Gasförmige Emissionen aus dem Biogas-Gärrestmanagement und aus gedüngten Böden : eine Studie mit dem Schwerpunkt der Lachgasmessung mit Hilfe von Stabilisotopen- und Isotopomertechniken

Biogas production from energy crops and organic residues for generating electricity is promoted in several European countries to reduce greenhouse gas (GHG) emissions from fossil fuels and thus to slow down global warming and climate change. However, significant GHG (in particular methane, CH4, and nitrous oxide, N2O) as well as ammonia (NH3) emissions may occur from anaerobic digestates (AD), the residues of the biogas production process, during storage periods prior to land spreading as organic fertilizers, when these storage facilities are not covered. In the present study, Open Path FTIR as a non invasive remote sensing technique in combination with the micrometeorological bLS model was successfully evaluated upon its applicability at open AD lagoons, and emissions from two lagoons were determined in several trials. Emissions were found to be dominated by CH4 and NH3, reducing the GHG savings of biogas energy considerably. During AD land spreading significant trace gas amounts can be emitted to the atmosphere, which are usually dominated by NH3. During winter, these emissions are often considered to be low; however, in the present study it was shown that NH3 emissions under cold temperature conditions can be significant, especially when the soil is frozen and AD infiltration is hampered. AD applied to soil as organic fertilizer may increase N2O emissions, which derive from biochemical N transformation processes. N2O as well as N2 emissions after AD and cattle slurry application to soil have been investigated in an incubation study, indicating lower N2O and N2 emissions via denitrification from AD treated soil due to its lower carbon content. N2O source apportioning in such studies is crucial for improving process understanding and advancing mitigation strategies. The analysis of the different N2O isotopomer species with particular focus on the intramolecular 15N distribution within the asymmetric N2O molecules (the so called ‘site preference’, SP) allows some insights into these source processes. Here, this approach confirmed denitrification as the predominating N2O source. The isotopic fractionation factors during N2O production and reduction via denitrification are still an uncertainty factor for stable isotope approaches relying on isotope ratios at natural abundance level. Therefore, these fractionation factors have been further investigated using different soil incubation approaches in two studies. The observed isotope fractionation during these experiments was partly in agreement with previous studies; however, in some cases the results deviated from literature values, probably due to experimental artefacts in some of the previous studies. N2O Isotopomer analysis is commonly done by isotope ratio mass spectrometry (IRMS), which has relatively low throughput and does not allow real time analysis. Here, recently developed laser spectroscopic techniques capable of site specific N2O 15N analysis may provide significant advantages compared to IRMS. Therefore, an experimental setup involving a new QCL absorption spectrometer was tested for its applicability in soil studies. The SP values of soil derived N2O were successfully determined continuously over several days, and were in good agreement with IRMS analysis, presenting laser spectroscopy as a promising new analytical approach for analyzing N2O in soil studies.Biogasproduktion aus Energiepflanzen und organischen Abfällen zur Stromerzeugung wird in verschiedenen europäischen Ländern gefördert, um Emissionen von Treibhausgasen (THGs) zu reduzieren, und somit die globale Erwärmung und den Klimawandel zu verlangsamen. Bei der Biogaserzeugung anfallende Gärreste werden als Wirtschaftsdünger auf landwirtschaftlichen Flächen ausgebracht. Jedoch können bei der Gärrestlagerung vor der Feldausbringung erhebliche THG- (v.a. Methan – CH4 und Lachgas – N2O) sowie Ammoniak-Emissionen (NH3) auftreten, wenn die entsprechenden Lagerstätten nicht luftdicht abgedeckt sind. Das Ausmaß dieser Emissionen ist kaum bekannt, jedoch wichtig für die ökologische Bewertung von Biogas Strom. Für Emissionsmessungen an offenen Gärrestlagunen wurde daher die Open Path FTIR Methodik in Kombination mit einem mikrometeorologischen Transportmodell als sensitives nicht-invasives Fernmessverfahren validiert. In sechs z.T. mehrtägigen Messkampagnen wurden die Spurengasemissionen aus zwei Gärrestlagunen ermittelt, welche von CH4 und NH3 dominiert wurden und deren Ausmaß die Klimabilanz von Biogas-Strom der untersuchten Anlagen deutlich verschlechterte. Auch während der Feldausbringung von Gärresten können erhebliche NH3 Emissionen auftreten. Bei der Ausbringung im Winter werden diese Emissionen zumeist als gering eingeschätzt. Jedoch konnte hier gezeigt werden, dass auch bei kalter Witterung hohe NH3-Emissionen auftreten können, vor allem wenn bei gefrorenem Boden die Infiltration der Gärreste in den Boden eingeschränkt ist. N2O als besonders wirksames Treibhausgas wird vor allem durch biochemische Prozesse in Böden gebildet, wobei organische Düngung z.B. mit Gärresten die N2O-Freisetzung beträchtlich erhöhen kann. In einem Bodeninkubationsversuch wurde die Produktion von N2O als auch von molekularem N2 nach Gärrest- und Gülledüngung untersucht. Dabei wurden geringere N2O und N2 Emissionen nach Gärrestbehandlung beobachtet, was auf den durch den Gärprozess reduzierten Kohlenstoffanteil der Gärreste zurückgeführt wurde. Die Abschätzung der N2O Beiträge verschiedener Bodenprozesse ist von großer Bedeutung für das Prozessverständnis und daher essentiell für die Entwicklung von N2O Minderungsstrategien. Die Bestimmung der intramolekularen 15N-Verteilung im asymmetrischen N2O-Molekül (die sogenannte ‚site preference‘, SP) ermöglicht gewisse Rückschlüsse über die invol¬vierten Ursprungsprozesse und wies hier auf die überwiegende N2O-Bildung durch Denitrifikation hin. Die Isotopenfraktionierungsfaktoren während der N2O Produktion und -Reduktion durch Denitrifikation stellen noch einen Unsicherheitsfaktor bei der Nutzung natürlicher Isotopen-verhältnisse dar. Daher wurden diese Fraktionierungsfaktoren mit Hilfe verschiedener Bodeninkubationstechniken näher untersucht. Die aus diesen Versuchen resultierenden Fraktionierungsfaktoren stimmen zum Teil gut mit Literaturwerten überein, in einigen Fällen jedoch weichen diese Werte deutlich voneinander ab, was wahrscheinlich in versuchsbedingten Unterschieden gegenüber den vorangegangenen Studien begründet liegt. Die Bestimmung von N2O-Isotopomerverhältnissen erfolgt i.d.R. durch Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie (IRMS), die jedoch nur einen relativ geringen Probendurchsatz erlaubt und keine Echtzeit-Analysen ermöglicht. Daher wurde anhand eines Bodeninkubationsversuchs ein neuartiger Laser spektroskopischer Messansatz zur positions¬spezifischen 15N Analyse von N2O getestet, mit welchem die N2O SP Werte in höchster zeitlicher Auflösung kontinuierlich über mehrere Tage bestimmt werden konnten. Die Ergebnisse stimmten gut mit IRMS-Vergleichsmessungen überein, wodurch sich der genutzte Laser basierte Messansatz als vielversprechende Technik für N2O Isotopenanalysen in Bodenstudien herausstellte

Erklärung und Modell in der Physiologie. Reflexionen auf die begrifflichen Grundlagen der Biowissenschaften

Die Arbeit zielt darauf ab, die wissenschaftliche Praxis der Physiologie in ihren grundlegenden Merkmalen zu bestimmen und einen Begriff ihres Erzeugnisses, physiologischen Wissens, zu geben. Dieses Projekt wird in Verbindung mit einer Kritik an der in den letzten zwei Jahrzehnten entstandenen ‚Mechanistischen‘ Konzeptualisierung der Physiologie durchgeführt. Zunächst wird eine Methode begründet, mit welcher eine Wissenschaftspraxis ausgehend von nicht-wissenschaftlichen Handlungskontexten begrifflich bestimmt werden kann. Diese Methode ist sowohl normativ als auch deskriptiv: Sie ermöglicht die Rekonstruktion von Begriffen faktisch betriebener Wissenschaft als auch die Konstruktion von Begriffen von (nach Maßgabe zuvor definierter Zwecke) verbesserten Wissenschaftspraxen. Mit ihr lässt sich die faktisch betriebene Physiologie als Experimentalwissenschaft rekonstruieren, die auf Manipulations- und Vorhersagewissen über grundlegende Lebenserscheinungen zielt. Stärker als Theorien bildende Wissenschaften nutzt die Physiologie dabei verschiedene – ursprünglich aus der Baukunst stammende – Modellierungspraxen: Die Erforschung von Lebewesen nach sogenannten vorbildlichen Modellen aus dem Bereich der Technik macht physiologische Wissenserzeugung sehr produktiv. Da das so begründbare Wissen allerdings immer nur die kausalen Beziehungen zwischen Teilen betrifft, die sich aus Lebewesen herstellen lassen, wird es – ganz im Sinne seiner Erzeugung – in sogenannten abbildlichen Modellen integriert: Bei diesen handelt es sich um die aus Lehrbüchern bekannten ‚organischen Maschinen‘, an denen Phänomene mithilfe von (ebenfalls aus Lehrbüchern bekannten) Maschinenfunktionserklärungen erklärt werden können. Obgleich dieses Modellwissen nützliche Manipulationen und Vorhersagen ermöglicht (etwa im medizinischen Kontext), bleibt es Wissen über Modelle von Lebewesen, bleiben die Erklärungen modellgestützte Erklärungen. Es handelt sich nicht um (adäquate) Beschreibungen von Lebewesen

Behavioral reluctance in adopting Open Access publishing : insights from a goal-directed perspective

Despite growing awareness of the benefits of large-scale open access publishing, individual researchers seem reluctant to adopt this behavior, thereby slowing down the evolution toward a new scientific culture. We outline and apply a goal-directed framework of behavior causation to shed light on this type of behavioral reluctance and to organize and suggest possible intervention strategies. The framework explains behavior as the result of a cycle of events starting with the detection of a discrepancy between a goal and a status quo and the selection of behavior to reduce this discrepancy. We list various factors that may hinder this cycle and thus contribute to behavioral reluctance. After that, we highlight potential remedies to address each of the identified barriers. We thereby hope to point out new ways to think about behavioral reluctances in general, and in relation to open access publishing in particular

Inquiry Based Science Learning: Design-based Research zur didaktischen Weiterentwicklung klassischer Experimentiermaterialien

Experimentierboxen sind oft noch für einen Unterricht konzipiert, in dem alle Schülerinnen und Schüler einer Klasse die vorgesehenen Experimente zur gleichen Zeit durchführen sollen. Um diesem Zweck gerecht zu werden, finden sich i.d.R. jeweils Klassen- bzw. Mehrfachsätze an Experimentiermaterialien in den Experimentierkästen. Ein naturwissenschaftsbezogener Unterricht, in dem alle Kinder zur gleichen Zeit dasselbe lernen, erscheint heute nicht mehr zeitgemäß. Darüber hinaus können die meisten in Kästen angebotenen Lernmaterialien und Experimentiergeräte als „fachlich didaktisiert“ beschrieben werden. Dieser Umstand ist nicht per se kritikwürdig, denn auch heute gilt es, einen wissenschaftsorientierten Sachunterricht zu gestalten. Allerdings genügt die alleinige Ausrichtung an Wissenschaftlichkeit und Fachlichkeit den modernen Anforderungen an einen naturwissenschaftlichen Sach- und Naturwissenschaftsunterricht nicht mehr. Der Beitrag stellt die theoretischen Grundlagen sowie Beispiele zur Weiterentwicklung von naturwissenschaftsbezogenen Experimentierkästen im Sinne des Inquiry Based Science Learning-Ansatzes dar.

Inquiry Based Science Learning: Design-based Research zur didaktischen Weiterentwicklung klassischer Experimentiermaterialien

Experimentierboxen sind oft noch für einen Unterricht konzipiert, in dem alle Schülerinnen und Schüler einer Klasse die vorgesehenen Experimente zur gleichen Zeit durchführen sollen. Um diesem Zweck gerecht zu werden, finden sich i.d.R. jeweils Klassen- bzw. Mehrfachsätze an Experimentiermaterialien in den Experimentierkästen. Ein naturwissenschaftsbezogener Unterricht, in dem alle Kinder zur gleichen Zeit dasselbe lernen, erscheint heute nicht mehr zeitgemäß. Darüber hinaus können die meisten in Kästen angebotenen Lernmaterialien und Experimentiergeräte als „fachlich didaktisiert“ beschrieben werden. Dieser Umstand ist nicht per se kritikwürdig, denn auch heute gilt es, einen wissenschaftsorientierten Sachunterricht zu gestalten. Allerdings genügt die alleinige Ausrichtung an Wissenschaftlichkeit und Fachlichkeit den modernen Anforderungen an einen naturwissenschaftlichen Sach- und Naturwissenschaftsunterricht nicht mehr. Der Beitrag stellt die theoretischen Grundlagen sowie Beispiele zur Weiterentwicklung von naturwissenschaftsbezogenen Experimentierkästen im Sinne des Inquiry Based Science Learning-Ansatzes dar.

Baltic cod recruitment – the impact of climate variability on key processes

Large-scale climatic conditions prevailing over the central Baltic Sea resulted in declining salinity and oxygen concentrations in spawning areas of the eastern Baltic cod stock. These changes in hydrography reduced the reproductive success and, combined with high fishing pressure, caused a decline of the stock to the lowest level on record in the early 1990s. The present study aims at disentangling the interactions between reproductive effort and hydrographic forcing leading to variable recruitment. Based on identified key processes, stock dynamics is explained using updated environmental and life stage-specific abundance and production time-series. Declining salinities and oxygen concentrations caused high egg mortalities and indirectly increased egg predation by clupeid fish. Low recruitment, despite enhanced hydrographic conditions for egg survival in the mid-1990s, was due to food limitation for larvae, caused by the decline in the abundance of the copepod Pseudocalanus sp. The case of the eastern Baltic cod stock exemplifies the multitude effects climatic variability may have on a fish stock and underscores the importance of knowledge of these processes for understanding stock dynamics

Mode competition in broad-ridge-waveguide lasers

The lateral brightness achievable with high-power GaAs-based laser diodes having long and broad waveguides is commonly regarded to be limited by the onset of higher-order lateral modes. For the study of the lateral-mode competition two complementary simulation tools are applied, representing different classes of approximations. The first tool bases on a completely incoherent superposition of mode intensities and disregards longitudinal effects like spatial hole burning, whereas the second tool relies on a simplified carrier transport and current flow. Both tools yield agreeing power-current characteristics that fit the data measured for 5 to 23 µm wide ridges. Also, a similarly good qualitative conformance of the near and far fields is found. However, the threshold of individual modes, the partition of power between them at a given current, and details of the near and far fields show differences. These differences are the consequence of a high sensitivity of the mode competition to details of the models and of the device structure. Nevertheless, it can be concluded concordantly that the brightness rises with increasing ridge width irrespective of the onset of more and more lateral modes. The lateral brightness 2W · mm¯¹ 1mrad¯¹ at 10MW · cm¯²2 power density on the front facet of the investigated laser with widest ridge (23 µm) is comparable with best values known from much wider broad-area lasers. In addition, we show that one of the simulation tools is able to predict beam steering and coherent bea

Mode competition in broad-ridge-waveguide lasers

The lateral brightness achievable with high-power GaAs-based laser diodes having long and broad waveguides is commonly regarded to be limited by the onset of higher-order lateral modes. For the study of the lateral-mode competition two complementary simulation tools are applied, representing different classes of approximations. The first tool bases on a completely incoherent superposition of mode intensities and disregards longitudinal effects like spatial hole burning, whereas the second tool relies on a simplified carrier transport and current flow. Both tools yield agreeing power-current characteristics that fit the data measured for 5 to 23 µm wide ridges. Also, a similarly good qualitative conformance of the near and far fields is found. However, the threshold of individual modes, the partition of power between them at a given current, and details of the near and far fields show differences. These differences are the consequence of a high sensitivity of the mode competition to details of the models and of the device structure. Nevertheless, it can be concluded concordantly that the brightness rises with increasing ridge width irrespective of the onset of more and more lateral modes. The lateral brightness 2W · mm¯¹ 1mrad¯¹ at 10MW · cm¯²2 power density on the front facet of the investigated laser with widest ridge (23 µm) is comparable with best values known from much wider broad-area lasers. In addition, we show that one of the simulation tools is able to predict beam steering and coherent beam

Serum canine pancreatic-specific lipase concentrations in dogs with naturally occurring Babesia rossi infection

Babesia rossi is the cause of a highly virulent multisystemic disease with a variable outcome, which is a reliable model of systemic inflammatory response syndrome (SIRS). The objective of this study was to determine the concentration of canine pancreatic-specific lipase (cPL) in a population of dogs with naturally acquired B. rossi infection. In addition, the associations between serum cPL and death and SIRS status were examined. An observational study recruited 87 dogs diagnosed with B. rossi infection and serum cPL concentrations were measured daily until discharge or death. The median concentration of serum cPL was 124.0 µg/L (interquartile range: 51.0 µg/L – 475.5 µg/L) on admission (n = 87) and 145.5 µg/L (62.3 µg/L – 434.0 µg/L) on day two of hospitalisation (n = 40). Twenty-four dogs (28%) had a serum cPL concentration within the diagnostic range for pancreatitis (> 400 µg/L) at admission with 13 dogs (32.5%) presenting as such on the second day of hospitalisation. The median concentration of serum cPL in dogs with SIRS was 158 µg/L (interquartile range: 52.5 µg/L – 571.5 µg/L; n = 53), which was significantly higher than in those without SIRS (75 µg/L; 50.3 µg/L – 131.8 µg/L; n = 32) (P = 0.018). This study demonstrated that an unexpectedly high number of dogs diagnosed with naturally acquired canine babesiosis had a serum cPL concentration within the diagnostic range for acute pancreatitis and a significantly higher serum cPL concentration was found in dogs that were classified as having SIRS