Die Sedimentologie von Grundwasserleitern bestimmt die mikrobielle Reduktion von Nitrat und anderen Elektronenakzeptoren

Description: Die physikalischen und chemische Eigenschaften sedimentärer Grundwasserleiter wird von der Geologie der Ausgangsgesteine und den lokalen Ablagerungsbedingungen zum Zeitpunkt ihrer Bildung bestimmt. Dies führt zu einer charakteristischen Anordnung von Strukturelementen, die sich in ihrer Korngrößenverteilung (und damit hydraulischen Durchlässigkeit) und ihrem Gehalt Redox-aktiver Minerale und organischen Materials unterscheiden. Die hierarchisch organisierte Verteilung von Eigenschaften beeinflusst die Grundwasserströmung und den reaktiven Stofftransport in sedimentären Grundwasserleitern. Die Anwesenheit reaktiver organischer oder mineralischer Phasen bestimmt die potentielle Reaktivität von Nitrat und anderen gelösten Elektronenakzeptoren, aber damit die Reaktionen stattfinden, müssen die reaktive Sedimenten eine ausreichend hohe Durchlässigkeit aufweisen müssen, damit die gelösten Reaktanten die reaktiven Mineralphasen erreichen. Die mangelnde Reaktivität der Sedimentmatrix ist einer der wichtigsten Gründe für die anhaltende Nitratbelastung von Grundwasser, obwohl die Denitrifikation eine energetisch ertragreiche Reaktion für Mikroorganismen, die in den Sedimenten grundsätzlich vorkommen, darstellt. Das beantragte Projekt zielt darauf ab, die Reaktivität von Grundwasserleitern und damit ihre Fähigkeit, Nitrat zu reduzieren, quantitativ mit ihren hydraulischen und biogeochemischen Eigenschaften in Bezug zu setzen. Durch gekoppelte hydrogeologische, sedimentologische und mikrobiologische Felduntersuchungen, Säulenexperimente mit ungestörten Kernen und reaktive Stofftransportmodellierung im Labor- und Grundwasserleitermaßstab werden wir einen einzigartigen Datensatz erstellen, der es uns ermöglicht, die standort- und faziesspezifische Reaktivität abzuschätzen, die in großskalige Vorhersagemodelle für die Denitrifikation einfließen. Direct-Push Felduntersuchungen an fünf Standorten in Deutschland und Österreich mit unterschiedlicher Durchlässigkeit, Nitratbelastung und Gehalt Redox-aktiver Komponenten dienen der vor-Ort-Untersuchung und Probenahme. In biogeochemischen Säulenexperimenten wird die Denitrifizierung und die zugehörige mikrobielle Aktivität untersucht. Die detaillierte sedimentologische Charakterisierung der Kerne dient der Bestimmung des reaktiven Potentials unterschiedlicher Fazies und der Entwicklung standortspezifischer sedimentologischer Modelle. Reaktive Transportmodelle dienen der Bestimmung von Ratenkoeffizienten und der Abschätzung der Gesamtreaktivität der Sedimente. Diese fließen in großskalige, virtuelle, reaktive Transportmodelle auf Grundlage der kumulierten relativen Reaktivität ein. Das Projekt wird unser Verständnis verbessen, wie der sedimentologische Aufbau die Redox-Reaktionen und die mikrobielle Aktivität in Grundwasserleitern bestimmt, und wie sedimentologische Informationen für die Formulierung großskaliger reaktiver Transportmodelle verwendet werden können.

SupportProgram

Origins: /Bund/UBA/UFORDAT

Tags: Denitrifikation ? Nitrat ? Nitratbelastung des Grundwassers ? Bundesrepublik Deutschland ? Österreich ? Hydrogeologie ? Organisches Material ? Geologie ? Grundwasserleiter ? Grundwasserströmung ? Grundwasservorkommen ? Hydrochemie ? Korngröße ? Limnologie ? Prognosemodell ? Siedlungswasserwirtschaft ? Mikroorganismen ? Sediment ? Biologische Aktivität ? REACH ? Hydrologie ? Mineral ? Integrated Water Resources Management ? Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung ? Urban Water Management ? Water Chemistry ?

Region: Baden-Württemberg Hessen Lower Saxony

Bounding boxes: 9° .. 9° x 48.5° .. 48.5° 9° .. 9° x 50.55° .. 50.55° 9.16667° .. 9.16667° x 52.83333° .. 52.83333°

License: cc-by-nc-nd/4.0

Language: Deutsch

Organisations

• Eberhard Karls Universität Tübingen (Mitwirkung)
• Eberhard Karls Universität Tübingen (Projektverantwortung)
• Fonds zur Förderung der Wissenschaftlichen Forschung (Mitwirkung)
• Georg-August-Universität Göttingen (Projektverantwortung)
• Umweltbundesamt (Bereitstellung)
• Universität Kassel (Projektverantwortung)
• Universität Wien, Department für Funktionelle und Evolutionäre Ökologie (Mitwirkung)

Time ranges: 2022-01-01 - 2025-11-18

Alternatives

• Language: Englisch/English
  Title: Linking Redox-Cycling to Hydrogeology: Sedimentological Controls on the Capacity of Aquifers to Reduce Nitrate and other Dissolved Electron Acceptors
  Description: The physical and chemical make-up of sedimentary aquifers is determined by the geology of the host rock and the local depositional environment at the time of their formation. The latter yields a characteristic constellation of structural elements differing both in grain-size distribution (and thus hydraulic conductivity) and content of redox-active minerals and organic matter. This spatially variable and hierarchically organized distribution controls groundwater flow and solute reactive transport in sedimentary aquifers. The presence of reactive organic or mineral phases determines the potential reactivity for nitrate and other dissolved electron acceptors, but for the reactions to occur the electron bearing sediments must be conduits for flow, that is, that they must have a sufficiently high hydraulic conductivity to allow water borne solutes to reach the reactive solid phases. The dependence on matrix-reactivity is a key reason for sustained nitrate contamination in aquifers, despite denitrification being a high-energy-yielding reaction, and the subsurface harboring the necessary microbial capacity to catalyze it. The proposed project aims at quantitatively linking aquifer hydraulic and biogeochemical properties with the “reactivity” of aquifer sediments, and their ability to reduce nitrate via denitrification. Via a coupled hydrogeological, sedimentological and microbiological field-site investigations, flow-through column experiments with field-collected cores and data-informed reactive transport modelling at the laboratory and aquifer scales, we aim to yield a unique dataset that will enable reliable estimates of site- and facies-specific reactivity estimates to feed larger scale (denitrification) predictive models. The project will rely on Direct-Push field investigations at five sites across a spectrum of hydraulic conductivity, nitrate contamination, and organic matter / redox-active mineral content in Germany and Austria for core-logging and sediment sample extraction. Field surveys will inform biogeochemical flow through experiments that will monitor denitrification and denitrifying microbial activity in sediments. A detailed sedimentological characterization of field collected cores will help elucidate the reactive potential of sedimentological facies and build site-specific conceptual sedimentological models. Reactive transport models will help quantifying reaction-rate coefficients that will ultimately yield estimates of overall sediment reactivity. The latter will feed into aquifer scale virtual floodplain aquifer models based on the concept of “cumulative relative reactivity” to solve for reactive transport. We expect this project to advance our understanding of fundamental sedimentological controls on matrix-mediated redox reactions and microbial activity in aquifers, and yield aquifer-scale models that can predict denitrification as a function of an aquifer’s sedimentological setting. https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1138790

Resources

• Webseite zum Förderprojekt

  https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/497727419 (Webseite)

Status

Aktiv

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