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Saisonale Sensitivität von Ökosystemfunktionen in einer sich erwärmenden Arktis (Svalbard, Vorhaben: Ökophysiologische Plastizität und Ausbreitungspotenzial arktischer Makroalgengemeinschaften

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.

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.

Interaktionen des ökologischen und ökonomischen Systems

Ein ökologisches System besteht aus Tier- und Pflanzenarten, deren Biomasse als gespeicherte Energie aufgefasst werden kann mit einem Nettoenergiezufluss durch die Sonne. Die Biomasse einer einzelnen Spezies bestimmt sich ferner aus dem Fressen und Gefressenwerden. Es wird angenommen, dass sich die Arten so verhalten, als maximierten sie ihre gespeicherte Energie unter der Nebenbedingung einer vorgegebenen physiologischen Funktion. Führt man endogene artenspezifische Energiepreise ein, lässt sich ein ökologisches Preisgleichgewicht definieren, dass formale Ähnlichkeiten zum Marktmodell der vollständigen Konkurrenz hat. Ziel des Projekts ist es, ein interdependentes Ökosystem auf die beschriebene Art zu modellieren und es mit einem den Ökonomen besser vertrauten interdependenten ökonomischen System zu verknüpfen. Mitwirkende Institution: University of Wyoming, Laramie, USA.

Modellierung von Treibhausgasemissionen aus der Land-, Forst- und Viehwirtschaft in Deutschland, Teilprojekt 1: Modellierung von THG-Emissionen terrestrischer Ökosysteme

Abrupte Veränderungen von Süßwasserökosystemen unter Einwirkung von multiplen Stressoren wie steigenden Temperaturen, Nährstoffen und Pestiziden

Flache Süßwasser-Lebensräume bieten wichtige Ökosystem-Funktionen, sind aber von multiplen Stressoren bedroht. Während die Reaktion auf den globalen Klimawandel wahrscheinlich eher graduell ist, sind abrupte Veränderungen möglich, wenn kritische Schwellenwerte durch zusätzliche Effekte lokaler Stressoren überschritten werden. Die Analyse dieser Effekte ist komplex, da Stressoren additiv, synergistisch oder antagonistisch wirken können. CLIMSHIFT zielt auf ein mechanistisches Verständnis von Stressor-Interaktionen, die auf flache aquatische Ökosysteme wirken. Diese sind aufgrund ihrer hohen Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisse, der großen Ufer-Grenzfläche und der Grundwasser-Konnektivität besonders anfällig für Klimaerwärmung und Stoffeinträge aus landwirtschaftlichen Einzugsgebieten. Die komplexen Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Primärproduzenten sowie assoziierten Konsumenten führen zum Auftreten stabiler Regime, und multiple Stressoren können nichtlineare Übergänge zwischen diesen Regimen auslösen, mit weitreichenden Folgen für entscheidende Ökosystemprozesse und -funktionen. Unsere Haupthypothese ist, dass erhöhte Temperaturen die negativen Auswirkungen der landwirtschaftlichen Stoffeinträge, die Nitrat, organische Pestizide und Kupfer enthalten, verstärken. Submerse Makrophyten, Periphyton und Phytoplankton als Primärproduzenten werden kombiniert mit Schnecken, die Periphyton und Pflanzen fressen, sowie benthischen und pelagischen Phytoplankton-Filtriern, Dreissena und Daphnien. Wir testen unterschiedliche Expositionsszenarien auf zwei räumlichen Skalen, Mikrokosmen im Labor und Mesokosmen im Freiland, um Effekte auf individueller, gemeinschaftlicher und ökosystemarer Ebene zu verstehen. Während des gesamten Projekts werden die Experimente durch Modellierungen ergänzt, um kritische Schwellwerte zu simulieren und Stress-Interaktionen vorherzusagen. Die Modellentwicklung wird in Zusammenarbeit mit allen Arbeitspaketen durchgeführt, um empirische Ergebnisse zu integrieren, unterschiedliche räumliche und zeitliche Skalen zu verknüpfen und Ergebnisse zu extrapolieren. Wir erwarten, dass kombinierte Stressoren zu plötzlichen Verschiebungen der Gemeinschaftsstruktur führen. Submerse Makrophyten werden voraussichtlich durch Phytoplankton oder benthische Algen ersetzt, mit Konsequenzen für wichtige Ökosystemfunktionen. Die Stärke unseres Antrages liegt darin, dass ökotoxikologische Stressindikatoren der Organismen wie Wachstum und Biomarker mit funktionalen Gemeinschafts-/Ökosystemansätzen kombiniert werden, die den Metabolismus und die Dynamik des Ökosystems betrachten. Das kombinierte Know-how von 5 Laboren mit komplementärem Fachwissen und allen notwendigen Einrichtungen wird die spezifische Projektfähigkeit sicherstellen. Unsere Ergebnisse sollen dazu beitragen, safe operating spaces/sichere Handlungsräume für eine nachhaltige Landwirtschaft und das Management von flachen aquatischen Ökosystemen in einer sich verändernden Welt zu definieren.

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.

Zyklische Redoxreaktionen organischer Kohlenstoffverbindungen in Binnengewässern

Das vorliegende Forschungsprojekt zielt auf die Verknüpfung zweier, bisher als unabhängig angesehener, aquatischer Transport- und Transformationsprozesse:(a) In tiefen Gewässern können sich Wasserkörper unterschiedlicher Dichte stabil übereinander schichten. Die dort ablaufenden Umsatzprozesse werden so räumlich entkoppelt und es kommt zur Bildung einer aquatischen Grenzzone. Bei deren Durchtritt können sich physikochemische Parameter, wie etwa die Sauerstoffverfügbarkeit, abrupt ändern.(b) Die Verfügbarkeit des Elektronen-Akzeptors Sauerstoff entscheidet über die Reaktionspfade, auf denen aquatische Mikroorganismen Energie gewinnen. Unter Ausschluss von Sauerstoff können sie gelöstes organisches Material als alternativen Elektronen-Akzeptor nutzen. Die Elektronen werden von redox-aktiven Verbindungen innerhalb des organischen Materials (Quinone) aufgenommen die daraufhin antioxidativ, also empfindlich auf Änderungen der Sauerstoffverfügbarkeit reagieren. Die hohe räumliche- und zeitliche Dynamik aquatischer Grenzzonen in Binnengewässern haben zur Folge, dass antioxidatives organisches Material vom sauerstoffarmen in sauerstoffreiche Wasserkörper transportiert werden kann. Die dort rasch ablaufende Re Oxidation macht gelöstes organisches Material daher zu einem vollständig regenerierbaren Elektronenakzeptorsystem. Mikrobielle Konsortien, die ihre Energiegewinnung an diesen zyklisch regenerierten organischen Elektronenakzeptor koppeln, könnten einen entscheidenden Beitrag zum Kohlenstoffumsatz in aquatischen Grenzzonen leisten. Mikroorganismen beeinflussen maßgeblich, zu welchem Anteil umgesetztes organisches Material als Kohlendioxid oder als Methan in die Atmosphäre entweicht oder stattdessen dem Kohlenstoffkreislauf durch Sedimentation entzogen wird. Da Grenzzonen durch überproportional hohe Reaktionsraten und Biodiversität gekennzeichnet sind, ist die Kenntnis der dort ablaufenden Material- und Energieflüsse von großer Bedeutung für das grundlegende Verständnis des Kohlenstoffumsatzes in Binnengewässern. Die Binnenseen der borealen Zone haben großen Anteil an den globalen Süßwasservorräten und sind durch zukünftig steigende Frachten terrestrischen organischen Kohlenstoffs gefährdet. Das beantragte Forschungsprojekt hat daher zum Ziel, durch Prozessstudien auf verschiedenen Skalen und mechanistische Modellierung einen wichtigen Beitrag zu einem besseren Verständnis der Rolle organischen Materials als Elektronendonor und -akzeptor in diesen dynamischen Ökosystemen zu leisten.

Änderungen geomorphodynamischer Prozesse in der Arktis (West-Spitzbergen): Indikatoren globalen Klimawandels?

Das Forschungsprojekt verfolgt das Ziel, beobachtbare Änderungen in der Geomorphodynamik und im Landschaftshaushalt nordpolarer Räume systematisch zu erfassen und deren Verursachung zu ergründen. Als Arbeitshypothese dient die Diskussion und Szenarienentwicklung des globalen Klimawandels ('Global Warming'), wobei von einer natürlichen Erwärmung seit der Mitte des 19. Jahrhunderts und einer potentiellen, progressiven und anthropogenen Klimabeeinflussung ('Treibhauseffekt') der letzten 60 Jahre ausgegangen wird. Als Modellregion wurde dafür das Adventtal und Umgebung in West-Spitzbergen ausgewählt. Kriterien waren dabei ein weit ausgedehntes, facettenreiches Periglazialrelief, gute Erreichbarkeit und Zugänglichkeit, die Verfügbarkeit von Karten- und Luftbildmaterial sowie die Zugriffsmöglichkeiten auf meteorologische Daten. Mit Hilfe einer detaillierten Kartierung und Dokumentation sollen subrezente, rezente und aktuell sich verändernde geomorphodynamische Prozesse als Indikatoren für Klimaänderungen (insbesondere Erwärmung) systematisch getestet, klassifiziert und bewertet werden. Weiterhin wird versucht, mögliche Auswirkungen einer Klimaveränderung im Landschaftshaushalt polarer Regionen als Szenario zu ermitteln.

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

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