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Mineral sequestration of CO2 by reaction with alkaline residues
(2012)
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Martin Back
- With the onset of industrialization within the last 150 years, a significant increase in the concentration of the greenhouse gas carbon dioxide (CO2) is recorded in the atmosphere. According to current scientific understanding the rising atmospheric CO2 levels can be linked with high probability to the observed phenomenon of global warming. Consequently, the reduction of anthropogenic greenhouse gas emissions has become a global challenge of environmental research and policy.
In this thesis, a novel approach to achieve a long-term mineral sequestration of CO2 was studied, using alkaline residue materials. This study examined for the first time a process that allows for rapid removal of CO2 from flue gas through reaction with lignite fly ashes in aqueous solution.
In this process the basicity of the residues is utilized for mineral trapping of CO2 by precipitating stable calcite. Lignite fly ashes are a cheap, inexpensive, highly reactive byproduct of coal combustion. Due to the exposure to heat, these waste streams generally contain high amounts of reactive Ca/Mg (hydr)oxides and thus offer a high alkalinity. The alkaline residues were therefore not considered as an environmental problem, but rather as useful reactants for technical CO2 neutralization in the context of combustion processes.
Carbonates are end-products of weathering processes at the earth surface and mineral carbonation is thus assessed to be a permanent and safe storage option of CO2. Compared to alternative forms of carbon storage (e.g. the injection into gas reservoirs) cost-intensive monitoring programs for safety reasons can be omitted. Also, the carbonation generally leads to heavy metal fixation in the residues, allowing for an environmentally less problematic disposal of the products or even their industrial re-use (e.g. road construction, cement industry). Due to the common high reactivity of alkaline fly ashes no pre-treatment (e.g. grinding, using chemical additives) is needed compared to the use of natural silicate minerals as feedstock material. For these reasons mineral carbonation of alkaline residues can be considered as a process with low costs and low energy consumption, thus making it an interesting CO2 reduction pathway from an economical point of view.
In Chapter 1, the mechanisms and rates of reactions between alkaline lignite fly ash and CO2 in aqueous suspensions were evaluated. Aqueous laboratory experiments showed that CO2 from flue gas can be bound directly as carbonate. Additionally, solutions with high dissolved inorganic carbon content are formed, which can be injected into aquifers for mineral CO2 sequestration. As the dissolution rates of the alkaline mineral phases are high, gas phase CO2 transfer into the aqueous phase is mostly the limiting factor for the overall carbonation process. CO2 dissolution is controlled by the solution pH, by the available surface area of the gas/water interface and by the gradient at that interface.
The maximum conversion of 5.2 moles of CO2 per kg fly ash (≈ 0.23 kg kg-1) obtained at 75 °C demonstrates the high potential of alkaline fly ashes to sequester CO2. This value accounts for a CO2 sequestration capacity of nearly 3.5 million t of CO2 in Germany alone based on the available lignite fly ash, which corresponds to 2 percents of the CO2 emissions from lignite power combustion (168 million t a-1 in 2009).
In Chapter 2, laboratory carbonation experiments are described, which were carried out with the individual mineral phases CaO and MgO in aqueous solution. The process showed parallels with the reactions observed during carbonation of lignite fly ashes, suggesting that Ca and Mg (hydr)oxides can be used as proxies to estimate alkaline waste reaction with CO2 in general.
The carbonation of CaO happens fast, occurs at high pH values > 12 and is controlled at the mineral surface by the dissolution of Ca(OH)2. As long as Ca(OH)2 is available CO2 uptake by the system is high and leads to the simultaneous precipitation of calcite (CaCO3). Under similar conditions MgO carbonation is a slower and much more complex process. In the presence of MgO an initial pH of ~ 10.8, indicating solubility equilibrium, was reached. Subsequently, TDIC concentrations and EC increased almost linearly. The pool of MgO based alkalinity can be made available for mineral trapping if the kinetic restrictions for precipitation of Mg-carbonate can be overcome, e. g. by running the processes at higher temperature (> 50 °C) and higher s/l-ratio. Corresponding to related work the precipitation of hydromagnesite (Mg5(CO3)4 (OH)2 ∙ 4H2O) is found for temperatures above 50 ° C already at a suspended amount of 4 g L-1. Precipitation of nesquehonite (MgCO3 ∙ 3H2O)) starts upon a suspended amount of MgO of more than 10 g L-1 at 25 ° C.
In Chapter 3 the setup and the results of a model are shown, which was used to simulate and evaluate the process of alkaline material carbonation over time. Experimentally derived specific dissolution rates for CaO/MgO and CO2 are used for the development of a kinetic geochemical model based on the freely available PHREEQC algorithm. The software offers the access to databases, which containing thermodynamic constants of all common dissolved species in natural and industrial processes.
Experimental assays conducted in an aqueous carbonation reactor (see Chapter 1 and 2) were used as reference to test the model and evaluate its robustness and sensitivity.
The reaction course of the experiments based on the use of the pure phases (CaO and MgO) was successfully reproduced by our simulations. The developed model may thus be used as a valuable tool for the optimization of technical scenarios/facilities for CO2 sequestration. In order to study different mineral sequestration scenarios for calcite precipitation, we used the simulation to test the variation of process parameters and the addition of chemical additives (CaCl2, CaSO4). Finally, the simulation of the carbonation of lignite fly ash was tested using our simplified model based on CaO, MgO, calcite, anhydrite as kinetic reactants. It was shown that advanced techniques to determine the exact mineralogy of combustion residues and the extension of the availability of thermodynamic data of specific mineral phases are necessary to improve geochemical modelling in future work.
In Chapter 4, the potential contribution of lignite fly ash to mineral CO2 trapping in a high anhydrite (CaSO4) containing aquifer were analyzed. The study examined the possibility of combining underground CO2 storage and geothermal heat/energy production from an anhydrite rich aquifer. In such a scenario Ca2+ for the precipitation of calcite could be provided from the dissolution of the calcium sulfate. The dissolution of anhydrite concurrently releases acid, being counterproductive with respect to the formation of carbonates. The possibility of pH buffering by the addition of alkaline lignite fly ash is therefore appraised to optimize the conditions of carbonate precipitation.
The performed laboratory experiments, as basis for thermodynamic simulations with PHREEC, confirmed that the buffering capacity derived from the fly ashes is essential for calcite precipitation in such a system. Already with an addition of 0.1 weight percent of fly ash per volume of the injection solution the amount of precipitated calcite was maximized. The dissolution of anhydrite is associated with a concurrent increase in pore space and can balance the porespace reduction by precipitation of carbonates and secondary silicates in the geothermal reservoir.
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Untersuchungen zur anterograden Bewegung und Vererbung von Mitochondrien in Saccharomyces cerevisiae
(2012)
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Johannes König
- Mitochondrien können nicht de novo synthetisiert werden und müssen daher aktiv in die Tochterzelle vererbt werden. In Saccharomyces cerevisiae bewegen sich die Mitochondrien entlang des Aktinzytoskeletts. Dabei werden zwei mögliche Mechanismen für den anterograden Transport diskutiert. In einem Modell wird die anterograde Bewegung von Mitochondrien durch das Myo2 Motorprotein vermittelt. Im Gegensatz dazu wird in einem zweiten Modell vorgeschlagen, dass Aktinpolymerisation durch den Arp2/3-Komplex an der mitochondrialen Oberfläche die Mitochondrien in die Knospe transportiert.
Durch Analyse einer temperatursensitiven Mutante von ARC40, das für einen essentiellen Bestandteil des Arp2/3-Komplex kodiert, konnte die Rolle der Arp2/3-abhängigen Aktinpolymerisation bei der Bewegung von Mitochondrien überprüft werden. Die Ergebnisse der Versuche bei nichtpermissiver Temperatur deuten jedoch nicht auf eine direkte Rolle von Arc40 beim mitochondrialen Transport hin. Desweiteren wurde die Beteiligung von Myo2 bei der mitochondrialen Vererbung genauer untersucht. Der Austausch bestimmter Aminosäuren in der Cargo-Bindedomäne von Myo2 führt zu einer Veränderung der Morphologie und des Transportes von Mitochondrien. In dieser Arbeit konnte der Bereich der Myo2 Cargo-Bindedomäne näher charakterisiert werden, der für die Vererbung von Mitochondrien von Bedeutung ist. So führen Aminosäureaustausche in dieser Region von Myo2 zu einem Transport- und Morphologiedefekt von Mitochondrien, der durch artifizielle Verankerung des Myo2 Motorproteins in der mitochondrialen Außenmembran gerettet werden konnte. Auch die negativ synthetischen Effekte von Mutationen in der Cargo-Bindedomäne von Myo2 mit der Deletion des Gens für die am Transport der Mitochondrien beteiligte Rab-GTPase Ypt11 konnten durch Expression dieser Mitochondrien-spezifischen Variante von Myo2 aufgehoben werden. Mittels Immuno-Elektronenmikroskopie gelang es, Myo2 auf der Oberfläche von isolierten Mitochondrien nachzuweisen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Myo2 entscheidend und direkt an der Vererbung von Mitochondrien in S. cerevisiae beteiligt ist.
Um einen Rücktransport in die Mutterzelle zu verhindern, müssen Mitochondrien nach ihrem Transport in die Knospe dort verankert werden. Die genetischen Daten dieser Arbeit sprechen dabei für eine Rolle von Mmr1, einem mitochondrialen Außenmembranprotein, das die Vererbung von Mitochondrien beeinflusst. Mit Hilfe von pulldown-Experimenten wurde in dieser Arbeit versucht, weitere Kandidaten für ein mitochondriales Myo2 Adapterprotein zu finden.
Ausgehend von den genetischen Daten zum Transport von Mitochondrien wurde ein Modell entwickelt, bei dem die mitochondriale Morphologie, Ypt11 sowie eine Retention von Mitochondrien in der Knospe zum anterograden Transport durch Myo2 beitragen.
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The peptidyl-prolyl isomerase Pin1 is required for maintenance of the spindle assembly checkpoint
(2012)
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Andreas Brown
- Chromosomes are replicated during S-phase and segregated during M-phase of the eukaryotic cell cycle. The two sister chromatids of each duplicated chromosome are topologically entrapped and, thus, paired by the ring-shaped protein complex cohesin. They are separated in anaphase of mitosis when cohesin is endoproteolytically cleaved by separase. Activation of this giant protease requires the degradation of its two inhibitors, securin and cyclin B1, which is mediated by the anaphase promoting complex or cyclosome (APC/C), a multisubunit ubiquitin ligase, in conjunction with its essential co-activator Cdc20.
The spindle assembly checkpoint (SAC) is a surveillance mechanism that monitors the chromosomes' interactions with the microtubules of the mitotic spindle apparatus. In response to even one erroneous attachment the affected kinetochore emits a "wait anaphase" signal, which is amplified and culminates in the quantitative sequestration of Cdc20 by the SAC components Mad2 and BubR1. The consequent inactivation of the APC/C causes a metaphase arrest and gives the cell time to correct the error. Given its great importance for chromosome segregation fidelity, it comes at no surprise that loss of the SAC causes cell death while its curtailing is associated with tumour formation.
Pin1 is a peptidyl-prolyl-isomerase with strong preference for phosphorylated Ser-Pro or Thr-Pro motives within its protein substrates. In the present thesis, evidence for the involvement of Pin1 in the maintenance of a robust SAC response is presented.
Antibodies against Pin1 were raised and used to establish the effective immunodepletion of Pin1 from extracts of Xenopus laevis eggs. While the SAC could readily be activated in mock-treated samples of this cell free system, securin was degraded despite the presence of unattached kinetochores when Pin1 had previously been removed. Proving the specificity of this effect, a SAC mediated arrest could be rescued by adding back recombinant Pin1 to depleted extracts. Similarly, addition of dominant negative but not of wild-type Pin1 to SAC-arrested extracts resulted in a checkpoint override.
Chemical inhibition of human Pin1 with two different molecules in two different cancer cells lines invariably forced the cells to exit mitosis in the absence of spindles. This resulted in the premature disappearance of securin, cyclin B1 and a mitosis-specific phosphorylation on Ser10 of histone H3. Thus, Pin1's role as a checkpoint component is conserved in mammals.
In search for the relevant target, Cdc20 was identified as a novel interaction partner of vertebrate Pin1. This association requires phosphorylation of Cdc20 on Ser-Pro/Thr-Pro sites and occurs only during mitosis. Importantly, the Pin1-Cdc20 interaction is direct and not bridged via another checkpoint component or a subunit of the core APC/C. The experimental data suggest that Pin1-dependent isomerization of Cdc20 might bias it to preferentially associate with Mad2 and BubR1 instead of APC/C.
Taken together, these findings contribute to a better understanding of the molecular mechanisms involved in SAC signalling and unravel a previously unappreciated role of Pin1 for genome integrity.
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Umweltbildung zum Thema Klimawandel im botanischen Garten: Wissen, Einstellungen und Konzepte von Jugendlichen
(2012)
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Daniela Sellmann
- Das Thema Klimawandel ist eines der wichtigsten sozio-wissenschaftlichen Themen unserer Zeit (Klosterman & Sadler, 2010) und sicherlich auch eine der größten Bedrohungen für unsere Ökosysteme (Fischlin et al., 2007). Dementsprechend groß ist das Interesse sowohl in der Wissenschaft als auch in der Öffentlichkeit. Die Komplexität des Phänomens, seine vielfältigen lokalen und globalen Auswirkungen sowie die Flut an, teilweise inkorrekten, Informationen, mit denen (nicht nur) Jugendliche konfrontiert werden (Weingart et al., 2000), führen zu Unsicherheiten (Fortner et al., 2000) und erschweren ein Verstehen des Klimawandels zusätzlich. Entsprechende Umfragen zeigen Jugendliche durchaus bereit, im Klimaschutz aktiv zu werden, sie dokumentieren häufig aber auch eine individuelle Hilflosigkeit angesichts des globalen Charakters des Klimawandels (Emnid, 2009; forsa, 2009). Durch oft widersprüchliche Informationen entstehen häufig Alltagsvorstellungen über den Klimawandel, die mit der wissenschaftlichen Sichtweise nicht übereinstimmen (z. B. Andersson & Wallin, 2000; Lombardi & Sinatra, 2010; Shepardson et al., 2009). Das Thema Klimawandel bedarf daher einer Kommunikationsstrategie, die gängige Alltagsvorstellungen mit der wissenschaftlichen Sichtweise auf einen gemeinsamen Nenner bringen kann, aber auch Handlungsoptionen vermittelt, um die vorhandene Aktionsbereitschaft zu aktivieren (Bord et al., 2000).
Die vorliegende Studie zieht konsequent die Prinzipien der Umweltbildung als Basis für eine Bildung zum Thema Klimawandel heran, also die Wissensvermittlung zu umweltrelevanten Themen, die Förderung von umweltfreundlichen Einstellungen sowie die Unterstützung einer besseren Naturverbundenheit (Stern et al., 2008). Zum Erreichen dieser Ziele bieten sich außerschulische Lernorte für Umweltbildungsprogramme besonders an, da sie direkte Erlebnisse mit der Natur ermöglichen und so neben kognitiven auch affektive Domänen ansprechen. Die vorliegende Studie wurde ganz bewusst am außerschulischen Lernort botanischer Garten durchgeführt, weil hier ausgewählte Pflanzenarten aus nahezu allen Ökosystemen der Welt vertreten sind. Dadurch steht Kindern und Jugendlichen sozusagen ein „Fenster zur botanischen Welt“ zur Verfügung, welches globale Auswirkungen des Klimawandels hervorragend veranschaulichen kann.
Alle vier vorgestellten Studien beleuchten das kognitive Wissen und Vorstellungen von Jugendlichen zwischen 14 und 19 Jahren zum Thema Klimawandel; sie beschreiben ihre Naturverbundenheit und Umwelteinstellungen und deren positive Beeinflussung durch ein speziell abgestimmtes Umweltbildungsprogramm in einem botanischen Garten. Darüber hinaus werden gezielte Implikationen für die Entwicklung und Durchführung ähnlicher Programme vorgeschlagen.
Teilstudie A bezieht sich auf die Veränderung von Schülervorstellungen in Abhängigkeit von der Gestaltung von Unterrichtsmaterialien. Beispielsweise konnte durch ein gezieltes Eingehen auf typische Alltagsvorstellungen eine höhere Rate an Veränderungen hin zu wissenschaftlichen Konzepten erreicht werden. Teilstudie B beschreibt Alltagskonzepte von Jugendlichen und deren Beeinflussung durch ein Umweltbildungsprogramm hin zu den wissenschaftlich korrekten Konzepten zum Thema Klimawandel. Dabei wird speziell eine Methode zur Erfassung solcher Veränderungen der Schülervorstellungen dargelegt, die auch im Unterrichtsalltag leicht und ohne großen Zeitaufwand einzusetzen ist. Teilstudie C zeigt das kognitive Wissen der teilnehmenden Jugendlichen sowohl direkt nach dem Programm als auch vier bis sechs Wochen später als signifikant höher als vor einer Programmteilnahme. Schließlich weist Teilstudie D direkt nach einer Programmteilnahme erhöhte Umwelteinstellungen und erhöhte Naturverbundenheit nach, die allerdings über den längeren Zeitraum von vier bis sechs Wochen betrachtet nur bezüglich der Ausnutzung der Natur bestehen blieb; der Grad der Naturverbundenheit sowie die positivere Einstellung zum Naturschutz fielen wieder auf das Ausgangniveau zurück, bedürfen demnach einer wiederholten Intervention.
In der Zusammenfassung bleibt also festzuhalten, dass kurzfristige Umweltbildungsprogramme zum Thema Klimawandel durchaus effektiv und langfristig das kognitive Wissen der Schülerinnen und Schüler erhöhen können; dies gilt ebenso für die Einstellung bezüglich der Ausnutzung der Natur, nicht aber für die Naturverbundenheit oder Umweltschutzeinstellungen. Letztere zeigten nur kurzfristig eine positive Veränderung. Eine längere Programmdauer und wiederholte Naturerlebnisse könnten hier Abhilfe schaffen. Darüber hinaus wird der Vorteil einer unterrichtlichen Einbindung von Alltagsvorstellungen erfolgreich aufgezeigt, konsequenteres Eingehen auf bestehende Vorstellungen im Unterricht wirkt sich direkt auf die Effektivität aus. Künftige vergleichbare Lerneinheiten sollten dies berücksichtigen.
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(2009)
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Cathérine Conradty
- Multimediales Lernen, bspw. mit dem Computer, ist eine wichtige Unterstützung im Unterricht geworden. Wenn auch Wirkung und Nutzen kontrovers diskutiert werden, gehört der Computer inzwischen zum Lehrplan an deutschen Schulen. Computerhandhabung ist eine notwendige Kompetenz für das Berufsleben. Zudem gilt das Medium als motivationsfördernd, was sich positiv auf den Lernerfolg auswirken soll. Ein kritischer Faktor bei Multimedia-Lernen ist neben der Multimodalität die Unterrichtsform: meist wird der Computer in ansonsten eher seltener schülerzentrierter Freiarbeit eingesetzt. Das eine wie das andere kann an sich Schüler kognitiv überfordern und damit das Lernen erschweren. Im Studie A wird der Effekt auf kognitive Lernerfolg und motivationale Variablen bei variierter Lehrer-Anleitung in computerunterstützter Freiarbeit empirisch untersucht. Fehlt die aktive Lehrerbegleitung, war der Lernerfolg im Nachtest geringer. Nach sechs Wochen aber schnitten die völlig selbstständig Lernenden besser ab als die betreuten Schüler. Wissen, das selbstständig erarbeitet wurde, ist bei der computerunterstützten Freiarbeit konsistenter. Der durch während des Unterrichts empfundenen Druck und geringe Selbstkompetenz verursachte negative Effekt auf den Lernerfolg scheint hingegen durch gezielte Anleitung verhindert zu werden. Auch konnten mit Anleitung die Jungen für das Thema gewonnen werden - allerdings ohne bemerkenswerten Effekt auf den Lernerfolg. Wichtigster Faktor der Untersuchung scheint das Vorwissen zu sein, das den Lernerfolg, das Interesse und das Kompetenzgefühl steigert, und gleichzeitig den Stress im Unterricht senkt. Diese Ergebnisse lassen darauf schließen, dass tatsächlich eine völlig selbstständige computerunterstützte Freiarbeit lohnenswert ist, allerdings als Festigungsphase nach einem Vorwissen bildenden, evtl. lehrerzentrierten Vorunterricht. In Studie B wurde ein Medienvergleich zwischen Hypertext und Buchtext durchgeführt. Die computerunterstützte Gruppe variierte nach den Erfahrungen aus Studie I den Grad der Lehrerunterstützung: Ein Teil der Computer-Testgruppe hatte statt der Konsolidierung im Frage-Antworten-Spiel mit dem Lehrer ein computerunterstütztes Quiz. Wenn auch das gewohnte Buch kurzfristig zu besserem Lernerfolg verhalf, vergaßen die Schüler mit der computerunterstützten Einheit mit lehrerzentrierter Konsolidierung weniger. Der Lernerfolg war aber letztlich nicht abhängig vom Medium, sondern von der Lehrerbegleitung. Ohne Betreuung waren die Schüler demotiviert und lernten kaum, wobei besonders die Mädchen litten. In Studie C wurde eine Papier-& Bleistift-Methode des Multimedia-Lernens evaluiert, das Concept Mapping (CMing). Diese „persönlichen Landkarten der Konzepte“ scheinen v. a. als Konsolidierungsphase nach computerunterstütztem Lernen hilfreich zu sein. Hier wurden Concept Maps (CMs) über zwei unterschiedlich schwere Themen erstellt, um Fehler zu typisieren und auf ihre mögliche Ursachen zu untersuchen. Die Teilnehmer, obwohl völlig unerfahren, fühlten sich beim CMing sofort kompetent. Über das einfache Thema erstellten sie komplexe Wissenskarten. Hingegen nahmen bei dem zweiten, schwierigeren Thema die technischen Fehler zu. Dies scheint vor allem ein Problem der Verbalisierungsfähigkeit der Schüler zu sein. In Studie D wurde die Eignung des CMings zur Evaluierung von Schülerwissen untersucht. Bei der Diversität der Qualitätsmerkmale für CMs kann ihre Auswertung im Schulalltag kompliziert werden. Dafür reduzierten wir die Qualitätskriterien auf die Anzahl der richtigen Verbindungen in der Wissenskarte, der „Komplexität“. In den CMs über beide Themen korreliert die Komplexität signifikant mit dem kognitiven Nachtest und dies umso besser, wenn man bei der Korrektur technische Fehler vernachlässigte. Allerdings war der Korrelations-Koeffizient schwach. Da durch CMing ein vernetztes, verstehendes Lernen gefördert wird, rechneten wir damit, dass die Qualität der CM auf den Erfolg im spätere Wissenstest schließen lässt. Entsprechende Korrelation von Komplexität mit spätem Nachtest fanden wir allerdings nur bei dem schweren Thema. Eine Reduzierung der Qualitätsmerkmale auf die Komplexität unterschätzt das abgebildete Wissen der Schüler. Studien C und D zeigen, dass sich CMing sehr gut eignet, um spezifische Wissenslücken und Vorstellungen der Schüler aufzudecken, auf die der Lehrer dann seinen Unterricht adäquat ausrichten kann. Multimediale Lerneinheiten lohnen sich als schülerzentrierte Lernform. Gerade im Wechsel mit lehrerzentrierten Wissensvermittlungs-Stunden unterstützen sie den kognitiven Lernerfolg. Wichtiger noch ist vielleicht: die Vielfalt im Schulalltag fördert die Motivation sowohl der Schüler als auch der Lehrenden. Zusätzlich werden Kompetenzen wie Computerhandhabung, Selbstorganisation und eigenverantwortliches Lernen, Vernetztes Denken und Teamwork gefördert.
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Effektivität von Umweltbildung zum Thema Wasser – Empirische Studie zu Naturverbundenheit, Umwelteinstellungen und Umweltwissen
(2013)
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Anne K. Liefländer
- Die Stärkung des Umweltbewusstseins in der Bevölkerung ist heute notwendiger denn je. Um Umweltprobleme zu lösen und vorzubeugen, soll adäquate Umweltbildung unter anderem darauf abzielen, Motivation, Einstellungen und Wissen für den Schutz und Erhalt der natürlichen Umwelt zu fördern (IUCN, UNEP & WWF, 1991; Potter, 2010). Naturverbundenheit stellt eine wichtige Motivation für den Umweltschutz dar und wird durch direktes, affektives Naturerleben gestärkt (z.B. Kaiser, Roczen & Bogner, 2008; Davis, Green & Reed, 2009). Diese Verbundenheit kann sich, ebenso wie Umwelteinstellungen, im Laufe des Lebens verändern, was sich wahrscheinlich auf die Effizienz von Umweltbildung bezüglich der unterschiedlichen Altersgruppen auswirkt (Bruni & Schultz, 2010; Ernst & Theimer, 2011). Frick und Kollegen (2004) gehen von drei kognitiven Wissensarten aus, die für ökologisch-nachhaltiges Handeln essentiell sind: System-, Handlungs- und Wirksamkeitswissen, welche bewusst in Bildungsaktionen integriert werden sollten.
Bis heute ist nicht genau untersucht, wie sich Schüler/innen ungleichen Alters hinsichtlich ihrer Naturverbundenheitswerte und Umwelteinstellungen unterscheiden. Es ist ebenfalls unklar, ob Kinder und vorpubertäre Jugendliche durch Umweltbildung in den genannten Aspekten unterschiedlich beeinflusst werden, und ob ein erzielter Effekt über einen längeren Zeitraum nach einer Intervention bestehen bleibt. Eine systematische Integration der drei Umweltwissensarten in ein Umweltbildungsprojekt stellt eine zusätzliche Herausforderung dar, durch die eine Zunahme der spezifischen Umweltwissensarten und deren Konvergenz nachgewiesen werden kann. Aus diesem Grund befasst sich die vorliegende Studie zunächst mit dem Ist-Zustand der Naturverbundenheit und den Umwelteinstellungen von 9 bis 13-Jährigen. Anschließend wird der Effekt eines umfassenden viertägigen Umweltbildungsprogramms auf Naturverbundenheit, Umwelteinstellungen und Umweltwissen untersucht.
Am Schullandheim-Projekt zum Thema „Wasser im Leben - Leben im Wasser“ nahmen rund 200 Schüler/innen teil. Die Naturverbundenheit wurde mit der INS-Skala ermittelt (Inclusion of Nature in Self; Schultz, 2002), die Umwelteinstellungen mit den Subskalen preservation und utilisation nach dem 2-MEV-Modell (Two Major Environmental Values; z.B. Bogner & Wiseman 2006) und die Wissensarten mit drei neu entwickelten Skalen. Alle Skalen waren in einem Fragebogen eingebettet, welcher als Vor-, Nach- und Behaltenstest eingesetzt wurde. Eine externe Kontrollgruppe, die nicht am Projekt teilnahm, füllte ausschließlich die Fragebögen aus.
Die Ergebnisse zeigen für 9 bis 10-Jährige (Klasse 4) eine stärkere Naturverbundenheit und bessere Umwelteinstellungen als für 11 bis 13-Jährige (Klasse 6). Der Effekt des Umweltbildungsprojekts auf die Naturverbundenheit und Umwelteinstellungen ist bei den jüngeren Schüler/innen größer als bei den älteren. Beide Altersgruppen zeigen direkt nach der Teilnahme eine größere Naturverbundenheit, die jedoch nur bei den jüngeren Teilnehmer/innen auch über vier Wochen nach dem Projekt bestehen bleibt. Ein ähnliches Bild zeigt sich bezüglich der Umwelteinstellungen: Beide Einstellungen der jüngeren Schüler/innen verbessern sich durch die Programmteilnahme, jedoch bleibt nur preservation auch nach dem Projekt verbessert. Im Vergleich dazu zeigt die preservation-Einstellung der älteren Schüler/innen nur eine kurzfristige Verbesserung, die utilisation-Einstellung wurde nicht beeinflusst. Der Beginn der Pubertät bei den älteren Schüler/innen könnte der Grund für die geringere Naturverbun¬denheit und die ungünstigeren Umwelteinstellungen sein. Aufgrund ihres Alters streben die vorpubertären Schüler/innen wahrscheinlich bereits nach Unabhängigkeit und erleben emotionale Distanz zu anderen (Parra & Oliva, 2009; Steinberg & Silverberg, 1986) und möglicherweise auch zur Natur. Die neuen Skalen zur Messung der Umweltwissensarten erwiesen sich als reliabel und homogen. Das Umweltwissensniveau und die Wissenskonvergenz der Schüler/innen nehmen durch die Projektteilnahme zu und beide bleiben größtenteils über den Zeitraum von vier Wochen nach dem Projekt erhalten. Wirksamkeitswissen zeigt den geringsten Wissenszuwachs, was durch die hierarchische Abhängigkeit der Umweltwissensarten erklärt werden kann. Zusammenfassend war das viertägige Umweltbildungsprojekt bezüglich Naturverbundenheit, Umwelteinstellungen und Umweltwissen vor allem bei den 9 bis 10-jährigen Schüler/innen erfolgreich. Die Befunde werden abschließend bezüglich ihrer Herausforderungen für die Bildungsforschung und ihrer Konsequenzen für die schulische Umweltbildung beleuchtet.
