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Schwerpunktprogramm (SPP) 527: Bereich Infrastruktur - International Ocean Discovery Program, Teilprojekt: Untersuchung der Rolle biologischer Eisenreduktion als lebenserhaltenden Prozess am potentiellen Temperaturlimit der tiefen Biosphäre in marinen Sedimenten (IODP Expedition 370) (RESPIRE)

Dieses Projekt trägt zu Forschungsfragen der IODP Expedition 370: T-Limit of the Deep Biosphere off Muroto bei. Die Temperatur an Site C0023 (Nankai Trog, Japan) steigt bis 1.2 km Tiefe auf ca. 120 Grad C an - das Maximum dessen, was potentiell von Mikroorganismen toleriert werden kann. Nährstoffarme tiefe Sedimente werden wahrscheinlich bei 80-90 Grad C sterilisiert. Ziel der Expedition war es, herauszufinden, wie und gesteuert durch welche Faktoren sich die Mikroorganismen-Vergesellschaftung mit der Tiefe ändert und wo Leben erlischt. Teil des wissenschaftlichen Programms ist die Untersuchung mikrobiell nutzbarer Substrate und eindeutiger geochemischer und mikrobieller Signaturen, die eine Identifizierung von biotischem und abiotischem Bereich bzw. dessen Übergang ermöglichen. Es wurden hochauflösende und präzise Porenwasserdaten gewonnen, die Reaktionsfronten, potentielle mikrobielle Aktivität und hydrothermale Überprägung anzeigen. Ein Teil der Sedimente ist Methan- und Sulfat-frei. Mikrobielle Aktivität hängt also von anderen Elektonenakzeptoren als Sulfat ab. Aktuelle Studien zeigen, dass die klassische Redoxkaskade durch Fe- und Mn-Reduktion in methanführenden Sedimenten ergänzt werden muss und, dass biogeochemische Prozesse in natürlichen Systemen stärker durch Mineralogie als durch eine strikte Abfolge von Reaktionen, die sich aus theoretischen Berechnungen ergibt, bestimmt sind. Fe(III)-Reduktion ist eine der ältesten Formen der mikrobiellen Respiration. Eisenreduzierer können unter hohen T- und Druckbedingungen wachsen, was nahelegt, dass diese einen Großteil der tiefen Biosphäre ausmachen. Fe- und Mn wird in Sedimenten von Lokation C0023 freigesetzt. Durch sequentielle Extraktionen soll aufgezeigt werden, welche Fe- und Mn-Phasen als Elektronenakzeptoren verfügbar sind und wie stark primäre Minerale diagenetisch überprägt wurden. Von besonderem Interesse sind Aschelagen, die an anderer Stelle bereits als Hotspots für mikrobielles Leben identifiziert wurden. Diese sind zahlreich in C0023 Sedimenten und typischerweise reich an Fe und Mn. Mikrobielle Fe-Reduktion führt zu einer Anreicherung von 54Fe im Porenwasser und sich daraus bildenden authigenen Mineralen (z.B. Siderit, Magnetit). Dementgegen führen abiotische Reaktionen mit Sulfid zu einer Anreicherung von 56Fe in der gelösten Phase. Stabile Fe-Isotope von gelöstem Fe2+ und reaktivem Fe in der Festphase sollen genutzt werden, um biologische und abiotische Fe-Reduktion zu unterscheiden. Die d56Fe Signatur wird an Karbonat-gebundenem Fe, der Ferrihydrit+Lepidkrokit-Fraktion, Goethit+Hämatit sowie Magnetit gemessen. Weiterhin soll das Ausmaß der Sulfidisierung, die Auswirkungen auf die Interpretation von Daten zu magnetischen Eigenschaften hat, durch sequentielle Extraktion von Fe-Monosulfiden und Pyrit erfasst werden. Ziel des Projekts ist es, die Rolle von Eisenoxiden für mikrobielle Respiration und entsprechende diagenetische Alterationen in tiefen Sedimenten von Site C0023 zu erfa

Populationsoekologie der Farnpflanzen (Pteridophyta)

An ausgewaehlten Gruppen von europaeischen Farnpflanzen wird mit Hilfe der Isoenzym-Gelelektrophorese die genetische Struktur von Populationen untersucht.

Verteilung und Stabilität des Kohlenstoffs beim Abbau von 14C-markiertem Weizenstroh in den verschiedenen Kompartimenten eines Bodens mit unterschiedlicher landwirtschaftlicher Bewirtschaftung

Es ist die Hypothese aufgestellt worden, dass neben nicht abgebauten Pflanzenresten die organische Substanz des Bodens grob aus zwei Kompartimenten besteht. Bestimmt durch den Ton- und Feinschluffanteil entwickelte sich ein inerter C-Pool während der Genese von Böden. Dieser an die mineralischen Feinanteile gebundene Kohlenstoff nimmt nur über einen langen Zeitraum am Kohlenstoffumsatz von Böden teil. In Abhängigkeit von der landwirtschaftlichen Praxis entwickelt sich während des durch die metabolische Aktivität von Bodentieren und Mikroorganismen verursachten Abbaus von Pflanzenresten und organischen Düngern ein zweiter, labiler C-Pool. Dieser ist im wesentlich verantwortlich für die Nährstoffflüsse in Böden. Das Ziel des geplanten Forschungsprojektes ist es, in Laborexperimenten die Verteilung von frisch zugeführten 14C aus markiertem Weizenstroh zwischen inertem und labilem C-Pool über den Zeitraum eines Jahres zu verfolgen. Zusätzlich wird die Mineralisierung des Pflanzenmaterials zu 14CO2, die Bildung wasserlöslicher 14C-Metabolite und die anabolische Verwertung des markierten Kohlenstoffs durch die mikrobielle Biomasse des Bodens verfolgt. Nach einer physikalischen Fraktionierung der mineralisch-organischen Bodensubstanz in einzelne Größenfraktionen soll deren Gehalt an 14C/12C organischer Substanz über die Zeit bestimmt werden. In einem Inkubationsexperiment werden die isolierten Größenfraktionen mit der autochthonen Bodenflora beimpft werden, und die dabei durch die Aktivität der Mikroorganismen freigesetzten 14CO2 Mengen sind ein Indikator für die Stabilität der organischen Substanz in den einzelnen Fraktionen. Für diese Untersuchungen werden Proben eines landwirtschaftlichen Bodens ausgesucht, der für viele Jahrzehnte verschiedener Düngungspraxis (null, mineralisch, organisch) unterlag. Durch dieses Forschungsprojekt werden Informationen über die kausalen Zusammenhänge von Bodenprozessen bei der Bildung und Speicherung der organischen Substanz im Boden erwartet.

XUMA - Expertensystem Umweltgefaehrlichkeit von Altlasten

Standorte mit Altablagerungen haeuslicher, industrieller und gewerblicher Abfaelle sowie Flaechen ehemaliger Industrie- und Gewerbebetriebe, bei denen der begruendete Verdacht besteht, dass von ihnen Gefahren bzw. Beeintraechtigungen fuer die menschliche Gesundheit oder Umwelt ausgehen koennen, werden Altlasten genannt. Aktuellen Schaetzungen zufolge gibt es in der Bundesrepublik Deutschland mehr als 100000 Altlasten, von denen etwa 20000 als sanierungsbeduerftig angesehen werden. Es ist damit zu rechnen, dass in den naechsten 10-20 Jahren fuer die Sicherung und Sanierung von Altlasten ein zweistelliger Milliardenbetrag aufgewendet werden muss. In verschiedenen Bundeslaendern laufen Programme, um die Altlasten systematisch zu erfassen und hinsichtlich ihrer Umweltgefaehrdung zu untersuchen und zu beurteilen. Um die mit der Untersuchung und Beurteilung befassten Fachleute zu unterstuetzen, wird vom Institut fuer Angewandte Informatik des Kernforschungszentrums Karlsruhe und vom Institut fuer Boden, Abfall, Altlasten der Landesanstalt fuer Umweltschutz Baden-Wuerttemberg (LfU) in einem gemeinsamen Vorhaben das Expertensystem Umweltgefaehrlichkeit von Altlasten (XUMA) entwickelt (1)(2),(3). Seit Anfang 1993 beteiligt sich das Forschungszentrum Rossendorf an der Weiterentwicklung des Systems. Das Expertensystem XUMA unterstuetzt Fachleute in Behoerden und Ingenieurbueros als intelligenter Assistent und entlastet sie von Routinearbeiten. Das Wissen der wenigen Fachexperten auf diesem Gebiet wird den Sachbearbeitern leichter zugaenglich und die Erfahrungen aus den Sanierungen sowie andere neue Erkenntnisse koennen unverzueglich in die Beurteilungen einfliessen. Daneben traegt das System zur Vereinheitlichung des Vorgehens sowie der Beurteilungskriterien bei.

Der Nadelblatt-Apoplast der Fichte als Lebens- und Reaktionsraum für autotrophe Nitrifizierer

Eigene Untersuchungen in einem hohen atmogenen N-Eintrag sowie erhöhten NH3- und NO2-Konzentrationen in der Außenluft ausgesetzten Fichtenwald-Ökosystem zeigen erstmals, dass autotrophe Nitrifizierer einen für diese Mikroorganismen zuvor nicht identifizierten Lebensraum, die Phyllosphäre, wahrscheinlich den Nadelapoplasten, besiedeln. Erste Ergebnisse aus in situ-Begasungsexperimenten von Fichtenzweigen dieses Standorts mit NH3 bzw. mit NH3 plus 10 Pa C2H2 (als Inhibitor der Ammoniak-Monooxygenase: AMO) deuten darauf hin, daß die beobachtete NH3-Aufnahme über die Fichtennadeln nicht allein auf pflanzliche Aktivität zurückgeführt werden kann, sondern das autotrophe Nitrifizierer hierzu wesentlich beitragen. Ziel des Vorhabens ist es, unter Einsatz molekularbiologischer und mikroskopischer Techniken (confokales LSM) zum einen die Besiedlung des Nadel-Apoplasten von Fichten durch autotrophe NH3- und NO2-Oxidierern zu charakterisieren, zum anderen die Aufnahme von atmosphärischem NH3 und NO2 in die Nadelblätter in Abhängigkeit von dieser Besiedlung zu quantifizieren. Zu diesem Zweck sollen an zwei unterschiedlich stark atmogenen N-Einträgen ausgesetzten Fichten-Standorten die Nitrifizierer im Nadel-Apoplasten genau lokalisiert und deren Zellzahlen quantifiziert werden. Diese Daten sollen mit Ergebnissen aus NH3-Gaswechselmessungen korreliert werden, die mit bzw. ohne C2H2 als Inhibitor der AMO durchgeführt werden. Darüber hinaus soll die NH3- sowie NO2-Aufnahme an sterilen bzw. mit Nitrifizierern inokulierten Fichtenjungpflanzen parametrisiert sowie im Rahmen von 15NO3-Nachweis in der apoplastischen Waschflüssigkeit die Nitrifiziereraktivität zusätzlich nachgewiesen werden.

Abschätzung der Vegetationsgefährdung durch Ozon in Hessen

Die Konzentrationen vieler Luftinhaltsstoffe sind aufgrund vielfältiger menschlicher Aktivitäten in den letzten Jahren beträchtlich angestiegen. Als vegetationsgefährdende Komponente gewinnt dabei Ozon in der Bundesrepublik Deutschland zunehmend an Bedeutung, während z.B. Schwefeldioxid aufgrund der erfolgreichen Emissionsminderungsmaßnahmen in den Hintergrund tritt. Bei der Erstellung von Luftreinhalteplänen/Wirkungskatastern geht es darum, die räumliche und zeitliche Variabilität der Schadgaskonzentrationen im Hinblick auf eine mögliche Beeinträchtigung der Vegetation zu bewerten. Darüber hinaus gilt es, mögliche Entwicklungen der Immissionsbelastung prospektiv zu beurteilen, um frühzeitig evtl. notwendige Gegenmaßnahmen einleiten zu können. Dies bedarf integrierender Konzepte, in denen physikalisch/chemische Messprogramme und Verfahren der Bioindikation miteinander verknüpft werden. Das gemeinsam mit dem Hessischen Landesamt für Umwelt und Geologie durchgeführte Untersuchungsprogramm gliedert sich in fünf Schritte: - In einem ersten Schritt wurden potentielle Ertragsverluste durch Ozon anhand von Dosis-Wirkung-Funktionen aus der Literatur unter Verwendung hessischer Ozon-Messdaten für verschiedene Kulturpflanzen abgeschätzt. - In einem zweiten Schritt wurde eine flussorientierte Kenngröße für die Ozon-Belastung der Vegetation unter Verwendung von Messgrößen abgeleitet, die in den Ländermessnetzen erhoben werden. - In einem dritten Schritt wurde ein Modell für die Bestimmung des Gasaustausches zwischen Vegetation und bodennaher Atmosphäre entwickelt. - In einem vierten Schritt wurden sog. kritische absorbierte Ozon-Dosen (critical loads) für standardisiert exponierte Rezeptoren abgeleitet. - In einem fünften Schritt werden die aktuell in Europa diskutierten Grenzwerte zum Schutz der Vegetation vor Ozon und die ihnen zu Grunde liegenden Dosis-Wirkung-Funktionen auf ihre Übertragbarkeit auf bzw. Relevanz für die deutschen Verhältnisse untersucht. Die Methodik zur Ableitung kritischer absorbierter Ozon-Dosen (critical loads) wird weiterentwickelt sowie die Gefährdung der Vegetation durch Ozon auf regionaler Ebene realistisch abgeschätzt.

Muttermilch-Untersuchungsprogramm des Landes Niedersachsen

Die Untersuchungen geben Informationen über die allgemeine Belastung mit Schadstoffen, insbesondere mit Organochlorverbindungen. Sie können z. B. regionale Unterschiede (Stadt-Land) im Gehalt an Fremdstoffen aufzeigen. Die Messungen geben an, ob sich Fremdstoffe in ihrer Konzentration geändert haben oder ob sogar neue Fremdstoffe nachweisbar sind. Die Ergebnisse der Fremdstoffmessungen könnten zu Änderungen der Stillempfehlungen führen.

Untersuchungen zur Ausbreitung von Haldenlösungen der Kalirückstandshalden am Beispiel der Halde Sollstedt, Thüringen

Durch die Verarbeitung und Förderung von Kalisalzen sind in Thüringen große Abraum- und Rückstandshalden entstanden. Die aufgehaldeten Salze werden niederschlagsinduziert aufgelöst und gelangen in Grund- und Oberflächengewässer. Das hoch mineralisierte Infiltrationswasser breitet sich im Grundwasser als Salzfahne aus und kann in Quellen wieder zutage treten. Am Beispiel der Kalirückstandshalde Sollstedt wird die Ausbreitung der in den Untergrund eingebrachten Salzlösung untersucht. Ziel des Vorhabens ist der Erwerb von Kenntnissen über die regionalen geologischen und hydrogeologischen Verhältnisse einerseits. Andererseits im Sinne der Wasserwirtschaft, Untersuchungen der Wasserverhältnisse im Hinblick auf ihre Salinität und Wasserwegsamkeit. Im Abstromgebiet der Halde Sollstedt liegen mehrere Quellen, die stark mineralisiert sind. Die Halde Sollstedt sowie der von ihr ausgehende Salzeintrag in Oberflächen- und Grundwässer ist aufgrund der topographischen Situation und der geologischen Verhältnisse als möglicher Teilverursacher der hohen Mineralisation der Quellen einzustufen. Als weiterer möglicher Teilverursacher der Quellwasserbelastung wird eine ehemalige Hausmülldeponie, die sich im vermuteten Einzugsbereich der Quellen befindet untersucht. Geogene Ursachen, wie bisher nicht bekannte, natürliche Salzvorkommen im Untergrund sind als Weitere Ursachen der hohen Quellwassermineralisation nicht auszuschließen.

Statt Landschaft Stadtlandschaft: Kölns Tierleben

In Köln wird seit 1989 ein breites Spektrum von zur Zeit 49 Wirbellosengruppen (Insekten, Spinnen und Mollusken) sowie der gebietsfremden, eingeschleppten Tierarten oder Neozoen unter Beteiligung von 51 Wissenschaftlern untersucht. Betrachtet man Biodiversitätin seiner einfachsten Form, dem Artenreichtum, dann ist Köln mit mehr als 5500 registrierten Tierarten die zur Zeit bestuntersuchte und artenreichste Großstadt. Die Bewertung der untersuchten Stadtbiotope stützt sich dabei nicht allein auf die zahlreich nachgewiesenen 'Rote-Liste'-Arten, die für die Wissenschaft neu entdeckten Tierarten oder den Umfang des Artenspektrums. In aktuellen Untersuchungen (Huckenbeck und Wipking) erweisen sich Laufkäfer (Carabidae) als geeignete Instrumente, wenn wichtige Lebenszyklus-Komponenten bei innerstädtischen Populationen mit solchen aus naturnahen Habitaten am Stadtrand verglichen werden sollen, um Biotopinseln in der Innenstadt als 'Quellstrukturen' für die Überlebensfähigkeit von Tierarten zu beurteilen und zum Ziel von (Natur-)Schutzbem ühungen in den flächenhaft immer stärker expandierenden Stadtlandschaften zu machen.

Experimentelle und theoretische Untersuchungen zur Wechselwirkung zwischen der Karbonatlösung und dem Durchlässigkeits- und Setzungsverhalten in mineralischen Deponiedichtungsmaterialien bei Sickerwassereinwirkung unter Auflast

Die mineralische Dichtung stellt eine unverzichtbare Komponente einer Kombinationsdichtung gemäß TA Siedlungsabfall oder gemäß der bauaufsichtlichen Zulassung des Deutschen Instituts für Bautechnik mit Asphaltbeton dar. Ihr Karbonatgehalt ist nach TA Siedlungsabfall auf 15 Prozent beschränkt. Dahinter steht die Befürchtung, dass saure Sickerwässer die Karbonate lösen und sich daraus unzulässige Setzungen und eine Beeinträchtigung der Dichtewirkung ergeben. Vorversuche zeigen, dass bei einer Auflast von 40 kN/m2 auch nach signifikanter Karbonatlösung und Setzungen über 20 Monate hinweg die Durchlässigkeit eines mineralischen Dichtungsmaterials mit ehemals ca. 35 Gewichtsprozent Karbonat im Bereich von 10 10m/s bleibt, was im Widerspruch zu anderen Vorversuchen ohne Auflast steht. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, dieses Phänomen unter Variation des Versuchsmaterials, der Auflast und des Perkolates sowohl unter geochemischen als auch unter bodenmechanischen Gesichtspunkten zu untersuchen, um die Berechtigung der Vorschrift in der TA Siedlungsabfall zu überprüfen und gegebenenfalls eine wissenschaftlich abgesicherte Änderung vorzuschlagen.

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