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Entwicklung Terrestrischer Modellökosysteme: Neue Möglichkeiten zum Einsatz als Standardtestverfahren in der Abschätzung des Risikos von Pflanzenschutzmitteln auf Bodenorganismen

Die gegenwärtigen europäischen Vorschriften zur Zulassung von Pflanzenschutzmitteln sehen auf der ersten Stufe Einzelartentests unter Laborbedingungen vor. Sie sollen worst-case Szenarien der Exposition abbilden und können keinen Aufschluß über die vielfältigen Wechselbeziehungen sowie über Änderungen im strukturellen Gefüge der Bodenorganismen verschiedener trophischer Ebenen geben. Höherstufige Testverfahren sind mit Ausnahme des funktionellen Streubeuteltests nicht standardisiert. Nur großangelegte und damit kostenintensive Feldstudien liefern strukturelle Endpunkte und können zur adäquaten Beschreibung der komplexen Wirkzusammenhänge in der heterogenen Bodenmatrix beitragen. In der aktuellen Diskussion um die Revision der bestehenden EU-Richtlinien zeichnet sich ab, daß künftig zunehmend strukturelle Endpunkte, auch auf dem Niveau des Halbfreilandes, einbezogen werden sollen, um eine realitätsnahe Bewertungsgrundlage zu bilden. Im Kontext der bestehenden internationalen Leitlinien ist am Institut für Umweltforschung ein TME-System entwickelt worden, das unter natürlichen Witterungsbedingungen und über einen Zeitraum von bis zu einem Jahr artenreiche Gemeinschaften von Bodenorganismen weitgehend in ihrer ursprünglichen Zusammensetzung beherbergen kann. Im Mittelpunkt stehen dabei vier der abundantesten Gruppen der Meso- und Mikrofauna: Collembolen, Oribatiden, Enchytraeen und Nematoden. Diese Systeme sollen ausreichend empfindlich reagieren, um Effekte auf der Ebene von Organismengemeinschaften oder Populationen statistisch nachzuweisen. Umfangreiche Vorstudien befassen sich mit der Variabilität im Boden und der Stabilität der Biozönosen in TMEs, um das Design von Effektstudien den speziellen Gegebenheiten von Wiesenökosystemen anzupassen. Die TMEs bestehen aus großen, intakten und ungestörten Bodenkernen mit einer Höhe von 40 Zentimetern und einem Durchmesser von bis zu 47 Zentimetern. Sie werden unter natürlichen Witterungsbedingungen betrieben, bieten aber die Möglichkeit bei langandauernden Extremverhältnissen (vor allem Dürre) steuernd einzugreifen. Um möglichst empfindliche und diverse Lebensgemeinschaften vorzufinden, wurden die Bodenkerne nicht einem Agrarökosystem entnommen, sondern einer regelmäßig gemähten Wiese, die über Jahrzehnte nicht mit Pflanzenschutzmitteln behandelt worden sind. In Vorstudien im Freiland konnte gezeigt werden, daß die geklumpte Verteilung der Organismen über die Entnahmefläche Anpassungen bei der Gewinnung der Bodenkerne erfordert, welche die Variabilität in nachfolgenden Versuchen senken können. Nach dem Stechen der Bodenkerne werden die TMEs in die Versuchsanlage der RWTH Aachen transportiert, welche eine ausreichende Drainage in Verbindung mit einer intakten Wasserspannung gewährleisten soll, um sowohl Staunässe als auch ein Austrocknen der Kerne zu verhindern. U.s.w.

Global assessment of vegetation photosynthesis and carbon assimilation through space measurements of chlorophyll fluorescence

The gross carbon uptake of terrestrial vegetation through photosynthesis is a crucial parameter in climate change research. A global, observation-based characterization of ecosystem gross primary production can only be performed with satellite measurements. However, the traditional description of vegetation from space is based on the so-called spectral vegetation indices, which are not able to provide a reliable indication of photosynthetic efficiency driving carbon assimilation by vegetation. This results in an inherent limitation of existing satellite products to provide an accurate description of ecosystem functioning. By contrast, ongoing developments in instrument design and modelling approaches have very recently made possible the retrieval of vegetation chlorophyll fluorescence from space measurements. A vast number of laboratory and field experiments have demonstrated that fluorescence is a direct proxy to vegetation light use efficiency which can therefore enable a much more accurate description of gross primary production. This project proposes the implementation of a research group with focus on the global monitoring and interpretation of chlorophyll fluorescence from existing and upcoming Earth Observation missions. This task will imply the development of a variety of atmospheric-surface radiative transfer modelling approaches, data processing, retrieval techniques and ecosystem modelling tools, with the ultimate objective of developing a new approach to the observation of carbon assimilation by vegetation from space.

Wechselwirkungen zwischen N2-Fixierung und Denitrifizierung in einem Erdsystem-Modell mit flexibler Stöchiometrie und deren Einfluss auf das marine Stickstoffinventar in einem sich wandelnden Klima

Der Schlüssel zu Verständnis und Projektion des künftigen Stickstoffinventars des Ozeans und der Veränderung der Biologischen Pumpe im globalen Klimawandel liegt in der Frage, wie und wie stark die Fixierung von atmosphärischem Stickstoff und die Denitrifizierung im Ozean gekoppelt sind. Während in bisherigen Modellstudien Stickstofffixierung und Denitrifizierung eng gekoppelt sind, zeigt ein neu entwickeltes optimalitätsbasiertes Ökosystemmodell mit flexibler Stöchiometrie (OPEM) im globalen UVic-ESCM eine deutlich schwächere Kopplung. In diesem Projekt sollen die Faktoren und Mechanismen, die die Kopplung steuern, identifiziert und ihre Veränderung in ver- schiedenen Klimaszenarien untersucht werden. Hierzu wird OPEM in einem vorindustriellen Szenario, einem Szenario der Maximalphase der letzen Eiszeit und einem heutigen Szenario angewendet und die Sensitivität der Modellergebnisse in Bezug auf das ozeanische Stickstoffinventar und die biolo- gische Kohlenstoffpumpe bewertet. Das Ziel des Projekts ist es, die Steuerungsprozesse des marinen Stickstoffinventars genauer abzubilden, um bessere Projektionen der biogeochemischen Kreisläufe im Ozean und ihrer Auswirkungen auf den CO2-Gehalt der Atmosphäre zu ermöglichen.

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

Funktion und Struktur subsystemspezifischer mikrobieller Gemeinschaften im Benthos der südlichen und zentralen Nordsee und deren Rolle in Stoff- und Energieaustauschprozessen

Aktuelle Modelle zur Beschreibung benthischer Prozesse in der Nordsee behandeln nur unvollständige Ausschnitte aus dem Gesamtsystem. Dies ist auf eine nur lückenhafte Kenntnis über die im Benthos ablaufenden Prozesse zurückzuführen. Im beantragten Forschungsvorhaben soll die strukturelle und funktionelle Charakterisierung benthischer mikrobieller Gemeinschaften in verschiedenen durch die Markofauna definierten Subsysteme der südlichen und zentralen Nordsee (Deutsche Bucht, Niederländische Küste, Oyster Ground, Doggerbank, östliche Nordsee, Skagerrak und Kattegat) untersucht werden. Zum Verständnis benthischer Prozesse soll zusätzlich der qualitative und quantitative Eintrag von organischem Material sowie dessen Umsetzung im System betrachtet werden. Durch parallele Untersuchungen der Makrofaunastruktur (Dr. I. Kröncke, Forschungsinstitut Senckenberg) werden Aufschlüsse über die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Größenklassen und deren Rolle am Transfer von organischem Material in den einzelnen Subsystemen erwartet. Aus dem Zusammenhang von Struktur und Funktion komplexer Gemeinschaften, die in diesem Umfang bislang noch nicht in der Nordsee untersucht wurden, werden Hinweise auf die Bedeutung verschiedenen benthischer Systeme für den Stoff- und Energieaustausch erwartet. Daher können die aus dem beantragten Forschungsvorhaben erwarteten Ergebnisse maßgeblich zum Verständnis benthischer Prozesse beitragen und der Modellierung zugeführt werden. Hauptauftragnehmer im Ausland: University Northeastern Boston; Boston.

SeeWandel Klima: Modellierung der Folgen von Klimawandel und Neobiota für den Bodensee

«SeeWandel-Klima: Modellierung der Folgen von Klimawandel und Neobiota für den Bodensee» hat zum Ziel, aktualisierte Vorhersagen der Folgen des Klimawandels – unter Einbezug der Auswirkungen von invasiven Arten – auf das Ökosystem Bodensee und dessen nachhaltige Nutzung zu liefern. Hierfür werden praxisbezogene Modelle für Behörden, Organisationen (IGKB, IBKF) und die Öffentlichkeit entwickelt. Die Ergebnisse werden verschiedenen Zielgruppen entsprechend aufbereitet zugänglich gemacht.

Algen als Indikatoren fuer Umweltbelastungen

In Suesswasserseen treten jedes Jahr Sukzessionen von Plankton-Algen auf, die ein charakteristisches Zeitmuster zeigen. Waehrend das Zeitmuster im Grundtyp durch den Gewaessertyp, die klimatischen Faktoren und durch trophische Wechselwirkungen mit dem Zooplankton determiniert wird, verursachen anthropogene Umweltfaktoren (Duengemittel, Biozide etc.) charakteristische Modulationen oder Entgleisungen dieser Muster, z.B. im besonderen 'Algenblueten'. Anhand von Daten aus dem Halterer Stausee - ein Trinkwasserreservoir der Gelsenwasser AG - werden Zeitreihenanalysen des Planktons einschliesslich multivarianter Kreuzkorrelationen mit chemischen Parametern durchgefuehrt. Ziel dieser Untersuchung ist das Identifizieren von belastungsspezifischen Typen des Sukzessionsmusters der Algen. Ein Sonderthema dieses Forschungsprojektes ist das Erproben von Algenmischpopulationen in kontrollierten Durchfluss-Fermenten. Am Beispiel der Schwermetalle Cadmium und Quecksilber wird ein Monitor-System aus der Wildform und eine heterotrophe Mutante von Euglena gracilis entwickelt.

Langfristige radiooekologische Umgebungsbelastung durch eine Anhaeufung von nuklearen Anlagen

Ziel des Vorhabens ist die modelltheoretische Beschreibung langfristiger oekologischer Auswirkungen - ueber Zeitraeume von 20-30 Jahren - von radioaktiven Freisetzungen aus kerntechnischen Anlagen bei Normalbetrieb und Stoerfaellen unter Beruecksichtigung der Konzentrierung dieser Anlagen in bestimmten Gebieten.

Die Bedeutung von Omnivorie und Mixotrophie für die Nahrungskettenlänge und die Nahrungsnetzstruktur im limnischen Pelagial

Die Begrenzung der Länge von Nahrungsketten ist eine der klassischen, aber immer noch unbeantworteten Fragen der Ökologie von Lebensgemeinschaften. In diesem Projekt und in einem parallelen Projekt limnologischer Ausrichtung (Antragsteller: Dr. H. Stibor, LMU München) soll versucht werden, zwei zentrale Hypothesen zu überprüfen: Die Omnivorie-Hypothese und die Hypothese der energetischen Begrenzung. Omnivore sind Organismen, die ihre Nahrung mindestens zwei tropischen Ebenen entnehmen. Dadurch werden sie gleichzeitig zu Nahrungskonkurrenten ihrer Beuteorganismen auf der unmittelbar unter den Omnivoren angesiedelten tropischen Ebene. Diese können dem doppelten Druck (Konkurrenz, Fraß) nicht widerstehen und werden aus dem System verdrängt, wodurch es zu einer Verkürzung der Nahrungskette kommt. Hypothese der energetischen Begrenzung. Wegen der Energieverluste, die bei jedem Transferschritt in der Nahrungskette auftreten, begrenzt die Höhe der Primärproduktion die Länge von Nahrungsketten, da bei zu langen Ketten die Energiezufuhr zu niedrig wäre, um die tropische Ebene der terminalen Räuber zu unterhalten. Überprüfung der Omnivorie-Hypothese. In künstlich zusammengestellte Modell-Nahrungsnetze im Labor (Mikrokosmen) werden an der Basis (mixotrophe Algen) und in der Mitte (omnivore Zooplankter) Omnivore eingefügt und die Struktur der Nahrungsnetze mit Kontroll-Nahrungsnetzen ohne Omnivore verglichen. Überprüfung der Hypothese der energetischen Begrenzung. Die Entwicklung der omnivorenhaltigen und omnivorenfreien Modell-Nahrungsnetze wird bei unterschiedlicher Trophie und damit Primärproduktion verfolgt.

Klima-, Meeresspiegel- und Ökosystementwicklung in triassischen und jurassischen Sauerstoffmangelsystemen

Im Rahmen des SFB 275 (Universität Tübingen) wurden innerhalb der ersten Antragsphase (1995-1997) die Schwarzschiefer des Unteren Toarciums SW-Deutschlands bearbeitet. In der zweiten Antragsphase (1998-2000) wurde/wird die Schwarzschiefer-Genese in verschiedenen Ablagerungsmilieus unterschiedlicher Zeitscheiben untersucht. Eine Förderung von weiteren zwei Jahren wird beantragt, um die Datenbasis stratigraphisch zu erweitern und ein Synthese-Modell für die Schwarzschieferbildung in Trias und Jura zu erarbeiten.

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