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Effects of biochar amendment on plant growth, microbial communities and biochar decomposition in agricultural soils

Das Projekt "Effects of biochar amendment on plant growth, microbial communities and biochar decomposition in agricultural soils" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungsinstitut für biologischen Landbau Deutschland e.V. durchgeführt. Biochar has a great potential to ameliorate arable soils, especially those that are low in organic matter due to intensive use or erosion. Biochar is carbonised organic material with high porosity that brings about changes in physical, chemical and biological soil functions. Biochar amended soils show a higher water and cation exchange capacity with reduced leaching and enhanced availability of plant nutrients. The microbial biomass in biochar amended soils is enhanced and more diverse. Biochar is stabilised organic material, which is likely to remain for hundreds of years in the soil. Photosynthetically fixed atmospheric CO2 stabilised in biochar may thus act as a direct carbon sink and help to mitigate climate change. As feedstock and production conditions produce different biochar qualities predictions of effects in soil need to consider biochar and soil properties case by case. To date biochar has been approved to ameliorate highly weathered tropical soils with positive effects on crop growth and yield. Distinct microbial groups were reported to be enhanced in soils but if this depends on the particular soil or biochar or a combination of both is an open question, especially in temperate climates. Likewise, it is not known if microorganisms colonising biochar surfaces are responsible for its mineralization or if they just use the new niches provided. The aim of the proposed project is to investigate the influence of two biochar types on soil-plant systems by determining i) soil nutrient availability, plant growth and nutrient uptake, ii) structure and function of soil microbial communities, iv) the decomposition and fate of biochar in soils. We will use two loessial soils from the well-known DOK-trial with different soil organic matter content. Other soils from the region will be selected to provide a wider range of soil quality, in particular pH. The biochars will be produced by pyrolysis and hydrothermal carbonization (HTC) from the C4-plant Miscanthus gigantea. Pyrolysis derived material has bigger pore sizes due to the evaporating gasses and is commonly alkaline, whereas the HTC derived biochar has a finer pore size, a much higher oxygen content and more acidic functional groups.

Effectiveness of low emission zones: Large scale analysis of changes in environmental NO2, NO and NOx concentrations in 17 German cities

Das Projekt "Effectiveness of low emission zones: Large scale analysis of changes in environmental NO2, NO and NOx concentrations in 17 German cities" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Evonik Industries AG durchgeführt. Background: Low Emission Zones (LEZs) are areas or roads where the most polluting vehicles are restricted from entering. The effectiveness of LEZs to lower ambient exposures is under debate. This study focused on LEZs that restricted cars of Euro 1 standard without appropriate retrofitting systems from entering and estimated LEZ effects on NO2, NO, and NOx (=NO2+NO) concentrations. Methods: Continuous half-hour and diffuse sampler 4-week average NO2, NO, and NOx concentrations measured inside and outside LEZs in 17 German cities of 6 federal states (2005-2009) were analysed as matched quadruplets (two pairs of simultaneously measured index values inside LEZ and reference values outside LEZ, one pair measured before and one after introducing LEZs with time differences that equal multiples of 364 days) by multiple linear and log-linear fixed-effects regression modelling (covariables: e.g., wind velocity, amount of precipitation, height of inversion base, school holidays, truck-free periods). Additionally, the continuous half-hour data was collapsed into 4-week averages and pooled with the diffuse sampler data to perform joint analysis. Results: More than 3,000,000 quadruplets of continuous measurements (half-hour averages) were identified at 38 index and 45 reference stations. Pooling with diffuse sampler data from 15 index and 10 reference stations lead to more than 4,000 quadruplets for joint analyses of 4-week averages. Mean LEZ effects on NO2, NO, and NOx concentrations (reductions) were estimated to be at most - 2 microgram/m3 (or - 4 percent). The 4-week averages of NO2 concentrations at index stations after LEZ introduction were 55 microgram/m3 (median and mean values) or 82 microgram/m3 (95th percentile). Conclusion: This is the first study investigating comprehensively the effectiveness of LEZs to reduce NO2, NO, and NOx concentrations controlling for most relevant potential confounders. Our analyses indicate that there is a significant, but rather small reduction of NO2, NO, and NOx concentrations associated with LEZs. Key words: air quality, low emission zone, NO2, NO and NOx, air pollution

Effekte von Nickel auf eine aquatische Lebensgemeinschaft in Mikrokosmen

Das Projekt "Effekte von Nickel auf eine aquatische Lebensgemeinschaft in Mikrokosmen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie durchgeführt. Quality standards to assess the chemical status of water bodies under the Water Framework Directive are often based on a few standardized laboratory tests and fixed assessment factors for extrapolation to the field situation. If larger data sets including tests with non-standard species are available, a statistical extrapolation approach, the Species Sensitivity Distribution approach (SSD) is applied. For assessing the remaining uncertainty on the SSD, the threshold concentration derived can be compared with data from field monitoring or model ecosystem studies. Taking the priority substance Ni as an example we present the use of microcosms to test the protectiveness of the quality standard derived from laboratory toxicity tests. The study was conducted in 14 microcosms including a natural sediment layer and an overlaying water volume of 750 L located in a greenhouse. After a pre-treatment period for establishing a diverse aquatic community of phytoplankton, zooplankton, periphyton and snails, Ni solution was added to reach concentrations of 6, 12, 24, 48 and 96 micro g Ni/L in two microcosms each. Four microcosms served as untreated controls. To achieve the intended constant exposure over the test period of four months, Ni concentrations were frequently determined in the microcosms and appropriate amounts of nickel solution were added mostly on a daily basis. Parameters known to affect Ni toxicity, i.e. water hardness, pH, and dissolved organic carbon, were also measured. Population abundance and community structure were analysed for difference to the dynamics in the controls. In the microcosms with 48 and 96 micro g Ni/L long-term effects on phytoplankton, rotifers, snails and, due to reduced grazing by snails, indirectly on the periphyton biomass were observed. Only minor, and/or temporary deviations from controls, i.e., for single sampling dates, were found for a few algae taxa at lower concentrations. Because these deviations showed no clear dose-response and were not found at the end of the study they were not seen as adverse effects. However, for the snail (Lymnaea stagnalis), effects on the trend of population development could not be excluded at 24 micro g/L. Thus, the overall No Observed Effect Concentration (NOEC) for a chronic exposure to nickel in this microcosm study was considered to be 12 micro g Ni/L. This NOEC confirms the protectiveness of the quality standard derived from the laboratory single species tests.

Impact of long-term exposure to elevated pCO2 on activity and populations of free living N2 fixing organisms in a temperate grassland system

Das Projekt "Impact of long-term exposure to elevated pCO2 on activity and populations of free living N2 fixing organisms in a temperate grassland system" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Hohenheim, Institut für Tropische Agrarwissenschaften (Hans-Ruthenberg-Institut), Fachgebiet Pflanzenbau in den Tropen und Subtropen (490e) durchgeführt. The project aims at achieving a better understanding of the processes that drive or limit the response of grassland systems in a world of increasing atmospheric pCO2. We will test the hypothesis that the previously shown increase in below-ground allocation of C under elevated pCO2 provides the necessary energy excess and will stimulate free-living N2 fixers in a low N grassland environment. The project thus aims at assessing the occurrence and importance of free-living N2 fixers under elevated pCO2 and identify the associated microbial communities involved in order to better understand ecosystems response and sustainability of grassland systems. This project had the last opportunity to obtain soil samples from a grassland ecosystem adapted to long-term (10 year) elevated atmospheric pCO2 as the Swiss FACE experiment. The project aims to identify the relevant components of free-living diazotrophs of the microbial community using 15N stable isotope - DNA probing.

Geobiology of modern and ancient endolithic microorganisms within ultramafic rocks on the Mid-Atlantic Ridge

Das Projekt "Geobiology of modern and ancient endolithic microorganisms within ultramafic rocks on the Mid-Atlantic Ridge" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bremen, Zentrum für marine Umweltwissenschaften durchgeführt. The major goal of the project is the geobiological description of active and fossil endolithic organisms of an oceanic crust deep biosphere collected from larger pore spaces and glassy crusts of pillow lavas, and solid portions of basaltic and ultramafic rocks from the Mid-Atlantic Ridge. Crucial is also the recognition of biosignatures of an oceanic deep biosphere. Biosignatures are e.g. organic remains/biomarkers, certain (organo-) mineral precipitates, geochemical, and isotopic anomalies. Results will be compared with samples from different localities (e.g. ODP Leg 200). For this purpose, thin sections from biologically fixed basaltic and ultramafic rock samples will be used for a comprehensive, multiphase experimental approach. The active endolithic deep biosphere will be investigated microscopically using histological and petrographic staining techniques, fluorescent in situ hybridization (FISH), further culture independent molecular biological methods (e.g. DGGE), and culturing of certain microorganisms. Lipid biomarker signatures and macromolecular investigations will provide further knowledge on the distribution of microorganisms, their biodiversity, and generally of organic matter. Isotope and geochemical proxies will be used to describe newly formed minerals within fractures and degassed basaltic, and ultramafic rock types (e.g. ?13C, ?18O, ?34S, 87/86Sr, major and minor elements, REE). We anticipate, that the analyses will demonstrate that the inner pore space of degassed basaltic rocks and fractures and ultramafic rocks is a well developed microbial ecosystem which presumably is found everywhere where oceanic crust forms the seafloor. Therefore, microbial-mediated mineralisation processes within oceanic crust pore spaces may have a significant impact on geochemical element budgets. It is possible to distinguish a fossil oceanic deep biosphere via biosignature analyses back to the Precambrian.

Mission Support System (MSS) Entwicklung

Das Projekt "Mission Support System (MSS) Entwicklung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK), Stratosphäre (IEK-7) durchgeführt. Für die optimale Nutzung der vorgegebenen Flugstunden einer HALO-Kampagne ist es von größter Bedeutung, dass die einzelnen Messflüge richtig geplant sind und diese Pläne effizient kommuniziert und mit den Piloten und dem Bedienpersonal iteriert werden können. Seit dem Jahr 2000 baut IEK-7 eine Expertise in der modellbasierten wissenschaftlichen Flugplanung auf, mit dem Ziel, das wissenschaftliche Ergebnis von Forschungsflügen zu optimieren, während die wissenschaftlichen Fragen, die von den Flügen beantwortet werden sollen, immer komplexer wurden.Im Jahr 2010 wurde das Mission Support System von Marc Rautenhaus am DLR in Zusammenarbeit mit Jülich entwickelt. Dieser Python-basierte Ansatz bietet große Vorteile gegenüber den bisherigen Methoden zur Bereitstellung wissenschaftlicher Informationen, die für die Flugplanung benötigt werden. Das MSS-Tool kombiniert ein spezielles Flugplanungs-Tool, um eine Reihe von Wegpunkten für die Piloten zu definieren, mit der Möglichkeit, die Flugbahn auf Modelldatenquerschnitten zu projizieren. Ab etwa 2010 MSS wurde für die Flugplanung in verschiedenen wissenschaftlichen Flugzeugkampagnen, an denen das DLR beteiligt war, eingesetzt. Da die MSS-Software unter der Apache 2.0 Open Source Softwarelizenz steht, konnte sie in Zusammenarbeit mit Jülich weiterentwickelt werden, um unseren Bedürfnissen bei der Planung der POLSTRACC HALO-Kampagne im Jahr 2016 mit großem Erfolg gerecht zu werden, indem nun auch CLaMS-Simulationsprognosen, Cirruswolkenprognosen des Modells CLaMS-ice und speziell abgeleitete Datenprodukte zur Visualisierung der Gravitationswellenaktivität eingesetzt werden. Seitdem wurde es auch u.a. von den HALO Kampagnen EMERGE und WISE intensiv genutzt. Obwohl das Instrument seit 2010 einige Verbesserungen erfahren hat, wurde seit 2010 keine Finanzierung für die allgemeine MSS-Entwicklung durch eine Finanzierungsagentur gewährt. Einzelne Kampagnen stellten Ressourcen zur Verfügung, um den unmittelbaren Bedarf der Kampagnen zu decken (z.B. Einrichtung der kampagnenspezifischen MSS-Server oder hinzufügen von kampagnenspezifischen Visualisierungen zum Server), aber es konnten keine größeren Verbesserungen neben der Fehlerbehebung durch die Teilzeitarbeit der beteiligten Wissenschaftler vorgenommen werden.Dieses Projekt wird die Weiterentwicklung des MSS-Clients und MSS-Servers in mehreren Teilprojekten mit einem ausgebildeten Programmierer für ein Jahr unterstützen, ein Zeitraum, dessen Bereitstellung für die aktuellen Entwickler nicht möglich ist. Die daraus resultierende MSS-Version wird für alle kommenden HALO-Kampagnen, begonnen mit SouthTRAC, von großem Nutzen sein. Das neue MSS wird die neuen WMS-Mapping-Standards unterstützen, neue und verbesserte Nutzungsmuster ermöglichen und Schulungsunterlagen für neue Benutzer und Serveradministratoren bereitstellen. Zukünftige und vergangene Kampagnen-PIs sind in den Prozess einbezogen, um zu beraten, welche Funktionen der Community am meisten nutzen werden.

Cost Accounting and Efficiency of Forest enterprises in the Brazilian Amazon

Das Projekt "Cost Accounting and Efficiency of Forest enterprises in the Brazilian Amazon" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Freiburg, Waldbau-Institut durchgeführt. Zur Produktion von einem Kubikmeter Schnittholz werden in Amazonien mehr als drei Kubikmeter Rundholz verbraucht. Durch eine effizientere Ernte und Verarbeitung des Holzes könnte die von Holznutzung betroffene Fläche drastisch reduziert und zugleich das wirtschaftliche Ergebnis der Betriebe verbessert werden. Doch viele Betriebe sind sich dieser Möglichkeit nicht bewusst, weil die Erhebung und Analyse von Produktionsdaten in der amazonischen Holzindustrie weitgehend unbekannt sind. Vor diesem Hintergrund wurde die Produktion und die Kosten von 5 Holzbetrieben im brasilianischen Bundeststaat Pará erhoben. Die Studie ergab dringend benötigte Informationen über die Kosten von Waldbewirtschaftung in Amazonien. Wichtigstes Ergebnis war, dass die Kosten der Holzproduktion im wesentlichen von der Professionalität des Unternehmensmanagements abhängig sind. Die angewandten Techniken (Reduced Impact Logging - RIL oder konventionell) spielen eine untergeordnete Rolle. Jedoch verursacht der Umstieg auf RIL einen starken Anstieg der Fixkosten. Den damit verbundenen Anforderungen an das Betriebsmanagement können nur sehr wenige Betriebe in Amazonien gerecht werden.

Untersuchungen zur anaeroben Deammonifikation im Hauptstrom von Kläranlagen (ANAMMOSTROM)

Das Projekt "Untersuchungen zur anaeroben Deammonifikation im Hauptstrom von Kläranlagen (ANAMMOSTROM)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Duisburg-Essen, Campus Essen, Abteilung Bauwissenschaft, Fachgebiet für Siedlungswasser- und Abfallwirtschaft durchgeführt. Die anaerobe Deammonifikation, bezeichnet den mikrobiellen Umsatz von Nitrit und Ammonium zu N2, Wasser und Energie. Sauerstoff stört die Reaktion. Nitrit entsteht im Rahmen der Nitritation aus der Oxidation mit Sauerstoff. Der gesamte Prozess wird im Folgenden der Einfachheit halber als ANAMMOX abgekürzt. Aufgrund der großen Vorteile wie Energieeinsparung und Reduktion des Überschussschlammes ist der Prozess theoretisch auch für den Hauptstrom von Kläranlagen sinnvoll. Die Bedingungen im Hauptstrom unterscheiden sich aber wesentlich von denen im Nebenstrom und zwar in den folgenden Punkten: Temperatur, C/N-Verhältnis und Stickstoff- sowie Sauerstoffkonzentration. Das C/N-Verhältnis ist sicherlich eines der zentralen Themen, die untersucht werden müssen. Der Grund dafür liegt an der wesentlich höheren Konkurrenzfähigkeit der heterotrophen Bakterien (HB), die die autotrophen Organismen im Belebtschlamm verdrängen können. Ein Teilziel des Projektes liegt deshalb in der C-Elimination vor der Belebung. Ziel ist die möglichst weitgehende Entkopplung der Kohlenstoff- von der Stickstoffbehandlung sein. Dies kann z. B. durch Sedimentation (größere Vorklärung) geschehen. Die Sedimentation kann weiterhin z. B. durch die Zugabe von Eisen- oder Aluminiumsalzen etc. verstärkt werden. Weiterhin können auch Siebe im Zulauf deutlich zur Verringerung des Kohlenstoffs in der Belebung beitragen. Eine weitere Option sind bioelektrische Systeme (BES), mit denen der Kohlenstoff an der Anode unter Abgabe von elektrischem Strom oxidiert wird. Die Bioelektrischen Systeme (BES) können sowohl zur Oxidation von Kohlenstoff im Zulauf als auch zur Oxidation des Ammoniums zu Nitrit verwendet werden. Im Rahmen des Projektes sollen die oben angeschnittenen Probleme halb- und großtechnisch untersucht werden. Das Ziel der Untersuchungen sind Auslegungsparameter für den Einsatz von ANAMMOX im Hauptstrom kommunaler Kläranlagen. Die halbtechnischen Untersuchungen werden in den Laboren der Siedlungswasserwirtschaft an der Universität Duisburg-Essen durchgeführt. Die großtechnischen Untersuchungen werden an der Versuchskläranlage der Emschergenossenschaft (EGLV) in Dinslaken durchgeführt. Die Untersuchungen des BES werden in Kooperation mit der Fakultät für Chemie - Biofilm Centre, Universität Duisburg-Essen (Prof. Meckenstock) durchgeführt. Die Bearbeitung der Fragestellung lässt sich grob in drei Bereiche teilen: i. Reduzierung des zulaufenden Kohlenstoffs., ii. Etablierung der ANAMMOX-Biozönose und iii. Untersuchungen zur Temperaturstabilität. Zur Etablierung des Biofilms sollen zwei Optionen untersucht werden: a) Biofilm auf einer Feststoffoberfläche mit dem IFAS Prinzip (Integrated Fixed Film Activated Sludge) b) granulärer Biofilm. Für die Reduzierung des zulaufenden Kohlenstoffs sind insgesamt zwei Ansätze geplant: a) Fällung/Flockung in der Vorklärung und b) Siebung. Die qualitative Kontrolle der Bakterien erfolgt mit der Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH). Text gekürzt

A biotechnological approach to increase carbon assimilation in C3-plants

Das Projekt "A biotechnological approach to increase carbon assimilation in C3-plants" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Düsseldorf, Institut für Entwicklungs- und Molekularbiologie der Pflanzen durchgeführt. Photorespiration starts with the competitive inhibition of CO2 fixation by O2 at the active site of ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (Rubisco) and results in a loss of at least 25Prozent of the CO2 fixed in ambient air in C3-plants. Thus, photorespiration was considered a potentially wastefull proces that was limiting plant productivity. The prime function of the C2-pathway is to salvage glycolate 2-P by conversion to glycerate 3-P, which re-enters the C3-reductive cycle. We attempt to introduce two alternative and complete glycolate catabolic cycles into chloroplasts of the model plant Arabidopsis thaliana in order to release and re-fix the CO2 directly within the chloroplast, thereby reducing the oxygenase activity of Rubisco by increasing the CO2/O2 ratio. Thus, an autoregulatory cycle would be created which results in an attenuation of the photorespiratory pathway and an expected improvement in the efficiency of CO2 assimilation and consequently, faster biomass production. Analyses of transformants harboring fully operational glycolate cycles will also generate data to complement our understanding of function and regulation of the photorespiratory pathway and its interaction with other processes.

Stochastic treatment of cloud related processes in nonhydrostatic weather prediction models

Das Projekt "Stochastic treatment of cloud related processes in nonhydrostatic weather prediction models" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, Meteorologisches Institut durchgeführt. Cloud processes have a strong influence on the energy and moisture budget of the atmosphere. Since in numerical weather prediction (NWP) models cloud related processes usually are of subgrid scale, they have to be parameterized in a set of parameterization schemes describing e.g. grid scale clouds and precipitation, subgrid scale cumulus convection and atmospheric radiative transfer. The aim of the proposed research project is to develop a new stochastic physics approach (SPA) for the treatment of cloud related processes in nonhydrostatic NWP models. The stochastic approach shall represent unresolved subgrid scale variability and model parameter uncertainties. For this purpose, selected fixed model parameters will be replaced by appropriate stochastic processes.The application of the SPA shall increase the forecast skill of the hosting NWP model. In an ensemble prediction system (EPS) the ensemble spread shall grow to more realistic values and thus help to overcome the current problem of too small spread (underdispersion) when only considering uncertainties in the initial or boundary conditions. The algorithms of the stochastic approach and the EPS will be developed for use in any nonhydrostatic NWP model that includes prognostic microphysics/precipitation, a radiation scheme with fractional cloud cover and an arbitrary mass flux convection scheme.

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