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Rekonstruktion der Terra Preta-Genese mittels molekularer Biomarker und ihrer substanzspezifischen Stabilisotopenverhältnisse

In Amazonien dominieren nährstoffarme Oxisole und Ultisole, die nur schwer nachhaltig nutzbar sind. Innerhalb dieser Bodenlandschaft kommen allerdings aufgrund langandauernder anthropogener Nutzung durch präkolumbische Indianer tiefhumose, nachhaltig bewirtschaftbare Böden vor. Unsere bisherigen Untersuchungen belegen, dass die hohen und stabilen Humusvorräte dieser Böden maßgeblich auf pyrogenen Kohlenstoff zurückzuführen sind. Ungeklärt ist bisher die Herkunft ihrer hohen Nährstoffgehalte (bes. N, P, Ca, Mg). Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens ist es deshalb, durch die kleinräumige Analyse von Biomarkern und ihrer Stabilisotopenverhältnisse sowie von P-Bindungsformen Hinweise auf die Terra Preta-Genese zu bekommen. Insbesondere soll zwischen dem Eintrag menschlicher und tierischer Exkremente sowie zwischen aquatischer und terrestrischer Biomasse unterschieden werden. Von den Ergebnissen der Untersuchungen erwarte ich gezielte Aussagen über die Anreicherung der Terra Preta-Böden mit Nährstoffen sowie die Heterogenität der Eintragspfade.

Einfluss von Umweltfaktoren auf die Wasserstoffisotopie von Wasserpflanzen

Die Wasserstoffisotopensignatur (Delta D-Wert) von Wasserpflanzenbiomarkern wird zunehmend zur Rekonstruktion vergangener hydrologischer Zustände von Seen verwendet. Während der Synthese dieser Biomarker findet eine Diskriminierung des schwereren Wasserstoffisotopes Deuterium im Vergleich zum aufgenommenen Wasser statt. Im direkten Vergleich zu terrestrischen Pflanzen gibt es sehr wenig verfügbare Daten bezüglich der Größe dieses Fraktionierungsfaktors (Epsilon). Weiterhin ist unbekannt, inwieweit Umweltfaktoren die Isotopenfraktionierung beeinflussen. Dieses fehlende Wissen erschwert die Interpretation von Gamma D-Werten aquatischer Biomarker in Seesedimentkernen erheblich. Eine bereits durchgeführte Pilotstudie und weitere erste Experimente suggerieren einen möglichen Einfluss von Salinität des Seewassers, sowie Nährstoff- und Lichtverfügbarkeit auf Epsilon. Um diesen Verdacht zu bestätigen, müssen nun die Magnituden von potentiellen Isotopeneffekten dieser Parameter in einer systematischen Studie untersucht werden. Wie bereits erfolgreich getestet, werden hierfür Wasserpflanzen verschiedener Spezies, unter kontrollierten Bedingungen, mit Fokus auf Variabilität genannter Parameter, im Labor gezüchtet. Weiterhin werden Makrophyten an geeigneten Standorten über weite Gradienten von Salinität und Nährstoffstatus beprobt und hinsichtlich Delta D-Werten von Biomarkern analysiert. Mithilfe der gewonnenen Daten aus dem gekoppelten Feld- und Laborversuch können die potentiellen Isotopeneffekte von Salinität, Nährstoffverfügbarkeit und Lichtintensität für die zukünftige Anwendung in paläoklimatischen Studien kalibriert werden. Die erwarteten Ergebnisse werden somit einen wichtigen Beitrag hinsichtlich der Interpretierbarkeit von Delta D-Werten aquatischer Biomarker aus Seesedimenten liefern. Die gewonnenen Erkenntnisse sind somit ein wichtiger Baustein zur Rekonstruierbarkeit vergangener hydrologischer Zustände von Seen und damit ein essentieller Faktor zum Verständnis möglicher zukünftiger Änderungen im Zusammenhang mit der Erderwärmung.

Environmental parameters of the Arid Central Asian Data Base (ACADB) for surface brGDGT samples

Climate parameters of the Arid Central Asian Data Base (ACADB) for surface brGDGT samples

Fractional abundances of branched glycerol dialkyl glycerol tetraethers (brGDGT) from the Arid Central Asian Data Base (ACADB) for surface brGDGT samples

Geochemie und organische Petrologie von Kohlen aus dem Mahakam Delta, Kalimantan Timur (Indonesien): Genese der Kohlenlagerstätten und Zusammensetzung der Kohlen

Kohlen sind in Indonesien als Energieträger von wachsender Bedeutung. Die Ablagerung der Kohlen erfolgte vorwiegend im Tertiär. Untersuchungen zu den Ablagerungsbedingungen im Zuge der Genese dieser Kohlen (Palaeoenvironment) und der Zusammensetzung der Wälder, aus denen die Kohlen gebildet wurden, liegen bisher nur in einem geringen Umfang vor. Mit einem im Oktober 2004 begonnenen Forschungsprojekt soll diese Lücke geschlossen werden. Im Rahmen des Projekts werden Kohlen aus dem Mahakam-Delta mit Methoden analysiert. Besonderer Wert wird auf die Bestimmung der Gehalte der Biomarker (Chemofossilien) gelegt. Diese sind besonders zur Rekonstruktion der Ablagerungsbedingungen und des Pflanzeneintrags geeignet. Mikroskopische Untersuchungen geben darüber hinaus Auskunft zur Reife (thermischen Belastung) der Kohlen im Zuge der Diagenese. Außerdem soll der Vergleich der organisch-geochemischen und mikroskopischen Daten helfen, die Eignung der verschiedenen organisch-geochemischen Parameter bei der Analyse der Kohlenfazies zu überprüfen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sollen als Basis für die zukünftige Bewertung der indonesischen Kohlen nach Reifegrad und Zusammensetzung genutzt werden. Um einen Beitrag zu einer möglichst umweltverträglichen Nutzung der indonesischen Kohlevorkommen zu leisten, werden zudem die Gehalte an Schwermetallen in den Kohlen bestimmt.

Entwicklung eines fernerkundungsbasierten Monitoringverfahrens auf Grundlage einer physiologisch fundierten Vitalitätsbewertung von Hauptbaumarten in Mischbeständen, Teilvorhaben 2: Vitalitätsdiagnostik mittels Biomarker

Im Zuge des Klimawandels steigt der Informationsbedarf zur Vitalitätsentwicklung von Waldbeständen, zu Baumarten, zu Folgereaktionen von Störungsereignissen wie z.B. Sturm, Kalamitäten, Da detaillierte Information häufig fehlen, sind die zahlreich verbreiteten Abschätzungen hierzu widersprüchlich und spekulativ. Parallel zur terrestrischen Waldzustandserfassung ist die forstliche Fernerkundung seit mehreren Jahrzehnten bemüht, diese Informationslücke zu schließen. Allerdings ist die Unterscheidung von Baumarten bzw. -gattungen und deren Zustand noch immer problematisch. Zur Erhebung dieser Messwerte fehlen u.a. belastbare baumphysiologisch belegte Zusammenhänge. Dafür bieten sich Verfahren der Fernerkundung an, wenn über eine rein empirische Erhebung hinaus die Ableitung baumphysiologischer Parameter gelingt. Vor diesem Hintergrund soll mit dem aktuellen Forschungsvorhaben eine Brücke zwischen den modernen Möglichkeiten der forstlichen Fernerkundung und Gehölzphysiologie geschlagen werden. Ein im Wald installierter 40 m hoher Drehkran am GFZ TERENO-Forschungsstandort im Raum Demmin (Mecklenburg-Vorpommern) bietet dabei für FEMOPHYS einzigartige Möglichkeiten. Das Forschungsvorhaben verfolgt folgende Zielstellungen: 1. Untersuchung von Zusammenhängen zwischen stressbedingten, physiologischen Veränderungen in Baumkronen, Stamm und Wurzeln und deren Quantifizierbarkeit durch 'Messung von außen' 2. Verknüpfung des methodischen Knowhow der baumphysiologischen Diagnostik und den Verfahren der hyper-/multispektralen und thermalen Diagnostik von Baumkronen 3. Identifikation klimasensitiver Areale auf der Basis von Flächendaten und baumphysiologischen Untersuchungen speziell für Hauptbaumarten 4. Entwicklung eines einfach zugänglichen Informationsproduktes zum baumartenspezifischen Waldzustand Das Projekt will einen Forest Vulnerability Index anvisieren, der Zielgrößen wie z.B. Anfälligkeit für Insektenbefall und Dürre-Schäden ausgibt.

Die Sauerstoffisotopensignatur von organischer Substanz in Pflanzen und im Boden

Die Verwendung von Stabilisotopenverhältnissen zur Aufdeckung von Prozessen in der Umwelt erfordert ein tiefreichendes Verständnis, das für einige Elemente wie Kohlenstoff (C) und Stickstoff (N) im Boden vorhanden ist. Unsere vorigen Projekte zeigten grundlegende Unterschiede in der Reaktion der Wasserstoff (H)-Isotopenverhältnisse auf Umwelteinflüsse im Vergleich zu C und N auf. Das Sauerstoff (O)-Isotopensystem im Boden wurde bisher wenig beachtet. Es ähnelt dem von H hinsichtlich eines austauschbaren und eines nicht austauschbaren Anteils, wobei nur Letzterer ein aussagekräftiges Signal liefert. Die C- und N-Isotopensysteme sind dem von O ähnlich, da diese Elemente an biochemischen Reaktionen beteiligt sind, die durch extrazelluläre Enzyme katalysiert werden und mit einer Isotopenfraktionierung verbunden sind. Da in der spärlichen Literatur ein Zusammenhang zwischen den O-Isotopenverhältnissen in der organischen Substanz (OS) und dem Klima angenommen wird, könnte ein verbessertes Verständnis des O-Isotopensystems ein neues Instrument darstellen, mit dem sich subtile Auswirkungen des Klimawandels in Ökosystemen aufspüren lassen, die sonst übersehen werden. Unser übergeordnetes Ziel ist es, die Bedeutung der ?18O-Werte von nicht austauschbarem O in der organischen Bodensubstanz (OBS) in einem ökologischen Kontext aufzudecken. Wir planen, (i) den Anteil von austauschbarem O in der Pflanzenstreu und in der OBS zu quantifizieren, (ii) die Kinetik des O-Einbaus aus dem Umgebungswasser in die OS durch mikrobielle und extrazelluläre Enzymaktivität zu bestimmen, (iii) zu testen, ob der Abbau von OS mit einer O-Isotopenfraktionierung verbunden ist, und wenn ja, die scheinbare Netto-Isotopenfraktionierung zu quantifizieren, (iv) die Beziehung zwischen den ?18O-Werten des Niederschlags und dem nicht austauschbarem O-Anteil in der organischen Auflage im Wald zu untersuchen und (v) herauszufinden, ob die ?18O-Werte des nicht austauschbaren O in der OBS mit denen ausgewählter Biomarker korrelieren. Als Voraussetzung (WP1) muss der Einfluss von anorganischem O eliminiert werden. Wir werden (a) testen, ob eine Demineralisierungsmethode, die für H-Isotope etabliert wurde, auf O-Isotope übertragbar ist, und (b) eine neue Methode entwickeln, die auf der Extraktion von Oxyanionen und der Zerstörung der OS durch Vermuffelung basiert. Wir werden die zuverlässigste Methode auswählen und Experimente durchführen, um den Einbau von O und H aus dem Umgebungswasser und die damit verbundene Isotopenfraktionierung quantifizieren zu können (WP2). Dies wird durch eine Feldstudie ergänzt, in der die Anteile von austauschbarem O und H in der OS quantifiziert, die mittelfristigen Auswirkungen des O- und H-Einbaus aus dem Umgebungswasser sowie der Isotopenfraktionierung in den Systemen C, N, O und H und das Potenzial des O-Isotopensystems zusammen mit dem von H und/oder anderen Elementen, klimabedingte Prozessänderungen anzuzeigen, untersucht werden (WP3).

Forschergruppe (FOR) 918: Carbon flow on belowground food webs assessed by isotope tracers, Nematodes as link between microbial and faunal food web

The proposed project examines the nematode fauna at the two field experiments 'Long-term recalcitrant C input' and 'Carbon flow via the herbivore and detrital food chain'. A gradient from resource rich to deeper oligotrophe habitats, i.e. from high to low diverse food webs, is investigated. The impact of resource availability and quality (recalcitrant versus labile) and presence or absence of living plants (rhizosphere versus detritusphere) on the nematode population are assessed. Insight into micro-food web structure is gained by application of the nematode faunal analysis concept, based on the enrichment, structure and channel index. In laboratory model systems carbon flux rates for food web links are determined between bacteria/fungi and their nematode grazers for dominant taxa in the arable field. Further, carbon leakage from plant roots induced by herbivore nematode is studied as link between root and bacterial energy channels. By using 13C/12C stable isotope probing (FA-SIP) fatty acids serve as major carbon currency. Coupling qualitative and quantitative data on nematode field populations, with carbon flow via biomarker fatty acids in microorganisms and grazers will allow to connect microbial and faunal food web, and to directly link nematode functional groups with specific processes in the soil carbon cycle.

Linking nutrient cycles, land use and biodiversity along an elevation gradient on Mt. Kilimanjaro

To understand impacts of climate and land use changes on biodiversity and accompanying ecosystem stability and services at the Mt. Kilimanjaro, detailed understanding and description of the current biotic and abiotic controls on ecosystem C and nutrient fluxes are needed. Therefore, cycles of main nutrients and typomorph elements (C, N, P, K, Ca, Mg, S, Si) will be quantitatively described on pedon and stand level scale depending on climate (altitude gradient) and land use (natural vs. agricultural ecosystems). Total and available pools of the elements will be quantified in litter and soils for 6 dominant (agro)ecosystems and related to soil greenhouse gas emissions (CO2, N2O, CH4). 13C and 15N tracers will be used at small plots for exact quantification of C and N fluxes by decomposition of plant residues (SP7), mineralization, nitrification, denitrification and incorporation into soil organic matter pools with various stability. 13C compound-specific isotope analyses in microbial biomarkers (13C-PLFA) will evaluate the changes of key biota as dependent on climate and land use. Greenhouse gas (GHG) emissions and leaching losses of nutrients from the (agro)ecosystems and the increase of the losses by conversion of natural ecosystems to agriculture will be evaluated and linked with changing vegetation diversity (SP4), vegetation biomass (SP2), decomposers community (SP7) and plant functional traits (SP5). Nutrient pools, turnover and fluxes will be linked with water cycle (SP2), CO2 and H2O vegetation exchange (SP2) allowing to describe ecosystem specific nutrient and water characteristics including the derivation of full GHG balances. Based on 60 plots screening stand level scale biogeochemical models will be tested, adapted and applied for simulation of key ecosystem processes along climate (SP1) and land use gradients.

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