Das Projekt "Teilprojekt C 05: Abbau und Verhalten von Kunststoffen und deren Mikroplastik-Partikeln in technischen Systemen der Wasser- und Abfallwirtschaft" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Lehrstuhl für Bioprozesstechnik durchgeführt. Teilprojekt C05 hat zum Ziel, den wichtigen Eintragsweg für Kunststoffe, in Form von Mikroplastik, in die Umwelt aus technischen Anlagen (MP) mechanistisch aufzuklären. Gleichzeitig sollen neue Ansätze verfolgt werden, die zur Vermeidung bzw. Reduktion von MP aus Standardkunststoffen maßgeblich beitragen sollen. Zu diesem Zweck sollen Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Nylon, Polyethylenterephthalat, Polyisopren und Polyvinylchlorid durch Beschleuniger (in situ) in ihren Oberflächeneigenschaften für die Biofilmbildung modifiziert und dadurch unter Prozessbedingungen biologisch angreifbar und abbaubar gemacht werden. So können auch Standardkunststoffe umweltverträglicher bezüglich der MP-Partikel Bildung werden. Damit geht TP C05 weit über die bislang üblichen eher deskriptiven Studien zu MP in technischen Anlagen und der Umwelt hinaus. Folgende zentrale Fragen sollen in TP C05 in Hinblick MP-Partikel in technischen Anlagen der Abfall- und Abwasserwirtschaft beantwortet werden: 1. Kommt es in den Anlagen zu spezifischen (biologischen) Abbau- und Degradationsvorgängen? 2. Wie hängen die zu beobachtenden Prozesse von MP-Charakteristika (Materialsorte, Zusammensetzung, Größe, Morphologie, Beschichtung) ab, ? 3. Lassen sich die Vorgänge ('Bioabbaubarkeit') durch gezielte Modifikation der Partikeloberfläche vor oder in den Anlagen beschleunigen? 4. Welche ökologischen Konsequenzen einer Ausbringung der (modifizierten) Partikel in die Umwelt und hier vor allem in den Boden lassen sich postulieren?
Das Projekt "Teilprojekt C 03: Enzymatischer Abbau von Mikroplastik" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bayreuth, Fachgruppe Chemie, Arbeitsgruppe Biochemie III durchgeführt. Obwohl die meisten Kunststoffe sehr biostabil sind, gibt es klare Belege dafür, dass Mikroben diese Materialien enzymatisch abbauen können. Durch die Kombination verschiedener biochemischer und experimenteller Techniken mit Computersimulationen wollen wir verstehen, welche Eigenschaften ein Enzym haben muss, um Kunststoffe effizient angreifen und abbauen zu können. In dieser Hinsicht wird das kürzlich entdeckte Enzym PETase, das PET abbauen kann, als Modellsystem dienen. Dieses Enzym ist besonders interessant, da es strukturell und funktionell eng mit der Enzymegruppe der Cutinasen verwandt ist, von denen einige Vertreter auch PET angreifen können, wenn auch weniger effizient. Andere Cutinasen sind dazu jedoch nicht in der Lage. Darüber hinaus wollen wir nach neuen Enzymen suchen, die Kunststoffe wie zum Beispiel Polystyrol abbauen.
Das Projekt "Die kurz- und mittelfristige Dynamik des volatilen C-Vorrats in Böden" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Freiburg, Institut für Geo- und Umweltnaturwissenschaften, Professur für Bodenökologie durchgeführt. Die Gasumsätze und -transporte in terrestrischen Böden nehmen in den Stoffkreisläufen, die den globalen Klimawandel betreffen, eine herausragende Rolle ein. Das gilt im besonderen Maße für die Bodenrespiration, also der Produktion von CO2 durch Mikroorganismen und Wurzeln im Boden. Dabei sind diese Flüsse zu ganz überwiegendem Teil natürlich und ein Ausdruck des Stoff- und Energieumsatzes der Biosphäre. Allerdings lässt der bekannte negative Zusammenhang zwischen Jahresdurchschnittstemperatur und Kohlenstoffspeicherung in Böden jedoch befürchten, dass im Falle einer Klimaerwärmung terrestrische Ökosysteme über einen längeren Zeitraum erhebliche Kohlenstoffvorräte aus dem Bodenvorrat mobilisieren und somit den CO2-Gehalt der Atmosphäre weiter erhöhen. Somit spielen Bodenrespirationsmodelle, die den Einfluss von Umwelteinflüssen möglichst präzise wiedergeben, eine wichtige Rolle bei der Vorhersage der atmosphärischen CO2 Konzentration. Bei Bodenrespirationsmessungen wird angenommen, dass die gemessene CO2 Emission des Bodens der aktuellen Respiration entspricht. Das heißt, die Änderung des im Bodenporenvolumen gespeicherten Vorrats an CO2 wird vernachlässigt. Wir wollen nun überprüfen, ob sich durch die Integration der Dynamik des CO2 Vorrats des Bodens die Qualität von Bodenrespirationsmodellen, und somit auch die Qualität der Vorhersage verbessern lässt. Hierzu lässt sich das Projekt in folgende Schwerpunkte gliedern: Zur Erfassung der CO2 Emission des Bodens werden automatische Messkammern eingesetzt, um lange ununterbrochene Messreihen zu erhalten. Zur Erfassung der CO2 Vorratsdynamik werden Profile von bodenphysikalischen Parametern (Bodenfeuchte, Wasserspannung, Luftporenvolumen, CO2-Konzentration, Bodentemperatur) zeitlich hochaufgelöst aufgezeichnet. Da in kalkhaltigen Böden das Lösungsgleichgewicht von CO2 in Bodenwasser durch die Anwesenheit von CaCO3 sehr stark beeinflusst wird, soll diesem Faktor besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Die Entwicklung eines Bodengastransportmodells, wobei neben der Diffusion als Transportmechanismus insbesondere die Integration und Parametrisierung von Konvektion eine Herausforderung darstellt. Mit den forstmeteorologischen Messstationen Hartheim (mit Kiefern bestandener gut belüfteter kalkhaltigen Boden) und Hesse, Frankreich (mit Buchen bestandener zeitweilig unter Stauwassereinfluss stehender kalkfreier Boden) wurden 2 Standorte ausgewählt, die hinsichtlich wichtiger Parameter wie der Belüftungssituation und der Anwesenheit von CaCO3 in der Bodenlösung als gegensätzlich anzusehen sind.
Das Projekt "Effective soil parameters for seepage and flow processes with nonaquous phase liquids" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Stuttgart, Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung durchgeführt. Ziel des beantragten Projektes ist die Entwicklung von vereinfachten Modellen zur Beschreibung von Strömungsprozessen mehrerer nichtmischbarer Fluide in trockenen, teilgesättigten oder gesättigten heterogenen porösen Medien. Solche Modelle werden für die Schadensabschätzung und Sanierung von kontaminierten Böden und Grundwasserleitern gebraucht. Eine explizite Modellierung der räumlich heterogenen Bodenparameterverteilung ist in der Regel nicht möglich, zum einen, da die Verteilung im Detail nicht bekannt ist, zum anderen aus rechentechnischen Gründne. Um den Strömungsprozess vereinfacht darzustellen, wird der Fliessprozess als einer in einem äquivalenten homogenen Medium beschrieben, wobei die Auswirkungen der Heterogenitäten in s.g. effektiven Bodenparametern, die dem äquivalenten homogenen Medium zugeordnet werden, erfasst werden. Der Vergleich von existierenden äquivalenten homogenen Modellen mit Feld- und Laborexperimenten zeigt meist keine gute Übereinstimmung. Für Anwendungsfälle mit kontaminierten Böden werden solche Modelle jedoch benötigt. Im beantragten Projekt möchten wir zur Überbrückung dieser Diskrepanz beitragen. Wir möchten uns auf die Versickerung von verschiedenen Fluiden in einem trockenen und teilweise mit Wasser gesättigten Boden konzentrieren und anschliessend Verdrängungsprozesse von nicht mischbaren Fluiden untersuchen. Wegen der Komplexität solcher Mehrphasen-Fliessrozesse soll das Problem mit verschiedenen Methoden untersucht werden. Zum einen sollen effektive Parameter analytisch berechnet werden, wobei Gebrauch von einem stochastischen Ansatz zur Beschreibung der Heterogenität der Bodenparameter gemacht werden soll. Die getroffenen Vereinfachungen als auch die äquivalten homogenen Modelle sollen anhand von numerischen Simulationen geprüft und auf ihre Plausibilität hin getestet werden. Anhand von Experimenten sollen stochastisch Eigenschaften der Bodenparameter getestet und quantifiziert werden, die dann in den analytischen und numerischen Modellen verwendet werden sollen.
Das Projekt "Teilprojekt B 04: Partikelaustausch an der Luft-Wasser-Grenzfläche" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik und Physik, Physikalisches Institut durchgeführt. Fällt ein Regentropfen auf eine Wasseroberfläche oder platzt dort eine Gasblase, so wird in einem komplizierten strömungsmechanischen Prozess eine Vielzahl kleinster Tröpfchen produziert und in die Luft geschleudert. Diese Tröpfchen können ursprünglich im Wasser vorhandene Mikroplastikpartikel in die Luft übertragen. Da sowohl Regen als auch platzende Gasblasen in natürlichen und technischen Systemen wie Ozeanen, Pfützen oder Kläranlagen extrem häufige Ereignisse sind, liegt hier ein potenziell hochrelevanter Migrationspfad von Mikroplastik aus der Hydro- in die Atmosphäre vor. Dieser Prozess soll im vorliegenden Projekt durch eine Kombination aus Modell-Experimenten und Computersimulationen im Detail untersucht und verstanden werden.
Das Projekt "Teilprojekt B 06: Verhalten und Transport von Mikroplastik in gestörten und ungestörten Böden" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Köln, Geographisches Institut, Arbeitsgruppe Ökosystemforschung durchgeführt. Die Kontamination von Ökosystemen durch Mikroplastik (MP) wurde bislang vor allem für aquatische Systeme beschrieben. Inzwischen ist allerdings bekannt, dass auch Böden davon betroffen sind. Das Ziel dieses Teilprojekts ist es, ein grundlegendes mechanistisches Verständnis von Verhalten und Transport von MP-Partikeln in Böden in Abhängigkeit von den physikalischen und chemischen Eigenschaften der Kunststoffe zu erlangen. In dieser Phase des SFBs konzentrieren wir uns auf die Modellsysteme 'Durchflusszelle', 'Bodensäule' und 'Bodenkasten' und untersuchen die Teilaspekte (I) Transport von MP in porösen Medien und Böden, (II) Transport, Erosion und Deposition von MP an Bodenoberflächen und (III) Detektion, Quantifizierung und Visualisierung von MP in Böden. In (I) und (III) berücksichtigen wir zudem die Rolle von Bodenorganismen für Transport und Verteilung von MP-Partikeln in Böden. Das in diesem Teilprojekt gewonnene mechanistische Verständnis zum Verhalten und Transport von MP-Partikeln ist für eine wissenschaftlich fundierte Bewertung der Umweltrisiken von MP existierender Massenkunststoffe im Ökosystem Boden unerlässlich.
Das Projekt "Optimierung der Energieeffizienz bei der Verringerung von Membran-Fouling mittels Flüssig/Fest Fluidisierung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität München, Department Chemie, Lehrstuhl I für Technische Chemie durchgeführt. Ziel des Forschungsvorhabens ist es im Rahmen des Wissenschaftleraustauschs ein tiefergreifendes Verständnis der instationären Scherung durch Partikelfluidisierung in Membran-Modulen zu erlangen, um dadurch eine effektive Verringerung des Foulings bei ultrapermeablen Membranen (UPM) für die Trinkwasseraufbereitung zu erreichen. Dies geschieht sowohl mittels Experimenten (NTU) als auch durch Modellierung (TUM). Während experimentelle Untersuchungen der Hydrodynamik essentiell für die Modellvalidierung sind, sind Modelle essentiell für ein verbessertes physikalisches Verständnis und für eine fundierte Prozessentwicklung. Dabei wird explizit auf die Verbesserung der Effizienz von sog. anaerobic fluidized bed membrane bioreactors (AnFMBRs) eingegangen. Durch die Einbringung einer Wirbelschicht durch inerte Partikel, wie z.B. GAC-Partikel wird eine zusätzliche Impulskraft durch die zyklischen Auf- und Abwärtsbewegungen der Partikel auf die Membran aufgebracht. Diese zusätzliche Impulskraft trägt hierbei zur Verringerung der Foulingrate bei. Die Modellierung der AnFMBRs geschieht hierbei durch einen Euler-Lagrange Ansatz, wobei die Partikel mithilfe einer Vier-Wege-Kopplung modelliert werden.
Das Projekt "Rolle der mittleren Atmosphäre bezogen auf das Klima (ROMIC): Trends stratosphärischer Transportwege und ihre Auswirkungen auf das Klima (TRIP)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK), Stratosphäre (IEK-7) durchgeführt. Änderungen der Transportwege und -prozesse verändern die Spurengaszusammensetzung der Stratosphäre, die wiederum über Strahlungsprozesse den Klimawandel bedeutsam beeinflusst. In diesem Projekt sollen neuartige diagnostische Methoden entwickelt werden, um die stratosphärischen Transportwege in einem sich ändernden Klima, insbesondere ihre Trends, und die Auswirkungen auf die Spurengaszusammensetzung und letztendlich auf die Temperatur besser zu verstehen. Dazu wird eine neue Methode zur Berechnung des Altersspektrums der stratosphärischen Luft für nicht-stationäre atmosphärische Strömung entwickelt, basierend auf dem Lagrangeschen Chemie-Transport-Modell CLaMS und dem komplexen Erdsystem-Modell EMAC (erstes Arbeitspaket, WP1). Die Resultate werden mit Altersspektren aus Pulsexperimenten und Messungen des mittleren Alters verglichen. Die Untersuchung von Altersspektren sowie Spurengassimulationen und Beobachtungen werden neue vertiefte Erkenntnisse in die relative Stärke und zeitliche Variabilität der verschiedenen Transportwege zwischen tropischer und extratropischer Stratosphäre sowie in Zirkulationstrends ergeben (WP2). Des Weiteren werden Rückkopplungsmechanismen der Transportänderungen auf Zirkulation und Temperaturstruktur anhand des Modells CLaMS-EMAC untersucht (WP3). Die Altersspektrums-Diagnostik hat herausragende Bedeutung für die Evaluierung des Transports in Klimamodellen, zur Verbesserung des Modelltransports und letztendlich der Klimavorhersagen.
Das Projekt "Teilprojekt B 02: Verhalten und Transport von Mikroplastik in der strömungsarmen Wassersäule" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ, Themenbereich Wasserressourcen und Umwelt, Department Hydrogeologie durchgeführt. Ziel des Projektes B02 ist, die Wechselwirkungen zwischen physikalischen, biogeochemischen und biologischen Einflüssen auf Transport, Sedimentation und Verteilung von MP in stehenden Gewässern zu verstehen. Neben Faktoren, die die Eigenschaften der Wassersäule definieren, wie z. B. Wasserchemismus, Turbulenzen, Dichtegradienten, Schichtung und Schwebstoffgehalt wird auch der Einfluss der physikalisch-chemischen Eigenschaften von definiertem Modell-MP während des Aufenthaltes in der Wassersäule (Partikelgröße, Kunststofftyp, Form, Oberflächenchemismus), die mikrobielle Besiedlung und Biofilmbildung sowie der organismische Transport von MP in der Wassersäule untersucht um deren Einfluss auf das Transportverhalten von MP zu verstehen. Diese Kombination aus modellhaften Labor-, und kontrollierten Mesokosmenstudien sowie hydrodynamischer Modellierung wird ein wissenschaftlich fundiertes Verständnis des MP-Transports in stehenden Gewässern ermöglichen.
Das Projekt "NAPASAN - Einsatz von Nano-Partikeln zur Sanierung von Grundwasserschadensfällen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von DECHEMA Forschungsinstitut Stiftung bürgerlichen Rechts durchgeführt. Einführung: Bereits seit einigen Jahren werden bei der Sanierung von Grundwasserschadensfällen so genannte permeable reaktive Barrieren (PRB, auch 'Reaktionswände' genannt), erfolgreich zur Sicherung von Kontaminationsfahnen eingesetzt. Das hier mit Abstand am häufigsten eingesetzte reaktive Material ist Eisengranulat. Metallisches Eisen ist ein wirksames Reduktionsmittel für ein breites Spektrum an organischen oder anorganischen Kontaminationen. Chlorierte Kohlenwasserstoffe, wie etwa die früher häufig eingesetzten Lösungsmittel Tetrachlormethan, Trichlorethylen oder Perchlorethylen gehören dabei zu den häufigsten und problematischsten Kontaminanten. Neben dieser Blockade von Ausbreitungen von Kontaminationsfahnen ist in den letzten Jahren immer mehr das Ziel in den Vordergrund gerückt, die sogenannten Schadensherde (Bereiche im Boden mit höchster Konzentration an Schadstoffen) direkt mit geeigneten Reduktionsmitteln wie Eisen zu behandeln, um so zu einem wesentlich beschleunigten Abbau der gesamten Schadstoff - Altlast zu kommen, was erhebliche wirtschaftliche Vorteile mit sich bringen würde. Um das hierzu benötigte reaktive Eisen in ausreichenden Mengen (in feiner Verteilung) in diese Schadstoffherde im Erdreich zu bringen, bieten sich wässrige Dispersionen mit Eisen-Nanopartikeln an. Diese Dispersionen sollen einfach über Bohrlöcher möglichst in den Bereich des jeweiligen Schadstoffherdes gepumpt werden, sich dort über den gesamten, stark kontaminierten Bereich verteilen und dann den gewünschten Schadstoff-Abbau bewerkstelligen. Verschiedene Versuche und Projekte mit diesem Ansatz wurden inzwischen bereits in verschiedenen Ländern durchgeführt. Das größte hier auftretende Problem (neben Kostenfaktoren, technischen Herausforderungen wie der Lokalisierung von Schadstoffherden oder dem Monitoring des Schadstoffabbaues etc. ) besteht bislang darin, dass die derzeit verfügbaren Eisen-Nanopartikel - Dispersionen bei Kontakt mit dem Grundwasser (bzw. Erdreich) sehr schnell zur Agglomeration (Ausfällung zusammengelagerter Eisenpartikel zu unlöslichen Produkten) neigen. Dies führt dazu, dass sie sich (ausgehend von der Eintrittsstelle am Bohrloch) oft nur wenige Zentimeter innerhalb der Schadstoffherde ausbreiten können und somit bei größeren Schadstoffherden kein ausreichender Erfolg beim Schadstoffabbau erzielt werden kann.
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