Projektarchiv

Die steigende Nachfrage nach Lebensmitteln stellt eine große Herausforderung für die Landwirtschaft dar. In westlichen Ländern der gemäßigten Breiten kommt ein zunehmender Konkurrenzdruck durch Angebote aus südlichen Ländern hinzu, so dass ein Ziel zahlreicher Gemüsebauern ist, möglichst hohe Erträge möglichst früh in der Saison ernten und verkaufen zu können. Dies führt zu einer zunehmenden Anwendung von Abdeckungen landwirtschaftlicher Flächen mit Plastikfolien. Die intensive Abdeckung des Bodens mit Plastik bringt jedoch bislang weitgehend unerkannte und wenig diskutierte Risiken mit sich: Die kontinuierliche oder vorübergehende Abdeckung mit Plastik modifiziert durch den Wassergehalt und die Bodentemperatur zentrale biologisch relevante Randbedingungen, was sich in bislang unbekannter Weise auf die biogeochemischen Prozesse im Boden und die Kohlenstoffspeicherfähigkeit des Bodens auswirken kann. Außerdem kann die Foliennutzung zu einer direkten Verschmutzung des Bodens mit Plastik mit direkten Folgen für den Bodenwasserhaushalt und die Nährstoffverfügbarkeit führen (Steinmetz et al., 2016). Ziel des Projekts SOILPLAST ist es, zu verstehen, wie sich die Nutzung von Folienabdeckungen auf die biologische und biogeochemische Qualität des Bodens auswirken. Der Einfluss der Folienabdeckung auf Bodeneigenschaften, Diversität und Funktionen der Mikroorganismen in Boden und Verhalten von Chemikalien in der Umwelt wird im Rahmen von zwei Promotionsarbeiten untersucht:

1. Inwieweit beeinträchtigt die kontinuierliche oder vorübergehende Abdeckung mit Plastik die Zusammensetzung und das Zusammenleben von Mikroorganismengesellschaften?
2. Welchen Einfluss hat die Verwendung der Plastikfolie im Erdbeeranbau auf das biogeochemische Gleichgewicht im Boden und die Menge und Qualität der organischen Bodensubstanz?

Die Untersuchungen werden im Rahmen eines Feldexperiments in Kooperation mit dem Erdbeerhof Steegmüller durchgeführt und von Laborexperimenten begleitet.

Prof. Dr. Gabriele E. Schaumann

Dr. Katherine Muñoz

Dr. Dörte Diehl

Wasser ist essenziell für das Wachstum von Pflanzen. Die im Zuge des globalen Klimawandels zunehmende Wasserknappheit bedroht die Nahrungsmittelproduktion. Je knapper Wasser wird, desto wichtiger wird die Fähigkeit der Pflanzen, auf den Bodenwasservorrat zugreifen zu können. Der von den Wurzeln ausgeschiedenen Mucilage wird hierbei eine wichtige Rolle zugeschrieben. Es sind jedoch weder die einzelnen Prozesse und Mechanismen noch deren Dynamik hinreichend bekannt. Welchen Einfluss Mucilage auf die Wasseraufnahme von Pflanzen hat und inwiefern sich zugrunde liegende Prozesse und Mechanismen zwischen Pflanzenarten oder Bodentypen unterscheiden ist noch zu klären.
Das Ziel dieses Projektes ist es, die Funktion der Mucilage bei der Regulation der Wasseraufnahme zu verstehen. Unsere zentrale Hypothese ist, dass Mucilage die Wasserversorgung der Pflanze auf zwei Arten optimiert: (1) indem sie bei mittleren Wassergehalten eine ‘hydraulische Brücke‘ zwischen Boden und Wurzel erhält (Brückenfunktion), und (2) indem sie bei starker Austrocknung die wasserleitende Verbindung durch eine vorübergehende Hydrophobisierung unterbricht (Schutzfunktion). Um diese Hypothesen zu überprüfen, verbinden wir Prozesse auf der supramolekularen Skala (Wassereinlagerung, Gelbildung, Selbstorganisationsprozesse) schrittweise mit den makroskopisch auftretenden hydraulischen Eigenschaften in Boden und Rhizosphäre (hydraulische Leitfähigkeit, Wasserverteilung) und mit der Wurzelwasseraufnahme in realen und Modellsystemen.

Wir untersuchen Mucilage (von verschiedenen Fabaceae und Poaceae) und Modell-Gele (insbesondere PGA-Ca) und deren Mischungen mit Boden in Abhängigkeit von Lösungszusammensetzung und Wassergehalt. Auf der supramolekularen Skala werden die Gele, und deren Mischungen mit Boden im Hinblick auf die Bindung und molekulare Mobilität von Wasser mittels 1H-NMR-Relaxometrie, Diffusometrie und Differenzial Scanning Kalorimetrie untersucht, sowie auf deren rheologischen Eigenschaften und Kontaktwinkel. Diese werden mit der hydraulischen Leitfähigkeit der Gele und Gemische in Zusammenhang gebracht. Zunächst werden Untersuchungen an homogenen Gemischen durchgeführt. In einem zweiten Schritt wird das Gel um eine Kunstwurzel herum platziert, um eine reale geometrische Verteilung von Mucilage in der Rhizosphäre zu simulieren. Die Wurzelwasseraufnahme wird mit einer Wurzeldrucksonde untersucht, die mit einzelnen, im Boden gewachsenen Wurzeln verbunden ist. Die Wurzeldrucksondenmessungen werden mit neutronenradiographischen Untersuchungen zur Wasserverteilung in der Rhizosphäre gekoppelt. Die Experimente werden mit einem numerischen Modell simuliert, welches die Dynamik des radialen Wasserflusses in eine Einzelwurzel unter dem Einfluss von Mucilage in der Rhizosphäre beschreibt. Mit diesem kombinierten Ansatz entsteht ein mechanistisches Verständnis zur Funktion der Mucilage für die Boden-Pflanze Interaktionen und ihrer Bedeutung für die Trockenresistenz von Pflanzen.

Jun.-Prof. Dr. Andrea Carminati

Prof. Dr. Gabriele E. Schaumann

Prof. Dr. Doris Vetterlein

Die oberen Bodenschichten unterliegen einer stark veränderlichen Feuchtedynamik, welche die Schadstoffsorption und den Stofftransport im Boden beeinflusst. In der organischen Bodensubstanz und in den Tonmineralen finden zyklische Quellungs- und Schrumpfungsprozesse statt, die auf die Sorptionseigenschaften der organischen Bodensubstanz einwirken. Auch die Porengrößenverteilung und Wasserleitfähigkeit können davon beeinflusst werden. Trotz der Bedeutung für wesentliche physikochemische Bodenprozesse ist der Prozess der Quellung der organischen Bodensubstanz wenig untersucht. Das Ziel dieses Vorhabens ist es, durch Integration von drei Fachdisziplinen die grundlegenden Prozesse bei der Quellung der organischen Bodensubstanz zu untersuchen. Eigene Voruntersuchungen haben bereits das Potential der Protonenrelaxation für diesen Zweck aufgezeigt, welche deshalb als zentrale Methode eingesetzt werden soll. Im Projekt sollen die Prozesse identifiziert werden, die für eine Veränderung der Relaxationszeiten und damit für den Quellungsprozess verantwortlich sind. Diese Informationen sollen genutzt werden, um den Mechanismus und den Verlauf der Quellung der organischen Substanz abzuleiten und deren Auswirkungen auf die Veränderung ihrer physikochemischen Eigenschaften abzuschätzen.

Prof. Dr. Gabriele E. Schaumann

Die Erklärungsversuche durch welche Prozesse die Phytodiversität in Grünland durch Düngung herabgesetzt wird widersprechen sich vielfach. Neuere Untersuchungen lassen vermuten, dass klonalen Pflanzen über einen Prozess der Homogenisierung der Nährstoffverteilung zur Verarmung der Flora beitragen. Dabei sind funktionelle Eigenschaften der Pflanzen genauso wichtig, wie die Nährstoffverteilung, die wiederum von Verteilung, Aktivität und Zusammensetzung der belebten und unbelebten organischen Bodensubstanz abhängt. In einem zweifaktoriellen Probenahme-Design (gedüngt - ungedüngt, bewässert - unbewässert) sollen Rückkopplungen zwischen Vegetation, Bodenlebewesen und den Bodeneigenschaften untersucht werden. Dazu können Vegetations- und Nährstoffanalysen aus einem laufenden DBU Projekt genutzt werden. Zusätzlich werden die mikrobielle Biomasse (Fumigationsextraktion), Biomasse-Aktivität (CO₂/N₂O Messung) und Biomasse-Diversität (PLFA), und diverse Eigenschaften der organischen Bodensubstanz wie Aggregatstabilität, Benetzbarkeit, Dispergierbarkeit und thermische Stabilität untersucht. Ausgewählte Parameter werden in einer zweiten Phase hinsichtlich ihrer kleinräumigen Heterogenität untersucht, um die Hypothese, dass sowohl Düngung als auch Bewässerung eine Homogenisierung von Bodenparametern hervorruft, die zur Abnahme der Diversität von Pflanzen und Bodenlebewesen führt.

Prof. Dr. Hermann Jungkunst

PD Dr. Constanze Buhk

Dr. Dörte Diehl

Nach der Freisetzung industriell gefertigter anorganischer Nanopartikel (EINP) in Oberflächengewässer unterliegen die unterschiedlichen Veränderungs-prozessen. Das Ziel von MASK ist, zu verstehen, unter welchen Bedingungen und in welcher Zeitskala im Süßwasserbereich eine Anlagerung an Schwebstoffe und eine Oberflächenveränderung durch z.B. natürliche organische Substanz erfolgt, inwiefern dadurch eine Stabilisierung der EINP in der Wasserphase erfolgt und ob Oberflächenveränderungen der EINP reversibel sind. In Zusammenarbeit mit den Teilprojekten IMPACT und BIOFILM untersucht MASK den Einfluss des kolloidalen Zustands auf die Wirkung der Nanopartikel und auf die Struktur bakterieller Biofilme.

Wir hypothetisieren, dass Homo-Aggregation, Veränderung der Oberflächeneigenschaften, biologische Interaktion und Hetero-Aggregation die zentralen Prozesse für die aquatische Alterung der EINP darstellen. In prozess-orientierten Labor-Inkubationsexperimenten (Volumen zwischen 50 ml und 6 L) von steigender Komplexität wird die Bedeutung und das Wechselspiel von anorganischen Kolloiden, aquagener und pedogener organischer Substanz und der Lösungschemie für die EINP-Stabilität untersucht. Die Experimente nähern sich sukzessive den Bedingungen in echten Gewässern an. Damit erhält MASK Information über die EINP-Flüsse im aquatischen Kompartiment, ihre Zeitskalen und ihre relative Bedeutung.
Die EINP werden mit Hilfe von Lichtstreuungsmessungen, ICP-MS, ESEM/EDX, WetSTEM und AFM charakterisiert. Zusätzlich wird die ICP-MS mit einer hydrodynamischen Radius-Chromatographie (HDC) gekoppelt.

Darüber koordiniert MASK die zentralen Mesokosmensysteme und gemeinsamen Experimente sowie das virtuelle Teilprojekt ANALYSIS. Hier werden gemeinsame EINP-Analysenmethoden, Probenvorbereitungs- und Aufbewahrungsmethoden entwickelt und optimiert und die gemeinsamen Analysen und die zentrale EINP Datenbank koordiniert.

Prof. Dr. Gabriele E. Schaumann

Abwasser aus Olivenölmühlen (OMW) ist ein ernstes Umweltproblem in Israel und Palästina, da es mangels Alternativen in die Umwelt entsorgt wird. Es könnte als Dünger im Olivenanbau verwendet werden, wenn negative Effekte (Hydrophobisierung, Keimhemmung) durch geeignete Ausbringungsstrategien vermieden werden können. Ziele dieses Projektes sind (i) die Prozesse zu verstehen, welche die Benetzbarkeit von Boden, seine Wechselwirkung mit Agrochemikalien und seine phytotoxischen Eigenschaften beeinflussen, (ii) kurzfristige und längerfristige Effekte der OMW-Ausbringung in Labor- und Feldexperimenten zu analysieren, (iii) verantwortliche Stoffe zu identifizieren und (iv) die Interaktionsmechanismen zwischen OMW-Substanzen und Boden in Abhängigkeit von klimatischen Bedingungen zu verstehen. In den ersten zwei Jahren wurde die Screening-Studie wie geplant abgeschlossen. In Feld- und Laborexperimenten (Gilat und Bait Reema) wurde der Einfluss der Jahreszeitbedingungen der OMW-Ausbringung auf Bodeneigenschaften untersucht. Die Standorte sind typische Vertreter für modernen Olivenanbau in Südisrael bzw. traditionellen Olivenanbau in der WestBank. Sie unterscheiden sich hinsichlich Bodentyp, Bodenart, Intensität des Anbaus, Klima und Bewässerung.In diesem Antrag bitten wir um die Verlängerung um ein Jahr, um die begonnenen Feld- und Laborexperimente wie geplant abschließen zu können und die Daten vervollständigen, interpretieren und publizieren zu können. Die interessanten Zusammenhänge zwischen klimatischen Bedingungen, Prozessen und OMW-Effekten deuten ein intensives Wechselspiel zwischen Abbau, reversibler Sorption und physikalischer Immobilisierung an und zeigen, wie Standortunterschiede die Prozesse und Ausprägung der Effekte beeinflussen.Dies erlaubt bei vollständiger Datenlage Rückschlüsse auf die Relevanz der hypothetisierten Mechanismen. Zum Abschluss der Feldexperimente in Bait Reema und Gilat ist eine abschließende Probenahme im Spätsommer 2014 und eine Analyse von seit Mitte 2013 genommer Proben erforderlich. In den Inkubationsexperimenten vervollständigen Phytotoxizitätsuntersuchungen und -für Gilat die Szenarien Sommer und Winter für den Boden das geplante Messprogramm. Proben aus den Feld- und Laborexperimenten werden hinsichtlich Benetzbarkeit (WDPT und Kontaktwinkel), Phytotoxizität (Keimungstests), stabilem Kohlenstoffisotopenverhältnis (delta13C), linearem Sorptionskoeffizienten für Simazin und Diuron sowie der thermolabile und thermostabile Fraktion und deren Brennwerte, charakterisiert. Das Prozessverständnis, gewonnen aus der Abhängigkeit der Entwicklung der Bodeneigenschaften von den Bedingungen zur und nach der OMW-Ausbringung, wird eine Perspektive eröffnen, wie OMW in den kleinen Familienbetrieben des Mittelmeerraumes wiederverwertet werden kann und wird darüber hinaus auch Antworten auf die bislang nur unvollständig geklärten Fragen geben, wie sich eine Bewässerung mit Abwasser auf die Benetzbarkeit des Bodens auswirken kann.

Prof. Dr. Gabriele E. Schaumann

Prof. Dr. Jawad Hasan

Prof. Dr. Amer Marei

Dr. Mikhail Borisover

Dr. Arnon Dag

Die organische Bodensubstanz (OBS) beeinflusst viele Prozesse an und in biogeochemischen Grenzflächen und kann zur Sequestrierung organischer Chmikalien beitragen. Unsere Hypothese ist, dass die physikochemische Matrixalterung mitverantwortlich für die Sequestrierung organischer Chemikalien ist. Zentrale Elemente dieses Alterungsmechanismus sind Quervernetzungen durch Brücken von Wassermolekülen (WAMB) und durch mehrwertige Kationen (CAB) in Kombination mit Hydratisierungs- und dehydratisierungsprozessen. Das Verständnis der Rolle dieser indirekten Wechselwirkungen wird dazu beitragen, die Prozesse zu verstehen, die die Funktion und Dynamik biogeochemischer Grenzflächen (BGI) bestimmen.

Wir untersuchen die Beweglichkeit von Strukturelementen der OBS und sorbierter Testchemikalien mit differenzierten Techniken der Festkörper NMR und mit Desorptionskinetiken und kombinieren diese mit der 1H NMR Relaxometrie und modernen thermoanalytischen Verfahren, insbesondere der Differential Scanning Kalorimetrie (DSC), Thermogravimetrie gekoppelt mit DSC und Massenspektrometrie (TGA-DSC-MS) und AFM-Nanothermoanalyse. Über definierte Heiz-Kühlzyklen, Befeuchtungs-Trocknungszyklen, gezielte Veränderungen in der organischen Substanz, die Rekonstruktion der Hypothesen mit Molekularer Modellierung (Kooperation Gerzabek) und die Teilnahme an zwei größeren gemeinsamen Experimenten im Schwerpunktprogramm werden wir die Zusammenhänge zwischen dem Sequestrierungspotenzial der OBS, strukturellen Eigenschaften der OBS, Hydratisierungs- und Dehydratisierungsmechanismen, biologischer Aktivität und biogeochemischen Zusammenspielen herstellen. Dadurch verbinden wir Prozesse auf der Molekülskala mit Phänomenen auf höheren Skalen.

Prof. Dr. Gabriele E. Schaumann

Dr. Marko Bertmer

Während die Sorption von Blei an die organische Bodensubstanz gut untersucht ist, ist wenig darüber bekannt, über welche Prozesse die Reversibilität und Alterung der Bleibindung gesteuert werden. Ausgehend von der Modellvorstellung der organischen Bodensubstanz als vernetzte (pseudo)makromolekulare Matrix, werden die folgenden Hypothesen überprüft: (1) Mehrwertige Kationen bilden in der festen und kolloidalen organischen Substanz koordinative Quervernetzungen aus, die die Starrheit der Matrix verstärken und die Bleidesorption behindern. (2) Die langsame Zunahme der Quervernetzungen ist die Ursache für die Festlegung von Pb mit zunehmender Kontaktzeit zur organischen Substanz.

Zur Überprüfung der Hypothesen werden Proben aus dem Of und Oh Horizont einer Rohhumusauflage und deren DOM-Extrakte in unterschiedlichen Kationenbelegungen und Alterungszuständen untersucht. Mit Hilfe der Differential Scanning Kalorimetrie (DSC) wird über das Glasübergangsverhalten die Starrheit der festen organischen Matrix charakterisiert. Kolloidgröße und -eigenschaften werden über Laserstreuung, Zetapotentialmessung und Kleinwinkelröntgenstreuung (SAXS) ermittelt. Ausgewählte Proben werden röntgenspektroskopisch (Pb- und Fe- XANES und EXAFS) auf die Kationenkoordination und mit NMR auf die Beweglichkeit von Molekülbereichen untersucht. Die Materialgrößen werden mit der Desorptionskinetik (Batch, Durchfluss und Isotopenaustausch) von Blei in Verbindung gebracht.

Auf diese Weise werden Informationen über den Einfluss der Kationenvernetzung auf sorptionsrelevante Festkörpereigenschaften der organischen Bodensubstanz sowie über den Mechanismus der Alterung der Bleibindung in organischen Auflagen erwartet.

Prof. Dr. Gabriele E. Schaumann

Die oberen Bodenschichten unterliegen einer stark veränderlichen Feuchtedynamik, welche die Schadstoffsorption und den Stofftransport im Boden beeinflusst. Zyklische Quellungs- und Schrumpfungsprozesse führen zu einer Dynamik von Sorptionseigenschaften der organischen Bodensubstanz, Porengrößenverteilung und Wasserleitfähigkeit. Trotz der Bedeutung für wesentliche physikochemische Bodenprozesse ist der Prozess der Quellung der organischen Bo-densubstanz wenig untersucht. Das Ziel dieses Vorhabens ist es, die grundlegenden Prozesse bei der Quellung der organischen Bodensubstanz zu untersuchen. In der ersten Projektphase wurden die methodischen Voraussetzungen für die Anwendung der Protonenrelaxometrie auf Quellungsuntersuchungen geschaffen. Aufbauend auf diesen Erfah-rungen sollen nun die Prozesse identifiziert werden, die für eine Veränderung der Relaxations-zeiten und damit für den Quellungsprozess in Bodenproben verantwortlich sind. Neben Poren-veränderungen wird besonderes Augenmerk auf paramagnetische Substanzen (Eisen und Mangan) an der Bodenfestphase gelegt. Zur Absicherung der Interpretation werden die Unter-suchungen durch zwei weitere Methoden (Kryo-NMR-Relaxometrie und Differential Scanning Kalorimetrie) ergänzt. Diese Informationen sollen genutzt werden, um den Mechanismus und den Verlauf der Quellung der organischen Substanz abzuleiten und deren Auswirkungen auf die Veränderung ihrer physikochemischen Eigenschaften abzuschätzen.

Prof. Dr. Gabriele E. Schaumann

Ziel des Projektes ist es, durch den Kontakt zwischen Universität und SchülerInnenn am Übergang Grundschule-weiterführende Schule die SchülerInnen in ihrem eigenen Forscherdrang zu fördern und ihnen Wege zu einem selbst gesteuerten naturwissenschaftlichen Forschen zu eröffnen, um dadurch die Motivation für MINT Fächer zu erhöhen.

In der Art, wie Kinder forschen, wenn sie ihren Forscherdrang ausleben können, zeigen sich viele Parallelen zum naturwissenschaftlichen Forschen. Dieses Projekt basiert auf der Arbeitshypothese, dass die Entwicklung des Forschergeistes von Kindern begünstigt und beschleunigt wird, wenn die Kinder (a) frei in ihren Handlungs- Lern- und Entfaltungsmöglichkeiten sind und (b) in einer entspannten und wohldurchdachten vorbereiteten Umgebung lernen können. Verstärkt wird diese Beschleunigung so unsere Hypothese durch geeignete Anregungen der Kinder durch den Kontakt mit der naturwissenschaftlichen Arbeit von Forschern der Universität beispielsweise in den Laboratorien der Universität.

In dem hier beantragten Projekt besuchen begabte Schüler von Grundschulen und weiterführenden Schulen (insbesondere Montessorischulen und Regelschulen) die Chemielaboratorien der Universität Koblenz-Landau und erhalten die Gelegenheit, jeweils eine Woche lang in der Universitätsumgebung zu ausgewählten Themen (Säuren und Basen, Farbe, Färben und Farbstoffe und Boden als Filter und Puffer) eigenständig, ihrem Entwicklungsstand entsprechend und selbst gesteuert zu forschen. Durch die Vorbildfunktion der betreuenden Forscher und angeregt durch die Universitätsumgebung integrieren sie die wichtigsten Elemente des naturwissenschaftlichen Experimentierens und Forschens schon im Grundschulalter.

Die Erfahrungen aus diesem Projekt bilden die wissenschaftliche Basis für den Aufbau eines regelmäßig stattfindenden umweltchemischen Schülerexperimentier-projektes an der Universität Koblenz-Landau, auch im Rahmen des Campusschulprojekts.

Prof. Dr. Gabriele E. Schaumann