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Alternative Zukunftsszenarien für das Auftriebssystem des nördlichen Humboldtstroms unter gemeinsam genutzten sozioökonomischen Pfaden (SSP), Teilprojekt 4: Partizipative sozial-ökologische Modellierung und ökosystembasiertes Fischereimanagement

Modelling vegetation dynamics and biomass in semiarid ecosystems (Eastern Africa) using remote sensing multisensor approaches

This pre-study pilot project will be carried out in Kenya and Tanzania and is part of a more extensive remote sensing project (initiated by the European Space Agency, ESA) aiming to develop a monitoring system for the assessment of land cover change of farmlands, rangelands and forest standings (logging, fires, uncontrolled deforestation, new settlements, etc.) at a national regional level. An integrated approach of remote sensing techniques (both through the use of satellite and ground data), physical vegetation models and ground measurements will be adopted. Operatively, the execution will consist of a 6-month period (pre-study) consisting in a ground campaign along a north-south transect, which is almost unknown to the current vegetation cartography. Based on the field results of the pre-study and within an on-going 30 month period (extended study, see Annexed 3), new classification methods and algorithms will be developed for assessment of land use and cover change using ENVISAT-data. An outcoming of this research will be a system capable to monitor and plan the available agricultural food resources for those developing regions.

Nachhaltige Entwicklung der Bundeswasserstraßen, Integriertes Flussauenmodell INFORM

Flussauen mit ihrem typischen Muster von unterschiedlichen Lebensräumen sind in Mitteleuropa stark gefährdet. Die Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) hat daher das Integrierte Flussauenmodell INFORM (Integrated Floodplain Response Model) für den Einsatz an Bundeswasserstraßen erstellt, mit dem ökologische Modellierungen durchgeführt werden können. Das modular aufgebaute Modellsystem INFORM verknüpft hydrologische, hydraulische, morphologische und bodenkundliche Modelltechniken mit ökologischen Modellen. Dabei werden vor allem sogenannte Lebensraumeignungsmodelle (Habitatmodelle) angewendet. Solche Modelle beschreiben die potentielle Eignung eines Standortes als Lebensraum für bestimmte Arten und / oder Artengruppen anhand der Ausprägung mehrerer abiotischer Standortparameter. Die Bearbeitung folgt prinzipiell dem Wirkungspfad Abfluss - Flusswasser - Grundwasser - Boden - Biotik unter Berücksichtigung morphologischer Einflüsse, des direkten Einflusses der Überflutung und der (landwirtschaftlichen) Nutzung. Die Bewertung der prognostizierten Veränderungen erfolgt an Hand von Gesetzen und Verordnungen und beinhaltet auch die Auswirkungen des menschlichen Handelns.

Räumliche Lösungen für eine Nachhaltigkeitstransformation der Fischerei in der Westlichen Ostsee, Vorhaben: Ökologische Lösungen-Identifizierung von räumlichen Möglichkeiten und Schutzbedürfnissen

Schwerpunktprogramm (SPP) 1374: Biodiversitäts-Exploratorien; Exploratories for Long-Term and Large-Scale Biodiversity Research (Biodiversity Exploratories), Teilprojekt: Verknüpfung von Landnutzungsintensität, Biodiversität, bodenmikrobiellen Prozessen und organo-mineralischen Interaktionen für ein mechanistisches Verständnis des Stickstoffumsatzes in Grünlandökosystemen

Zunehmende Landnutzungsintensität (LUI) verursacht umweltrelevante Stickstoff (N)-Verluste und den Rückgang von Artenvielfalt und Multifunktionalität in Grünlandökosystemen. Gezielte Minderungsstrategien werden jedoch durch ein mangelhaftes mechanistisches Verständnis der Wechselwirkungen zwischen LUI, ober- und unterirdischer Biodiversität und dem N-Kreislauf verhindert. BE_BioMON will über die interdisziplinäre Integration von molekularbiologischer Bodenökologie, biogeochemischer Prozessforschung zur kurzfristigen N-Allokation im System Pflanze-Boden-Mikroorganismen und physikochemischer Prozessforschung zur langfristigen Retention von organischem Stickstoff (SON) diese Wissenslücke schließen. Dabei werden Messungen und Modellierungen verknüpft. Wir erwarten, dass sich mit abnehmendem LUI und einem artenreicheren Mikrobiom die N-Verteilung von Nitrifikation/Denitrifikation zu biotischer Assimilation verschiebt. Dies fördert die N-Retention durch Nekromassestabilisierung in partikulärem und mineralassoziiertem SON in Abhängigkeit von Aggregatumsatz und mikroskaliger Bodenarchitektur. Wir nehmen zudem an, dass eine Erhöhung der LUI zu einer Verschiebung von symbiotischer zu assoziativer N-Fixierung führt, was das N2:N2O-Emissionsverhältnis aufgrund verkürzter Denitrifikation bei symbiotischen N-Fixierern erhöhen wird. Darüber hinaus erwarten wir, dass d15N im Boden einen Fingerabdruck der Auswirkungen der LUI auf den N-Kreislauf liefert und somit als prozessintegrierende Bezugsgröße für Ökosystemmodelle dienen kann. Wir erwarten uns hiervon eine verbesserte räumlich-zeitliche Skalierung von LUI-Effekten auf den N-Kreislauf. Um die Hypothesen zu testen, werden wir 15N-Dünger-Tracing-Experimente auf ausgewählten Parzellen unterschiedlicher LUI in allen 3 Biodiversitätsexploratorien (BE) durchführen (WP1). In WP2 werden Mesokosmen-Experimente unter 15N2-Exposition durchgeführt, um die Auswirkungen von LUI auf Umsetzung von BNF-N zu untersuchen. WP3 zielt darauf, den N-Kreislauf im Rahmen der BE-Bodenbeprobungskampagne auf allen Grünland-EPs durch vertikale d15N-Bodenprofile, Metagenomik und SON-Fraktionierung zu bestimmen. Die gewonnenen Erkenntnisse aus WP1-3 und aus bereits verfügbaren BExIS-Daten werden zum Testen und Weiterentwickeln der N-Routinen des prozessbasierten Ökosystemmodells LandscapeDNDC verwendet. Dieses Modell, erweitert um ein dynamisches Vegetationsmodell CoSMo, wird dann verwendet, um den N-Kreislauf für die sämtliche BE-Grünlandparzellen zu simulieren (WP4). In WP5 (Synthese) werden wir LUI und Biodiversität, gemessene und modellierte biogeochemischen N-Umsetzungen, N-Retention durch organo-mineralische Interaktionen und vollständige N-Bilanzen auf Skalen von Tagen bis Jahren mechanistisch verknüpfen. Wir erwarten somit, dass diese Synthese ein mechanistisches und funktionales Verständnis des N-Kreislaufs unter dem Einfluss von LUI, ober- und unterirdischer Biodiversität sowie standortspezifischen Eigenschaften ermöglicht.

Forschergruppe (FOR) 2337: Denitrifikation in landwirtschaftlichen Böden: Prozesssteuerung und Modellierung auf verschiedenen Skalen (DASIM), Teilprojekt: Regulation, Ökophysiologie und kinetische Parameter unkultivierter, N-Gas-Flux assoziierter, anaerober mikrobieller Gemeinschaften in landwirtschaftlich genutzten Böden

Denitrifizierer (reduzieren N-Oxide zu N2O und/ oder N2), nicht-denitrifizierende N2O-Reduzierer (reduzieren N2O zu N2) und dissimilatorische Nitratreduzierer (DNRA; reduzieren N-Oxides zu NH4+) sind fakultative oder obligate Anaerobier, welche die Emission des Treibhausgases N2O genauso wie die Stickstoffretention beeinflussen. Nicht-denitrifizierende N2O-Reduzierer und dissimilatorische Nitratreduzierer stehen mit Denitrifizierern im Wettbewerb um Elektronendonatoren. Definierte mikrobielle Taxa haben definierte ökophysiologische Eigenschaften, welche ihre Wettbewerbsfähigkeit und Fähigkeit zur N-Gasproduktion bestimmen und werden daher unterschiedlich auf Umweltfaktoren reagieren. Solche Eigenschaften sind jedoch im Wesentlichen für unkultivierte Taxa unbekannt, obwohl diese für die N-Gas Emissionen und Stickstoffretention in Böden bedeutend sind. Daher werden folgende Hypothesen untersucht: (i) Die Denitrifikationsantwort auf Umweltfaktoren wird durch gegensätzliche mikrobielle Gemeinschaften, einschließlich bislang unbekannter Arten, bestimmt und kann durch deren intrinsische ökophysiologische Eigenschaften erklärt werden. (ii) Denitrifikations-, N2O-Reduktions- und DNRA-assoziierte Genexpression und Gemeinschaftsstruktur spiegeln metabolische Zustände und Potenziale wider, weshalb diese zu einer besseren Vorhersagbarkeit von N2O und N2 Flüssen führen. Hochdurchsatzinkubationen unter verschiedensten Bedingungen (einschließlich von 15N-Tracersubstanzen) kombiniert mit funktioneller Genexpression, sowie Gen- und Transkript-basierter Next-Generation-Sequencing-Methodik werden eingesetzt um apparente Michaelis-Menten-Kinetiken und physiologische Parameter stimulierter Taxa zu bestimmen. Funktionelle Gene von Denitrifizierern (nirK/S kodierend für dissimilatorische NO-bildende Nitritreduktasen; nosZI kodierend für N2-bildende dissimilatorische N2O-Reduktasen), nicht denitrifizierenden N2O-Reduzierern (nosZII kodierend für N2-bildende dissimilatorische N2O-Reduktasen der Nichtdenitrifizierer) und DNRA (nrfA kodierend für NH4+-bildende dissimilatorische Nitritreduktasen) werden bevorzugt analysiert. Reaktionsmuster der Zielgemeinschaften und/ oder funktionellen Genexpression auf definierte Umweltparameter werden in Mikrokosmen bestimmt. Der Effekt von Kontrollfaktoren der N-Gasdynamik und Pflanzen auf die Zielgemeinschaften wird in Mesokosmen analysiert. Die Daten werden in der Entwicklung eines erweiterten Denitrifier-regulatory-phenotype-Konzeptes zusammengeführt und werden Einblicke in die Ökophysiologie und Wettbewerbsfähigkeit von Denitrifikanten, nicht-denitrifizierenden N2O-Reduzierern und DNRA unter vielfältigen Bedingungen geben. Antwortfunktionen der Aktivitäten dieser Gruppen auf organischen Kohlenstoff (d.h. Elektronendonatoren), Nitrat und Distickstoffmonoxid, deren Wachstumsraten, Erhaltungsraten und Gemeinschaftsstruktur werden für die Modellierung von Denitrifikation und N-Gasflüssen zur Verfügung gestellt.

Saisonale Sensitivität von Ökosystemfunktionen in einer sich erwärmenden Arktis (Svalbard, Vorhaben: Nahrungsnetzmodellierung und Governance

Permafrostforschung auf dem Weg zur integrierten Beobachtung und Modellierung des Methanhaushalts von Ökosystemen; Leitantrag, Vorhaben: Die Rolle von Mikrobiologie und Wasserkörpern für den Methanhaushalt von Permafrostgebieten

Umweltbedingte subletale Veraenderungen der Membran lebender Zellen und dadurch bedingtes Eindringen biologisch aktiver Makromolekuele in diese Zellen

Lebende Zellen des Menschen, der Tiere und z.B. der Mikroorganismen des Bodens haben eine Zellmembran, die sie von der Aussenwelt (ihrer Umwelt) abgrenzt. Abgrenzung und Schutz des Zellinneren - neben Versorgung und Entsorgung - ist die Aufgabe der Zellmembran. Auf diese Membran koennen von aussen kommende Stoffe einwirken und ihr Abschirmverhalten schwaechen ('Wegbereiter'). Schadstoffe und systemveraendernde Stoffe (genetic engeneering) koennen nun eindringen. - Im gegenwaertigen Vorhaben werden in-vitro-Medien und darin befindliche lebende Zellen als definiertes variierbares kuenstliches Modell eines Oekosystems verwendet, in dem das Verhalten definierter 'Wegbereiter' und 'Eindringlinge' erforscht wird.

Die Auswirkung der mittelalterlichen Klimaanomalie auf die Hypoxie in der Ostsee: Ein gekoppelter benthisch-pelagischer Modellierungsansatz

Der Klimawandel während der mittelalterlichen Klimaanomalie (MCA) und der kleinen Eiszeit (LIA) führte zur Ausdehnung bzw. Verringerung der hypoxischen Bodenbedeckung in der Ostsee. Hier schlagen wir eine Modellierungsstudie vor, um Mechanismen, durch die der Klimawandel zu den beobachteten Trends geführt hat, systematisch zu analysieren und Modellergebnisse anhand von geochemischen Sedimentkerndaten zu validieren. Das Zusammenspiel zwischen physikalischen und biogeochemischen Prozessen führt zu einer komplexen Dynamik, die den Sauerstoffgehalt in der Ostsee steuert. Die Sedimente spielen eine wichtige Rolle, indem sie sowohl als Quelle als auch als Senke für Phosphat fungieren, das den wichtigsten biolimitierenden Nährstoff bildet. Es ist jedoch kaum bekannt, wie der Klimawandel während der MCA zur Ausbreitung von Hypoxie führte. Es wurden bereits verschiedene Auslöser vorgeschlagen, um die Ausbreitung der Hypoxie während der MCA zu erklären, wie z.B. eine erhöhte Produktion von Cyanobakterien unter wärmeren Bedingungen, eine erhöhte / verringerte Stratifikation aufgrund sich ändernder Niederschlagsmuster und eine sedimentäre Freisetzung von Phosphaten. Im ersten Teil des Projekts (Arbeitspaket AP1) werden wir ein modernes Ökosystemmodell verwenden, um Szenarien zu identifizieren, die den Zusammenhang zwischen Klimawandel und Hypoxie im Mittelalter erklären können. Das Modell wird durch die Implementierung eines frühen diagenetischen Moduls verbessert, das chemische Profile im Sediment vertikal auflösen kann (AP2). Für biogeochemische Reaktionen werden temperaturabhängige Ratenausdrücke implementiert. Das Sedimentmodul wird zunächst auf den aktuellen Zustand der Sedimente kalibriert (AP3). Szenarien aus AP1, die die Sauerstofftrends erfolgreich erklären können, werden anschließend in Modellläufen vom Mittelalter bis zur Gegenwart getestet (AP4). Die Simulation des Mittelalters kann durch verschiedene Sedimentproxies validiert werden, die Trends in den Redoxbedingungen des Tiefenwassers, in der Zufuhr von Metallen aus Schelfe in tiefere Becken, welche die Sequestrierung von Phosphat beeinflusst, und in der Menge an in Sedimenten erhaltenem Phosphor und organischer Substanz rekonstruieren können. Die erwarteten Ergebnisse des Projekts sind die Zuordnung der Ausbreitung von Hypoxie während der MCA zu einem Mechanismus und ein verbessertes Verständnis der Rolle der benthischen Dynamik, die die Eutrophierung als Reaktion auf den Klimawandel beeinflusst.

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