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Nachhaltigkeitsziele im Sinne einer Ökologie, Ökonomie und Soziokultur lassen sich im Bauwesen auf verschiedene Instrumente zurückführen. Optimierung des Wärmeschutzes durch die Energieeinsparverordnung (Effizienz) oder Minimierung von Abfall im Kreislaufwirtschaftsgesetz (Suffizienz). Um jedoch eine neue Qualität der Nachhaltigkeit zu schaffen, ist ein Paradigmenwechsel notwendig. Dabei können Cradle to Cradle Prinzipien als ökoeffektive Methode angewandt werden, in dem exemplarisch die Biodiversität eingebunden, gesunde Bauprodukte verbaut und erneuerbare Energien genutzt werden. Die Natur dient als Vorbild (Konsistenz). Demnach werden Gebäude nützlich für Mensch, Umwelt und Gesellschaft umgesetzt und gleichzeitig Werte geschaffen. Für den deutschen Einzelhandel bestehen vielschichtige Potenziale, da der Gebäudebestand mit mehreren Millionen Quadratmetern bedeutend ist und die Bauwerke aufgrund von Konzeptänderungen oder Verschleiß der Ladenflächen regelmäßig umgebaut werden. Die Forschung beginnt mit einer Bestandsaufnahme von Cradle to Cradle Bauprodukten und Analyse eines real umgesetzten Einkaufszentrums. Um Einflussfaktoren von Stakeholdern zu identifizieren, wurden qualitative Experteninterviews mit ausgewählten Projektbeteiligten aus Bauherrn, Betreibern, Beratern, Mietparteien und Herstellern durchgeführt. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde untersucht, inwieweit sich Bauprodukte aus der Gebäudeplanung in wissenschaftlicher Theorie und praktischer Bauwirtschaft umsetzen lassen, Geschäftsmodelle anwendbar sind, Trends und Innovationen im Zusammenhang stehen oder Änderungen in Politik oder Wirtschaft notwendig sind. Im Ergebnis wurden Maßnahmen für eine neue Qualität der Nachhaltigkeit bei Einzelhandelsgebäuden identifiziert. Exemplarisch wird anhand der Interviews deutlich, dass neben einem staatlichen Umweltzeichen oder einer Green Building Planungsdisziplin, insbesondere die Ökonomie in Form von Investitions- und Betriebskosten den größten Stellenwert besitzt. Es braucht einen staatlichen Regulierungsrahmen und neue Geschäftsmodelle, damit nachhaltige Bauprodukte wirtschaftlich werden und durch Stakeholder in den Prozessen der Planung, Bauausführung und dem Betrieb berücksichtigt werden.
A Matter of Connection: Competence Development in Teacher Education for Sustainable Development
(2021)
Based on a dual case study, this cumulative dissertation investigates how individual "education for sustainable development" (ESD) courses, as part of the teacher education programs at Leuphana University in Lüneburg/Germany and Arizona State University (ASU)/USA, actually foster students' ESD-specific professional action competence. Furthermore, this work sheds light on the link between learning processes and outcomes, to reveal which factors actually affect the achievement of ILOs and competence development. The findings of this study indicate that both courses under investigation eventually live up to their role and increased student teachers' competence and commitment to implement ESD in their future careers; yet, mainly due to their different thematic foci, to varying degrees. Additionally, the four Cs (personal, professional, social, and structural connections) were revealed as significant factors that support students' learning and should be considered when planning and designing course offerings in TESD, with the goal of developing students' knowledge, skills, and attitudes.
Das Promotionsprojekt, das in das Forschungsprojekt Nawi-In (Naturwissenschaftlichen Unterricht inklusiv gestalten – Kompetenzentwicklung von Lehramtsstudierenden für und mit der Praxis) eingebettet ist, fokussiert die Entwicklung von Analysekompetenzen Masterstudierender der Sekundarstufe I mit naturwissenschaftlichem Fach, inklusiven naturwissenschaftlichen Unterricht zu identifizieren und zu analysieren. Hierfür analysierten die Masterstudierenden (N=5) sowohl eigenen videografierten als auch fremden inklusiven naturwissenschaftlichen Unterricht im Rahmen eines dreisemestrigen Projektseminars. Die Begleitforschung, die im ersten und zweiten Semester des Projektseminars stattfand, untersuchte die Entwicklung der Merkmalsausprägungen der Selbstwirksamkeit, Einstellungen und des selbsteingeschätzten fachdidaktischen Wissens (PCK) in Bezug zu inklusivem naturwissenschaftlichen Unterricht. Der Kern der Forschung ist die Entwicklung eines Modells, um die video-stimulierten Reflexionen zum eigenen (pre und post) und fremden inklusiven naturwissenschaftlichen Unterricht (pre, re und post), die audiografiert und transkribiert wurden, auszuwerten und so eine Entwicklung der Analysekompetenzen über die verschiedenen Erhebungszeitpunkte hinweg feststellen und abbilden zu können. Das Analytical Competency Model (ACM) ist ein Kategoriensystem, das aus verschiedenen Forschungen zu Professionalisierung, Expertiseforschung über Lehrpersonen und professioneller Unterrichtswahrnehmung besteht. Validiert wurde das ACM durch das Erstellen eines Expertenratings. Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Entwicklung der Analysekompetenzen in der Studierendenstichprobe. Es wurden über den Erhebungszeitraum hinweg mehr Momente als inklusiver naturwissenschaftlicher Unterricht identifiziert und die identifizierten Momente in übergeordnete Konzepte zu inklusivem naturwissenschaftlichen Unterricht eingeordnet.
The world wide population growth and the increasing water scarcity endanger more and more the human society. Water saving measures alone will not be sufficient to solve all associated problems. Therefore, people in arid countries might come back to any kind of water available. In this context the way people regard wastewater must change in terms that it has to be recognized as a water resource. The reuse of wastewater, treated and untreated, for irrigation purposes in agriculture is already established in some semi-arid and arid countries. Countries with absolute water scarcity like Israel might not only be forced to reduce their water consumption, but even to transfer reused water to other sectors. Concerns of authorities and the general public about potential health risks are completely understandable. The health risks of wastewater are mainly originating from pathogens which are negatively correlated with its treatment. Therefore, the quality of a wastewater effluent derived from mechanical-biological treatment can be further improved by additional treatment steps like soil aquifer treatment (SAT). This process is adopted at the Israeli Shafdan facility in the south of Tel Aviv. Conventionally treated wastewater is applied on surface basins from where it percolates into the coastal plain aquifer which supplies approximately one quarter of Israel ́s drinking water. After a certain residence time in the subsurface the water is recovered by wells surrounding the recharge area. Although the pumping regime creates a hydraulic barrier to the pristine groundwater, concerns exist that a contamination of the surrounding drinking water wells could occur. So far, little is known about the removal of organic trace pollutants during the SAT process in general and for the Shafdan site in particular. Consequently, the need arose to study the purification power of the SAT process in terms of the removal of organic trace pollutants. For this purpose reliable wastewater tracers are essential to be able to differentiate between degradation and sorption processes on the one hand and dilution with pristine groundwater on the other hand. Based on their chemical properties, their worldwide usage in a variety of foodstuffs and beverages, and first data about the fate and occurrence of sucralose, artificial sweeteners came into the focus as promising tracer candidates.
Thus, in the present work an analytical method for the simultaneous determination of seven commonly used artificial sweeteners in different water matrices, like surface water and wastewater, was developed (see chapter 2). The method is based on the solid phase extraction (SPE) of the analytes by a styrene-divinylbenzene (SDB) copolymer material, and the analysis by liquid chromatography-electrospray ionization tandem mass-spectrometry (LC-ESI- MS/MS). The sensitivity in negative ionization mode was considerably enhanced by postcolumn addition of the alkaline modifier tris(hydroxymethyl) aminomethane. In potable water, except for aspartame and neohesperidine dihydrochalchone, absolute recoveries >75 % were obtained for all analytes under investigation, but were considerably reduced due to matrix effects in treated wastewater. The widespread distribution of the artificial sweeteners acesulfame, saccharin, cyclamate, and sucralose in the aquatic environment was proven. Concentrations in two German wastewater treatment plant (WWTP) influents ranged up to 190 μg/L for cyclamate, several tens of μg/L for acesulfame and saccharin, and about 1 μg/L for sucralose. For saccharin and cyclamate removal rates >90 % during wastewater treatment were observed, whereas acesulfame and sucralose turned out to be very persistent. As a result of high influent concentrations and low removal rates in WWTPs, acesulfame was the dominant sweetener in German surface waters with concentrations up to 2.7 μg/L. The detection of acesulfame and sucralose in recovery wells in the Shafdan SAT site in Israel in the μg/L range was a promising sign for their possible use as anthropogenic markers. As acesulfame and sucralose showed a pronounced stability in WWTPs and were detected in recovery wells of the SAT site in Israel it became worthwhile to assess their tracer suitability compared to other organic trace pollutants suggested as anthropogenic markers in the past (see chapter 3). Therefore, the prediction power of the two sweeteners was evaluated in comparison with the antiepileptic drug carbamazepine (CBZ), the X-ray contrast medium diatrizoic acid (DTA) and two benzotriazoles (1H-benzotriazole (BTZ) and its 4-methyl analogue (4TTri)). The concentrations of these compounds and their ratios were tracked from WWTPs with different treatment technologies, to recipient waters and further to river bank filtration (RBF) wells. Additionally, acesulfame and sucralose were compared with CBZ during advanced wastewater treatment by SAT in Israel. Only the persistent compounds acesulfame, sucralose, and CBZ showed stable ratios when comparing influent and effluent
concentrations of four German WWTPs with conventional wastewater treatment. However, by the additional application of powdered activated carbon in a fifth WWTP CBZ, BTZ, and 4-TTri were selectively removed resulting in a pronounced shift of the concentration ratios towards the nearly unaffected sweeteners. Results of a seven months monitoring program along the rivers Rhine and Main showed an excellent correlation between CBZ and acesulfame concentrations (r2 = 0.94), and still good values when correlating the concentrations with both benzotriazoles (r2 = 0.66 - 0.82). In RBF wells acesulfame and CBZ were again the compounds with the best concentration correlation (r2 = 0.85).
Das ubiquitäre Vorkommen von Arzneimittelrückständen ist eng mit möglichen Risiken für Mensch und Umwelt verbunden. Das übergeordnete Ziel dieser Forschungsarbeit ist die Weiterentwicklung methodischer Ansätze für die Identifizierung prioritärer Arzneimittelrückstände vor dem Hintergrund bestehender Wissens- und Regulierungslücken. Unter diesem Gesichtspunkt wurden drei aktuelle Problemfelder aus dem Themenkomplex "Arzneimittel in der Umwelt " ausgewählt und anhand konkreter Fallbeispiele betrachtet. Tierarzneimittel werden häufig mit der Ausbringung von Wirtschaftsdünger in landwirtschaftlich genutzte Böden eingetragen. Gegenstand der ersten Publikation ist die Frage, inwiefern Anwendungsschemata aus der Nutztierhaltung für die retrospektive Identifizierung prioritärer Tierarzneimittelrückstände genutzt werden können. Hierzu wurde eine spezielle Herangehensweise entwickelt und am Beispiel von Antibiotika erprobt. Die durchgeführte Eintragsabschätzung ermöglichte erstmalig eine umfassende Einschätzung der potenziellen Antibiotikabelastung in Wirtschaftsdünger und landwirtschaftlich genutzten Böden im nordwestdeutschen Raum. Die Ergebnisse deuten auf erhebliche Umwelteinträge hin, die eine Neubewertung bestehender Wirkstoffzulassungen notwendig erscheinen lassen. In der zweiten Publikation wurden am Beispiel einer Mischung aus 18 Arzneistoffen verschiedene Bewertungsansätze verfolgt, um das Risiko einer kombinierten antimikrobiellen Wirkung genauer zu charakterisieren und prioritäre Mischungsbestandteile zu identifizieren. Das Risiko einer antimikrobiellen Wirkung wurde sowohl durch eine experimentelle Prüfung der Mischung als auch durch einen komponentenbasierten Berechnungsansatz bestätigt. Der komponentenbasierte Ansatz verdeutlichte zudem die besondere Relevanz der in der Mischung enthaltenen Fluorchinolon-Antibiotika. Die notwendige Grundlage für eine belastbare Abschätzung von Kombinationseffekten sind jedoch harmonisierte Einzelstoffdaten, die bisher nicht im benötigten Umfang zur Verfügung stehen. Deshalb sollte speziell für Antibiotika eine systematische Prüfung der Wirkung auf Umweltmikroorganismen durchgeführt werden. Arzneistoffe können entlang ihres Lebenszyklus verschiedene biotische und abiotische Transformationsprozesse durchlaufen, die oft zur Bildung von unvollständig charakterisierten Transformationsprodukten (TPs) führen. Die Publikationen 3-7 leisten einen allgemeinen Beitrag zur Einschätzung des möglichen Gefahrenpotenzials von pharmazeutischen TPs im Wasserkreislauf und generieren neue methodische Erkenntnisse vor dem Hintergrund einer vorausschauenden Identifizierung von prioritären Abbauprodukten. Die durchgeführten Fallstudien bestätigten, dass photochemische Transformationsprozesse nicht nur zur Abschwächung bereits vorhandener, sondern im Gegenteil auch zur Entstehung gänzlich neuer Gefahrenpotenziale beitragen können. Es ist somit stark in Frage zu stellen, ob die alleinige Fokussierung auf bekannte Aktivitäten der Muttersubstanz für eine sichere Bewertung von TPs ausreicht.
Wind energy is expected to become the largest source of electricity generation in Europe's future energy mix. As a consequence, future electricity generation will be exposed to an increasing degree to weather and climate. With planning and operational lifetimes of wind energy infrastructure reaching climate time scales, adaptation to changing climate conditions is of relevance to support secure and sustainable energy supply. Premise for success of wind energy projects is the ability to service financial obligations over the project lifetime. Though, revenues(viaelectricity generation) are exposed to changing climate conditions affecting the wind resource, operating conditions or hazardous events interfering with the wind energy infrastructure. For the first time, a procedure is presented to assess such climate change impacts specifically for wind energy financing. At first, a generalised financing chain for wind energy is prepared to (qualitatively) trace the exposure of individual cost elements to physical climate change. In this regard, the revenue through wind power production is identified as the essential component within wind energy financing being exposed to changing climate conditions. This implies the wind resource to be of crucial interest for an assessment of climate change impacts on the financing of wind energy. Therefore, secondly, a novel high-resolution experimental modelling framework with the non-hydrostatic extension of the regional climate model REMO is set up to generate physically consistent climate and climate change information of the wind resource across wind turbine operating altitudes. With this setup, enhanced simulated intra-annual and inter-annual variability across the lower planetary boundary layer is achieved, being beneficial for wind energy applications, compared to state-of-the-art regional climate model configurations. In addition, surrogate climate change experiments with this setup disclose vertical wind speed changes in the lower planetary boundary layer to be indirectly affected by temperature changes through thermodynamically-induced atmospheric stability alterations. Moreover, air density changes are identified to occasionally exceed the net impact of wind energy density changes originating from changes in wind speed. This supports the consideration of air density information (in addition to wind speed) for wind energy yiel assumptions. Thirdly, the generated climate and climate change information of the wind resource are transferred to a simplified but fully-fledged financial model to assess the financial risk of wind energy project financing with respect to changing climate conditions. Sensitivity experiments for an imaginary offshore wind farm located in the German Bight reveal the long-term profitability of wind energy project financing not to be substantially affected by changing wind resource conditions, but incidents with insufficient servicing of financial obligations experience changes exceeding -10% to 14%. The integration of wind energy-specific climate and climate change information into existing financial risk assessment procedures would illustrate a valuable contribution to enable climate change adaptation for wind energy.
In response to the challenges of the energy transition, the German electricity network is subjected to a process of substantial transformation. Considering the long latency periods and lifetimes of electricity grid infrastructure projects, it is more cost-efficient to combine this need for transformation with the need to adapt the grid to future climate conditions. This study proposes the spatially varying risk of electricity grid outages as a guiding principle to determine optimal levels of security of electricity supply. Therefore, not only projections of future changes in the likelihood of impacts on the grid infrastructure were analyzed, but also the monetary consequences of an interruption. Since the windthrow of trees was identified a major source for atmospherically induced grid outages, a windthrow index was developed, to regionally assess the climatic conditions for windthrow. Further, a concept referred to as Value of Lost Grid was proposed to quantify the impacts related to interruptions of the distribution grid. In combination, the two approaches enabled to identify grid entities, which are of comparably high economic value and subjected to a comparably high likelihood of windthrow under future climate conditions. These are primarily located in the mid-range mountain areas of North-Rhine Westphalia, Baden-Württemberg and Bavaria. In comparison to other areas of less risk, the higher risk in these areas should be reflected in comparably more resilient network structures, such as buried lines instead of overheadlines, or more comprehensive efforts to prevent grid interruptions, such as structural reinforcements of pylons or improved vegetation management along the power lines. In addition, the outcomes provide the basis for a selection of regions which should be subjected to a more regionally focused analysis inquiring spatial differences (with respect to the identified coincidence of high windthrow likelihoods and high economic importance of the grid) among individual power lines or sections of a distribution network.
This thesis aims to contribute to a better understanding of the actual implementation of transdisciplinary research in sustainability science. Following three aims, this work likes to (1) contribute to the measurability of transdisciplinary research processes as well as their societal and academic outputs and impacts, to (2) demarcate transdisciplinary research from other modes of research in sustainability science and to (3) identify and examine the determinants that shape the contribution of transdisciplinary research to societal action for sustainable development and to scientific knowledge production. To serve these aims a mixed methods approach is applied that combines strong quantitative elements with in-depth qualitative analyses that integrate the perspectives of practitioners. This thesis provides a broad set of indicators to describe and assess transdisciplinary research that translate theoretical concepts form transdisciplinarity theory into observable variables. The indicators offer a holistic perspective on transdisciplinary research by representing research mode characteristics, societal as well as scientific outcomes of research projects and their specific context. To theoretically demarcate transdisciplinary research from other forms of research, a narrative literature review first elaborates the differences between "normal science", political use of scientific knowledge and transdisciplinarity in their underlying logics of problem definition, knowledge production and research utilization. Subsequently, these concepts were compared with perspectives and expectations of practitioners in the forest sector on integrative research settings. Moreover, a cluster analysis of data from 59 research projects identified five research modes that empirically demarcate ideal-typical transdisciplinary research from other research modes within sustainability science: (1) purely academic research, (2) practice consultation, (3) selective practitioner involvement, (4) ideal-typical transdisciplinary research and (5) practice-oriented research. Based on this finding, transdisciplinary research can be characterized as an intensive, but balanced involvement of practitioners. It incorporates not only the needs and goals of the practitioners but also their norms and values. Ideal-typical transdisciplinary research goes beyond mere consultatory research approaches and must be distinguished from what is conceptualized as applied research. Regression analysis of 81 research projects and statistical group comparisons of the five research mode clusters show that societal and academic outputs and impacts vary with specific project characteristics and combinations of project characteristics defined as research modes. The findings indicate that more interactive research modes reach more societal impacts. In particular, the involvement of practitioners in early project phases and the targeted dissemination of the research results positively affect societal impacts. This finding also aligns with practitioner expectations on integrative research and research utilization, provided by qualitative analysis. Moreover, the quantitative results show that scientific outputs and impacts decrease with the intensity of interactions, indicating a trade-off between societal and scientific outcomes and impacts. Overall, the empirical results of this thesis support the claimed effectiveness of transdisciplinary research in providing societally relevant, applicable knowledge and encourage further funding of transdisciplinary research by funding agencies.
Assessment of forest functionality and the effectiveness of forest management and certification
(2021)
Forest ecosystems are complex systems that develop inherent structures and processes relevant for their functioning and the provisioning of ecosystem services that contribute to human wellbeing. With increasing climate change impacts, especially regulating ecosystem services such as microclimate regulation are ever more relevant to maintain forest functions and services. A key question is how forest management supports or undermines the ecosystems’ capacity to maintain those functions and services. The main objective of this thesis is the development of a concept to assess the functionality of forests and to evaluate the effectiveness of forest ecosystem management including certification. An ecosystem-based and participatory methodology, named ECOSEFFECT, was developed. The method comprises a theoretical and an empirical plausibility analysis. It was applied to the Russian National FSC Standard in the Arkhangelsk Region of the Russian Federation - where boreal forests are exploited to meet Europe's demand for timber. In addition, the influence of forestry interventions on temperature regulation in Scots pine and European beech forests in Germany was assessed during two extreme hot and dry years in 2018 and 2019. Microclimate regulation is a suitable proxy for forest functionality and can be applied easily to evaluate the effectiveness of forest management in safeguarding regulating forest functions relevant under climate change. Thus, the assessment of forest microclimate regulation serves as convenient tool to illustrate forest functionality. In the boreal and temperate forests studied in the frame of this thesis, timber harvesting reduced the capacity to self-regulate forests’ microclimate and thus impair a crucial part of ecosystem functionality. Changes in structural forest characteristics influenced by forest management and silviculture significantly affect microclimatic conditions and therefore forest ecosystems' vulnerability to climate change. Canopy coverage and the number of cut trees were most relevant for cooling maximum summer temperature in pine and beech forests in northern Germany. The Russian FSC standard has the potential to improve forest management and ecological outcomes, but there are shortcomings in the precision of targeting actual problems and ecological commitment. It is theoretically plausible that FSC prevents logging in high conservation value forests and intact forest landscapes, reduces the size and number of clearcuts, and prevents hydrological changes in the landscape. However, the standard was not sufficiently explicit and compulsory to generate a strong and positive influence on the identified problems and their drivers. Moreover, spatial data revealed, that the typical regular clearcut patterns of conventional timber harvesting continue to progress into the FSC-certified boreal forests, also if declared as "Intact Forest Landscape". This results in the need to verify the assumptions and postulates on the ground as it remains unclear and questionable if functions and services of boreal forests are maintained when FSC-certified clearcutting continues.The analysis of satellite-based data on tree cover loss showed that clearcutting causes secondary dieback in the surrounding of the cleared area. FSC-certification does not prevent the various negative impacts of clearcutting and thus fails to safeguard ecosystem functions. The postulated success in reducing identified environmental threats and stresses, e. g. through a smaller size of clearcuts, could not be verified on site. The empirical assessment does not support the hypothesis of effective improvements in the ecosystem. In practice, FSC-certification did not contribute to change clearcutting practices sufficiently to effectively improve the ecological performance. Sustainability standards that are unable to translate principles into effective outcomes fail in meeting the intended objectives of safeguarding ecosystem functioning. Clearcuts that carry sustainability labels are ecologically problematic and ineffective for the intended purpose of ecological sustainability.The overexploitation of provisioning services, i.e. timber extraction, diminishes the ecosystems' capacity to maintain other services of global significance. It also impairs ecosystem functions relevant to cope with and adapt to other stresses and disturbances that are rapidly increasing under climate change.
The agreement on the 17 Sustainable Development Goals (SDGs) by the UN General Assembly in September 2015 was a milestone in the common history of international development and sustainability governance. However, in order to be effective, it is necessary to identify and to define suitable instruments that can be applied in order to fulfill the ambitious goal catalogue. Therefore, the underlying thesis examines the concept of Village Savings and Loan associations (VSLAs) with regard to its mechanisms that operate towards an attainment of the respective goal category. VSLAs are self-government, autonomous and democratically organized Microfinance Institutions (MFIs). They consist of a maximum of 25 mostly female members, who know and trust each other. The work is carried out within a qualitative-empirical research design applied in central Cameroon, which has to some extent exemplary character for sub-Saharan Africa. In this manner, guided experts interviews were conducted with VSLA-presidents as well as with field officers that are creating and accompanying VSLAs. A first part addresses the historical evolution of the SDGs and the theoretical and actual implications of Microfinance and the VSLA-methodology. After considering the methodological proceeding, the results are presented, discussed and summarized in a conclusion. All in all, 22 mechanisms for the attainment of nine SDG-categories are identified and described. Of particular importance is the key role of the credits to trigger fruitful activities that generate financial wealth, economic growth and employment. Furthermore, the savings of the members are an important factor for the school enrollment of the members´ children. Additionally, a combination of the credits and the solidarity fund improves the medical treatment of the members and their families. In contrast to that, direct mechanisms supporting the nutritional situation or gender equality in the research field are found to have a limited importance. Moreover, none of the identified mechanisms targets the environmental sphere of the SDG-catalogue. This is weighty in light of an increasing noticeability of the impacts of climate change for the involved population group. Nonetheless, the VSLA-concept is a simple way to effectively address the social and the economic aspects of the SDG-catalogue. In this manner, a further development of the instrument could include the canalization of the capital of international de-velopment cooperation through the VSLAs as democratic and transparent grassroots-institutions.
Der hohe Verbrauch von Antibiotika führt zu stetig steigenden Konzentrationen der Wirkstoffe und ihrer Transformationsprodukte in der Umwelt. Antibiotika in der Umwelt haben das Potential Funktionen von Ökosystemen zu stören und tragen zur Entwicklung und Selektion von resistenten Bakterien bei. Um diese negativen Auswirkungen auf Mensch und Umwelt zu reduzieren, sind vielseitige Lösungen notwendig. Benign by Design (BbD) ist ein wichtiger Baustein dafür. Daher ist es wichtig zu verstehen, inwiefern das BbD Prinzip auf verschiedene Substanzgruppen anwendbar ist und welche Limitierungen zu berücksichtigen sind. Mit dieser Arbeit soll ein Beitrag zur Entwicklung von in der Umwelt mineralisierbaren Antibiotika entsprechend des Benign by Design Konzeptes geliefert werden. Dies wurde am Beispiel der Fluorchinolonantibiotika durchgeführt, da diese sehr wichtige, aber auch sehr persistente Wirkstoffe sind. Ziel war es, zu verstehen, welche Veränderungen an der Grundstruktur vorgenommen werden können, um Derivate zu erzeugen, die während der Wirkdauer und Lagerung ausreichend stabil bleiben, aber anschließend in der Umwelt möglichst schnell und vollständig mineralisiert werden können. Im ersten Teil der Arbeit wurden die BbD Ansätze des targeted und non-targeted Re-Designs und de novo Designs, sowie die Verwendung von in silico Tools zu deren Umsetzung, untersucht. Basierend darauf wurde ein Workflow entwickelt, der eine mögliche Verwendung von computergestützten Methoden innerhalb des BbD Frameworks aufzeigt. Der Ansatz des non-targeted Re-Designs wurde für neun verschiedene Substanzen aus der Klasse der Fluorchinolone angewandt. Dafür wurden Transformationsprodukte der Muttersubstanzen mittels Photolyse und Photokatalyse erzeugt. Das resultierende Substanzgemisch wurde hinsichtlich der biologischen Abbaubarkeit und Toxizität untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Bestrahlung mit UV-Licht eine Vielzahl an neuen Strukturen entstehen und das Gemisch oft eine gesteigerte biologische Abbaubarkeit im Vergleich zur Muttersubstanz aufweist. Das targeted Re-Design wurde am Beispiel von Fluorchinolon-Glucosamin-Derivaten untersucht. Dabei galt es zu verstehen, inwiefern Glucosamin-Substituenten die biologische Abbaubarkeit beeinflusst. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Verwendung von acetylierten Glucosamin-Substituenten ein partieller Abbau stattfindet. Diese Erkenntnisse können zukünftig in das gezielte, fragment-basierte Design von grüneren Strukturen einfließen. Im letzten Teil der Arbeit wurden die Struktur-Bioabbau-Beziehungen von N-hetero-zyklischen Verbindungen, welche auch die Basis des Fluorchinolon-Grundgerüstes sind, untersucht und leicht biologisch abbaubare Leitstrukturen identifiziert. Dafür wurden 84 verschiedene N-Heterozyklen nach OECD 301 Richtlinien getestet. Basierend darauf wurde zum einen ein lokales 3D-QSAR Modell, insbesondere zur Visualisierung der Effekte der Substituenten im dreidimensionalen Raum, erstellt, als auch Regeln für das Design von umweltfreundlicheren Chinolonen und verwandten Strukturen abgeleitet. Weiterhin wurden abbaubare Strukturen aus der Gruppe der Chinazoline identifiziert, welche vielversprechende Leitstrukturen für das Design von Topoisomerase-Inhibitoren oder anderer Chemikalien darstellen. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass die Umsetzung von BbD im Wirkstoffdesign möglich ist und wie potentielle Vorgehensweisen aussehen können. Dabei konnte gezeigt werden, dass selbst die als besonders persistent geltenden Fluorchinolonantibiotika das Potential bieten, zu besser abbaubaren Derivaten re-designt zu werden. Es wurde jedoch auch deutlich, dass es keine allgemeingültige Herangehensweise gibt und Methoden den entsprechenden Substanzklassen und Anforderungen angepasst werden müssen.
Water is an essential natural resource, yet we are experiencing a global water crisis. This crisis is first and foremost a crisis of governance rather than of actual physical resources. Capacities of single, unitary states are severely challenged by the complex, multi-scalar, and dynamic structure of contemporary problems in water resource management. New modes of governance stress the potential of public participation and scalar restructuring for effective and legitimate environmental decision-making. However, a lack evidence on the actual implementation and instrumental value of novel governance modes stands in stark contrast to the strong beliefs and assumptions that often see these being propagated as ´panaceas´ or ´universal remedies´. With this doctoral dissertation I aim to contribute to a deeper understanding of the implementation and performance of public participation and scalar restructuring in environmental governance, and particularly to engage in systematic research into the contextual factors that shape the performance of such governance innovations. Based on the conceptual approaches of participatory, multi-level governance and scale, I advance a conceptual framework specifying mechanisms and important contextual factors describing the potential of participation and rescaling to impact on the efficacy of environmental decision-making. Applying this framework, I employ a mixed-methods approach combining qualitative, quantitative, set-theoretic, and review methods, with the aim of maximising the validity of results. Drawing on the institutional frame of the European Water Framework Directive (WFD), I first assess the extent and conditions under which participation and rescaling are actually implemented in the European water resource management regime. Subsequent analyses examine whether these governance shifts, where implemented, actually lead to environmentally effective and legitimate political decisions, and foster social outcomes. Results indicate that actual changes in governance structures remain modest, whereas previous institutional structures and experiences prove rather durable. Hence, despite recent shifts distributing authority towards alternative actors and scales, the state has persisted in its role as central authority in the European water resource management regime. To the extent that they were implemented, public participation and rescaling were generally positively related with the environmental effectiveness and legitimacy of political outcomes. The analysis provides a context-sensitive understanding, by unravelling the supposedly linear relationship between governance inputs and outputs to develop a more nuanced picture of the governance process rather as a composition of multiple, interdependent causal mechanisms that, depending on their actual configuration, lead to various outcomes. In this way, particularly the tension between legitimacy and effectiveness of political outcomes is disentangled, with both being seen as the result of distinct but interrelated properties of the governance system and its contextual circumstances. The thesis furthermore provides insights of practical and policy relevance, highlighting the need and potential to take a context-sensitive perspective in policy design and decision-making. The framework paper and the Ph.D. thesis thus together enhance academic understanding of environmental governance and its potential contributions to sustainability transitions.
Tropical ecosystems are critical for biodiversity conservation and local people’s livelihood sustenance. However, these ecosystems are under high pressure from land-use and land cover (LULC) change, which is further projected to intensify and increase rapidly, thereby affecting biodiversity and the provisioning of vital ecosystem services (ES). It is thus important to understand how LULC might change in the future and how such changes could affect biodiversity and ES provisioning in a given landscape of tropical ecosystems. Scenario planning has become an increasingly popular tool and technique to produce narrative scenarios of the future landscape change. Thus, quantifying changes under different land-use scenarios could be a means to elucidate the synergies and trade-offs within the scenarios. In this dissertation, the author examines the future of biodiversity and ES provisioning for different plausible land-use scenarios in southwestern Ethiopia. First, he translates four future plausible narrative social-ecological land-use scenarios ("Gain over grain", "Coffee and conservation", "Mining green gold" and "Food first") developed for southwestern Ethiopia by participatory scenario planning into spatially explicit LULC scenario maps. Results showed distinct LULC changes under each scenario. Second, the author investigates the impact of these land-use scenarios on biodiversity by specifically modelling woody plant species richness in farmland and forest. Both indicators of human disturbance and environmental conditions were used. Third, he also investigates the effect of these land-use scenarios on woody plant-based ES provisioning by combining woody plant species with household surveys on how woody plants were used by the local community. He models and predicts the current and future availability of woody plant-based ES under the four scenarios of landscape change. Overall, the findings of this dissertation show the importance of integrating future land-use mapping with participatory, narrative-based scenarios to assess the social-ecological outcomes of alternative futures. The spatially explicit maps of LULC change, biodiversity and ES (at different scales) could be used as a valuable input to support stakeholders and decision-makers to weigh the advantages and disadvantages of different development trajectories on ecosystems and human well-being and to avoid or minimize future undesirable consequences. To this end, apart from the benefits of coffee production under "Mining green gold" and crop production under "Food first" scenarios, the findings under these scenarios of large-scale agricultural intensification point to a potentially high loss of biodiversity and ES. These two scenarios could have a negative long-term impact on ecosystems and human well-being. Finally, the "Coffee and conservation" scenario, which involves the creation of a new biosphere reserve, appears to be the most sustainable scenario. This scenario could result in a sustainably managed, diversified landscape which could make major contributions to biodiversity conservation and human well-being in the region and beyond.
Protected areas are an essential tool for conserving biodiversity. However, their ecological effectiveness is contested and their capacity to resist human pressures differ. This dissertation aimed to assess the ecological effectiveness of different protection levels (from strict to less strictly protected: national park, game reserve, forest reserve, game-controlled area, and unprotected areas) in biodiversity (both mega diverse butterflies and mammals), maintaining habitat connectivity, and reducing anthropogenic threats at the wider landscape in the Katavi-Rukwa Ecosystem of southwestern Tanzania. To achieve this overarching goal, the researcher employed an interdisciplinary approach. First, he analyzed butterfly diversity and community composition patterns across protection levels in the Katavi-Rukwa Ecosystem. He found that species richness and abundance were highest in the game reserves and game-controlled areas, intermediate in the forest reserves, national park and unprotected areas. Species composition differed significantly among protection levels. Landscape heterogeneity, forest cover, and primary productivity influenced species composition. Land-use, burned areas, forest cover, and primary productivity explained the richness of species and functional traits. Game reserves hosted most indicator species. Second, the author modelled the spatial distribution of six large mammal target species (buffalo Syncerus caffer, elephant Loxodonta africana, giraffe Giraffa camelopardalis, hartebeest Alcelaphus buselaphus, topi Damaliscus korrigum, and zebra Equus burchellii) across environmental and protection gradients in the Katavi-Rukwa Ecosystem. Based on species-specific density surface models, he found relatively consistent effects of protection level and land-use variables on the spatial distribution of the target mammal species: relative densities were highest in the national park and game reserves, intermediate in forest reserves and game-controlled areas and lowest in un-protected areas. Beyond species-specific environmental predictors for relative densities, the results highlight consistent negative associations between relative densities of the target species and distance to cropland and avoidance of areas in proximity to houses. Third, the author examined temporal changes in land-use, population densities and distribution of six large mammal target species across protection levels between 1991 and 2018. During the surveyed period, cropland increased. Wildlife densities of most, but not all target species declined across the entire landscape. Based on logistic regression models, target species preferred the national park over less strictly protection levels and areas distant to cropland. Fourth, he quantified land-use changes, modelled habitat suitability and connectivity of elephant over time across a large protected area network in southwestern Tanzania. Based on analyses of remotely-sensed data, cropland increased from 7% in 2000 to 13% in 2019. Based on ensemble models, distance from cropland influenced survey-specific habitat suitability for elephant the most. Despite cropland expansion, the locations of the modelled elephant corridors (n=10) remained similar throughout the survey period. Based on circuit theory, the author prioritizes three corridors for protected area connectivity. Key indicators of corridor quality varied over time, whereas elephant movement through some corridors appears to have increased over time. Overall, this dissertation underpins differences in ecological effectiveness of protected areas within one ecosystem. It highlights the need to utilize a landscape conservation approach to guide effective conservation across the entire protection gradient. It also suggests the need to enforcing land use plans and having alternative and sustainable forms for generating income from the land without impairing wildlife habitat.
Biozide Wirkstoffe sind Chemikalien, die zum Schutz der menschlichen oder tierischen Gesundheit oder zum Schutz von Materialien vor Schädlingen eingesetzt werden. Monitoringergebnisse lassen vermuten, dass diese Wirkstoffe auch häufig im Innenraum von Haushalten eingesetzt werden und von dort vor allem über Abwasserleitungen und Kläranlagen in die Umwelt gelangen, wenn sie in Kläranlagen nicht eliminiert werden. Die Produkte, aus denen die Wirkstoffe aus Haushalten in das Abwasser gelangen, sind bislang jedoch nicht identifiziert worden. Aus diesem Grund konnten die daraus resultierenden Umweltbelastungen nicht eingeschätzt und keine entsprechenden Emissionsminderungsmaßnahmen umgesetzt werden. In dieser Arbeit wurde deshalb untersucht, in welchen Haushaltsprodukten biozide Wirkstoffe eingesetzt werden und in das Abwasser gelangen. Zudem sollte erforscht werden, was die Haushaltsmitglieder über Biozidprodukte wissen und wie sie mit ihnen umgehen. Ziel war es, die Anwendungen von bioziden Wirkstoffen in Haushalten zu identifizieren, von denen die höchsten Umweltbelastungen zu erwarten sind, und geeignete Emissionsminderungsmaßnahmen abzuleiten. Um die Anwendung biozider Wirkstoffe in Haushalten zu untersuchen, wurde zunächst durch eine Befragung in Haushalten eines dörflichen Wohngebietes ermittelt, was die Haushaltsmitglieder über Biozidprodukte wissen und wie sie die damit verbundenen Risiken im Vergleich zu anderen Haushaltsprodukten einschätzen. Zudem wurde für jeden der teilnehmenden Haushalte ein Inventar der vorhandenen Produkte erstellt. Dabei wurden neben den Biozidprodukten auch Wasch- und Reinigungsmittel und Körperpflegeprodukte untersucht. Ähnliche Erhebungen fanden zusätzlich in Haushalten in urbanen Gebieten statt. Die aufgrund der inventarisierten Produkte zu erwartenden Stoffe wurden im Laufe eines Jahres durch ein speziell abgestimmtes Monitoringprogramm im Abwasser des dörflichen Wohngebietes in Tages- und Stundenmischproben untersucht. Alle Proben wurden nach der Probenahme aufgearbeitet und mittels Flüssigchromatographie gekoppelt mit einem Triple-Quad-Massenspektrometer analysiert. Dabei wurden die Konzentrationen von 14 Wirkstoffen gemessen: 1,2-Benzisothiazol-3(2H)-on (BIT), C12-Benzalkoniumchlorid, Carbendazim, 5-Chlor-2-methyl-2H-isothiazol-3-on (CMIT), Dichloroctylisothiazolinon (DCOIT), N,NDiethyl-meta-toluamid (DEET), Diuron, Icaridin, 2-Octyl-2H-isothiazol-3-on (OIT), Piperonylbutoxid (PBO), Triclosan, Tebuconazol, Terbutryn und Tetramethrin. Vielen Befragten war nicht bewusst, dass sie Biozidprodukte nutzen. Der Begriff "Biozid" war oft nicht bekannt und wurde inhaltlich häufig falsch verstanden. Die Auswertungen der inventarisierten Produkte und der darin enthaltenen bioziden Wirkstoffe zeigten, dass ein Großteil der Wirkstoffe nicht aus Biozidprodukten in das Abwasser gelangt, sondern aus Körperpflegeprodukten und Wasch- und Reinigungsmitteln. Insgesamt 64 % der Anwendungen von bioziden Wirkstoffen in den inventarisierten Produkten wurden nicht unter der Umweltrisikobewertung der Verordnung (EU) 528/2012 über die Bereitstellung auf dem Markt und die Verwendung von Biozidprodukten berücksichtigt, was zu einer erheblichen Unterschätzung der Umweltrisiken führt. Die Ergebnisse der Abwasseruntersuchungen deuten ebenfalls darauf hin, dass biozide Wirkstoffe aus Wasch- und Reinigungsmitteln, Körperpflegeprodukten und Biozidprodukten gleichermaßen in das Abwasser eingetragen werden. Die Messergebnisse können gut mit den Produktinventaren in Verbindung gebracht werden. Einige Wirkstoffe scheinen maßgeblich durch Biozidprodukte eingetragen zu werden. Auch Konservierungsmittel wurden regelmäßig nachgewiesen. Für Triclosan hingegen ist gemäß den Inventaren Zahnpasta vermutlich die Produktgruppe, die in dem untersuchten Wohngebiet maßgeblich für den Eintrag ins Abwasser verantwortlich ist. Diese Arbeit zeigt zum ersten Mal, welche Produkte im Haushalt eine wichtige Quelle für biozide Wirkstoffe im Abwasser sind. Sie müssen mit einbezogen werden, wenn Emissionen an der Quelle reduziert werden sollen. Es sollten Maßnahmen ergriffen werden, die über die Produktzulassung von Biozidprodukten hinausgehen, um die Emissionen so gering wie möglich zu halten. Diese Maßnahmen sollten sich nicht darauf beschränken, die Bevölkerung über Biozidprodukte aufzuklären und zu sensibilisieren. Stattdessen sollten Maßnahmen früher in der Wertschöpfungskette ansetzen, wie zum Beispiel beim Design der Wirkstoffe oder der Formulierung der Produkte, um so Einträge biozider Wirkstoffe in die Umwelt zu verringern.
Despite growing research on sustainability transformations, our understanding of how transformative transdisciplinary research can support local actors who foster change towards sustainability is still somewhat limited. To contribute to this research question, the investigator conducted research in a transdisciplinary case study in Southern Transylvania, where non-governmental organizations (NGO) drive sustainability initiatives to foster desired changes (e.g., supporting small-scale farmers or conserving natural and cultural heritage). Interactions with these local actors and reflections on the research question shaped the research of this dissertation. In paper 1, the author conducted a literature review on amplification processes that describe actions, which local actors can apply to increase the impact of their sustainability initiatives. In paper 2, he conducted a literature review on the application of indigenous and local knowledge (ILK) in sustainability transformations research to understand whether this research engages with the conceptualization of transformations from local actors. The results show that ILK is generally applied to confirm and complement scientific knowledge in contexts of environmental, climate, social-ecological, and species change. In paper 3, the author derived principles that provide guidance for how to integrate sustainability initiatives from local actors in transformative transdisciplinary research. Based on his transdisciplinary research with the NGOs in Southern Transylvania and by using systems and futures thinking as an approach for analysis, he derived three principles that provide guidance for the co-design of sustainability intervention strategies that build on, strengthen, and complement existing initiatives from local actors. In paper 4, the author explored empirically how to identify relevant local actors for collaborations that seek to intervene in specific characteristics of a system (e.g., parameters or design of a system). He applied a leverage points' perspective to analyse the social networks of the NGOs in Southern Transylvania that amplify the impact of their initiatives. This dissertation as a whole contributes insights to three recommendations of how transformative transdisciplinary research can support local actors fostering change towards sustainability: First, by conducting research that studies and supports local actors who increase the impact of their sustainability initiatives via amplification processes (Paper 1 and 4); Second, by engaging specifically with the initiatives, networks, and knowledge from local actors, who foster bottom-up, place-based transformations (Paper 1-4); Third, by identifying and collaborating with local actors that are relevant for strategic systems interventions that build on, strengthen, and complement existing initiatives (Paper 3-4).
Crowdfunding is considered a promising instrument for transforming existing socio-technical regimes by financing radical innovations of such entrepreneurs. However, this potential has not yet been fully explored. Therefore, this dissertation addresses the overarching research question of how sustainable entrepreneurs can exploit the full potential of investment-based crowdfunding to develop from niche operators to actors in the socio-technical regime. Five journal articles and one book chapter are included in this PhD project, which use a wide range of quantitative methodologies. In the framework paper, the findings are conceptually evaluated on a meta-level by applying the multi-level perspective. The key insights can be assigned to four categories, including the financing and marketing function, the target group, and the project presentation. The analysis shows that investment-based crowdfunding is suitable to equally fund and market the business ideas of environmental entrepreneurs, since the quest for entering the mass market is highest for such ventures. In contrast, purely social entrepreneurs tend to conduct crowdfunding projects on a smaller scale and probably aim to stay in the niche. Nevertheless, profit-oriented social entrepreneurs are still encouraged to use investment-based crowdfunding for funding and marketing purposes. The prominent display of environmental effects (e.g. the amount of compensated greenhouse gases) and financial incentives (e.g. high interest rates) has a high impact on the investment decision of individuals on investment-based crowdfunding platforms. The case of fairafric is used as a best practice example to demonstrate how crowdfunding can be a stepping stone for sustainability-oriented niche actors to enter the mass market. The fair-trade and organic chocolate manufacturer has undergone six crowdfunding campaigns which enabled it to grow and build a strong community of supporters. The outcomes of this dissertation clarify how sustainable entrepreneurs can unleash the potential of investment-based crowdfunding for financing and marketing purposes.
Comparable collaborations between farmers and institutions with communal catering have been less in research focus so far. Within the region of Lüneburg, an example for such a regional-organic cooperation is not known yet. Thus,this work represents the starting point to fill the research gap within the field of sustainable food systems in urban living labs as part of the research project GLOCULL (Globally and Locally-sustainable food-water-energy innovation in Urban Living Labs). The work aims at building up such a regional-organic food cooperation between a local farmer and a kindergarten community catering servicebased on scientific insights and practical persons’ knowledge.
In der Wasser- und Abwasseruntersuchung hat der Summenparameter eine heraus-ragende Bedeutung. Sowohl in der gesetzlichen Überwachung als auch der Bemes-sung von Abwasserbehandlungsanlagen werden Belastungen vielfach über die Zu-sammenfassung von Einzelstoffen in Stoffgruppen ausgedrückt. Stoffgruppen lassen sich mit Hilfe von Summenparametern zuverlässig und im Vergleich zu Einzelstoffen mit geringerem Aufwand bestimmen. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Verfahrens-grundlagen der Summenparameter und ihre Verwendung in der Wasser- und Abwas-seruntersuchung erläutert. Ein bedeutender wie auch umstrittener Summenparameter ist der AOX - Adsorbier-bare organisch gebundene Halogene (AOX). Bedeutend ist er deshalb, weil er ein ord-nungs- und abgaberechtlich relevanter Abwasserparameter ist. Umstritten ist er unter anderem, weil er ursprünglich für andere Zwecke als die Abwasseruntersuchung ent-wickelt wurde. Seinerzeit war der AOX ein Überwachungsparameter für Trinkwasser. Als Abwasserparameter dient er zur Erfassung einer im Abwasser unerwünschten Stoffgruppe, der besorgnisauslösende Eigenschaften wie Persistenz, Bioakkumulier-barkeit und Toxizität (PBT-Eigenschaften) zugeschrieben wird. Im zweiten Teil der Ar-beit wurden exemplarisch am Parameter AOX die Zusammenhänge zwischen Stoff-parametern und besorgnisauslösenden Eigenschaften bzw. Wirkungen der ausge-wählten parameterausmachenden Substanzen untersucht. Die Untersuchungsergeb-nisse wurden vor allem in Zusammenhang mit der Ermittlung und Verankerung von Mindestanforderungen für das Einleiten von Abwasser bewertet.
In this dissertation, a multi-proxy study, which included palaeoecological, lithological, geochemical and geochronological methods, was carried out to investigate climatic and environmental changes and their interaction during the Quaternary in formerly glaciated and non-glaciated areas. The information obtained will be used to provide a better understanding of the regional stratigraphic framework and to establish broader regional terrestrial correlations within the global marine isotope stage (MIS) framework. This study was conducted on two key drillings, the Garding-2 research drill core in the German North Sea coastal area of Schleswig-Holstein and the GBY#2 archaeological core at the Gesher Benot Ya'aqov (GBY) site, in the Upper Jordan Valley in Israel. The results of this study are presented in three papers. Papers I and II focus on the study of the Garding-2 core, while the multi-proxy study of the GBY#2 core is presented in Paper III. The results of a variety of analyses conducted on the 240 m long Garding-2 sequence show interglacial-glacial cycles that are mainly controlled by variations in temperature. This sequence is composed of mainly fluvial-shallow marine sediments intercalated by muddy-peaty deposits. Based on the palynological and lithological findings, the Pliocene-Pleistocene transition was observed at 182.87 m. It is overlain by Praetiglian and the subsequent sediments of the Waalian and Bavelian Complexes. The boundary of either the second or third Cromerian Interglacial with younger sediments, which still belong to MIS 19, is marked by the last occurrence of Tsuga at 119.50 m and the development of mixed-deciduous forests. The palynologically equivalent sediments of the Bilshausen Interglacial were found below two Elsterian till layers, at 89.00 m-82.00 m. These sediments showed high and increased percentages of Pinus and Picea and scattered occurrences of Abies and Carpinus, which are similar to the features of the beginning of the Bilshausen or Rhume interglacial. An unconformity occurred at 80.29 m, at the bottom of late Holsteinian deposits, characterised by the occurrences of Fagus and Pterocarya, with low percentages of Abies and Carpinus and the absence of Buxus. These deposits are succeeded by sediments of the Fuhne cold period that shows higher percentages of NAP and occurrences of Ericales, Helianthemum and Selaginella selaginoides, which are unconformably overlain by Drenthian till at 73.00 m-71.00 m. A single peaty sample at 69.25 m with Pinus-Picea-Abies assemblage is correlated with the late Eemian Interglacial. This deposit is overlain by Weichselian glaciofluvial sediments. Middle-late Holocene sediments occurred from 20 m upwards, following a hiatus, which was caused by the Early Holocene transgression. A subsequent thin layer of marine Atlantic sediments is unconformably overlain by marine-tidal flat deposits up to 11.00 m. The first occurrence of Fagus (at 15.97 m) and Carpinus (at 15.03 m), which was optically stimulated luminescence (OSL)-dated to 3130 +/- 260 BP (at 16.22 m, Zhang et al., 2014), gives evidence for a Subboreal age for these deposits. Sandy sediments of the early Subatlantic, which were deposited between 11.00 m and the top of the Garding-2 sequence, indicate that local salt marshes, dunes and tidal flat vegetation expanded during this period. Due to regional features and the peculiarities of the local coastal environment, the expansions of Fagus and Carpinus, which are characteristic for the Subboreal-Subatlantic transition at about 2700 BP in northern Germany, are not clearly reflected in the Garding-2 pollen diagram. In the Mediterranean area, a 50 m long core of GBY#2, was drilled at the Acheulian site of Gesher Benot Ya'akov. The GBY#2 core provides a long Early-Middle Pleistocene geological, environmental and climatological record, which also enriches the knowledge of hominin-habitat relationships documented at the margins of the Hula Palaeo-lake. The sediment sequence of GBY#2 is under- and overlain by two basalt flows that are 40Ar/39Ar dated: two samples at the bottom of the core dated to 1195 +/- 67 ka (at 48.30 m) and 1137 +/- 69 ka (at 45.30 m), and another one at the top dated to 659 +/- 85 ka (at 14.90 m). With the additional chronological identification of the Matuyama Brunhes Boundary (MBB) and the correlation with the GBY excavation sites, the sedimentary sequence of GBY#2 provides the climatic history during the late part of the mid-Pleistocene transition (MPT, 1.2 Ma-0.5 Ma). Multi-proxy analyses including those of pollen and non-pollen palynomorphs, macro botanical remains, molluscs, ostracods, fish, amphibians and micromammals provide evidence for lake and lake-margin environments during MIS 20 and MIS 19. During MIS 20, relatively cool semi-moist conditions were followed by a pronounced dry phase. During the subsequent MIS 19, warm and moist interglacial conditions were characterised by Quercus-Pistacia woodlands in this area. The depositional environment changed from an open water lake during MIS 20 to a lake margin environment in MIS 19. This finding is at odds with changing climate conditions from relatively dry to moist. This discrepancy could be explained by the prograding pattern of the lake shore due to the infilling of the basin, which resulted in shallower water. Climatic changes during the Late Tertiary and the Quaternary in the high latitude regions in northwest Europe and during the Early-Middle Pleistocene in the mid latitude regions of the Middle East follow the patterns of global climatic changes, which are mainly controlled by orbital obliquity (+/-41 ka cycle) during the Early Pleistocene and by orbital eccentricity (+/-100 ka cycle) during the MPT (1.2 Ma-0.5 Ma) and the younger periods of the Quaternary. The results of this study also provide reliable evidence for long distance correlation of stratigraphic and climatic events of the Quaternary, which extends knowledge of regional and global impact of climatic fluctuations on the environment.
Rangelands are the most widespread land-use systems in drylands, where they often represent the only sustainable form of land-use due to the limited water availability. The intensity of the land-use of such rangeland ecosystems in drylands depends to a large extent on the climatic variability in time and space. Rangeland systems are seriously threatened by climate change, because climate change will alternate the availability of water in time and space. This dissertation therefore deals with the question which role climatic variability plays for the effects of grazing on vegetation in dry rangelands. The relatively intact steppes in central Mongolia were chosen as a model system. They are characterised by low precipitation and high climatic variability in the south (100mm annual precipitation), and comparatively high precipitation and low climatic variability in the north (250mm). The effects of grazing on vegetation on 15 grazing transects were investigated along the climatic gradient. The central elements were the plant species and their abundances on 10m x 10m areas, for which functional characteristics such as height, affiliation of functional groups or leaf nutrients were recorded. The main hypothesis of this dissertation is that grazing has a greater impact on vegetation communities with increasing rainfall. To test this hypothesis, three studies were carried out. In a first study, the research group found that the vegetation communities in the dry area differ strongly along the climatic gradient, while the plant communities in the wetter area differ more strongly along the grazing gradient. The results of the second study suggested that this difference can be explained by a functional environmental filter that becomes weaker from south to north as the niche spectrum increases. The third study has shown that this is likely a function of the higher availability of resources, which at the same time leads to higher grazing pressure, therewith stressing the vegetation especially in years with droughts. In summary, the author concludes that the climate gradient also represents an environmental filter that filters species for certain characteristics, thus having a significant influence on the vegetation. Climatic variability influences the effect of grazing on vegetation, which is particularly problematic where the grazing intensity is high and the species are less adapted to strong climatic fluctuations. Future scenarios predict increasing productivity and therefore increasing livestock density. This may lead to an increase in floristic and functional diversity across the climate gradient, but also to increasing grazing effects and therefore threads for overgrazing. Increasing climatic variability is likely to intensify this thread, especially in the moister regions, whereas the dry rangelands are likely to be more resilient due to the adaptation of the plants to non-equilibrium dynamics.
Smartphones make intensive use of precious metals and so called conflict minerals in order to reach their high performance in a compact size. In recent times, sustainability challenges related to production, use and disposal of smartphones are increasingly a topic of public debate. Thus, established industry actors and newly emerging firms are driven to engage in more sustainable practices, such as sustainable sourcing of materials, maintenance services or take-back schemes for discarded mobile phones. Many of these latter efforts can be related to the concept of a circular economy (CE). This thesis explores how CE-related value creation architectures (VCAs) in the smartphone industry contribute to slowing and closing resource loops in a CE. In order to analyze these new industry arrangements, transaction cost theory (TCT) is used as a guiding theory for a make-or-buy analysis. Combining TCT with the concept of a CE is a novel research approach that enables the empirical analysis of relationships between focal actors (e.g. manufacturers) and newly emerging loop operators (e.g. recycling firms) in the smartphone industry. Case studies of such VCAs are conducted with case companies drawn from the Innovation Network on Sustainable Smartphones (INaS) at Leuphana Universtity of Lüneburg and analyzed regarding their involved actors, partnerships, circular activities, motivation and perceived barriers. Evidence from the conducted case studies suggests that asset specificity for circular practices increases for higher order CE-loops such as maintenance or reuse, therefore long-term partnerships between focal actors and loop operators or vertical integration of CE practices are beneficial strategies to reach a sophisticated CE. Similarly, circular practices that go beyond recycling require a strong motivation, either through integration in the focal firm´s quality commitment or through business model recognition. It is further suggested that the circular design of products and services could reduce necessary transaction costs and thus overall costs of a circular economy. Four different integration strategies for circular economy practices have been derived from the conducted case studies. These are: 1) vertically integrated loops, 2) cooperative loop-networks, 3) outsourcing to loop operators and 4) independent loop operators. This work thus provides evidence that circular economy activities do not necessarily have to be managed by focal actors in the value chain. Rather, circular practices can also be put forward by specialized loop operators or even independent actors such as repair shops.
The aim of this paper is to determine how a carbon footprint label for grocery products can be designed to facilitate a sustainable consumption behaviour. Therefore, a mixed-method approach was used consisting out of a review of relevant literature and an explorative quantitative survey with n=158 participants. It was found that consumers generally have a positive attitude towards carbon labelling, but they lack understanding of the term, its underlying concepts and the emissions caused by grocery products. In regard to the design criteria of a carbon label, labels with a coloured scale are preferred most by consumers. Also, the mechanisms of consumer behaviour imply that not all parts of the behaviour are visible and controllable for individuals themselves. The concluding concept proposal summarises important criteria of a carbon labelling system that has the goal to educate consumers and facilitate a lower carbon consumption behaviour, such as a simple visual design, the use of a colour scale, a design enabling a comparison, the provision of a link to further information, the public enforcement of the system and overall uniformity.
Companies are invited to contribute to the United Nations' 17 Sustainable Development Goals (SDGs) and sustainability management accounting (SMA) has an important role to play in achieving them. However, if companies are to address the SDGs and linkages beyond organizational boundaries, SMA needs a broader scope than is conventionally assumed. Therefore, the author advances a multi-level framework that addresses context, action-formation, and transformative contributions (CAT) in the following directions: first, an innovative systematic method that allows screening company-related SDGs and assessing corporate contributions to selected SDGs is introduced; second, management control systems are integrated to support managers in guiding employee behavior to make contributions to the SDGs; and, third, self-reinforcing mechanisms of the path-dependence theory are incorporated to serve as a guide to identifying barriers to individuals and groups becoming involved in SMA. This advanced CAT framework contributes to corporate practice and research by providing a multilevel framework that offers concrete management guidance for SMA to address the SDGs. It also facilitates analysis of both enabling and inhibiting factors at the organizational level. The advanced CAT framework has several implications for SMA: it promotes backcasting from the SDGs for benchmarking purposes, integrates different social, environmental, and economic issues, facilitates future-oriented action and transformation planning, addresses different layers such as the company as well as individuals and groups within it and enables to identify barriers hindering individuals and groups from becoming involved in SMA.
"Reallabore" erleben als junges Format transformativer Nachhaltigkeitsforschung gegenwärtig eine beeindruckende Konjunktur. Die Dissertation arbeitet den Reallabor‐Ansatz aus Perspektive der transdisziplinären Forschung methodisch aus. Die Basis hierfür bildet die Erfahrung mit dem Auf‐ und Ausbau von einem der ersten Reallabore in Deutschland: Das langfristig ausgelegte "Quartier Zukunft - Labor Stadt" in Karlsruhe transformiert in Kooperation mit der Zivilgesellschaft ein Quartier modellhaft in einen nachhaltigeren Lebensraum. Es setzt dabei gleichermaßen auf Bildung, Forschung und Praxis. Die vorgelegten Artikel der kumulativen Dissertation bilden verschiedene Stadien der Entwicklung der Reallaborforschung und der methodologischen Reflexion ab. Die ersten beiden Texte entwickeln eine praxisnahe Definition und ordnen Reallabore ein in verwandte Diskurse. Die folgenden beiden Artikel stammen aus der beginnenden Stabilisierung des Reallabordiskurses. Der eine stellt Ziele und Designprinzipien für Reallabore als Rahmen transformativer und transdisziplinärer Forschung dar, der zweite greift aktuelle Diskussionen um Lernprozesse konzeptionell auf. Die letzten zwei Artikel fokussieren auf die Ebene der Projekte im Reallabor am Beispiel der Transformativen Projektseminare, einmal in analytischer Perspektive, einmal in methodisch‐didaktischer. Der Rahmentext abstrahiert die Ergebnisse der zuvor publizierten Artikel entlang dreier Forschungsfragen: Was ist neu am Reallabor‐Ansatz? Welches Potenzial hat ein Reallabor für transdisziplinäre Forschung? Und welche Rolle spielt Lernen im Reallabor? Die methodologische Reflexion führt zu einem Verständnis von Reallaboren als Format zwischen Urban Living Labs und Transition Labs, das sich gegenüber diesen insbesondere durch Langfristigkeit, Bildungsziele und eine klare Trennung zwischen Labor und Experimenten auszeichnet. Aus der kritischen Auseinandersetzung mit Reallaboren wird eine doppelte Bezugnahme auf Transdisziplinarität herausgearbeitet, einerseits als Infrastruktur für transdisziplinäre Projekte, andererseits als in sich transdisziplinäres Unterfangen. Ausgehend von dieser Unterscheidung wird ein Vorschlag gemacht, an welche experimentellen Methodologien jenseits der klassisch‐naturwissenschaftlichen die transdisziplinäre Forschung, die bislang kaum experimentell arbeitet, anknüpfen kann. Das Reallabor unterstützt solche Experimente durch einen Rahmen aus materieller Infrastruktur, durch Kompetenzen der Beteiligten, durch Wissensbestände und soziale Vernetzung. Die Vernetzung über Projektgrenzen hinweg, ein weiteres wesentliches Charakteristikum eines Reallabors, dient dazu, parallele Experimente zu vernetzen und iterative Lernzyklen zu unterstützen. Diese Aspekte werden verbunden zum "Apfelmodell" transdisziplinärer Forschung im Reallabor, in dem das Reallabor als doppeltes Bindeglied fungiert, einerseits zwischen internen und externen Lernzyklen, und andererseits zwischen wissenschaftlichen, bildungsorientierten und praktischen. Durch die Interpretation der Abläufe im Reallabor als Lernprozesse wird ein Anschluss an Bildungsprozesse auf unterschiedlichen Skalen möglich. Neben Lernprozessen im Reallabor als Lernumgebung lässt sich das Reallabor als lernende Institution und als Kristallisationspunkt gesellschaftlicher Lernprozesse verstehen. Das Apfelmodell kann gleichermaßen im Kontext theoretischer Fragen im Transdisziplinaritätsdiskurs herangezogen werden als auch praktischen Zwecken dienen, insbesondere in der Planung von Reallaboren, in der quervernetzten Konzeption von Projekten darin, in der Evaluation und in der Kommunikation.
Polen weist eine kleinteilige Agrarstruktur auf – ein in den Augen der polnischen Agrarpolitik unerwünschtes Phänomen. Entsprechend misst sie der Veränderung der kleinteiligen Agrarstruktur Polens zu größeren Einheiten hin eine hohe Priorität bei. Vor dem Hintergrund vielfältiger sozial-ökologischer Krisenphänomene, die oftmals mit einer intensiven, industriellen und großskaligen Landwirtschaft verbunden sind, stellt sich jedoch die Frage, ob solche Bestrebungen im Hinblick auf Nachhaltigkeit, der sich die polnische Agrarpolitik und die Politik für die Entwicklung ländlicher Räume ebenfalls verpflichtet, zielführend sind. Um dieser Frage nachzugehen, wurde für die vorliegende Dissertation in zwei landwirtschaftlich besonders kleinteilig strukturierten Regionen Polens (Wojewodschaft Lubelskie und Wojewodschaft Podkarpackie) eine empirische Studie unter Betreibern von kleinen landwirtschaftlichen Betrieben durchgeführt. Ziel der Studie war es zu untersuchen, welche Lebenswirklichkeiten und Wirtschaftsweisen sich in kleinen landwirtschaftlichen Betrieben finden und ob diese Lebenswirklichkeiten und Wirtschaftsweisen den vielfältigen landwirtschaftsbezogenen sozial-ökologischen Krisenphänomenen entgegenwirken können. Den theoretischen Hintergrund der Arbeit bilden die Nachhaltigkeitsdebatte, das Konzept der gesellschaftlichen Naturverhältnisse der Sozialen Ökologie sowie wachstumskritische Positionen (insbesondere die Ansätze von Suffizienz und Subsistenz). Die Ergebnisse der empirischen Studie zeigen, dass die Lebenswirklichkeiten und Wirtschaftsweisen von Betreibern von kleinen landwirtschaftlichen Betrieben sehr vielfältig sind. Die befragten Landwirte verfolgen in ihren Betrieben unterschiedliche ökonomische Modelle. Doch trotz dieser unterschiedlichen Modelle, die die befragten Landwirte in ihren Betrieben verfolgen, liegen ihrem Handeln gleichermaßen der Wunsch nach Existenzsicherung und der Wunsch nach Autonomie als wesentliche Motivation zugrunde. Insgesamt zeigen die Ergebnisse der empirischen Studie einige der Herausforderungen für Betreiberinnen und Betreiber von kleinen landwirtschaftlichen Betrieben auf, die aus den gegenwärtigen institutionellen und politisch-wirtschaftlichen Rahmenbedingungen für die Landwirtschaft resultieren. Ebenso zeigen die Ergebnisse, dass die Wirtschaftsweisen, die in den untersuchten kleinen Betrieben vorgefunden wurden, nur bedingt zu einer nachhaltigen Entwicklung ländlicher Räume beitragen können. Die Ergebnisse zeigen insbesondere die Dringlichkeit auf, die gegenwärtigen politisch-wirtschaftlichen Rahmenbedingungen für die Landwirtschaft zu ändern und naturerhaltende Wirtschaftsweisen auch finanziell attraktiv zu machen, wenn diese einen Beitrag zu einer nachhaltigen Entwicklung ländlicher Räume leisten sollen.
Design methods for collaborative knowledge production in inter- and transdisciplinary research
(2022)
This dissertation seeks to better understand how design methods facilitate collaborative knowledge production and integration in inter- and transdisciplinary sustainability research. Through five independent papers, this dissertation contributes to addressing the research question on four levels – conceptual-epistemological, empirical, methodological and practical. By exploring the linkages between design research and inter- and transdisciplinary research, a conceptual basis for the targeted use of design methods in collaborative processes of inter- and transdisciplinary research is laid and their spectrum of methods is expanded. This is followed by the development of a transformative epistemology in and for problem-oriented, collaborative forms of research, such as transdisciplinary sustainability research, called problematic designing. Based on a deeper understanding of integration and collaborative knowledge production, as well as its accompanying challenges, empirical research into applying design prototyping as a method in and for situations of collaborative research was conducted. To this end, the findings provide a fundamental basis for the facilitation of inter- and transdisciplinary research processes when dealing with complex problems. With its inherent openness and iterative approach in addressing the unknowns of complex phenomena, design prototyping contributes to the required form of imagination that enables to anticipate possible futures. Furthermore, by including visual-haptic modes of expression, design prototyping reduces the dominance of language and text in scientific negotiation processes and does justice to the diversity of cognitive modes. Finally, the empirical findings of this dissertation emphasise the importance of the visual-haptic dimension for collaborative knowledge production and the communication of knowledge, and provide insights into the visual structuring of human thought processes. The results on material metaphors, collaborative prototyping and material-metaphorical imagery contribute decisively to the basic knowledge of the epistemological quality of design and the importance of the visual and haptic for thought processes in general. The extension and adaptation of existing analysis methods in this dissertation add to the further development of analysis of visual-haptic data. The results are once again reflected in the synthesis of this framework paper as cross-cutting issues.
The energy sector is regarded as one of the decisive subsystems influencing the future of sustainable development. Consequently, there is a need for a comprehensive transformation of energy generation, conversion and use. The importance of building capacities for energy policy development in developing countries is bound up with the need to formulate global strategies to meet the challenges that humanity face, especially to achieve the targets manifested in the Agenda 2030 and Paris Agreement. The aim of this research is to better understand how to empower marginalised key societal actors, co-produce alternative discourses about energy futures and articulate those discourses to influence policy change within a context of illiberal democracies in Latin America. The research concerns the design, function and effectiveness of scientifically grounded participatory process, which has been justified theoretically and tested empirically. The process presupposes theoretical perspectives relating to theory, method and empirical application. The first draws on theories of sustainability transition and transformation, including transition management. The second draws on ideas taken from the knowledge co-production and transdisciplinary sustainability research. The empirical application, concerns the implementation of a Transdisciplinary Transition Management Arena (TTMA) and its effectiveness, measured by potential for the co-production of knowledge and for stimulating collective action. As result of the process, a conceptual model of the energy system, long-term visions and transformation strategies were developed. The TTMA processes demonstrated that cross-sectoral and inter-institutional, combined efforts, can help actors visualize possible, future alternatives for sustainable energy development and how to realize such alternatives. The structures provided were helpful for the emergence and empowerment of new sustainable-energy-transition coalitions in both Ecuador and Peru. Chapter 1 describes the general context in which this scientific project is developed and presents a synthesis of the processes and its main outcomes. The research results are described in detail in the scientific papers presented in chapters 2, 3 and 4.
It is understood among research and policy makers that addressing unsustainable individual consumption patterns is key for the vision of sustainable development. Education for Sustainable Consumption (ESC) is attributed a pivotal role for this purpose, aiming to improve the capacity of individuals to connect to and act upon knowledge, values and skills in order to respond successfully and purposefully to the demands of sustainable consumption. Yet despite political, scientific, and educational efforts and increasing awareness in the general population, little has been achieved to substantially change behavioral patterns so far. As part of the explanation for this shortcoming, it has been argued that current ESC practices have neglected the personal dimension of sustainable consumption, especially the affective-motivational processes underlying unsustainable consumption patterns. Against this background, this cumulative thesis is guided by the question how personal competencies for sustainable consumption can be defined, observed, and developed within educational settings. Special attention is given to mindfulness practices, describing the practice of cultivating a deliberate, unbiased and openhearted awareness of perceptible experience in the present moment. Drawing upon an explorative, qualitative research methodology, the thesis looks at three different mindfulness-based interventions aiming to stimulate competencies for sustainable consumption, reaching out to a total number of 321 participants (employees and university students). In this thesis, the author suggests to define personal competencies for sustainable consumption as abilities, proficiencies, or skills related to inner states and processes that can be considered necessary or sufficient to engage with sustainable consumption (SC). These include ethics, self-awareness, emotional resilience, selfcare, access to and cultivation of personal resources, access to and cultivation of ethical qualities, and mindsets for sustainability. The thesis holds that the observation of personal competencies benefits from a combination of different methodological and methodical angles. When working with self-reports as empirical data, a pluralistic qualitative methods approach can help overcoming shortcomings that are specifically related to individual methods while increasing the self-reflexivity of the research. Moreover, it is suggested to let learners analyze their own personal statements in groups, applying scientific methods. The products of the group analyses represent data based on an inter-subjectively shared perspective of learners that goes beyond self-estimation of personal competencies. In terms of developing personal competencies for SC, it can be concluded that mindfulness practice alone is not sufficient to build personal competencies for SC. While it can stimulate generic personal competencies, individuals do not necessarily apply these competencies within the domain of their consumption. Nevertheless, mindfulness practice can play an important role in ESC, insofar as it lays the inner foundation to engage with sustainability-related issues. More precisely, it allows learners to experience the relevance of their inner states and processes and the influence they have on actual behaviors, leading to a level of selfawareness that would not be accessible solely through discursive-intellectual means. Furthermore, participants experience mindfulness practice as a way to develop ethical qualities and access psychological resources, entailing stronger emotional resilience and improved well-being. In order to unleash its full potential for stimulating personal competencies for SC, however, the findings of the thesis suggest that mindfulness practice should be (a) complemented with methodically controlled self-inquiry and (b) related to a specific behavioral change. In this vein, self-inquiry-based and self-experience-based learning – two pedagogical approaches developed during the period of research for this thesis – turned out to be promising pedagogies for educational settings striving to stimulate the development of personal competencies for SC.
Food forests present a promising solution to address multiple sustainability challenges adaptable to local contexts. As biodiverse multi-strata agroforestry systems, they can provide several ecological, socio-cultural and economic services. They sequester carbon, limit soil erosion and regulate the micro-climate; they offer the opportunity for education on healthy diets and ecology, and they produce food and can create livelihood opportunities. However, despite their obvious benefits, food forests are still a niche concept. To date, research has focused on their ecological and social services; we lack an understanding of food forests as a comprehensive sustainability solution, including their economic dimension, and knowledge on how to develop them. Addressing these gaps, this qualitative research used a solution- and process-oriented methodology guided by transformational sustainability research. In a comparative case study approach, it created an inventory of 209 food forests, followed by interviews and site visits of 14 sites to understand their characteristics and assess their sustainability (Article 1). More indepth, it analyzed the implementation path of seven food forest for success factors, barriers and coping strategies (Article 2). Based on these insights, two experimental case studies were initiated to develop sustainable food forests with practice partners, one based in Phoenix, Arizona, U.S. and one in Lüneburg, Germany. Two studies analyzed the cases' outputs and processes highlighting success factors and challenges, including the role of a sustainable entrepreneurial ecosystem (Article 3, Phoenix case) and key features of productive partnerships to understand why one case succeeded and the other failed (Article 4). Findings include key features of existing and sustainable food forests as well as success factors on how to develop them; namely acquiring a complementary skill set that includes specialty farming and entrepreneurial know-how, securing sufficient start-up funds and long-term land access as well as overcoming regulatory restrictions. Supporting institutions are especially needed to integrate and professionalize the planning stage and provide know-how on alternative business practices. Key features of productive partnerships include an entrepreneurial attitude, access to support functions, long-term orientation and commitment to food system sustainability.
Thermal energy storage systems have a high potential for a sustainable energy management. Low temperature thermochemical energy stores based on gas-solid reactions represent appealing alternative options to sensible and latent storage technologies, in particular for heating and cooling purposes. They convert heat energy provided from renewable energy and waste heat sources into chemical energy and can effectively contribute to load balancing and CO2 mitigation. At present, several obstacles are associated with the implementation in full-scale reactors. Notably, the mass and heat transfer must be optimized. Limitations in the heat transport and diffusions resistances are mainly related to physical stability issues, adsorption/desorption hysteresis and volume expansion and can impact the reversibility of gas-solid reactions. The aim of this thesis was to examine the energy storage and cooling efficiency of CaCl2, MgCl2, and their physical salt mixtures as adsorbents paired with water, ethanol and methanol as adsorbates for utilization in a closed, low level energy store. Two-component composite adsorbents were engineered using a representative set of different host matrices (activated carbon, binderless zeolite NaX, expanded natural graphite, expanded vermiculite, natural clinoptiolite, and silica gel). The energetic characteristics and sorption behavior of the parent salts and modified thermochemical materials were analyzed employing TGA/DSC, TG-MS, Raman spectroscopy, and XRD. Successive discharging/charging cycles were conducted to determine the cycle stability of the storage materials. The overall performance was strongly dependent on the material combination. Increase in the partial pressure of the adsorbate accelerated the overall adsorbate uptake. From energetic perspectives the CaCl2-H2O system exhibited higher energy storage densities than the CaCl2 and MgCl2 alcoholates studied. The latter were prone to irreversible decomposition. Ethyl chloride formation was observed for MgCl2 at room and elevated temperatures. TG-MS measurements confirmed the evolution of alkyl chloride from MgCl2 ethanolates and methanolates upon heating. However, CaCl2 and its ethanolates and methanolates proved reversible and cyclable in the temperature range between 25°C and 500°C. All composite adsorbents achieved intermediate energy storage densities between the salt and the matrix. The use of carbonaceous matrices had a heat and mass transfer promoting effect on the reaction system CaCl2-H2O. Expanded graphite affected only moderately the adsorption/desorption of methanol onto CaCl2. CaCl2 dispersed inside zeolite 13X showed excellent adsorption kinetics towards ethanol. However, main drawback of the molecular sieve used as supporting structure was the apparent high charging temperature. Despite variations in the reactivity over thermal cycling caused by structural deterioration, composite adsorbents based on CaCl2 have a good potential as thermochemical energy storage materials for heating and cooling applications. Further research is required so that the storage media tested can meet all necessary technical requirements.
The research described in this dissertation focuses on developing a process to remove oligomers and suppress their formation by intercepting the aging procedure's precursors using adsorbents when biodiesel and its blends are used as fuel. So far, there has been no attempt to cause the stabilization of biodiesel and its blends using adsorbents from open literature. This investigation is one of the first studies on the use of adsorbents to mitigate biodiesel and diesel fuel's stability behavior–biodiesel blends and the removal of oligomers or suppressing the formation of high molecular mass species in aging oil. This study's primary aim has been achieved by several experimental measurements that provided results on adsorbents' effecton fuel oxidative stability, especially ester-based fuel like biodiesel and its blends. The chemical composition and some critical rheological analyses of the samples have been measured to understand their role in the oxidation of the sample by comparing the presence and absence of the adsorbents during the aging process. Furthermore, it aims to use adsorbents to suppress oligomers' formation and remove them in aging oil due to the influence of biodiesel and its blends. The research project also seeks to stabilize fuel, especially ester-based fuel like biodiesel, and its blends using the adsorbents. The adsorbents' application will enhance biodiesel's oxidative stability and its blends during long-term storage or application, focusing on its use in plug-in hybrid vehicles, emergency power plants,and generators. The combustion engine only starts in plug-in hybrid vehicles if the battery cannot supply energy on longer journeys. As a result, the fuel remains longer in plug-in hybrid vehicles. Fuels that are exposed to heat and oxygen over anextendedperiod can form aging products. These aging products lead to the formation of deposits, especially in the case of diesel fuels mixed with biodiesel content,and can, therefore, endanger the operational safety of the vehicle in critical components such as injectors or filter units.
Vor dem Hintergrund der steigenden Relevanz unternehmerischer Nachhaltigkeit beschäftigt sich die Wissenschaft verstärkt mit der Frage, welche Kompetenzen Entscheider benötigen, um Nachhaltigkeitsstrategien in Unternehmen erfolgreich umsetzen zu können. Denn entgegen der weit verbreiteten Meinung, dass bei der Umsetzung von Nachhaltigkeitsstrategien nur Win-win-Situationen auftreten, stoßen Manager bei der Integration ökologischer und sozialer Ziele ins Ziel-System der Unternehmen auf widersprüchliche ökonomische Rationalitäten (zwischen Effizienz und einzelnen/mehreren Dimensionen von Nachhaltigkeit) und inhärente Konflikte nachhaltiger Entwicklung (zwischen den Dimensionen sozial, ökologisch und ökonomisch). In der Folge entstehen vielfältige dilemmatische Entscheidungssituationen. Um Nachhaltigkeit langfristig in Unternehmen etablieren zu können, müssen die Dilemmata wahrgenommen und bewältigt werden. Voraussetzung hierfür sind vielfältige persönliche Kompetenzen bei den Entscheidern. Die vorliegende Arbeit untersucht die auftretenden dilemmatischen Entscheidungssituationen und den Umgang mit diesen. Darüber hinaus bestimmt sie die für die Dilemma-Bewältigung relevanten Kompetenzen sowie die zur Umsetzung von CS-Strategien erforderlichen Rahmenbedingungen im Unternehmen. Im Ergebnis wird ein Framework zu Dilemmata, den notwendigen Kompetenzen und den Rahmenbedingungen erarbeitet. Basierend darauf werden entsprechende Handlungsempfehlungen gegeben. Der erarbeitete CS-Dilemmata-Kompetenz-Atlas stellt praxisrelevantes Wissen für Unternehmen und Berater zur erfolgreicheren Umsetzung von Nachhaltigkeitsstrategien zur Verfügung.
In der vorliegenden Arbeit geht es um eine Bildpraxis, die an die Fotografie gekoppelt ist. Die Forschungsarbeit von Vera Brandner baut auf der These auf, dass die Fotografie aufgrund ihrer ´Undiszipliniertheit´ speziell in inter- und transdisziplinären sowie interkulturellen Forschungsfeldern dem gemeinsamen Lernen und Forschen dienen kann, da sie für viele Menschen - egal woher sie kommen, welchen lebensweltlichen oder disziplinären Hintergrund sie mitbringen - leicht zugänglich und nutzbar ist. Auf diesen Zusammenhang beruht der methodologische Rahmen Generative Bildarbeit, den Vera Brandner in ihrer Doktorarbeit konzipiert, empirisch erprobt und konsolidiert hat. Verschiedene Aspekte fotografisch-visueller Methoden werden mit postkolonialer, fotokritischer und emanzipatorischer Theorienbildung verschränkt. Konzeptuelle und praktische Basisarbeit für die Entwicklung Generativer Bildarbeit wurde in der Arbeit des Vereins ipsum1 zwischen 2003 und 2010 in Angola, Pakistan, Afghanistan, Israel, Palästina und Österreich geleistet. Es handelt sich dabei um eine Systematisierung der verschiedenen Blickakte, Interaktions- und Reflexionsformen, die im fotografischen Geflecht möglich sind, um diese für das dialogische Arbeiten mit Menschen verschiedener Erkenntniskulturen nutzbar zu machen. Die Fotografie wird als Praxisform in Situationen eingesetzt, in denen die beteiligten Akteur_innen einander aufgrund ihrer unterschiedlichen Herkunft, Sozialisierung und Spezialisierung fremd sind, durch geteilte Problemstellungen jedoch miteinander in Verbindung stehen. Es geht bei Generativer Bildarbeit um ein Arbeiten an den Grenzen des Eigenen und des Anderen, wobei diese Problemstellungen zugänglich, beforschbar und transformierbar gemacht werden. Die Fotografie wird zum Übungs- und Forschungsfeld für das Umgehen mit Kultureller Differenz. In diesem Übungsfeld entwickeln die Teilnehmer_innen Gestaltungs- und Reflexionsformen, um mit bestehenden Widersprüchen und Unsicherheiten ihrem jeweiligen Kontext entsprechend umzugehen.
In zahlreichen, sowohl wissenschaftlichen als auch politischen Veröffentlichungen, wird die "Energiewende" als Transformationsprojekt eingeordnet. Zweifelsohne birgt eine Umstellung auf ein erneuerbares Energiesystem transformative Potenziale. Die Bedeutungsbestimmung von "Energiewende" oder auch Transformation bleibt in Politik und Forschung aber häufig unklar. Um dem zu begegnen, wird in der vorliegenden Studie die Bedeutung von "Energiewende", wie sie im Bundestag verhandelt wird, untersucht. Darauf aufbauend wird analysiert, ob und inwiefern die „Energiewende“ einem Anspruch als Transformationsprojekt gerecht werden kann, bzw. wie sich die Wirkrichtung der mit "Energiewende" verbundenen Politiken im Spannungsfeld beharrend – reformistisch – transformativ verorten lässt. Die besondere gesellschaftliche Bedeutung der Bundestags-Debatten um "Energiewende" leitet sich diskurstheoretisch unter anderem aus der ihnen zukommenden "Schaufensterfunktion" ab, wonach die Debatten strategisch auf eine außerparlamentarische Öffentlichkeit ausgerichtet sind. Hinzu kommt, dass sich der hier stattfindende Diskurs, bspw. in Gesetzen, unmittelbar materialisiert. Als Startpunkt der Untersuchung wird der Beginn der rot-grünen Regierungszeit gewählt (1998), da diese – u.a. wegen der Verabschiedung des Erneuerbaren-Energien-Gesetzes (EEG) und dem politischen Beschluss zum Atomausstieg – in besonderer Weise mit der "Energiewende" in Verbindung gebracht wird. Als Endpunkt dient die letzte vollständige Wahlperiode zum Zeitpunkt der Untersuchung. Die Diskursanalyse bezieht sich demnach auf die Bundestagsdebatten zur "Energiewende" zwischen der 14. und 18. Legislaturperiode (1998-2017). Das methodische Innovationspotenzial der Arbeit liegt insbesondere in der Verbindung aus einem Verfahren quantitativer, computerbasierter Diskursanalyse mit einer qualitativen Analyse. Als Ergebnis der Verknüpfung von Transformations- und Diskurstheorie wird ein methodisch komplexes Forschungsdesign präsentiert, das sich neben der Analyse des "Energiewende"-Diskurses auf weitere Bereiche der politischen Transformationsforschung übertragen lässt.
Das Ausrichten der Abwasserentsorgung erfolgt in engen kommunalpolitischen und rechtlich-ökologischen Grenzen. Dabei werden weder die Rahmenbedingungen analysiert oder hinterfragt noch werden anhand akzeptierter Ziele langfristige Konzepte zur Ausgestaltung der Abwasserentsorgung entwickelt. Die Diskussion um die Wahrnehmung von Aufgaben durch die öffentliche Hand oder durch private Träger ist vielmehr durch die Kontroverse zwischen Effizienz und hoheitlicher Aufgabenerfüllung geprägt. Die gegenwärtige Problemhandhabung wird den komplexen Zusammenhängen, die mit der Abwasserentsorgung verbunden sind, nicht gerecht. Die schlechte Finanzsituation der Kommunen sollte genutzt werden, um zu neuen Formen der Aufgabenerfüllung zu gelangen.
Neben den Folgen der industriellen Landwirtschaft lassen sich weltweit degradierte Böden, massives Artensterben und ein zunehmender anthropogener Klimawandel verzeichnen. Um diesen Trend zu brechen, muss Landwirtschaft neu gedacht und transformiert werden. Dafür bedarf es innovativer und vor allem nachhaltiger Landnutzungskonzepte. Einen Beitrag zu einem solchen zukunftsfähigen Landnutzungskonzept können Waldgärten leisten. Dabei handelt es sich um mehrschichtige Systeme, welche multifunktional die natürliche Struktur von Wäldern und Waldrändern imitieren. Auf diese Weise können verschiedene Funktionen erfüllt werden, wie beispielsweise die Produktion von vielfältigen Lebensmitteln. Bisher ist das Konzept des Waldgartens in Deutschland noch nicht weit verbreitet. Es wurde bisher wenig wissenschaftliche Forschung auf dem Gebiet betrieben, und in Deutschland existieren bisher nur wenige Waldgärten. In anderen Ländern bestehen hingegen schon länger erste Erfahrungen oder auch schon lange Traditionen mit Waldgärten. Im Folgenden wird die Fallstudie Hof an den Teichen vorgestellt, zusammengefasst, welche Vorarbeiten bereits stattgefunden haben, und das Forschungsziel und die Forschungsfragen hergeleitet.
Das Bildungskonzept Bildung für nachhaltige Entwicklung (BNE) gilt als Schlüsselfaktor für eine nachhaltige Entwicklung. Die Stärkung der Kompetenzen von Multiplikatoren und somit Lehrkräften als Gestalter formaler Bildung ist ein Ziel auf dem Weg zu einer qualitativ hochwertigen Bildung. Es gilt, im Verlauf der Lehrkräftebildung Möglichkeiten zu schaffen, die Entwicklung relevanter Kompetenzen gezielt zu unterstützen, um effektivere Ergebnisse im Bereich BNE zu erreichen. Für den universitären Teil der Lehrkräftebildung geht dies einher mit einer entsprechenden Gestaltung von Lernumgebungen, durch die angehende Lehrkräfte relevante Kompetenzen zu Beginn ihres individuellen Bildungsweges entwickeln können. Darüber hinaus sollen durch entsprechende Fort- und Weiterbildungsformate auch bereits im Schuldienst tätige Lehrkräfte erreicht werden. Das als transdisziplinäres Format angelegte Entwicklungsteam Sachunterricht, bestehend aus Sachunterrichtslehrkräften, Vertretern außerschulischer Bildungsorte und Forschenden der Universität, bildet den Ausgangspunkt dieser Arbeit. Die vorliegende Arbeit fokussiert die Untersuchung von Möglichkeiten der Professionalisierung von (angehenden) Lehrkräften zu BNE im Kontext des Entwicklungsteams. Dazu wurde zunächst theoretisch-konzeptionell der Frage nachgegangen, welche Kompetenzen relevant für die Integration von BNE in Schule und Unterricht sind und wie Lehr-Lernsettings gestaltet werden sollten, um die Entwicklung entsprechender Kompetenzen zu unterstützen. Im Rahmen zweier empirischer Studien wurde anschließend einerseits die Kompetenzentwicklung seitens der Studierenden analysiert, die an einem durch das Entwicklungsteam begleiteten Seminar teilnahmen. Andererseits liegt der Fokus auf dem spezifischen Format des transdisziplinären Entwicklungsteams und es wurde untersucht, inwiefern wechselseitiges Lernen zwischen den Entwicklungsteammitgliedern initiiert werden und dies in einer Veränderung der pädagogischen Praxis resultieren kann. Aufgrund seiner hohen Anschlussfähigkeit an den bildungswissenschaftlichen Diskurs wurde das Modell der BNE-spezifischen professionellen Handlungskompetenz den konzeptionellen Überlegungen und den darauf aufbauenden empirischen Untersuchungen zugrunde gelegt. Die Gestaltung eines Lehr-Lern-Settings für angehende Lehrkräfte mit dem Ziel der Förderung entsprechender Kompetenzen wurde anhand des Konzepts der offenen Lernumgebung vorgenommen. Die Ergebnisse zeigen zum einen, dass das in enger Zusammenarbeit mit dem Entwicklungsteam als offene Lernumgebung durchgeführte Seminar die Professionalisierung der Studierenden unterstützt und der Aufbau von (BNE-spezifischer) professioneller Handlungskompetenz durch kollaboratives Gestalten in Kooperation mit der Praxis ermöglicht wird. Zum anderen zeigt sich, dass die transdisziplinäre Zusammenarbeit ein wechselseitiges von- und miteinander Lernen zu BNE im Entwicklungsteam Sachunterricht fördert und Professionalisierungsprozesse sowohl seitens der Lehrkräfte als auch des außerschulischen Akteurs zumindest in einigen Bereichen angestoßen wurden.
Die heutige industrielle Landwirtschaft birgt vielfältige Probleme wie die Degradierung der Böden, den Verlust von Biodiversität, Nitrate im Grundwasser sowie die hohe Abhängigkeit von fossilen Energieträgern. Einen möglichen Lösungsansatz bietet das Konzept der regenerativen Landwirtschaft, welches weltweit zunehmend Beachtung findet. Deren Ziel ist es, Agrarökosysteme und insbesondere die Böden kontinuierlich zu verbessern, indem durch bestimmte landwirtschaftliche Methoden und ganzheitliches Management unter anderem gestörte Nährstoff-, Wasser- und Kohlenstoff- Kreisläufe wieder geschlossen werden. Die Verwendung von Pflanzenkohle als Bodenhilfsstoff könnte ein mögliches Werkzeug der regenerativen Landwirtschaft sein, da Forschungen gezeigt haben, dass Pflanzenkohle durch ihre spezifischen Eigenschaften in der Lage ist, die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Bodens langfristig zu beeinflussen und dadurch zum Bodenaufbau beizutragen. Es handelt sich jedoch um eine vergleichsweise neue Methode, die in Deutschland bislang wenig praktiziert wird, und es gibt einige Kritik an der Produktion und Verwendung von Pflanzenkohle. Das Ziel der Arbeit ist es daher herauszufinden, ob und auf welche Weise die Verwendung von Pflanzenkohle im Ackerbau ein Bestandteil einer regenerativen Landwirtschaft in Deutschland sein kann. Hierfür wurden auf Grundlage der vorhandenen Literatur einige Thesen aufgestellt. Für die empirische Erhebung von Praxiswissen wurden leitfadengestützte Experteninterviews mit je einem Vertreter der Anbauweisen biologisch-dynamisch, organisch-biologisch und der Permakultur geführt. Die Ergebnisse wurden ergänzt durch ein Interview mit einer Expertin aus dem Bereich der Pflanzenkohleproduktion, um technische Details zu konkretisieren. Im Ergebnis wird unter anderem deutlich, dass der Pflanzenkohleeinsatz für jede Fläche gründlich überlegt werden muss. Allgemein sollte Pflanzenkohle nur in kleinen, dezentralen landwirtschaftlichen Systemen eingesetzt werden und Teil einer Abfall-Management-Strategie sein. Es müssen sowohl das Ziel der Anwendung, als auch die Eigenschaften der eingesetzten Kohle bekannt sein und ein Einsatz sollte nur in einem System erfolgen, welches bereits regenerativ bewirtschaftet wird.
This dissertation evaluated the efficacy of three different internet-based interventions that can be regarded as indirect interventions to reduce depression since they primarily targeted risk factors for depression. For this purpose three registered randomized controlled trials were conducted. In addition to assessing the efficacy of the interventions regarding the primary outcomes, the efficacy to reduce depression and further secondary outcomes was studied. In Study I (N=200) the efficacy of an internet-based stress management intervention (iSMI), which was adapted and tailored to career starting teachers, was compared to a waitlist control group (WLG). The participants of the intervention group (IG) reported significant reductions on the primary outcome perceived stress at post-intervention (T2) and three month follow-up (3-MFU). Furthermore, it was shown that the intervention indirectly also reduced depression at T2 and 3-MFU. The effects were sustained at an extended 6-MFU. Besides efficacy, the feasibility to complement the iSMI with a newly developed internet-based classroom management training was shown. Moreover, mediation analyses corroborated the role of problem- and emotion-focused coping skills in the intervention's effect on stress and the indirect effect of the intervention on depression through stress. Study II (N=262) demonstrated the efficacy of an internet- and app-based gratitude intervention on the reduction of primary assessed repetitive negative thoughts at T2 and 3-MFU, as compared to a WLG. The participants of the IG also reported significantly reduced depressive symptoms at T2, and 3-MFU, with significant clinically meaningful effects. The effects were sustained at an extended 6-MFU. Besides efficacy, mediation analyses showed that repetitive negative thinking mediated the gratitude intervention's effect on depression. Finally, Study III N(=351) showed that an internet-based intervention, tackling worries at the beginning of the COVID-19 pandemic, was effective as compared to an active mental health advice group. At T2, two weeks after randomization, the IG reported significantly reduced levels on the primary outcome worry as compared to controls. Participants of the IG also reported significantly reduced levels of depression at T2, with significant clinically meaningful reductions. The extended follow-ups in the IG indicated that the improvements from baseline were sustained until the 2-MFU and the 6-MFU. In a mediation analysis, worry was shown to mediate the intervention's effect on depression. Across all three studies a reliable deterioration of depression was occasionally observed. In summary, the studies in this dissertation demonstrated the efficacy of various indirect interventions focusing on rather common psychological problems to indirectly reduce depressive symptoms. The extent to which depression severity could be reduced is comparable to reductions found within participants with comparable baseline depression severity, in internet-based interventions directly addressing depressive symptoms. Indirect interventions are suggested to increase the uptake of interventions that reduce depressive symptoms, since they might be perceived as less stigmatizing and might broaden the range of interventions to choose from.
Mikroalgen können bei den internationalen Bemühungen zur Begrenzung der CO2-Emissionen einen wichtigen Beitrag leisten. In der Photosynthese der Mikroalgen wird das CO2 aus der Atmosphäre in Biomasse fixiert. Im Gegensatz zu Landpflanzen können Mikroalgen zudem exponentiell wachsen, haben geringere Anforderungen an die Wasserqualität und konkurrieren nicht mit Agrarflächen, die begrenzt und für die Nahrungsmittelsicherheit der Weltbevölkerung erforderlich sind. Die produzierte Mikroalgenbiomasse kann als regenerative Ressource zu Biokraftstoffen wie Biogas und Biodiesel umgewandelt und somit als Energieträger genutzt werden. Zudem können Mikroalgen auch bei der biotechnologischen Produktion kommerziell relevanter Wertstoffe wie Pigmenten und Omega-3-Fettsäuren für die Nahrungsmittelindustrie Anwendung finden. Mit dem Ziel der Steigerung dieser Wertstoffe stand die Untersuchung des Einflusses der Kultivierungsparameter Licht und Temperatur auf das Wachstum und die Zusammensetzung der Mikroalgenbiomasse im Mittelpunkt dieser Dissertation. Insbesondere der Einfluss unterschiedlicher Lichtspektren auf das Wachstum und die Wertstoffproduktion in Mikroalgen wurde detailliert untersucht. Zusätzlich wurde überprüft, ob sich die gewonnenen Erkenntnisse auch auf Landpflanzen übertragen lassen. Im Rahmen dieser Promotion wurde erstmals systematisch der Einfluss unterschiedlicher Temperaturen und Lichtspektren im zeitlichen Verlauf der Kultivierung auf Mikroalgen untersucht. Hierbei konnten distinkte Spektralbereiche sowie Temperaturen ermittelt werden, die für eine maximale Produktion von Biomasse und Pigmenten sowie einem maximalen Desaturierungsgrad der Fettsäuren erforderlich sind. Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse tragen zu einem besseren Verständnis der Biochemie von photosynthetischen Organismen bei.