Within phase 2 of the CAOS research unit we will work towards a holistic framework to explore how spatial organization alongside with spatial heterogeneity controls terrestrial water and energy cycles in intermediate scale catchments. 'Holistic' means for us to link the 'how' to the 'why' by drawing from generic understanding of landscape formation and biotic controls on processes and structures as well as to rely on exemplary experimental learning in a hypothesis and theory based manner. This also implies treatment of soil, vegetation and atmosphere as coupled system rather than a linear combination of different compartments. To jointly work towards this goal we propose 7 projects which will closely cooperate within two overarching work packages:WP1: Linking hydrological similarity with landscape structure across scalesWP2: Searching for appropriate catchment models and organizing principles. Within WP1 we will further refine the existing stratified multi-method and multi-sensor setup to search for functional entities in the Attert and, if they exist, to learn in an exemplary manner which structural features control functional characteristics. This essentially includes identification of suitable metrics to discriminate functional and structural similarity from data as well as identification of useful quantitative descriptors for the rather fuzzy term 'hydrological function'. Overall we aim to synthesize a protocol to decide 'where to assess which data for what reasons' for characterizing hydrological functioning across a scale range of four orders of magnitude.Within WP2 we will foster our distillery of parsimonious and nevertheless physically consistent model structures which rely on observable quantities and make use of symmetries in the landscape to simplify the governing model equations in a hypothesis based manner. To this end we will compare concurring model structures (among those the CAOS model) and work towards a framework for an objective model inter comparison with special emphasis on a) the added value of different data/information sources and b) on consistency of predictions with respect to distributed dynamics and integral flows. Additionally, we aim in WP2 at linking the 'how' to the 'why' by synthesizing testable hypotheses that could explain whether spatial organization has evolved in accordance with candidate organizing principles. Ecology, fluvial geomorphology and thermodynamics offer a large set of candidate organizing principles for this issue. Based on our recent work we will focus especially on thermodynamic limits and optimality principles like maximum entropy production, explore their value for uncalibrated hydrological predictions and work out the necessary requirements on data and models for testing these principles. We put special emphasis on a possible experimental falsification of these candidate principles; also in close collaboration with the B2-Landscape Evolution Observatory in Tucson, Arizona.
Die Vielfalt der natürlichen Flussumgebungen wird derzeit durch den Grad der räumlichen Heterogenität in abiotischen Faktoren, die durch Flussströmungsstrukturen gesteuert werden, verstanden. Im Mittelpunkt dieses Themas steht die Heterogenität der Flüsse, die durch natürliche In-Stream-Hindernisse wie Geröllhaufen, Baumstau, Ufer- und Wasservegetation und ihre verschiedenen Kombinationen erzeugt wird. Spezifische Strömungstypen, die sich um und hinter In-Stream-Hindernissen bilden, werden als Rucktrömungen bezeichnet. Aufgrund komplexer Naturumgebungen und -prozesse, wird die Dynamik von Rucktrömungen immer noch nicht vollständig verstanden. Die vorgeschlagene Forschung zielt auf die Verbesserung des Wissens über die Hydrodynamik von Wirbelströmungen ab, indem fundamentale, auf der Theorie beruhende Erkenntnisse über steuernde Faktoren und ihre Implikationen für die Flussmorphologie bereitgestellt werden. In diesem Projekt werden komplexe Umweltflüsse, die in flachen, rauhen Flussumgebungen durch poröse In-Stream-Hindernisse entstehen, direkt im Feld unter verschiedenen hydrologischen Bedingungen untersucht. Die Dynamik dieser Rucktrömungen wird dann durch den Vergleich von Feldbeobachtungen mit den Ergebnissen von Laborexperimenten besser verstanden, wobei Skalen-unabhängige Feld-basierte Experimente und numerische Simulationen zur Untersuchung von Skaleneffekten dienen werden. Ergänzt wird diese Studie durch in-situ-Untersuchungen der Porosität natürlicher Hindernisse und der Probenahme des Flussbettsubstrats. Diese Studien werden derzeit nicht verfügbares Wissen über grundlegende Eigenschaften von In-Stream-Hindernissen und eine direkte Quantifizierung von Erosions-/Ablagerungsprozessen aufgrund von Fluviale Rucktrömungen liefern. Darüber hinaus werden die gesammelten Daten den Beitrag des Nachstroms zu den hydraulischen Eigenschaften des Flusses auf einer Flussreichweite schätzen.
Feuchtgebiete sind eine wichtige natürliche Quelle für Methan, das zweithäufigste Treibhausgas in der Atmosphäre. Die Methangasflüsse aus Feuchtgebieten sind variabel und bestimmt durch die Aktivität methanotropher (Methan verbrauchender) und methanogener (Methan produzierender) Mikroorganismen. Deren Aktivität wird durch verschiedene Umweltfaktoren gesteuert, was jedoch noch nicht sehr gut verstanden ist, da z.B. die Bedeutung der anaeroben Methanotrophen in Feuchtgebieten noch weitgehend unklar ist. Ziel des Projekts ist es, die räumlich-zeitliche Variation der Nettomethanflüsse zu untersuchen und sie durch Verteilungsmuster und Aktivitäten der Methankreislauf-assoziierten Mikroorganismen in Abhängigkeit von verschiedenen Umweltfaktoren zu erklären. Im Projekt werden Sölle untersucht, da diese eine hohe Dynamik in den Methanemissionen über kleine räumliche Skalen aufweisen. Sie kommen häufig in postglazialen Landschaften vor und sind meist von landwirtschaftlich genutzten Flächen umgeben. Sie werden als Methanquelle betrachtet, aber die Mechanismen, die ihre dynamischen Methanemissionen antreiben, sind nicht gut verstanden. Bodenprofile, Bodenchemie, Wasserstand, Redox-Bedingungen, Nährstoffeintrag und Vegetation werden als wichtige Umweltfaktoren antizipiert, die die Häufigkeit, Aktivität und die Biodiversität der mit dem Methankreislauf assoziierten Mikroorganismen beeinflussen. Um die regulatorische Bedeutung dieser Faktoren zu verstehen, wird MeDKet Feldstudien mit Laborexperimenten kombinieren, in denen verschiedene abiotische Faktoren unter kontrollierten Bedingungen moduliert werden. Die räumliche Variation der Methanbildung und -oxidation und die Verteilung der mit dem Methankreislauf assoziierten Mikroorganismen wird in acht Söllen untersucht, während die Auswirkungen der wichtigsten Umweltfaktoren für ein ausgewähltes Soll im Detail analysiert werden. Hochauflösende Gasmessungen werden kombiniert mit Methoden der mikrobiellen Ökologie wie quantitativer PCR, Amplikonsequenzierung, mRNA-Analyse, stabilen Isotopenuntersuchungen und einer Metagenom-Analyse, um Identität, Abundanz, Verteilung und physiologische Eigenschaften der am Methankreislauf beteiligten Mikroorganismen zu bestimmen. Da wir ein ganzheitliches Verständnis über den Beitrag Methan-assoziierter Mikroorganismen in Feuchtgebieten zu Methanflüssen anstreben, weiten wir unsere Analysen auf oberirdische Pflanzenteile aus, ein bisher vernachlässigter Lebensraum für Methanotrophe. Mit einer neu entwickelten Methodik werden wir vertikale Methanprofile in der Atmosphäre oberhalb eines Solls messen und das Vorkommen von Methanotrophen auf oberirdischen Pflanzenteilen untersuchen. Damit werden die Ergebnisse von MeDKet als Grundlage dienen, um (a) die Regulation von Methanotrophie und Methanogenese und damit die hohe Variabilität der Nettomethanflüsse (b) die Bedeutung der anaeroben Methanoxidation und (c) der oberirdischen Methanoxidation in Söllen zu verstehen.
In einem naturnahen Mischbestand werden an der forstlichen Versuchsstation Lyaly (Republik Komi) die Radialveränderungen der Baumschäfte von Fichten (Picea obovata), Kiefern (Pinus sylvestris), Aspen (Populus tremulus) und Birken (Betula spec.) zeitlich hochaufgelöst registriert. An einem Teilkollektiv der Untersuchungsbäume wird zusätzlich im 5-Minuten Takt die elektrische Leitfähigkeit des Stammes registriert. Gleichzeitig werden die Lufttemperatur, die Luftfeuchte sowie die Bodenfeuchte gemessen. Am Untersuchungsstandort werden mit einem Magnetometer Schwankungen des Erdmagnetfeldes in den drei Raumrichtungen registriert. Aus den Analysen werden Informationen über die Bedeutung verschiedener Standorts- und Umweltfaktoren auf das kurz-, mittel- und langfristige Wuchsverhalten von Bäumen erwartet.
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.
Geothermalwässer sind eine der wichtigsten Quellen im geochemischen Arsen-Kreislauf. Untersuchungen konzentrieren sich häufig auf Arsenit und Arsenat, die sich nach dem Austritt aus Geothermalquellen weit ausbreiten und z.B. die Qualität von Trinkwasser-Aquiferen negativ beeinflussen können. Erst kürzlich wurde gezeigt, dass nicht Arsenit und Arsenat, sondern Thioarsenate (AsVSnO4-n3-; n = 1 - 4), die sich aus Arsenit und reduziertem Schwefel bilden, die häufigsten Arsenspezies an Geothermalquellen sind. Allerdings ist deren Ausbreitung durch Reaktivität gegenüber Sauerstoff begrenzt. Für das vorliegende Projekt postulieren wir, dass Methylierung ein viel häufigerer Prozess an Geothermalquellen ist als bisher angenommen und dass methylthiolierte Arsenate signifikanten Anteil am Gesamtarsengehalt haben, v.a. bei leicht saurem pH und hohen Gehalten an Sulfid und gelöstem organischem Kohlenstoff. Wir postulieren weiter, dass methylthiolierte Arsenate im Vergleich zu anorganischen Thioarsenaten geringere abiotische und mikrobielle Umwandlungen zeigen und im Vergleich zu Arsenit und Arsenat geringere und langsamere Sorption an Eisenminerale und organische Substanz. All dies würde zu einem potentiell hohen Austrag aus Geothermalgebieten führen. Um unsere Hypothesen zu testen, werden wir an zwei Geothermalgebieten in China (Rehai, Yunnan und Daggyai, Tibet) Arsenspezies an den Quellen bestimmen und ihre Umwandlung entlang der natürlichen Abflusskanäle sowie in on-site Inkubationsstudien verfolgen. Wir werden dabei auch klären, welche anderen abiotischen oder biotischen Faktoren zur Arsenspeziesumwandlung beitragen. Im Labor werden wir methylthiolierte Arsenate synthetisieren und ihre Bildung und Stabilität unter verschiedenen S/As Verhältnissen, Temperaturen, pH und in Anwesenheit von Oxidationsmitteln untersuchen. Desweiteren werden wir Ausmaß und Kinetik von Sorption an häufig vorkommenden Eisenmineralen (Ferrihydrit, Goethit, Mackinawit, Pyrit) und an einer organischen Modelsubstanz untersuchen. Um natürliche Bedingungen besser abzubilden, werden wir das Sorptionspotential für methylthiolierte Arsenate auch an natürlichen Sedimenten von Geothermalquellen und ihren Abflusskanälen bestimmen. Das Projekt wird in enger Zusammenarbeit zwischen Prof. Dr. Britta Planer-Friedrich (Deutschland), Expertin für Thioarsenchemie und -analytik, und Prof. Dr. Qinghai Guo (China), Experte für Geothermalwasserchemie, durchgeführt. Die Zusammenarbeit schliesst gemeinsam betreute Promotions- und Masterarbeiten ein, gemeinsame Geländearbeiten in China und Laborarbeiten in Deutschland, ein kickoff meeting in Deutschland sowie ein Abschlusstreffen in China. Das übergeordnete Ziel des Projekts ist es, ein neues Modell für die Bildung, den Transport und die Umwandlung von Arsenspezies in Geothermalgebieten zu entwickeln sowie das mögliche Vorkommen von methylthiolierten Arsenaten auch für andere natürliche Systeme vorhersagen zu können.
Bodensalinität hat einen gravierenden Einfluss auf den Ernährungszustand und das Wachstum von Kulturpflanzen. Salzstress vermindert das Wachstum von Kulturpflanzen. Voruntersuchungen haben gezeigt, dass Salzstress bei Mais zu einer Alkalisierung des Apoplasten führt. Expansine sind apoplastische Proteine die für die Extensibilität der Zellwand und deren Wachstum verantwortlich sind. Sie haben ein saures pH-Optimum. Erste proteomanalytische Voruntersuchungen haben auch gezeigt, dass Expansine unter Salzstress vermindert werden und dass sie damit vermutlich wesentlich zur Wachstumsreduktion beitragen. Im vorliegenden Projekt soll die Regulation einzelner Expansin-Isoformen auf Transkriptebene sowie proteomanalytisch untersucht werden. Ein Expansinantikörper mit dessen Hilfe die Regulation einzelner Isoformen quantitativ in (2D-)Western-Blots sowie histologisch nachgewiesen werden kann, soll zum Einsatz kommen. Dazu sollen Kurzzeit- und Langzeit-Salzstress in verschiedenen Segmenten von Maisblättern untersucht werden. Weiterhin sollen das unterschiedliche Anpassungsvermögen mittels sensitiver und resistenter Maishybriden untersucht werden. Des Weiteren könnten Expansin-Isoformen auch durch posttranslationale Modifikationen reguliert werden. Im geplanten Projekt sollen daher Proteinphosphorylierungen an apoplastischen Proteinen untersucht werden. Optional soll im letzten Zeitraum des Antrags anhand eines revers-genetischen Ansatzes weiterhin eine Expansin-Isoform in Mais überexprimiert werden, um zu überprüfen, in wieweit diese Isoform zum verbesserten Wachstum unter Salinität beiträgt. Die Ergebnisse des Projekts werden maßgeblich zur Aufklärung des Beitrags der Expansine zur Wachstumsregulation von Mais unter Salzstress beitragen.
Die Baumarten Rotbuche (Fagus sylvatica,) Rot-Fichte (Picea abies), Weiß-Tanne (Abies alba) und Wald-Kiefer (Pinus sylvestris) besitzen für die Wälder Europas und die europäische Forst- und Holzwirtschaft große Bedeutung. Daher ist es von großem Interesse, wie sich Umweltveränderungen und insbesondere klimatische Extremereignisse (z.B. Hitze und Trockenheit) auf deren Wachstum und Produktivität auswirken. Mit Hilfe hochpräziser Messfühler, sogenannter Punkt-Dendrometer, können Dickenänderungen von Baumstämmen registriert und aufgezeichnet werden. Diese werden sowohl durch den Prozess der Jahrringbildung als auch durch den täglichen Wechsel zwischen Quellen und Schwinden der nicht-verholzten Gewebe innerhalb des Stammes verursacht. Mit den Messungen können damit nicht nur Informationen über die jahreszeitliche Dynamik des Dickenwachstums, sondern auch über den Zustand der internen Wasserspeicher der Bäume gewonnen werden. Das Institut für Waldwachstum betreibt bereits seit 1990 Freiland-Messstationen, die mit Punkt-Dendrometern und Sensoren u.a. zur Messung von meteorologischen und bodenkundlichen Parametern ausgestattet sind. Vier Messstationen in der Umgebung von Freiburg sind entlang eines Höhengradienten von der Rheinebene zu den Schwarzwaldhochlagen angeordnet. Die Analyse dieser einzigartig langen Zeitreihen trägt dazu bei, die komplexen Interaktionen verschiedener Standortsfaktoren mit der kurz-, mittel- und langfristigen Wachstumsdynamik der untersuchten Baumarten im Freiland aufzuklären. Die Analyse der Dendrometerdaten wird durch die Untersuchung weiterer Wachstumsparameter wie Jahrringbreite, Zellparameter und hochaufgelöste Dichteprofile von Stammquerschnitten ergänzt. Ein besonderes Augenmerk wird auf die Analyse der Reaktion der Baumarten auf die trocken-warmen Sommer der Jahre 2003 und 2006 gelegt. Die Ergebnisse erlauben eine bessere Abschätzung der möglichen Auswirkungen des prognostizierten Klimawandels auf den saisonalen Ablauf des Baumwachstums und geben Aufschluss über die Erholungsfähigkeit der Bäume nach Belastungssituationen.
Die Humusform ist das Resultat der am Standort wirkenden Faktoren einschließlich der dort tätigen Bodenorganismen. Die Humusformenansprache kann daher als integrierende Methode zur Bewertung von Standorten herangezogen werden. Bisher ist nur für die terrestrischen Humusformen die Wechselbeziehung zwischen Morphologie und Standortfaktoren genauer charakterisiert. Systematische Untersuchungen zu Feucht- und Nasshumusformen fehlen. Die an Feucht- und Nassstandorten in der Regel erfolgende Akkumulation organischer Substanz ist nicht primär auf den (zeitweise) herrschenden Wasserüberschuss, sondern auf den damit einhergehenden Sauerstoffmangel zurückzuführen. Eine getrennte Betrachtung der beiden Parameter ist daher notwendig. An acht verschiedenen feuchten und nassen Waldstandorten in Nordrhein-Westfalen soll die Humusform makro- und mikromorphologisch beschrieben und mit wesentlichen Standortmerkmalen in Beziehung gesetzt werden. Des weiteren soll die Regenwurmzönose, als wichtiger Vertreter der Zersetzergemeinschaft, aufgenommen und ihre Wechselwirkungen mit den Standorteigenschaften und der Humusform untersucht werden. Um den Einfluss des Sauerstoffs unabhängig vom Wassergehalt auf die Profilmorphologie nachzuweisen, sollen Langzeitversuche durchgeführt werden. Über Diffusionsversuche im Labor soll außerdem die Bedeutung der Profilmorphologie für die Sauerstoffverfügbarkeit ermittelt werden.
Zielsetzung: Geltende Regeln und Expositions-Grenzwerte können ein erhöhtes Krebsrisiko durch PAK-Exposition am Arbeitsplatz nicht ausschließen, weil die PAK-Aufnahme nicht nur inhalativ erfolgt. Biomonitoring könnte ein optimierter Präventionsansatz sein. Das Verhältnis äußere zu innerer Belastung variiert mit Arbeitsbedingungen und individuellen Faktoren. Zur Ermittlung von Richtwerten für das Biomonitoring muss diese Korrelation untersucht werden. Aktivitäten/Methoden: Arbeitsplatzmessungen, Bestimmung von monohydroxylierten PAK-Metaboliten und Protein-Addukten. Bestimmung von mehrfach-hydroxylierten PAK-Metaboliten und der individuellen Suszeptibilität.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 870 |
| Europa | 10 |
| Global | 2 |
| Kommune | 5 |
| Land | 83 |
| Weitere | 1 |
| Wirtschaft | 1 |
| Wissenschaft | 543 |
| Zivilgesellschaft | 20 |
| Type | Count |
|---|---|
| Daten und Messstellen | 10 |
| Förderprogramm | 860 |
| Text | 10 |
| unbekannt | 7 |
| License | Count |
|---|---|
| Geschlossen | 16 |
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| Unbekannt | 1 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 791 |
| Englisch | 216 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Archiv | 6 |
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| Lebewesen und Lebensräume | 887 |
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