4 Material und Umwelt
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A pot experiment was carried out with maize to determine the phosphorus (P) plant-availability of different secondary P-fertilizers derived from wastewater. We analyzed the respective soils by P K-edge X-ray absorption near-edge structure (XANES) spectroscopy to determine the P chemical forms that were present and determine the transformation processes. Macro- and micro-XANES spectroscopy were used to determine the chemical state of the overall soil P and identify P compounds in P-rich spots. Mainly organic P and/or P adsorbed on organic matter or other substrates were detected in unfertilized and fertilized soils. In addition, there were indications for the formation of ammonium phosphates in some fertilized soils. However, this effect was not seen in the maize yield of all P-fertilizers. The observed reactions between phosphate from secondary P-fertilizers and cofertilized nitrogen compounds should be further investigated. Formation of highly plant-available compounds such as ammonium phosphates could make secondary P-fertilizers more competitive to commercial phosphate rock-based fertilizers with positive effects on resources conservation.
The present study shows the potential of high-resolution imaging and nano-Fourier-transform infrared (nano-FTIR) spectroscopy for corrosion science. The protective oxidation layers of different chlorine-gas treated silicon
carbides (SiCs) were characterized with these techniques. A nitrified SiC showed the highest resistant strength against chlorine corrosion at 1000 °C compared to the other SiCs. Nano-FTIR spectroscopy with a lateral resolution below 40 nm detected differences in the crystallinity of the bulk-SiC and in the transitional region to the protective layer. Furthermore, high-resolution imaging provides deep insight in the interfacial layer between bulk-SiC and the protective oxidation layer on sub-micrometer scale.
Recycling-Düngemittel auf Basis von sekundären Ressourcen (Gülle, Gärreste, Klärschlamm, Tiermehl etc.) gewinnen in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung in der Landwirtschaft. Die in den Recycling-Düngemitteln enthaltenen P-Spezies weichen oft stark von denen in konventionell hergestellten Düngemitteln aus Rohphosphat ab, zudem enthalten Recyclingdünger oft mehrere verschiedene P-Formen. Die Pflanzenverfügbarkeit des P in ist ganz wesentlich von der enthaltenen P-Form abhängig. Derzeit gibt es außer zeitaufwendigen und kostspieligen Gefäß- und Feldversuchen keine zufriedenstellende Testmethode zur Analyse der P-Pflanzenverfügbarkeit von unterschiedlichen Recycling P-Düngemitteln. Die im europäischen Düngemittelrecht normierten chemischen Extraktionsmethoden (Wasser, Zitronensäure, Ameisensäure, neutral Ammoniumcitrat etc.) zeigen oftmals keine oder nur sehr geringe Korrelation zu der P-Aufnahme von Pflanzen in Gefäßversuchen mit Recycling-Düngemitteln (Kratz et al. 2010, Steckenmesser et al. 2017, Vogel et al. 2017). Eine grundlegende Schwäche chemischer Extraktionsmethoden liegt darin, dass es sich dabei um statische Methoden handelt, die nicht in der Lage sind, die im System Boden/Düngemittel-Bodenlösung-Pflanze stattfindenden dynamischen Prozesse wie P-Freisetzung und Entzug durch die Pflanzenwurzeln abzubilden.
Einen Lösungsansatz bieten hier sog. P-Senken-Methoden. Bereits in den 1950er Jahren wurden erstmals P-Senken zur Analyse des Boden-P angewendet (Chardon et al. 1996). In den darauffolgenden Jahrzehnten wurden verschiedene P-Senken auf der Basis von Eisenoxid-Papier entwickelt (Chardon et al. 1996). Jedoch konnten diese Ansätze auch nur begrenzt zur Bestimmung der P-Pflanzenverfügbarkeit des Boden-P eingesetzt werden. Mitte der 1990er Jahre wurde die DGT (engl. diffusive gradients in thin films) Methode entwickelt (Zhang et al. 1998). Bei der DGT Methode diffundiert P aus der Bodenlösung des angefeuchteten Bodens durch einen Membranfilter und die Diffusionsschicht und wird anschließend an einer Bindungsschicht absorbiert. Durch den Diffusionsgradienten wird das Gleichgewicht in der Bodenlösung permanent gestört, wodurch auch labiles P im Boden gelöst wird. Die stetige Entnahme von P aus der Bodenlösung über die Diffusions-/Bindungsschicht simuliert dabei den Entzug von P durch die Pflanzenwurzel. Die an die Bindungsschicht adsorbierte Menge an P korreliert stark mit der P-Aufnahme von Pflanzen (u.a. Mason et al. 2005, 2013; Menzies et al. 2005, Six et al. 2012). Im Gegensatz zu chemischen Extraktionsmethoden werden bei der DGT Methode Mischungen an Düngemittel und Boden für mehrere Tage inkubiert (Vogel et al. 2017; Duboc et al. 2017), da ansonsten wasserlösliche P-Dünger den DGT Adsorber sättigen und wasserunlösliche P-Dünger unterschätzt werden. Ein bis zwei Wochen Inkubation sind ausreichend, damit sich pflanzenverfügbares P in die Mischungen bildet.
In letzter Zeit haben verschiedene Forschungsgruppen gezeigt, dass die DGT Methode auch eine sehr gute Korrelation mit der Pflanzenverfügbarkeit verschiedener Typen von (Recycling-)P-Düngemitteln aufweist (Vogel et al. 2017; Duboc et al. 2017; Foereid 2017; Haarstad and Bavor 2017; Lemming et al. 2017). Bei Gefäßversuchen mit verschiedenen Recycling P-Düngemitteln konnte die DGT Methode den Ertrag bzw. die P-Aufnahme von Mais deutlich besser vorhersagen als herkömmliche chemische Extraktionsmethoden (Vogel et al. 2017; Duboc et al. 2017).
Daher kann die DGT Methode im Vorfeld der Zulassung von neuen Düngermitteltypen als zuverlässige und robuste Methode zum Screening von Produktvarianten eines Düngemittelherstellers verwendet werden. Um dieses Messverfahren im Rahmen des Düngemittelrechts als Bewertungsinstrument für die Abschätzung der Pflanzenverfügbarkeit unterschiedlicher Düngemittel zu verwenden, muss es allerdings zunächst standardisiert werden. Zu diesem Zweck bietet sich der Einsatz eines „standardisierten“ Bodens bzw. Bodenrezepts an. Zur Kalibrierung der Methode im jeweiligen Labor könnten auch chemisch definierte P-Verbindungen mit bekannter Löslichkeit/Pflanzenverfügbarkeit als Referenz-substanzen verwendet werden.
A wide range of methods are used to estimate the plant-availability of soil phosphorus (P). Published research has shown that the diffusive gradients in thin films (DGT) technique has a superior correlation to plant-available P in soils compared to standard chemical extraction tests. In order to identify the plant-available soil P species, we combined DGT with infrared and P K- and L-edge X-ray adsorption near-edge structure (XANES) spectroscopy. This was achieved by spectroscopically investigating the dried binding layer of DGT devices after soil deployment. All three spectroscopic methods were able to distinguish between different kinds of phosphates (poly-, trimeta-, pyro- and orthophosphate) on the DGT binding layer. However, infrared spectroscopy was most sensitive to distinguish between different types of adsorbed inorganic and organic phosphates. Additionally, also intermediates of the time-resolved hydrolysis of trimetaphosphate in soil could be analyzed. Furthermore, infrared and XANES microspectroscopy make it also possible to analyze P compounds on the binding layer with a lateral resolution down to 1 µm2. Therefore, P species of a spatial soil segment (e.g. rhizosphere) can be mapped and analyzed.
Phosphorus (P) plays an essential role in the global food security. However, the global P reservoirs have a statistic lifetime of about 385 years only. Due to the scarcity of P and the increasing world population an efficient and sustainable recycling management is required. A few biogenic waste materials are high in P contents such as sewage sludge and meat and bone meal. Thus, they are suitable for P recycling and fertilizer production. But besides the high P content sewage sludge is often highly contaminated with organic pollutants and toxic heavy metals which have to be eliminated before agricultural field application. In this presentation we show the potential of sewage sludge as secondary resource for fertilizers. This includes our developments in thermochemical processes for the production of novel P-fertilizers from recycled materials. Furthermore, for these novel P-fertilizers common extraction tests to determine the plant-available P are often unusable. Therefore, we successfully applied the Diffusive gradients in thin-films (DGT) techniques to analyse the plant-availability of P-fertilizers from recycled materials.
The halophilic bacterium Halomonas elongata can tolerate salt concentrations above 10% NaCl and uses the accumulation of the compatible solute ectoine as a major osmoregulatory mechanism. Ectoine can be accumalted inside the cell through import from the medium or de novo synthesis and establishes an osmotic equilibrium with the surrounding1. Ectoine also protects proteins from the effects of freezing, drying and high temperatures4 and DNA from ionizing radiation2. These features make ectoine a valuable compound for cosmetics and medical devices.
H. elongata was originally isolated from a solar salt facility, where it thrives under high salt concentrations. It was found that marine prokaryotes, which are exposed to high oxidative stress in their environment, vary glycolytic strategies5. A variation in the use of the glucose metabolic pathways is also assumed for H. elongata.
The halophilic bacterium Halomonas elongata can tolerate salt concentrations above 10% NaCl and uses the accumulation of the compatible solute ectoine as a major osmoregulatory mechanism. Ectoine can be accumalted inside the cell through import from the medium or de novo synthesis and establishes an osmotic equilibrium with the surrounding1. Ectoine also protects proteins from the effects of freezing, drying and high temperatures4 and DNA from ionizing radiation2. These features make ectoine a valuable compound for cosmetics and medical devices.
H. elongata was originally isolated from a solar salt facility, where it thrives under high salt concentrations. It was found that marine prokaryotes, which are exposed to high oxidative stress in their environment, vary glycolytic strategies5. A variation in the use of the glucose metabolic pathways is also assumed for H. elongata.
Wood treated with nano metal fluorides is found to resist fungal decay. Sol−gel synthesis was used to synthesize MgF2 and CaF2 nanoparticles. Electron microscopy images confirmed the localization of MgF2 and CaF2 nanoparticles in wood. Efficacy of nano metal fluoride-treated wood was tested against brown-rot fungi Coniophora puteana and Rhodonia placenta. Untreated wood specimens had higher
mass losses (∼30%) compared to treated specimens, which had average mass loss of 2% against C. puteana and 14% against R. placenta, respectively. Nano metal fluorides provide a viable alternative to current wood preservatives.
Nach 1850 wurde zur weiteren Herabsetzung der Einbrenntemperatur von Glasmalfarben Borax (Na2B4O7 · 10 H2O) zugesetzt. Das Verhältnis war nun 1 Teil SiO2, 3 Teile PbO und 0,5 Teile Borax. Der analytische Nachweis von Bor in eingebrannten Malschichten war bisher jedoch nicht möglich.Daher wurden in Laborversuchen Glasmalfarben mit unterschiedlichem Gehalt an Borax auf Modellgläser aufgetragen, eingebrannt und anschließend unter simulierten Umweltbedingungen zeitraffend im Klimaschrank bewittert.
Mit Hilfe von elektronenmikroskopischen Untersuchungen können Malschichten charakterisiert werden und somit Hinweise auf mögliche Schadensursachen liefern. Erste Versuche zum Nachweis von Bor erfolgten mit Hilfe von LIBS-Messungen (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) an im Labor hergestellten Glasmalfarben mit unterschiedlichem Boraxgehalt.
Nach 1850 wurde zur weiteren Herabsetzung der Einbrenntemperatur von Glasmalfarben Borax (Na2B4O7 · 10 H2O) zugesetzt. Das Verhältnis war nun 1 Teil SiO2, 3 Teile PbO und 0,5 Teile Borax. Der analytische Nachweis von Bor in eingebrannten Malschichten war bisher jedoch nicht möglich.
In Laborversuchen wurden Glasmalfarben mit unterschiedlichem Gehalt an Borax auf Modellgläser aufgetragen, eingebrannt und anschließend unter simulierten Umweltbedingungen zeitraffend im Klimaschrank bewittert. Mit Hilfe von elektronenmikroskopischen Untersuchungen können Malschichten charakterisiert werden und somit Hinweise auf mögliche Schadensursachen liefern. Der Nachweis von Bor erfolgte mit Hilfe von LIBS-Messungen (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) an im Labor hergestellten Glasmalfarben mit unterschiedlichem Boraxgehalt.
In Vorbereitung einer Restaurierung erfolgten naturwissenschaftliche Untersuchungen zu Schadensphänomenen und Glaszusammensetzungen an mittelalterlichen Gläsern aus der Dorfkirche in Koszewko (Polen)im Environmental Scanning Electron Microscope (ESEM) mit EDX. Die Ergebnisse zeigen, dass die Glasverwitterung schon sehr stark vorangeschritten ist und ein zukünftiger Schutz der mittelalterlichen Glasmalereifelder vor Umwelteinflüssen unbedingt notwendig ist. Es wurde ein Schutzverglasungsystem entwickelt, das speziell auf den langfristigen Erhalt der einzelnen mittelalterlichen Glasmalereifelder ausgelegt ist.
Auslaugung von Stoffen aus Bauteilen kann zu einer Belastung von Boden und Gewässern führen. Das Simulationsmodell COMLEAM (COnstruction Material LEAching Model) wurde eingesetzt, um die Stoffauswaschung besser zu verstehen und das damit verbundene Umweltrisiko besser einschätzen zu können. Emissionsfunktionen sind Bestandteil dieses Modells. Hier werden fünf verschiedenen Funktionen beschrieben, getestet und hinsichtlich ihrer Eignung für Prognosemodelle bewertet.
Ammoniakemissionen in die Umwelt erfolgen insbesondere durch die Landwirtschaft (93,6 %), aber auch durch Verbrennungsprozesse in der die Abfallwirtschaft (2,3 %) und den Straßenverkehr (1,8 %). Dieser Stoff ist selbst in geringen Konzentrationen nicht nur eine Geruchsbelästigung, sondern auch eine Substanz mit ökologischer und klimatischer Relevanz.
Die Bestimmung von Ammoniak in relevanten Konzentrationen von kleiner 25 μg m-3 erfolgt im Allgemeinen über NH4+ als Analyten, spektralfotometrisch oder mit der Ionenchromatographie nach Überführung in die flüssige Phase. Wegen der niedrigen Konzentrationen an Ammoniak in der Außenluft wird meist eine gesammelte Probe verwendet oder die Bestimmung erfolgt nach einer aktiven, anreichernden Probenahme.
Die eigenen Arbeiten sollen dazu beitragen, die Ammoniak-Bestimmung in der Außenluft präziser, sowie schneller und kostengünstiger zu machen.
Die BAM prüfte daher kommerzielle elektrochemische und Metalloxid-basierte Sensoren, die für diesen Konzentrationsbereich aber nur bedingt geeignet sind. Deshalb wurden alternativ eigene Entwicklungen zum Nachweis von Ammoniak im Spurenbereich aufgenommen, wobei der Analyt über die Änderung der Fluoreszenz eines BODIPY-Farbstoffs bei 550 nm mittels eines portablen Fluoreszenz-Sensors direkt aus der Gasphase gemessen wird.
Zur Kalibrierung von Ammoniak-Sensoren und -Messgeräten steht ein stationäres System basierend auf der Mischung von zertifizierten Prüfgasen aus Druckflaschen mit kalibrierten Massendurchfluss-regler (MFC) zur Verfügung. Darüber hinaus erfolgt eine chemische Analyse der verwendeten Gasgemische mittels eines Massenspektrometers.
Für die Kalibrierung und Prüfung von Sensoren und Messgeräten vor Ort wurde ein mobiles Prüfsystem entwickelt. Die Generierung von Ammoniak-haltigen Gasen im Spurenbereich von 0,5 nmol/mol bis 500 nmol/mol erfolgt durch das Permeationsverfahren nach ISO 6145-10.
Für die Realisierung der Rückführbarkeit der Ammoniakbestimmung werden von den Nationalen Metrologischen Instituten sowie designierten Instituten Standards bereitgestellt und auch weiterentwickelt. Die primären metrologischen Standards beruhen auf SI-Einheiten und sind die Basis für eine Rückführbarkeit der Sensoren bzw. Analysengeräte.
Tantalum and niobium are essential for the development of electronics towards a more and more compact design, but without reducing their performance today. Especially in smart phones and tablets, tantalum and niobium capacitors with high charge densities have already become almost indispensable. However, tantalum as a critical raw material is still a problem for the sustainable production of electronics. Due to this fact, the existence of efficient recycling processes especially in Europe is becoming even more important nowadays.
The Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) is currently working on the optimisation of an existing pyrometallurgical tantalum recycling process. Optimisation of this industrial process is carried out in a small-scale electric arc furnace (480 kVA, capacity approx. 150 kg/h) at BAM using a new and innovative equipment for on-line analysis of high temperature processes.
The aim of this project is to identify the best timing for an optimum slag tapping, when the slag is lower than minimum targeted tantalum concentration. Hence, LIBS (Laser induced breakdown spectroscopy) is used to identify the chemical composition of the slag layer and during slag tapping. The on-line-LIBS prototype of BAM enables an in-situ measurement of the element distribution in the melt after calibration on the slag system.
First results of this joint research project will be presented including LIBS-measurements and thermodynamic and kinetic aspects of the process.
Optimierung eines pyrometallurgischen Tantal- und Niob- Recyclingprozesses mithilfe von On-Line LIBS
(2018)
Die Entwicklung von Hochleistungselektronik zu immer kleineren Bauformen ohne Leistungseinbußen ist ohne den Einsatz von Technologiemetallen wie Niob und Tantal heute praktisch nicht mehr realisierbar. Besonders in technischen Geräten wie Smartphones und Tablets sind Tantal- und Niobkondensatoren aufgrund ihrer hohen Leistungsdichten bereits unverzichtbar geworden. Für die nachhaltige Produktion von Elektronik stellt jedoch vor allem das Tantalerz Coltan als sogenanntes „conflict mineral” ein großes Problem dar.
Um den Wirtschaftsstandort Europa unabhängiger von Primärrohstoffimporten aus Krisenregionen zu machen, ist die Entwicklung von effizienten Recyclingverfahren heute wichtiger denn je. An der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) findet daher zurzeit die Optimierung eines pyrometallurgischen Industrieprozesses zur Niob- und Tantalrückgewinnung statt, welchem hauptsächlich niedrigkonzentrierte metallurgische Rückstände aus der Tantal- und Niob- bzw. der Zinngewinnung als Einsatzstoffe dienen.
Zu diesem Zweck werden im kleintechnischen Lichtbogenofen der BAM (480 kVA, max. Materialdurchsatz ca. 150 kg/h) Versuche mit einem neuen innovativen Messgerät durchgeführt, welches eine On-Line Analyse von Hochtemperaturprozessen ermöglicht. Der eingesetzte Prototyp nutzt das Verfahren der laserinduzierten Plasmaspektroskopie (LIBS), um die chemische Zusammensetzung der Schlackephase noch im Schmelzbad und während eines Schlackeabgusses zu bestimmen. Nach einer Kalibrierung auf das vorliegende Stoffsystem ermöglicht dieser On-Line-LIBS Prototyp der BAM daher eine in-situ Bestimmung der Elementverteilung in der Schmelze. Die hier gewonnenen Daten sollen helfen, die aktuelle Prozessführung zu verbessern und die Tantal- und Niobausbeute noch weiter zu erhöhen.
Tantalum and niobium are essential for the development of electronics towards a more and more compact design, but without reducing their performance today. Especially in smart phones and tablets, tantalum and niobium capacitors with high charge densities have already become almost indispensable. However, tantalum as a critical raw material is still a problem for the sustainable production of electronics. Due to this fact, the existence of efficient recycling processes especially in Europe is becoming even more important nowadays.
The Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) is currently working on the optimisation of an existing pyrometallurgical tantalum recycling process. Optimisation of this industrial process is carried out in a small-scale electric arc furnace (480 kVA, capacity approx. 150 kg/h) at BAM using a new and innovative equipment for on-line analysis of high temperature processes.
The aim of this project is to identify the best timing for an optimum slag tapping, when the slag is lower than minimum targeted tantalum concentration. Hence, LIBS (Laser induced breakdown spectroscopy) is used to identify the chemical composition of the slag layer and during slag tapping. The on-line-LIBS prototype of BAM enables an in-situ measurement of the element distribution in the melt after calibration on the slag system.
First results of this joint research project will be presented including on-line-LIBS-measurements and thermodynamic and kinetic aspects of the process.
Graphene and its derivatives have recently attracted much attention for sensing and deactivating pathogens. However, the mechanism of multivalent interactions at the graphene–pathogen interface is not fully understood. Since different physicochemical parameters of graphene play a role at this interface, control over graphene’s structure is necessary to study the mechanism of these interactions. In this work, different graphene derivatives and also zwitterionic graphene nanomaterials (ZGNMs) were synthesized with defined exposure, in terms of polymer coverage and functionality, and isoelectric points. Then, the switchable interactions of these nanomaterials with E. coli and Bacillus cereus were investigated to study the validity of the generally proposed “trapping” and “nano-knives” mechanisms for inactivating bacteria by graphene derivatives. It was found that the antibacterial activity of graphene derivatives strongly depends on the accessible area, i.e. edges and basal plane of sheets and tightness of their agglomerations. Our data clearly confirm the authenticity of “trapping” and “nano-knives” mechanisms for the antibacterial activity of graphene sheets.
Waste-to-energy (WtE) is one of the leading technologies for municipal solid waste (MSW) treatment in Europe. According to Eurostat data, in 2015, 27 % of MSW was utilized in WtE plants, which represents more than 80 million tons per year. Therefore, the European annual production of incineration bottom ash (IBA) is about 20 million tons, as it is about 25 wt% of input MSW. In the European List of Waste, IBA is listed as mirror entry (i.e. waste materials which should be classified as either non-hazardous or hazardous, depending on its hazardous properties and/or content of hazardous substances) under codes 19 01 11 and 19 01 12.
Recent trends indicate that WtE allows, apart from utilization of the energy content of waste, also the recovery of various valuable components. Hence, WtE can be included in the key technologies that can put the circular economy concept into practice. Secondary raw materials in the case of WtE are solid residues, especially IBA, as it is a secondary source, particularly of ferrous metals (Fe) and non-ferrous metals (NF) and glass. Moreover, the residual mineral fraction can be used for various applications in the construction industry, i.e. as aggregates substitute for bound or unbound applications, in cement manufacturing or, as indicated by recent research, also in more sophisticated applications, e.g. for ceramics production. Recovery of these metals can also cause huge greenhouse gas savings. Alone in Europe, metal recovery from IBA reduces greenhouse gas emissions by approximately 3.2 million tonnes of CO2 equivalent.
We demonstrate a 2D platform based on high contrast wetting patterns suitable for miniaturized microbiological assays.
In principal, superhydrophilic spots are surrounded by a superhydrophobic surface area. The special structure of the superhydrophilic functional surface ensures that liquids, e.g. bacterial suspensions or biocide solutions, spread immediately and evenly on this surface without passing the wetting boundary. This feature allows a homogenous distribution of bacteria or chemical substances on well defined lateral dimensions. The superhydrophilic spots may also serve as substrate for bacterial biofilms. Due to the high wetting contrast and the fabrication process, it is possible to minimize the test areas as well as their distance to each other.
We demonstrate the fabrication process of the high wetting contrast platform and also present a microbiological assay as an application example. Advantages of this platform are the use of low volumes and its potential of automated analysis.
Microbial activity and functioning in soils are strongly limited by carbon (C) availability, of which a great proportion is released by living roots. Rhizodeposition and especially root exudates stimulate microbial activity and growth, and may shift the stoichiometric balance between C, N, and P. Thereby, exudates heighten microbial nutrient demand and acquisition of N and P from organic matter, leading to an increase in enzyme production. Aim of this study was to determine environmental controls of extracellular enzyme production, and hence on potential enzyme activities (Vmax) and substrate affinities (Km). To determine the controlling factors, we worked on four spatial scales from the microscale (i.e. rhizosphere) through the mesoscale (i.e. soil depth) and landscape scale (relief positions), and finally to the continental scale (1200 km transect within the Coastal Cordillera of Chile). Kinetics of seven hydrolyzing enzymes of the C, N, and P cycles (cellobiohydrolase, β‑glucosidase, β‑xylosidase, β‑N‑acetylglucosaminidase, leucine‑aminopeptidase, tyrosine‑aminopeptidase, and acid phosphatase) were related to soil texture, C and N contents, pH, and soil moisture via redundancy analysis (RDA). Potential activities of C, N, and P acquiring enzymes increased up to 7-times on the continental scale with rising humidity of sites and C and N contents, while substrate affinities simultaneously declined. On the landscape scale, neither Vmax nor Km of any enzyme differed between north and south slopes. From top- to subsoil (down to 120 cm depth) potential activities decreased (strongest of aminopeptidases under humid temperate conditions with up to 90%). Substrate affinities, however, increased with soil depth only for N and P acquiring enzymes. Affinities of cellobiohydrolase and β‑xylosidase, on the contrary, were 1.5- to 3-times higher in top- than in subsoil. Potential activities of N and P acquiring enzymes and β‑glucosidase increased form bulk to roots. Simultaneously, substrate affinities of N and P acquiring enzymes declined, whereas affinities of β‑glucosidase increased. These trends of activities and affinities in the rhizosphere were significant only for acid phosphatase. The RDA displayed a strong relation of potential activities of C and P acquiring enzymes and β‑N‑acetylglucosaminidase to C and N contents in soil as well as to the silt and clay contents. Aminopeptidase activity was mainly dependent on soil moisture and pH. We conclude that substrate availability for microorganisms mainly determined enzyme activity patterns on the continental scale by the humidity gradient. Patterns on the meso- and microscale are primarily controlled by nutrient limitation, which is induced by a shift of the stoichiometric balance due to input of easily available C by roots in the rhizosphere.