Die Arbeit befasst sich mit der Anwendung der dielektrischen Erwärmung mittels Radiowellen auf unterschiedlichen Gebieten der Umwelttechnik. Im Mittelpunkt stehen die Aufheizung von Schüttbetten aus Adsorbenzien und Katalysatoren sowie die thermisch unterstützte Reinigung kontaminierter Böden und Feststoffe, insbesondere unter dem Gesichtspunkt des Einsatzes bei in-situ-Sanierungsvorhaben. Aus stofflicher Sicht wurde die Erwärmung technisch relevanter Feststoffe wie Aktivkohlen, Molekularsieben (Zeolithen) und anderer Katalysatoren ebenso wie die Behandlung von Modellböden und realen Bodenproben untersucht. Die durchgeführten physikalisch-chemischen Grundlagenuntersuchungen bezogen sich vor allem auf die Fragen, inwiefern sich die Radiowellen-Erwärmung von konventionellen Heizmethoden unterscheidet, ob und unter welchen Bedingungen eine selektive Erwärmung einzelner Feststoffkomponenten (z.B. Katalysatorkomponenten oder Partikel) möglich ist und welchen Einfluss der Wassergehalt und die Temperatur auf den Energieeintrag, den Schadstofftransport sowie den Prozess der Schadstoffdesorption besitzen. Der verfahrenstechnische Aspekt der Arbeit umfasst die Entwicklung der Methode der Radiowellen-Erwärmung vom Labor- bis in den Feldmaßstab, die Entwicklung und den Test eines praxistauglichen und automatisierten Systems zur Feststofferwärmung, die simultane Anwendung mehrerer Frequenzen elektromagnetischer Felder zur optimierten Erwärmung mit größerer Temperaturhomogenität, die Erprobung unterschiedlicher Elektrodengeometrien sowie die Durchführung von Sanierungsvorhaben mit Modellcharakter.

Stuttgart, Universiẗat, Diss., 2008.

Universiẗat, Diss., 1999--Stuttgart.

University, Diss., 2002--Tübingen.

Techn. University, Diss., 2003--Berlin.

Techn. Universiẗat, Diss., 2004--Berlin.

Stickstoff ist ein lebenswichtiger Bestandteil der aller Organismen. Dazu gehören auch Pflanzen, die der Ernährung von Tier und Mensch dienen. Terrestrische Pflanzen nehmen Stickstoff über die Wurzeln und damit aus dem Boden auf. Die verschiedenen Stickstoffverbindungen sind durch biogeochemische Prozesse miteinander verknüpft. Zusammen bilden diese Prozesse den Stickstoffkreislauf. Mikrobielle Nitrifikation und Denitrifikation gehören zu den häufig in Grünlandböden vorkommenden Prozessen. Die Aktivität der Mikroorganismen und damit die Geschwindigkeit und Intensität, mit welcher die Transformationsprozesse ablaufen, sind stark abhängig von den vorliegenden Umweltbedingungen. Insbesondere der mikrobiell im Boden verfügbare Sauerstoff spielt hier eine bedeutende Rolle: Während die Nitrifikation von seiner Anwesenheit abhängt, wird die Denitrifikation durch ihn gehemmt. Die Denitrifizierer dagegen können, aber müssen nicht Sauerstoff verwenden. Dadurch entsteht eine gekoppelte, nicht lineare Abhängigkeit der Prozesse vom Sauerstoffgehalt.Der Sauerstoffgehalt im Boden schwankt durch natürliche Faktoren, wie Niederschlagsereignisse, aber ändert sich auch mit der Landnutzung. Die Übergänge zwischen aeroben und anaeroben Bedingungen sind dabei fließend, so dass eine strikte Trennung der beiden Prozesse in der Modellierung nicht sinnvoll ist. In meiner Dissertation im Rahmen des Teilprojekts „InDiLaNi“ im DFG Schwerpunktprogramm „Biodiversitätsexploratorien“ entwickelte ich ein Simulationsmodell für eine gekoppelte Nitrifikations- und Denitrifikationsdynamik. Diese Dynamik ist abhängig vom Sauerstoffgehalt und den Abundanzen der Nitrifizierer und Denitrifizierer. Das Modell brachte dabei Erkenntnisse über den Einfluss von Sauerstoff auf die Nitrifikations-Denitrifikationsdynamik, dient jedoch nicht der Abschätzung von tatsächlichen Stickstoffkonzentrationen im Boden. Mittels eines rein aeroben und eines strikt anaeroben Sauerstoffszenarios wurde das Modell auf seine Gültigkeit überprüft. Aerobe Bedingungen führten zu einer Nitrifikationsdynamik und anaerobe Bedingungen zu einer Denitrifikationsdynamik. Ein transientes Szenario, welches unter Annahme eines niedrigen Sauerstoffgehaltes simuliert wurde, zeigte die Verknüpfung beider Prozesse. Eine Sensitivitätsanalyse diente der Eingrenzung der Modellparameter auf diejenigen, welche den größten Einfluss auf die Modelldynamik haben. Über einen Zeitraum von mehr als 1000 Stunden zeigte sich dabei, dass besonders die Wachstums- und Sterberaten der Nitrifizierer und Denitrifizierer Einfluss auf die Modelldynamik haben. Mit Hilfe experimentellen Daten sollten einige Modellparameter angepasst werden. Dies erwies sich als schwierig, da die Datengrundlage nicht zu einer wirklichen Parameteroptimierung ausreichte und so lediglich eine Anpassung per Hand erfolgen konnte. Dabei konnte mit leichten Veränderungen der Umsatzgeschwindigkeiten der Teilprozesse die modellierte Dynamik dem experimentellen Verlauf angenähert werden. Durch die Biodiversitätsexploratorien standen mir Zeitreihen für den Bodenwassergehalt und die Bodentemperatur zur Verfügung. Aus der Reihe für den Bodenwassergehalt konnte ich Sauerstoffgehalte berechnen und so das Modell mit variablem Sauerstoffgehalt nutzen. Zusätzlich konnte ich den Einfluss von Temperatur und Bodenwassergehalt auf das mikrobielle Wachstum einbringen. Dabei zeigte sich, dass die Sauerstoffgehalte in den Böden im aeroben Bereich lagen, so dass vor allen Dingen die Nitrifikationsdynamik zu beobachten war. Der Einfluss der Temperatur führte zu einer leichten Verlangsamung der Prozesse, da sie immer etwas unter dem mikrobiellen Optimum lag. Weiterhin konnte ich aufgrund von Informationen aus den Biodiversitätsexploratorien Dünge- und Beweidungsereignisse zu modellieren. Durch den Eintrag von Ammonium und Nitrat durch Mineraldünger werden Transformationsprozesse angestoßen und es kommt es zu starken Veränderungen in den Stickstoffkonzentrationen im Boden. Durch Beweidung erfolgt ein Ammoniumeintrag über den gesamten Beweidungszeitraum. Diese externen Einträge sind so stark, dass sie alle anderen, eventuell vorher ablaufenden Stickstoffumwandlungsprozesse überdecken.

Ziel des Forschungsvorhabens war die Untersuchung von Möglichkeiten zur Intensivierung des mikrobiellen Abbaus des Geruchsstoffes Limonen unter Anwendung des Biofilter-verfahrens. Limonen stellt eine wesentliche Geruchskomponente bei der Intensivrotte der Bioabfallkompostierung dar und wird bisher in biologischen Abluftreinigungsanlagen oft nur unzureichend eliminiert. Dies führt zu einer Geruchsbelästigung des Personals und an-grenzender Wohngebiete. Die Verbesserung des hygienischen Status der Bioabfallkom-postierung und eine damit verbundene Steigerung ihrer gesellschaftlichen Akzeptanz erfordert daher ein Biofilterverfahren, das hinsichtlich des Limonenabbaus optimiert wird. Die Zuverlässigkeit von Biofiltern ist neben der Einstellung und Optimierung technischer Parameter auch von der biologischen Aktivität der im Strukturmaterial vorhandenen Mikro-organismenbiozönose abhängig. Viele zum mikrobiellen Abbau von Limonen befähigte Mikroorganismen sind zwar bekannt, doch handelt es sich bei den beschriebenen Abbau-mechanismen hauptsächlich um eine unvollständige Mineralisierung dieses Geruchsstoffes, die zu einer Anreicherung wiederum geruchsbelasteter Verbindungen führt. In dieser Arbeit wurden aus Umweltproben (Fichtenzapfen, -nadeln, -rinde; Waldboden; Schalen von Zitrusfrüchten; Bioabfall) vier bakterielle Mischpopulationen, die zur Ver-wertung von Limonen als einzige Energie- und Kohlenstoffquelle in der Lage sind und durch Wachstum auf diesem Substrat Biomasse bilden, in Schüttelkultur durch Metabolisierung von Limonen erfolgreich angereichert. Hinsichtlich ihrer Abbaukinetik für Limonen wiesen alle Batch-Kulturen eine starke Ähnlichkeit auf. Limonen wurde bei Anfangskonzentrationen von 536,5-889,5 mg/l nach 41-59 Stunden und mittleren Abbauraten von 48,1-51,0 mgl-1h-1 durch die Batch-Kulturen bis unter die Nachweisgrenze abgebaut. Nach erfolgter Degradation hinterließen die Proben einen neutralen Geruchseindruck. Eine Akkumulation von Metabo-liten oder Endprodukten konnte gaschromatographisch nicht nachgewiesen werden, was auf einen vollständigen Limonenabbau hindeutet. Substratkonzentrationen von > 4042 mg/l führten dagegen zu einer Inhibierung des Limonenabbaus und zu einer Stagnation des Wachstums bzw. zum Absterben der Bakterien in den Schüttelkulturen. Die mikrobiologische Grobcharakterisierung führte zur Isolierung von insgesamt 44 Reinkulturen, die einzeln auf Limonenabbau getestet wurden. Es gelang, sechs Bakterien-stämme zu isolieren, die in der Lage waren, Limonen ohne Akkumulation geruchsintensiver Intermediärverbindungen abzubauen. Mittels physiologisch-biochemischer sowie chemotaxo-nomischer Untersuchungen wurden die Bakterienisolate vorbehaltlich der Nachfolgeunter-suchungen der Gattung Pseudomonas zugeordnet. Die molekularbiologische Untersuchung mittels Proteingel-Elektrophorese ergab durch Vergleich einzelner Proteinbanden im Gesamt-zellproteinmuster der Isolate untereinander sowie mit Referenzstämmen die Identität der Isolate L1,2, L2,4 und L4,10. Isolat L2,6 wies deutliche Unterschiede im Proteinbandenprofil gegenüber den übrigen Isolaten und Referenzstämmen auf und wurde zum Vergleich der Isolate L3,6 und L3,8 zu einer 16S rRNA Teilsequenzanalyse herangezogen. Die vollständige Sequenzanalyse des Isolates L3,6 führte zu einer Identität von 97 % mit P. alcaligenes. Hier muß davon ausgegangen werden, daß es sich um eine neue bisher nicht beschriebene Spezies der Gattung Pseudomonas handelt. Isolat L2,6 zeigte in der Teilsequenzanalyse eine Über-einstimmung von 96 % mit P. mendocina, was für die Zugehörigkeit zu einem neuen Genus spricht. Der Vergleich der Teilsequenzen von Isolat L3,8 mit denen bekannter Spezies ergab eine Identität von 98 % mit Pseudomonas sp. B13. Die endgültige taxonomische Einordnung ist allerdings erst nach einem Sequenzvergleich durch DNA-DNA-Hybridisierungen mit bisher sequenzierten Spezies möglich. Die Limonen-abbauenden Bakterienstämme L2,6, L3,6 und L3,8 repräsentieren daher eindeutig verschiedene Spezies, die vorläufig dem Genus Pseudomonas zugeordnet wurden. Die Wirksamkeit der Strategie, den Limonenabbau im Biofilter durch den Einsatz einer leistungsfähigen Anreicherungskultur (Mix der vier Anreicherungskulturen) zu verbessern, wurde im Überführungsversuch in zwei parallel laufenden Modellbiofiltern gaschromato-graphisch untersucht. Aus dem inokulierten Biofilter wurden Wirkungsgrade bis zu 100 % nach 67 Tagen Laufzeit bei kaum geänderter Gesamtkeimzahl ermittelt. Auch nach Einstellung der Beimpfung betrug die Konzentrationsminderung für Limonen bis zu 89 %. Die Einlaufphase des inokulierten Biofilters konnte gegenüber einem konventionellen Biofilter um 46 Tage auf 35 Tage wirksam verkürzt werden. Eine mikrobiologische Charakterisierung der aus zwei Biofiltern isolierten Bakterienkulturen ergab nicht die erwar-teten Unterschiede hinsichtlich der mikrobiologischen Besiedelung des Filtermaterials beider Biofilter. Die Wirksamkeit der Inokulationskulturen im Biofilter ließ sich gaschroma-tographisch und olfaktometrisch anhand der eliminierten Limonen- oder Geruchsstoffkon-zentrationen eindeutig nachweisen. Die Unterschiede in den Abbauleistungen beider Biofilter widerspiegeln sich folglich nicht deutlich in den taxonomischen Merkmalen der Bakterien-biozönosen. Vielmehr ist die mit der Ausbildung spezieller Enzymsysteme verbundene physiologische Adaptation verschiedenster Bakterienspezies entscheidend, um eine Opti-mierung des mikrobiellen Abbaus von Limonen in Biofiltern zu erreichen. / This study aimed to investigate the opportunities for the intensification of the microbial biodegradation of the odourous compound limonene by biofiltration as a biological waste gas treatment technology. Limonen represents a considerable odourous component during the intensive composting process of organic waste materials and its elemination capacity by using the biological waste gas treatment facilities is so far insufficient. This results to a molestation of the staff of composting facilities and adjacent residential areas by odours. The improvement of the hygienic status of the composting process connected with the increase of their social acceptance requires a biofilter system which is to be optimized regarding the biodegradation of limonene. The reliability of such biological deodorizing methods depends on the adjustment and optimisation of technological parameter as well as on the biological activity of limonene metabolizing microorganism microbiota in the carrier material. Though a wide range of limonene utilizing microorganisms are known, but the described bioconversion processes deal with mainly incomplete mineralization of these odourous compound resulting again in an accumulation of further volatile odourous substances. In this study four mixed bacterial population were successfully obtained from organic material samples (fir cone, fir needles, fir bark; coniferous forest soil; parings from citrus fruits; bio waste) by a simple enrichment technique (semicontinuous fed-batch principle) using limonene as the sole carbon and energy source, accompanied by microbial growth and mineralization. In consideration of the degradation kinetics of limonene all of the batch-cultures have shown high similarity. By initial concentrations of 536,5-889,5 mg/l after 41-59 hours and middle degradation rates of 48,1-51,0 mgl-1h-1limonene was degraded by bacterial cultures under the detection limit and samples have had a more neutral odourous impression. An accumulation of metabolites and other final products couldn''t be detected by gaschromatography and this indicates a complete limonene bioconversion. Substrate concentrations greater than 4042 mg/l inhibited outright the biodegradation of this odourous compound as well as the growth of these bacteria and entailed finally to a toxic effect of the cells. Through microbial characterization 44 aerobic pure strains were isolated which were individually tested on limonene degradation. The isolation of six bacteria strains that were capable of limonene degradation without accumulation of other intermediate odourous compounds were achieved. Physiological, biochemical as well as chemotaxonomic characterization tests assigned the bacterial isolates subject to additional tests to the genus Pseudomonas. Phylogenetic investigation by using polyacrylamid gel electrophoresis revealed through comparison of the several protein bands in the whole protein pattern of the isolates with each other as well as with reference strains the identity of the isolates L1,2, L2,4 and L4,10. The isolate L2,6 showed clear differences in the protein pattern to the other isolates and reference strains and was taken with regard to a comparison of the isolates L3,6 and L3,8 to a partial 16S rRNA sequence analysis. The complete 16S rRNA analysis of the isolate L3,6 led to an identity of 97 % with P. alcaligenes. It has to be assumed here that the isolate is different from species previously described and represents a new species of the genus Pseudomonas. Partial 16S rRNA analysis of the isolate L2,6 showed a similarity of 96 % between the isolate and P. mendocina and indicate that this isolate is a member of a new genus. Partial 16S rRNA sequence comparison of the isolate L3,8 with corresponding fragments from reference strains listed in the data bank of nucleotides resulted in a similarity of 97 % with Pseudomonas sp. B13. For the definitive taxonomic arrangement of these isolates DNA-DNA hybridization with related species are required. The limonene degrading isolates represent clearly different species provisionaly allocated to the genus Pseudomonas. The effectiveness of the strategy to enhance the removal capacity for limonene with an efficient enrichment culture (mix of the four batch cultures) was tested in two parallel running biofilters (one inoculated and one biofilter without inoculation) and the degradation of limonene was followed. Chemical analysis was carried out by gas chromatography mass spectrometry. From the inoculated biofilter an efficiency up to 100 % was determined after 67 days running time and the total cell count altered scarcely. Also after a discontinue of the inoculation the elimination capacity for limonene amounted up to 89 %. The adaption time of the inoculated biofilter was successfully reduced from 81 to 35 days compared to a conventional biofilter. A microbial characterization of the isolated bacterial cultures from biofilters did''nt show the expected differences concerning the microbial composition of the carrier material of both biofilters. The activity of the enrichment cultures could be clearly proved by gaschromatography and olfactometry by means of the eliminated limonene concentrations. Therefore the differences of the elimination capacity of both biofilters didn''t clearly appear in the taxonomic characteristics of the bacterial microbiota. Decisive is rather the physiological adaption of various bacterial species by formation of special enzyme systems to achieve an optimisation of the microbial degradation of limonene in biofilters.

Das Bodenbakterium Rhodococcus opacus 1CP ist für sein Potenzial bekannt, organische Schadstoffe abzubauen. In dieser Studie lag der Fokus auf zwei Genprodukten, den farbstoffabbauenden Peroxidasen DypA und DypB, welche unter Anwendung von Klonierungs- und Expressionsstrategien mit hohen spezifischen Aktivitäten in reiner Form gewonnen werden konnten. Eine umfassende biochemische Analyse zeigte, dass beide Enzyme in der Lage sind, Farbstoffe unterschiedlicher Klassen, insbesondere jedoch, die als schwer abbaubar geltenden Anthraquinone, strukturell anzugreifen. Damit stellen sie lohnenswerte enzymatische Systeme zum Abbau toxischer Farbstoffe beispielsweise in industriellen Abwässern dar.

Externe Einträge von Nährstoffen, vor allem von Phosphor, fördern die Phytoplanktonentwicklung und sind damit die primäre Ursache für die Verschlechterung der Gewässergüte in Seen. Die pelagische Nahrungsnetzstruktur kann dabei sowohl positiv als auch negativ auf die Gewässergüte einwirken. Deshalb lässt sich der Gewässerzustand durch eine gezielte Steuerung der Räuber-Beute-Verhältnisse verändern. In der vorliegenden Arbeit wurden Ergebnisse der Groß-Enclosure-Experimente zu den Auswirkungen von Nährstoffen (mit/ohne Zugabe von Nährstoffen) sowie von einer manipulierten Nahrungsnetzstruktur (mit/ohne Zugabe von planktivoren Fischen) auf die pelagische Phyto- und Zooplanktongemeinschaft eines thermisch geschichteten Sees (Dagowsee, Brandenburg) präsentiert. Im Schwerpunkt der Untersuchungen lagen dabei die qualitativen und quantitativen Effekte dieser beiden Faktoren auf die Sedimentationsprozesse sowie den mikrobiellen Umsatz von Kohlenstoff und Phosphor im Hypolimnion und an der Sediment-Wasser-Kontaktzone des Sees. Es wurde gezeigt, dass die Manipulation der Nahrungsnetzstruktur sich auf die Menge und Zusammensetzung des Phyto- und Zooplanktons im Epilimnion des Sees sowie auf den quantitativen vertikalen Transport von Kohlenstoff und Phosphor auswirkte, während die unterschiedliche Nährstoffbelastung im Epilimnion die spezifischen Stoffgehalte des Kohlenstoffs und Phosphors im sedimentierten Material beeinflussten. Anhand der Sauerstoff- und Methanmessungen wurde festgestellt, dass die Intensität des mikrobiellen Abbaus der sedimentierten organischen Substanz vor allem von ihrer Menge abhängig war. Weiterhin konnten die Auswirkungen der manipulierten Nahrungsnetzstruktur auf die Effizienz während des Abbaus vom organischen Kohlenstoff in den Laborversuchen nachgewiesen werden. Diese Effekte waren allerdings in den Freilandexperimenten schwer nachweisbar aufgrund der Beteiligung der Abbauprodukte in anderen oxidativ-reduktiven Prozessen, die gleichzeitig im See verliefen. Anhand des Phosphor-Fraktionierungsverfahrens konnte festgestellt werden, dass dieser Stoff nicht organisch sondern zum größten Teil an Eisen und Mangen gebunden sowie labil adsorbiert die Sedimentoberfläche erreichte. An dieser Stelle zeigten diese beiden Fraktionen einen systematischen Unterschied, der nur auf eine Wirkung der epilimnischen Nährstoffkonzentration und nicht auf die des manipulierten Nahrungsnetzes hinwies. Weitere Analysen der Sedimente zeigten starke Transformationen des sedimentierten Phosphors, aufgrund deren vor allem die dominierenden labilen und redoxsensitiven Phosphorfraktionen betroffen waren. Sie wurden zum einen ins Wasser zurückgelöst und zum anderen in die organische Biomasse gespeichert. Die Veränderungen des Phosphorgehaltes in den Sedimenten waren wieder auf die vorherigen Effekte der Nährstoffe als der manipulierten Nahrungsnetzstruktur zurückzuführen. Die Effekte der Nahrungsnetzmanipulation waren also vor allem an der pelagischen Planktongemeinschaft im Epilimnion und an den Sedimentations- und Kohlenumsatzprozessen in tieferen Schichten des Sees zu sehen. Der vertikale Phosphortransport wurde weniger von der Nahrungsnetzstruktur beeinflusst. Dafür spielte dabei die epilimnische Nährstoffkonzentration sowie die Phosphorbindungspotenzial des Wassers für den internen Kreislauf des Stoffes eine wichtige Rolle. / External load of nutrients, above all from phosphorus, promote the phytoplankton development and are with it the primary cause for the deterioration of the waters quality in lakes. Further, the pelagic food web structure can affect the water quality in a positive as well as in a negative way. Therefore, the water trophic state can be changed by a specific control of the predator-prey relations. In the present study the results of the large enclosure experiments to the impact by nutrients (with/without addition of nutrients) as well as by a manipulated food web structure (with/without addition of planktivorous fish) on the pelagic phyto- and zooplankton community of a thermally stratified lake (Dagowsee, Brandenburg) were presented. Furthermore, the qualitative and quantitative effects of these both factors on the sedimentation processes as well as the microbial turnover of settled carbon and phosphorus in the hypolimnion and at the sediment-water layer of the lake were in the main focus of the investigations. It has been shown that the manipulation of the food web structure affected the amount and composition of the phyto- and zooplankton in the epilimnion as well as the quantitative vertical transport of carbon and phosphorus, while the different nutrient load in the epilimnion influenced the specific material content of the carbon and phosphorus in the sedimented material. With the help of the oxygen and methane measurements it was found out that the intensity of the microbial decomposition of the settled organic matter was dependent above all on her quantity. Furthermore, the effects of the manipulated food web structure on the decomposition efficiency of the organic carbon could be proved in the laboratory tests. However, these effects were in the free land experiments hardly provably due to the participation of the endproducts in other redox processes which ran at the same time in the lake. With the help of the phosphorus fractionation procedure could be found out that settled phosphorus for the most part not organically but in iron and manganese bound as well as loosely adsorbed the sediment surface reached. At this point these both forms showed a systematic difference which pointed only to an effect of the epilimnetic nutrient concentration and not on those of the manipulated food web. Other analyses of the sediments showed strong transformations of the settled phosphorus, which influenced above all the dominating labile and redox sensitive phosphorus fractions. They were released, on the one hand, in the water and stored, on the other hand, in the organic biomass. The changes of the phosphorus content in the sediments were to be led on the previous effects of the nutrients than of the manipulated food web structure. To conclude, the effects of the food net manipulation were to be seen above all in the pelagic plankton community in the epilimnion, and further in sedimentation and carbon turnover processes in deeper layers of the lake. The vertical phosphorus transport was influenced of less by the food web structure. Moreover, for it the epilimnic nutrient concentration as well as the phosphorus binding potential of the water played an important role for the internal circulation of the material.