Durch die Einstellung geeigneter Reaktionsbedingungen, was jedoch nur ex-situ moeglich ist, laesst sich dieser Verbrauch auf 3,5 g/g reduzieren. In einer Parallelreaktion werden ferner die natuerlichen Huminstoffe und auch sulfidische Mineralphasen des Bodens umgesetzt. Dabei kommt es auf gering gepufferten Boeden zu einer Versauerung, der durch eine Kalkung entgegengewirkt werden kann. Von den organischen Oxidationsprodukten wurden nahzu 100 Verbindungen identifiziert. Diese sollen in einer nachfolgenden biologischen Behandlung vollstaendig mineralisiert und der Boden so fuer einen Wiedereinbau konditioniert werden.

Reaktionen in Metalloberflaechen

Alle unedlen Gebrauchsmetalle, wie Aluminium, Eisen und Zirkon, bilden bei der Reaktion mit Gasen oder waessrigen Medien mehr oder minder festhaftende Grenzschichten, welche den Angriff der korrodierenden Agenzien stark hemmen. Die Herabsetzung der Reaktionsgeschwindigkeit haengt von einer Reihe von Faktoren ab: Temperatur, Dicke und Haftung der Schicht, Diffusionsgeschwindigkeit der Agenzien, z.B. des Sauerstoffs, und der Metallkationen, etc. Die Haftung der Schicht und die Beweglichkeit der Reaktionspartner haengt wesentlich von der Konzentration von Fremdelementen in dem Matrixmetall und in der Schicht ab. Sowohl dieser Einfluss als auch die Abhaengigkeit des Konzentrationsverhaeltnisses der Fremdelemente in der Schicht und der Matrix von den Reaktionsbedingungen soll untersucht werden. Neben der allgemeinen, leicht erkennbaren technischen Bedeutung sind diese Arbeiten auch fuer die Wiederaufbereitung von Kernbrennstoffen von erheblichem Interesse. Wasserstoff bewirkt in vielen Metallen eine Versproedung, welche zu erhoehter Anfaelligkeit des Probestueckes gegen Korrosion und Bruch fuehrt. Generell sind zwei Wege fuer die Aufnahme des Wasserstoffs offen: a) Zersetzung von Wasser an der Oberflaeche und anschliessende Diffusion des Wasserstoffs durch die schuetzende Oxidschicht, b) Zersetzung des Wassers und Aufnahme des Wasserstoffs unmittelbar an der Metalloberflaeche, welche in Ritzen oder nicht festhaftenden Teilen der Schicht fuer einen direkten Kontakt mit der Loesung zugaenglich ist. Beide Wege sollen untersucht werden.

Zur Bestimmung kinetischer Daten und zur Verbesserung der Reaktionsführung bei heterogen-katalysierten Gas-Flüssig-Reaktionen - Untersuchungen anhand ausgewählter Reaktionen aus der Raffinerietechnik und Petrochemie

Im Rahmen des geplanten Forschungsvorhabens soll eine verbesserte Methode zur Bestimmung kinetischer Daten von Mehrphasenreaktionen entwickelt und getestet werden. Dabei soll ein Zweiphasenreaktor (Flüssigkeit und Katalysator) mit einer Vorsättigung der flüssigen Phase (z.B. bei Hydrierungen mit Wasserstoff) eingesetzt werden. Da nur eine fluide Phase vorliegt, wird der Einfluss der Fluiddynamik überschaubar. Da außerdem kein Stofftransport mehr aus der Gasphase in die Flüssigkeit erfolgt, bestimmen neben der chemischen Reaktion 'nur' noch Diffusionsvorgänge in der flüssigen (Kern)Phase bzw. in den Katalysatorproben die (effektive) Reaktionskinetik. Dieses wesentlich einfachere Reaktionssystem kann sehr genau untersucht werden, und zwar unter Bedingungen (Partikelgröße, Fluidgeschwindigkeit), die auch in technischen Reaktoren herrschen. Durch den anschließenden Vergleich mit Untersuchungen in einem Dreiphasenreaktor kann dann der Einfluss der Fluiddynamik und des Stofftransportes Gas/Flüssigkeit besser als mit den oben beschriebenen üblichen Methoden beurteilt werden. Diese Methode bietet sich allerdings nicht nur für kinetische Untersuchungen an, sondern auch für eine verbesserte Reaktionsführung bei Mehrphasenreaktionen. (...) Folgende Reaktionen, die in der chemischen Praxis bisher in Dreiphasen-Festbettreaktoren durchgeführt wurden, sollen näher untersucht werden: Hydrierung ungesättigter Kohlenwasserstoffe, Entschwefelung von Erdölfraktionen, die Hydrierung von Nitroaromaten, die Umsetzung von Kohlenmonoxid mit Wasserstoff in höhere Kohlenwasserstoffe wie z.B. Dieselöl durch Fischer-Tropsch-Synthese. Diese Modellsysteme wurden ausgewählt, da sie sich hinsichtlich der Kinetik und der notwendigen Reaktionsführung sehr deutlich unterscheiden. Auf diese Weise soll das Prinzip des Zweiphasenreaktors mit Vorsättigung der flüssigen Phase als Methode für kinetische Untersuchungen und als eine Alternative im Hinblick auf die Reaktionsführung von Mehrphasenreaktoren auf einer möglichst breiten Basis untersucht werden.

Quantifizierung und Modellierung des Kohlenstoffhaushaltes in Ackerböden auf der Grundlage bodenstrukturabhängiger Umsatzprozesse

Die Mehrzahl der gegenwärtig existierenden Modelle zur Beschreibung des Umsatzes organischer Substanz (OS) im Boden basiert auf der Unterteilung der OS in konzeptionelle Pools. Diese repräsentieren in unterschiedlichem Ausmaß stabilisierte Fraktionen, deren Größe nur sehr ungenau abgeschätzt werden kann. Ein wesentlicher Prozeß der Stabilisierung von OS im Boden ist der physikalische Schutz von umsetzbaren als auch von rekalzitranten Substanzen. Deshalb soll ein über die bisherige Beschreibung der reinen Reaktionskinetik hinausgehendes Modellkonzept für den gesamten Kohlenstoffhaushalt der Ackerböden entwickelt werden. Wesentliche Voraussetzungen für die Modellbildung sind die Quantifizierung der mikrobiell besiedelten inneren Bodenoberfläche und die Ableitung von Verteilungsmustern für OS und primäre Mineralpartikel in Aggregatfraktionen. Im ersten Förderungszeitraum soll die o.g. innere Bodenoberfläche von sich deutlich im OS-Gehalt unterscheidenden Bodenproben aus mehreren Dauerversuchen bestimmt werden. Unter Einbeziehung der Ergebnisse (Umsatzraten, C-Flüsse, Stabilisierungsmechanismen) der anderen im SPP eingebundenen Vorhaben sollen die Parameter des neu zu bildenden Modells abgeleitet werden; eine Modellvalidierung erfolgt an Daten aus Dauerversuchen in der EURO-SOMNET Datenbank.

Mortalität von Zooplankton in Seenökosysteme und seine Rolle im vertikalen Kohlenstofffluss (ZooFlux)

Die geplante Studie zielt darauf ab, die Rolle von totem Zooplankton im Kohlenstoffumsatz von aquatischen Ökosystemen zu quantifizieren. Dabei soll die Hypothese getestet werden, dass der mikrobielle Abbau der toten Körper während ihres Absinkens durch die Wassersäule den Abbau von refraktärem organischem Material beschleunigt (Priming). Das Projekt stellt ein gemeinsames Unternehmen eines internationalen Forscherteams aus Deutschland und Russland dar. Um den Beitrag des toten Zooplanktons für den Kohlenstoffkreislauf abzuschätzen, möchten wir Feldbeobachtungen, Laborexperimente und Modellierung miteinander verbinden. In-situ- Messungen der Mortalität und Sinkraten des Zooplanktons mittels Sedimentfallen werden durch Messungen der turbulenten Mischungsbedingungen in der geschichteten Wassersäule mithilfe moderner hydrodynamischer Techniken begleitet. Mikrobielle Besiedlung und Abbauraten des toten Zooplanktons sollen durch Laborversuche quantifiziert werden. Sowohl Feld-, Mesokosmos- und Labordaten sollen für ein erweitertes Modell zur Vorhersage der Retentionszeit der Zooplanktonkörper in der Wassersäule und deren Beitrag zum Kohlenstoffkreislauf verwendet werden. Verschiedene Modellszenarien fokussieren auf die Rolle von Umweltfaktoren für das Absinken und den Abbau von totem Zooplankton und deren mögliche Veränderungen durch klimabedingte Erwärmung des Seenhypolimnions.

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