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Abrupte Veränderungen von Süßwasserökosystemen unter Einwirkung von multiplen Stressoren wie steigenden Temperaturen, Nährstoffen und Pestiziden

Flache Süßwasser-Lebensräume bieten wichtige Ökosystem-Funktionen, sind aber von multiplen Stressoren bedroht. Während die Reaktion auf den globalen Klimawandel wahrscheinlich eher graduell ist, sind abrupte Veränderungen möglich, wenn kritische Schwellenwerte durch zusätzliche Effekte lokaler Stressoren überschritten werden. Die Analyse dieser Effekte ist komplex, da Stressoren additiv, synergistisch oder antagonistisch wirken können. CLIMSHIFT zielt auf ein mechanistisches Verständnis von Stressor-Interaktionen, die auf flache aquatische Ökosysteme wirken. Diese sind aufgrund ihrer hohen Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisse, der großen Ufer-Grenzfläche und der Grundwasser-Konnektivität besonders anfällig für Klimaerwärmung und Stoffeinträge aus landwirtschaftlichen Einzugsgebieten. Die komplexen Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Primärproduzenten sowie assoziierten Konsumenten führen zum Auftreten stabiler Regime, und multiple Stressoren können nichtlineare Übergänge zwischen diesen Regimen auslösen, mit weitreichenden Folgen für entscheidende Ökosystemprozesse und -funktionen. Unsere Haupthypothese ist, dass erhöhte Temperaturen die negativen Auswirkungen der landwirtschaftlichen Stoffeinträge, die Nitrat, organische Pestizide und Kupfer enthalten, verstärken. Submerse Makrophyten, Periphyton und Phytoplankton als Primärproduzenten werden kombiniert mit Schnecken, die Periphyton und Pflanzen fressen, sowie benthischen und pelagischen Phytoplankton-Filtriern, Dreissena und Daphnien. Wir testen unterschiedliche Expositionsszenarien auf zwei räumlichen Skalen, Mikrokosmen im Labor und Mesokosmen im Freiland, um Effekte auf individueller, gemeinschaftlicher und ökosystemarer Ebene zu verstehen. Während des gesamten Projekts werden die Experimente durch Modellierungen ergänzt, um kritische Schwellwerte zu simulieren und Stress-Interaktionen vorherzusagen. Die Modellentwicklung wird in Zusammenarbeit mit allen Arbeitspaketen durchgeführt, um empirische Ergebnisse zu integrieren, unterschiedliche räumliche und zeitliche Skalen zu verknüpfen und Ergebnisse zu extrapolieren. Wir erwarten, dass kombinierte Stressoren zu plötzlichen Verschiebungen der Gemeinschaftsstruktur führen. Submerse Makrophyten werden voraussichtlich durch Phytoplankton oder benthische Algen ersetzt, mit Konsequenzen für wichtige Ökosystemfunktionen. Die Stärke unseres Antrages liegt darin, dass ökotoxikologische Stressindikatoren der Organismen wie Wachstum und Biomarker mit funktionalen Gemeinschafts-/Ökosystemansätzen kombiniert werden, die den Metabolismus und die Dynamik des Ökosystems betrachten. Das kombinierte Know-how von 5 Laboren mit komplementärem Fachwissen und allen notwendigen Einrichtungen wird die spezifische Projektfähigkeit sicherstellen. Unsere Ergebnisse sollen dazu beitragen, safe operating spaces/sichere Handlungsräume für eine nachhaltige Landwirtschaft und das Management von flachen aquatischen Ökosystemen in einer sich verändernden Welt zu definieren.

Additive Fertigung zur Unterstützung der Dekarbonisierung von Energiewandlungssystemen, Teilvorhaben: Synchrotron-basierte Materialcharakterisierung additiv gefertigter Strukturen

Aufklärung von Biotransformationswegen und von Mechanismen gentoxischer Wirkungen

Die Erkennung gesundheitlicher Risiken durch gentoxische Stoffe, die als Lebensmittelinhaltstoffe oder als Umweltkontaminanten Bedeutung haben, ist die Voraussetzung für Risikobewertung und Prävention. Bei Umweltkontaminanten gilt unser Interesse polycyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen mit einer sogenannten Fjordregion, die besonders potente Kanzerogene darstellen. Außerdem interessieren uns Fullerene, die im Ruß vorkommen und deren biologische Wirkung bisher nur wenig untersucht ist. Das aus beruflicher Belastung durch bestimmte Nitrosamine potentiell gesundheitliche Risiko wird im Modellversuch untersucht. Schließlich beschäftigen wir uns mit der Toxikologie bestimmter a,b-ungesättigter Alkenale, die als Lebensmittelinhalts- und -Zusatzstoffe in z.T. beachtlichen Konzentrationen (bis 30 mg/kg) in Lebensmitteln vorkommen. Metabolische Veränderungen, die fremde Stoffe im Körper erfahren, beeinflussen ganz wesentlich deren Wirkung. Zur Aufklärung einzelner aktivierender oder entgiftender Stoffwechselwege werden transgene Säugerzellen eingesetzt, die bestimmte Enzyme (CYP) stabil exprimieren. Zusätzlich wird der Leberstoffwechsel mit Hepatozyten und Zellfraktionen (Mitochondrien, Mikrosomen) simuliert. Metabolite werden über GC/MS identifiziert und quantifiziert. Die gentoxische/mutagene Potenz von Ausgangsverbindungen und Metaboliten wird in-vitro an Säuger-Zellinien (z.B. humane Colonzellen) oder an primären Zellen (z.B. aus Gastrointestinaltrakt von Ratte/ Mensch) sowie in-vivo an der Ratte und ex-vivo an humanen Blutzellen geprüft. Gemessen werden: Gentoxizität in transfizierten Bakterien (Induktion von SOS-Repair), Mutagenität in Säugerzellen (HPRT-Test), Induktion von DNA-Schäden mittels Mikrogelelektrophorese und die Entstehung vonDNA-Addukten mittels 32P-Postlabelling-Verfahren. Zusätzlich werden zytotoxische Effekte (einschließlich Membranschäden und Apoptose-Induktion) in Zellkulturen erfasst.

Ganzheitliche Rübenderbrüssler Bekämpfung im Zuckerrübenbau mit dem entomopathogenen Pilz Metarhizium brunneum (CURCUCONT)

Zielsetzung: In Ermangelung an wirksamen, umweltfreundlichen, zugelassenen chemischen Insektiziden, soll eine ganzheitliche, direkte Bekämpfung bzw. der Populationskontrolle sowohl der Rüsselkäferlarven als auch der adulten Käfer mit dem biologischen Wirkstoff M. brunneum (GranMetTM)-Pilzgerste bzw. wasserdispergierbarem Sporenprodukt (beide Produkte von der Firma Agrifutur s.r.l.) ausgetestet werden. Mit einem mehrjährigen Monitoring soll abgesichert werden, dass die Bothynoderes - Population in den Behandlungsflächen unter der wirtschaftlichen Schadschwelle gehalten werden kann. Es soll besonders auch das Hauptaugenmerk auf i) die Austestung von neuen Pilz-Dipersionsformulierungen gerichtet sein, welche im Projekt INBIOSOIL (FP7-ENV-2011-3.1.9.-1; No. 282767) und DIACONT (BMLFUW 101111) entwickelt wurden; ii) zusätzlich sollen die Versuche zur Präventionswirkung des entomopathogenen Pilzes BIPESCO 5, formuliert auf steriler Gerste, fortgeführt und ausgedehnt werden. Dazu sollen stark befallene Zuckerrübenfelder mit dem Produkt GranMetTM behandelt werden und iii) soll auf Grundlage von Sprühversuchen mit dem entomopathogenen Pilz M. brunneum (BIPESCO 5) die oberirdische Käferbehandlung auf Praxistauglichkeit entwickelt werden (Laboraustestungen und in-situ Feldapplikationen - Applikation mit Sattelspritzgerät; Persistenzuntersuchung von Metarhizium auf Blattoberfläche zur Bestimmung optimaler Applikationszeitpunkte bzw. -Häufigkeit). Sollte sich erhärten, dass M. brunneum tatsächlich Populationsregulierend auf den Rübenderbrüssler wirkt, sollte es keine Schwierigkeit sein, auf Grundlage der EU-Verordnung (1107/2009), in naher Zukunft ein registriertes Metarhizium-Präparat auf den Markt zu bringen. Mit einem mehrjährigen Monitoring soll nun bestätigt werden, dass sich in den Behandlungsflächen die Derbrüsselkäfer-Population unter der wirtschaftlichen Schadschwelle gehalten werden kann. Einsatz von Metarhizium spp. auf Blattoberflächen: Bekanntlich kann Metarhizium, primär ein typischer Bodenpilz, auch auf Blattoberflächen und bei pflanzensaugenden Insekten als indigenes Pathogen nachgewiesen werden. Seit wenigen Jahren werden bereits Metarhizium Dispersionsformulierungen gegen Blattschädlinge (z.B. Spittlebugs, Termiten, Blattläuse, Thrips) mittels Sprühapplikation auf Kulturpflanzen geprüft bzw. angewendet (VEGA et al. 2009, STRASSER et al. 2017, MWEKE et al, 2018). Es besteht großes Interesse an der Verbesserung der Formulierungs- und Anwendungstechnologien in der Blattspritzanwendung (BUTT 2002). So wird beispielsweise der Einsatz von Additiven wie Haftmittel in Sporensuspensionen für die Sprühanwendung empfohlen, um hohe Sporenkonzentrationen auf Blattoberflächen und damit eine gute Persistenz auf den Pflanzen zu gewährleisten (INGLIS et al. 2001). Notwendige Informationen bezüglich Umwelt- und Blattpersistenz von M.spp. sollen erarbeitet werden und sind somit auch Gegenstand unserer Untersuchungen.

Entwicklung und industrieller Einsatz eines schadstoffarmen Oxy-Fuel-Brennersystems für die energetische Nutzung von grünem Ammoniak in der Stahlindustrie, Teilprojekt SMS: Auslegung, Konstruktion, additive Fertigung und numerische Untersuchung des NH3-Oxy-Fuel-Brennersystems

Der Klimawandel ist eine der Herausforderungen des 21. Jahrhunderts, wobei die durch die Verbrennung fossiler Energieträger freigesetzten Treibhausgas(THG)-Emissionen, insbesondere CO2, einen wesentlichen Beitrag zur globalen Erwärmung leisten. Wasserstoff wird importiert werden müssen, um die benötigten Energiemengen für die Industrie in Deutschland bereitzustellen. Grünes NH3 kann als CO2-freier Brennstoff neben H2 eine bedeutende Rolle spielen. Bezogen auf Transportvolumina hat H2 einen geringeren spezifischen Heizwert als NH3: NH3 lässt sich dagegen bereits bei -33 °C unter Normdruck verflüssigen, was den Transport erheblich vereinfacht. Bewährte Transport- und Speicheroptionen für NH3 sind vorhanden. Bei der NH3-Verbrennung ist jedoch mit hohen NOX-Emissionen zu rechnen, zudem neigen NH3-Flammen zur Instabilität. Mit Hilfe von reaktionskinetischen Untersuchungen, CFD-Simulationen und experimentellen Untersuchungen im semi-industriellen Maßstab sollen typische Primärmaßnahmen zur NOx-Minderung mit dem Brennstoff NH3 erprobt und in ein zu entwickelndes Oxy-Fuel-Brennersystem integriert werden. Durch die Oxy-Fuel-Verbrennung soll die feuerungstechnische Effizienz erhöht sowie die Stabilisierung der NH3-Verbrennung erreicht werden. Das zu entwickelnde Brennersystem soll im Anschluss an die Entwicklungsarbeiten in einem industriellen Wärmebehandlungsofen mit Ammoniak im realen Betrieb getestet werden.

Labor-und Praxisuntersuchungen des Aufschüsselns und Aufwölbens ein- und zweischichtiger Betonfahrbahndecken mit Recyclingzuschlag

Das Aufschüsseln bzw. Aufwölben ein- und zweischichtiger Betonfahrbahndecken soll im Labor überwiegend an 3,0 m langen einseitig eingespannten Betonbalken (freie Kraglänge 2,5 m) untersucht werden. Die Laboruntersuchungen sollen durch Verformungsmessungen mit einem Lasermessgerät in-situ an ein- und zweischichtigen Betonfahrbahndecken überprüft werden. Insbesondere sollen auch jahres- und tageszeitlich sowie witterungsbedingte Schwankungen (Feuchte bzw. Temperatureinfluss) der Verformungen mit erfasst werden. Mit Originalausgangsstoffen der jeweiligen Versuchsstrecken werden Laborprobekörper hergestellt. Der Einfluss des Feuchtezustands von RC-Betonzuschlag beim Einbau (kernfeucht bzw. trocken) auf das Aufschüsseln (Aufwölben) wird an ein- und zweischichtigen Betonbalken untersucht. Die Betonbalken werden an der Unterseite befeuchtet (schlechte Entwässerung) bzw. abgedichtet (gute Entwässerung). An der Oberseite können sie bei unterschiedlichen Luftfeuchten austrocknen und werden zyklisch wiederbefeuchtet, um den Einfluss von Niederschlägen zu erfassen.

CO2- und kreislaufoptimierte additive Produktdesigns und LPBF-Fertigungsprozesse für ressourceneffiziente Nutzfahrzeugkomponenten, Teilvorhaben: Entwicklung Sustainable Engineering und Datenerhebung prädikative LCA

Das Projekt 'CO2OPERATE' zielt darauf ab, die Energie- und Umweltkosten additiv gefertigter, metallischer Bauteile für Nutzfahrzeuge, insbesondere Stadt- und Reisebusse (z.B. eCitaro), zu minimieren und die Ressourceneffizienz durch Leichtbau und Kreislaufstrategien (R-Strategien) zu steigern. Es wird erwartet, dass im Rahmen des Projekts etwa 100 kg Gewicht pro Bus eingespart werden, was in der Nutzungsphase eine Energieeinsparung von 2.100 kWh pro Bus bedeutet. In der Herstellungsphase liegt das Energieeinsparpotenzial mit den verwenden Verfahren pro Bus bei ca. 13.500 kWh. Diese Einsparungen sollen durch Leichtbaudesigns, prädiktive Lebenszyklusanalysen und Prozessoptimierungen für R-Strategien erreicht werden. Im Nutzfahrzeugbereich sind Leichtbau-Ansätze ('Reduce'-Strategie) aufgrund der Elektrifizierung besonders wichtig, um die Antriebsenergie zu reduzieren. Die langlebigen Fahrzeuge bergen Potenziale für R-Strategien wie 'Repair' und 'Remanufacturing', um den Einsatz von Primärrohstoffen zu minimieren. Die prädiktive Lebenszyklusanalyse (LCA) spielt dabei eine zentrale Rolle, da 80 % der ökologischen Auswirkungen während der Produktentwicklung bestimmt werden. Das Projekt setzt auf zwei Standorte, um additive Prozessketten mit dem Laser Powder Bed Fusion (LPBF)-Verfahren und Sensorik zur bauteilspezifischen Messung von Energie- und Materialverbräuchen abzubilden. Im Rahmen des Projektes werden ca. 25 Bauteile untersucht und fünf davon umfassend ökologisch und ökonomisch bilanziert. Folgende Themenbereiche werden adressiert: (1) R-Strategien im Produktdesign, um den Materialeinsatz zu reduzieren, (2) die Anwendung und Optimierung von AM-Bauteilen in der Nutzungsphase und (3) die Bewertung von End-of-Life-Szenarien und R-Strategien hinsichtlich ihrer ökologischen und ökonomischen Vorteile.

Innovative Fügeprozesse und Additive Fertigung für den Laser im elektrifizierten Antriebsstrang, TP 4: in-line-Sensorik basierend auf OCT und LIBS für das Laser-Vakuumschweißen

CO2- und kreislaufoptimierte additive Produktdesigns und LPBF-Fertigungsprozesse für ressourceneffiziente Nutzfahrzeugkomponenten, Teilvorhaben: Methoden für R-Strategien in der Produktentwicklung

Das Projekt 'COOPERATE' zielt darauf ab, die Energie- und Umweltkosten additiv gefertigter, metallischer Bauteile für Nutzfahrzeuge, insbesondere Stadt- und Reisebusse (z.B. eCitaro), zu minimieren und die Ressourceneffizienz durch Leichtbau und Kreislaufstrategien (R-Strategien) zu steigern. Es wird erwartet, dass im Rahmen des Projekts etwa 100 kg Gewicht pro Bus eingespart werden, was in der Nutzungsphase eine Energieeinsparung von 2.100 kWh pro Bus bedeutet. In der Herstellungsphase liegt das Energieeinsparpotenzial mit den verwenden Verfahren pro Bus bei ca. 13.500 kWh. Diese Einsparungen sollen durch Leichtbaudesigns, prädiktive Lebenszyklusanalysen und Prozessoptimierungen für R-Strategien erreicht werden. Im Nutzfahrzeugbereich sind Leichtbau-Ansätze ('Reduce'-Strategie) aufgrund der Elektrifizierung besonders wichtig, um die Antriebsenergie zu reduzieren. Die langlebigen Fahrzeuge bergen Potenziale für R-Strategien wie 'Repair' und 'Remanufacturing', um den Einsatz von Primärrohstoffen zu minimieren. Die prädiktive Lebenszyklusanalyse (LCA) spielt dabei eine zentrale Rolle, da 80 % der ökologischen Kosten während der Produktentwicklung bestimmt werden. Das Projekt setzt auf zwei Standorte, um additive Prozessketten mit dem Laser Powder Bed Fusion (LPBF)-Verfahren und Sensorik zur bauteilspezifischen Messung von Energie- und Materialverbräuchen abzubilden. Im Rahmen des Projektes werden ca. 25 Bauteile untersucht und fünf davon umfassend ökologisch und ökonomisch bilanziert. Folgende Themenbereiche werden adressiert: (1) R-Strategien im Produktdesign, um den Materialeinsatz zu reduzieren, (2) die Anwendung und Optimierung von AM-Bauteilen in der Nutzungsphase und (3) die Bewertung von End-of-Life-Szenarien und R-Strategien hinsichtlich ihrer ökologischen und ökonomischen Vorteile.

Verschränkung der hochintegrierten Elektrochemischen Konversion von Kraftlignin mit biotechnologischen und chemischen Prozessen zu drop-in Chemikalien und Intermediaten für stoffliche Anwendungen

Das Gesamtziel von IntElek-to 2.0 ist die Entwicklung einer nachhaltigen Wertschöpfungskette zur Darstellung und stofflichen Nutzung monomerer und oligomerer Oxidationsprodukte des Kraftlignins, das bislang einer nahezu ausschließlichen thermischen Verwertung zugeführt wird. Dieses Teilprojekt umfasst hierbei die Optimierung der elektrochemischen, anodischen und kathodischen, kontinuierlichen Verfahren und Prozesstechnologien zur Darstellung von o.g. monomeren und weiteren entschwefelten, funktionalen lignin-stämmigen Verbindungen, Pinacol-Kopplungsprodukten und anderen biphenylischen Intermediaten und oligomeren Verbindungen. Die Kopplung mit biotechnologischen Verfahren zur Funktionalisierung, mit nachhaltiger organischer Polymersynthesechemie (aromatische gesättigte und ungesättigte Polyester, NIPU, PU, PIR und Polyharnstoff, Epoxydharze) und konventioneller katalytischer Chemie zu Polymeranwendungen (Klebstoffe, Beschichtungen, additive Fertigung, Schäume, Abformmassen) erweitert die Wertschöpfungskette im Hinblick auf marktorientierte Anwendungen. Unter anderem wird der Einsatz der innovativen Bio-Monomere für bedeutende Massenmärkte wie die Herstellung von PUR/PIR Isolationsschäumen erforscht. PIR/PU Isolationsschäume mit einem Marktanteil von über 30% des weltweiten PU-Verbrauchs, leisten einen erheblichen Beitrag zur CO2-Minderung in der Bauindustrie. Dies soll durch eine Verschränkung der o.g. Sektoren (Elektrochemie, Biotechnologie, nachhaltige Synthese- und Polymersynthese-Chemie) zur stofflichen Nutzung des nachwachsenden Rohstoffes Kraftlignin erreicht werden.

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