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18. Systemwissenschaftliches Kolloquium

Wintersemester 2011/12

Mittwochs 16 Uhr c.t. - 18 Uhr s.t., Barbarastr. 12, Raum 66/E101

Terminübersicht

09.11.2011
Dr. Nadja Rüger, AG Spezielle Botanik und Funktionelle Biodiversität Universität Leipzig
Den Wald vor lauter Arten sehen - Bayessche hierarchische Modelle zur Erklärung der Artenvielfalt tropischer Wälder.

16.11.2011
Prof. Dr. Garry Peterson, Stockholm Resilience Center
Ecological regime shifts and social-ecological transformations: theory and case comparisons.

23.11.2011
Dr. Alexey Voinov, University of Twente
Complex problems and simple solutions.

30.11.2011
Dr. Andreas Focks, University of Wageningen
Risk assessment of chemicals in aquatic ecosystems on a small landscape scale.

07.12.2011
Prof. Dr. Christine Achten, Universität Münster
Polyzyklische aromatische Verbindungen - Analytik, Forensik und Bioverfügbarkeit.

14.12.2011
Prof. Dr. Daniel J. Lang , Leuphana Universität Lüneburg
Transdisziplinäre Nachhaltigkeitsforschung - eine zukunftsfähige Forschungspraxis?!

11.01.2012
Dr. Jonathan Köhler, Fraunhofer ISI Karlsruhe
Systemanalyse und Modellierung der Innovationsprozesse und Politik im nachhaltigen Verkehr.

18.01.2012
Dr. Stefan Lechtenböhmer, Wuppertal-Institut für Klima, Umwelt, Energie
Energieszenarien für die Transformation des deutschen Energiesystems.

25.01.2012
Prof. Dr. Henner Hollert, RWTH Aachen
Bioanalytische und integrierte Methoden in der Sedimenttoxikologie.

01.02.2012
Prof. Dr. Kai-Uwe Goss, Helmholtz-Zentrum UFZ Leipzig
Modellierung der Bioakkumulation organischer Chemikalien: Was gibt es bei polaren Chemikalien zu beachten?

Di, 14.02.2012, 17:00 Uhr, R66/E33
Prof. Dr. Elinor Ostrom, Indiana University
Linking frameworks, theories and models for understanding social-ecological systems.

Kurzfassungen der Vorträge

09.11.2011
Dr. Nadja Rüger, AG Spezielle Botanik und Funktionelle Biodiversität Universität Leipzig

Den Wald vor lauter Arten sehen - Bayessche hierarchische Modelle zur Erklärung der Artenvielfalt tropischer Wälder.

Tropische Regenwälder faszinieren durch ihren außerordentlichen Artenreichtum, aber noch immer ist es ein Rätsel, wie so viele Baumarten koexistieren können, obwohl sie auf die gleichen Ressourcen angewiesen sind. Viele Erklärungsversuche basieren entweder auf Unterschieden zwischen den Baumarten oder auf deren Ähnlichkeit. Wie ähnlich oder verschieden sind nun aber die Baumarten hinsichtlich demografischer Raten, Ressourcennutzung, Dichteabhängigkeit etc.? Und wie variiert das zwischen verschiedenen Wäldern? Das sind Fragestellungen auf der Ebene der Arten bzw. der Artengemeinschaften. Daten werden jedoch gewöhnlich auf der Ebene der Einzelbäume erhoben. Solche ökologischen Daten stellen oft Herausforderungen an eine Modellierung. Auf der Ebene des Einzelbaums sind Messungen mit Fehlern behaftet. Auf der Artebene ist es problematisch, dass ein großer Teil der Baumarten sehr selten ist und die Information über diese Arten dementsprechend unsicher. Auf der Ebene der Artengemeinschaft sind Vergleiche zwischen Standorten schwierig, weil z.B. Zensusintervalle variieren. Statt nun aber problematische Daten zu entfernen und die Analysen auf häufige Baumarten oder einen Standort zu beschränken, werden in den letzten Jahren verstärkt statistische Methoden in der Ökologie angewendet, die mit solchen Herausforderungen umgehen können – hierarchische Bayessche Modelle. Verschiedene Fehlerquellen können explizit modelliert werden. Wahrscheinlichkeitsmodelle für die Variation zwischen verschiedenen Individuen, Arten und Artengemeinschaften können kombiniert werden, um auch seltene Arten und verschiedene Standorte in die Analysen einbeziehen zu können. Außerdem quantifizieren Bayessche Methoden automatisch die Unsicherheit jedes geschätzten Modellparameters. Im Vortrag wird die hierarchische Bayessche Modellierung vorgestellt und ihr Potenzial anhand aktueller Forschungsergebnisse zur funktionellen und demografischen Diversität der Baumarten tropischer Wälder aufgezeigt.

16.11.2011
Prof. Dr. Garry Peterson, Stockholm Resilience Center

Ecological regime shifts and social-ecological transformations: theory and case comparisons.

23.11.2011
Dr. Alexey Voinov, University of Twente

Complex problems and simple solutions.

We are overwhelmed by complexity. The methods of analysis seems to be developing much faster than those for synthesis. We learn to build models that are getting increasingly  more details included into the picture, yet they become harder to control and understand and the results are becoming only more uncertain. In many cases the inherent complexity of the problem becomes a pretext for no action. The models in this sense are becoming tools to exemplify and prominently display this uncertainty, which is then used as an illustration of our lack of knowledge and inability to make the right decision. In this sense the prevailing interest in model integration that supposedly should help to take into account more factors and therefore better explain the system dynamics, in fact leads to only more complex models and may be counterproductive by only increasing the sense of uncertainty in front of the complex and dynamic world that we are trying to analyze. However in most cases once we step back and look at the bigger picture - the answer is quite clear. For many complex problems there are simple answers. I will illustrate this by examples from various applications to show how modeling at various scales can be used to better communicate ideas and hopefully lead to better decisions.

30.11.2011
Dr. Andreas Focks, University of Wageningen

Risk assessment of chemicals in aquatic ecosystems on a small landscape scale.

Risk assessment of chemicals in aquatic ecosystems on a small landscape scale In the field of registration and authorisation of chemicals, more realism of ecological risk assessment (ERA) has been demanded since years. Different aspects of ‘realism’ have recently been taken into the focus of environmental research, many of them referring to population- or ecosystem-level effects, or to chemical aspects such as more accurate approximations of bioavailability or mixture toxicity. Despite the complex and promising nature of above approaches to bring more realism into ERA, one very basic and relevant aspect of reality is still not receiving the attention it deserves: the spatial dimension of real landscapes. Both ecological processes and chemodynamics exhibit different qualities on a landscape scale as compared to standardized and one-dimensional test settings. The approach I use in my current project combines chemical fate simulations in generic or realistic river networks with NetLogo/MASTEP population effect models. Special consideration on the chemical side is spent on the influence of pesticide properties on the magnitude and duration of effects. Chemical fate dynamics are calculated as detailed as possible, e.g. with the CASCADE-TOXSWA software. Respective calculated concentration curves are used as spatio-temporal explicit exposure patterns for the biological effect models. On the biological side, the influence of species traits and landscape properties on effects and recovery are investigated. Individual-based NetLogo/MASTEP models are taken as building blocks to upscale the dynamics to a regional landscape scale. The approach is realised within a Java-coded software named “MASTEP-regional”. The project is positioned in the process of extrapolating chemical effects from the edge-of-field scale to real-world scales in terms of agricultural landscapes. The main question is to see if and how effects of chemicals on populations and their recovery differs between local and regional population models. Observed differences will be analysed with respect to the causing processes or factors, e.g. chemical persistence or toxicity, time point of application, river network properties, species traits. Finally, indicators are to be developed that enable to consider the findings for higher tier chemical risk assessment. Bewertung der Risiken von Chemikalien auf aquatische Ökosysteme auf einer Landschafts-Skala Im Bereich der Registrierung und Zulassung von Chemikalien wird seit Jahren mehr Realismus in der ökologischen Risikobewertung (ERA) gefordert. Verschiedene Aspekte des "Realismus" wurden aktuell in den Fokus der Umweltforschung genommen, viele von ihnen beziehen sich auf Effekte auf Populations-oder Ökosystem-Ebene oder auf chemische Aspekte, wie z.B. genauere Abschätzungen der Bioverfügbarkeit oder Mischungs-Toxizität. Trotz der komplexen und vielversprechenden Ansätze, mehr Realismus in die ERA zu bringen, ist ein sehr grundlegender und relevanter Aspekt der Realität noch nicht erhalten: die räumliche Dimension realer Landschaften. Sowohl ökologische Prozesse als auch Chemodynamik weisen verglichen mit standardisierten und eindimensionalen Standard- Tests unterschiedliche Qualitäten auf einer Landschafts-Ebene auf. Der Ansatz, den ich in meinem aktuellen Projekt verfolge verbindet Fate-Simulationen in generischen oder realistischen Fluss-Netzwerken mit NetLogo / MASTEP Populations-Effekt Modellen. Besondere Berücksichtigung auf der chemischen Seite erfährt der Einfluss von Pestizide-Eigenschaften auf das Ausmaß und die Dauer der Wirkungen. Die chemische Dynamik kann sehr detailliert zB mit der Software CASCADE-TOXSWA berechnet werden. Entsprechend berechnete Konzentrationskurven werden als räumlich-zeitliche explizite Expositionsmuster für die biologische Effekt- Modelle verwendet. Auf der biologischen Seite werden Einflüsse von Art-Eigenschaften und Landschafts-Eigenschaften auf Effekte und Erholung untersucht. Individuen-basierte NetLogo / MASTEP Modelle werden als Bausteine verwendet, um die Dynamik auf eine regionale Landschafts-Skala zu extrapolieren. Der Ansatz ist in einer Java-codierte Software mit dem Namen "MASTEP-regional" realisiert. Das Projekt ist positioniert im Prozess der Extrapolation chemischer Effekte von der Edge-of-field Skala hin zur Skala landwirtschaftlicher Nutz-Landschaften. Die wichtigste Frage ist, ob und wie Auswirkungen von Chemikalien auf Populationen und deren Wiederherstellung sich zwischen lokalen und regionalen Modellen unterscheiden. Beobachtete Unterschiede werden in Bezug auf die verursachenden Prozesse oder Faktoren, z. B. chemische Beständigkeit oder Toxizität, Zeitpunkt der Anwendung, Flussnetz-Eigenschaften, Art-Eigenschaften analysiert. Letztendlich sollen über Screening-Simulationen allgemeine Erkenntnisse über Pestizid-Effekte auf größeren räumlichen Skalen gewonnen werden. Dazu kommt die Möglichkeit, mit Hilfe des entwickelten Ansatzes higher-tier Risikobewertungen für spezifische Substanzen durchzuführen.

07.12.2011
Prof. Dr. Christine Achten, Universität Münster

Polyzyklische aromatische Verbindungen - Analytik, Forensik und Bioverfügbarkeit.

Die Eigenschaften, das Vorkommen sowie das Umweltverhalten von polyzyklischen aromatischen Verbindungen (polycyclic aromatic compounds, PAC = polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, PAK + NSO-Heterozyklen, NSO-PAC), sind aufgrund ihres ubiquitären Vorkommens und der häufig carzinogenen sowie mutagenen Wirkungen auf Organismen seit Jahrzehnten Gegenstand von Forschung. Dennoch sind wesentliche Aspekte bis heute nicht vollständig verstanden, z. B.: Aus welchen Gründen wurden die weltweit am meisten untersuchten 16-EPA-PAH aus der Vielzahl der PAK ausgewählt? Ist die Auswahl nach heutigem Wissensstand noch sinnvoll? Wie toxisch sind andere vorkommende PAK sowie NSO-Heterozyklen und wie häufig treten diese in der Umwelt auf? Wie beeinflussen in der Umwelt häufig auftretende Geosorbenten die Verfügbarkeit von PAK für den Mensch und andere Organismen? Sind PAK, die mit starken Geosorbenten assoziiert vorliegen mikrobiologisch abbaubar? Unter welchen Bedingungen kann Monitored Natural Attenuation von PAC an Altstandorten akzeptiert werden? Kennen wir alle wesentlichen Emissionsquellen? Die Grundlage des aktuellen Wissensstandes stellt die PAC-Analytik dar, die kontinuierlichen Fortschritt zeigt, so liefert z. B. in der Massenspektrometrie die Ionisierung mittels Lasertechnik eine selektive Detektion von aromatischen Verbindungen, die erheblich empfindlichere Messungen in komplexen Matrizes ermöglichen als mit herkömmlicher Gaschromatographie-Massenspektrometrie. Der Forschungsschwerpunkt der Arbeitsgruppe sowie weitere Themen werden im Vortrag vorgestellt.

14.12.2011
Prof. Dr. Daniel J. Lang , Leuphana Universität Lüneburg

Transdisziplinäre Nachhaltigkeitsforschung - eine zukunftsfähige Forschungspraxis?!

Es besteht eine wachsende Übereinkunft, dass die Bearbeitung und Transformation von nachhaltigkeitsrelevanten Fragestellungen, häufig nach Forschungsansätzen verlangt, die sowohl disziplinäre als auch universitäre Grenzen überschreiten. Transdisziplinarität - verstanden als eine problemorientierte, kontextualisierte und methodengestützte Forschungspraxis zur Gestaltung von wechselseitigen Lernprozessen zwischen Wissenschaftlern unterschiedlicher Disziplinen und gesellschaftlichen Akteuren ausserhalb der Wissenschaft - hat sich in diesem Zusammenhang als ein sehr erfolgversprechender Ansatz herauskristallisiert. Damit diese Forschungspraxis jedoch nicht zu einer "Leerformel" verkommt und ihr Potential noch umfassender entfalten kann, bedarf es einer verstärkten theoretischen, methodischen und prozessbezogenen Fundierung die u.a. stark auf empirischen Erkenntnissen basiert. In diesem Beitrag wird argumentiert, dass transdisziplinäre Nachhaltigkeitsforschung den Anspruch haben sollte spezifische Arten von Wissen in einem strukturierten, integrativen Forschungsprozess an der Schnittstelle zwischen Wissenschaft und Praxis zu generieren; und dass diese Forschungspraxis, wie generell der Umgang mit nachhaltigkeitsrelevanten Fragestellungen, spezielle Anforderungen an (Aus-)Bildungsansätze stellt. Zudem wird ein Vorschlag für konkrete Design-Prinzipien transdisziplinärer Forschung präsentiert. Im Bezug auf diese Prinzipien werden, basierend auf Erfahrungen aus zahlreichen internationalen Forschungsprojekten, exemplarische Herausforderungen diskutiert. Der Vortrag schließt mit einem kurzen Ausblick auf den weiteren Forschungsbedarf und die Rolle von Transdisziplinarität im Rahmen einer stärker transformativen Forschung.

11.01.2012
Dr. Jonathan Köhler, Fraunhofer ISI Karlsruhe

Systemanalyse und Modellierung der Innovationsprozesse und Politik im nachhaltigen Verkehr.

Das Konzept eines Systems wird sowohl in der sozialwissenschaftlichen Literatur über Innovationen als auch in der angewandten Naturwissenschaft verwendet. Eine der wichtigsten Anwendungen ist der "System of Innovation"-Ansatz. Dieser wurde in der 1970er Jahren entwickelt, ursprünglich unter dem Begriff "National System of Innovation". Dieses befasst sich mit den verschiedenen Aspekten der industriellen Innovation auf nationaler Ebene. Danach wird das "Sectoral System of Innovation" entwickelt, welches sich mit einer besonderen Industrie oder Technologie beschäftigt. Dies wird im "Iechnology Innovation System" (TIS) weiterentwickelt. Eine Anwendung bei neuen Antriebs- und Treibstofftechnologien in der Autoindustrie zeigt, dass die weitere Entwicklung des Elektroantriebs immer noch von der politischen Unterstützung abhängig ist und dass die Wasserstoffzell-Technologien erhebliche Schwierigkeiten haben, in den Automobilmarkt einzudringen. Dieses Ergebnis wird auch durch ein kombiniertes agentenbasiertes Modell, was auch eine Systemstruktur aufweist, bewiesen. Die Struktur dieses "Transition Modells" wird beschrieben und die Methodik, soziale Systeme zu modellieren, diskutiert.

18.01.2012
Dr. Stefan Lechtenböhmer, Wuppertal-Institut für Klima, Umwelt, Energie

Energieszenarien für die Transformation des deutschen Energiesystems.

Das Energiekonzept der Bundesregierung vom Herbst 2010 sowie die Diskussionen zur "Energiewende" des Frühsommers 2011 haben gezeigt, dass eine Transformation des fossil-nuklearen Energiesystems hin zu einem effizienten und regenerativen "Low-Carbon-" Energiesystem ansteht. Diese Transformation wird eine der zentralen gesellschaftlichen Gestaltungsaufgaben der nächsten 4 Jahrzehnte darstellen. Der Vortrag beleuchtet zunächst die verschiedenen im Kontext dieser Diskussion entstandenen Langfrist-Energieszenarien in inhaltlicher und methodischer Sicht. Diese Arbeiten beruhen in Deutschland weitgehend auf energiewirtschaftlich-technischen bottom-up Simulationen. Am Beispiel der Ergbnisse einer vergleichenden Analyse langfristiger Klimaschutzpfade mit dem bottom-up modell DEESY des Wuppertal Instituts auf der einen und dem wachstumsökonomischen REMIND-D-Modell des Potsdam Instituts auf der anderen Seite werden methodische Fragen der Energieszenarien näher diskutiert und robuste Ergebnisse in bezug auf die deutsche Energie- und Klimastrategie abgeleitet.

25.01.2012
Prof. Dr. Henner Hollert, RWTH Aachen

Bioanalytische und integrierte Methoden in der Sedimenttoxikologie.

Sedimente sind als wichtiger Faktor der Gewässerqualität in den vergangenen Jahren verstärkt in die wissenschaftliche und öffentliche Diskussion getreten. Während sich die Wasserqualität in jüngster Zeit deutlich verbessert hat, werden die zum Teil hoch kontaminierten Sedimente in vielen europäischen Einzugsgebieten die Gewässerqualität noch für viele Jahrzehnte nachhaltig beeinflussen. Dieser Vortrag gibt einen kurzen Einblick in die aktuellen Entwicklungen und konzeptionellen Ansätze zur Bewertung der Toxizität und der Umweltrisiken von Sedimenten und Schwebstoffen. Des Weiteren wird ein neuer Ansatz zur Untersuchung der Sedimenttoxizität unter Berücksichtigung der Schadstoffremobilisierung während simulierter Resuspensionsereignisse vorgestellt. Derzeit existieren viele verschiedene Ansätze zur Bewertung der Sedimentbelastung: Während instrumentelle chemische Analytik für sich nicht genau zu beschreiben, können Kombinationen aus biologischen und chemischen Testverfahren und integrierte Ansätze, z. B. Weight-of-Evidence-Studien und effektdirigierte Analyse (EDA), zur Identifikation der Schlüsselkontaminanten beitragen. Methoden zur Umweltrisikobewertung kontaminierter Sedimente, z. B. die Simulation von Erosions- und Sedimentationsprozessen bei gekoppelter Exposition aquatischer Organismen, werden derzeit entwickelt. Der Überwachung und Bewertung der Sedimentqualität kommen nicht nur im Rahmen nationalen Rechts, sondern auch bei der Umsetzung der europäischen Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) große Bedeutung zu. Um die daraus resultierenden Ansprüche an Sedimentuntersuchungen zu erfüllen, sind integrierte Ansätze und die Berücksichtigung der Sedimentstabilität unabdingbar.

01.02.2012
Prof. Dr. Kai-Uwe Goss, Helmholtz-Zentrum UFZ Leipzig

Modellierung der Bioakkumulation organischer Chemikalien: Was gibt es bei polaren Chemikalien zu beachten?

Herkömmliche Modelle zur Abschätzung der Bioakkumulation wurden für hydrophobe Chemikalien und die aquatische Nahrungskette entwickelt. Der Vortrag diskutiert die Frage, inwiefern diese Modelle modifiziert werden müßen, wenn Sie auf polare Chemikalien und die terrestrische Nahrungskette angewendet werden.

Di, 14.02.2012, 17:00 Uhr, R66/E33
Prof. Dr. Elinor Ostrom, Indiana University

Linking frameworks, theories and models for understanding social-ecological systems.