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Ressortforschungsplan 2023, Analytik von Bodenproben auf Mikroplastik für die Erarbeitung von Hintergrundgehalten für Deutschland

Im Refoplanvorhaben FKZ: 3720 72 288 0 wurden von 2020 bis 2024 Bodenproben von 600 nach statistischen Vorgaben ermittelten Standorten in Deutschland genommen und eingelagert. Die eingelagerten Bodenproben werden im vorliegenden Projekt aufbereitet, extrahiert und analysiert. Es werde sowohl Partikelanzahlen als auch Massenanteile der Kunststoffe erfasst. Die Ergebnisse sollen dazu verwendet werden, das Ausmaß der Kunststoffgehalte in Böden mit nichtspezifischer Belastung darzustellen und die Hintergrundbelastung zu beschreiben.

Prozesse der Lößbildung und Landschaftsgenese im Pleiser Hügelland nahe Bonn

Das Vorhaben soll sedimentologische, diagenetische, Umlagerungs- und Formungs-Prozesse der z.T. mächtigen Lößbedeckung des Pleiser Hügellandes unter wechselnden Umweltbedingungen in verschiedenen Zeitscheiben des letzten Glazials rekonstruieren. Materialherkunft und äolische Formung einerseits und erosiv-dendative Überformung andererseits, sowie deren zeitliche Einordnung stehen im Vordergrund; hingegen wird die Modellierung von aktuellen und subrezenten Stoffumsätzen in Teilprojekten des SFB 350 (B13, B15) bearbeitet. Geomorphologische, boden- und sedimentologische, isotopengeochemische und feinstratigraphische Untersuchungen sowie Lumineszenz-Datierungen (TL,OSL) stellen das methodische Inventar. Die Profilaufnahmen und Probennahmen sind abhängig von der erwarteten einzigartigen Aufschlußsituation entlang der ICE-Trasse Köln-Frankfurt. Die Untersuchung soll auch anthropogeographische und geoarchäologische Aspekte der Relief- und Sedimentbildung einbeziehen.

Forschergruppe (FOR) 5095: Interaktionen von Schadstoffen, Antibiotikaresistenz und Pathogenen in einem sich ändernden Abwasserbewässerungssystem, Teilprojekt: Auswirkungen von Bewässerungswasserqualität und Bodentyp auf das boden- und pflanzenassoziierte Mikrobiom, Abundanz, Diversität und Übertragbarkeit von Antibiotikaresistenzgenen in gramnegativen Bakterien

Wiederverwendung von Abwasser (AW) in landwirtschaftlicher Bewässerung ist eine effiziente Möglichkeit, Wasser zu sparen und die Nahrungsmittelproduktion für eine wachsende Bevölkerung unter den Bedingungen des Klimawandels zu steigern. Infrastrukturinvestitionen führen in vielen Ländern zu einer Verlagerung von Bewässerung mit unbehandeltem AW hin zu behandeltem AW. SP 5 wird dazu beitragen, die Hypothesen zu prüfen, dass i) die Umweltkonzentrationen von Schadstoffen, die aus dem Boden freigesetzt und von Pflanzen aufgenommen werden, hoch genug sind, um Antibiotikaresistenzen zu selektieren und horizontalen Gentransfer (HGT) in Böden und Pflanzen auszulösen, und ii) der Bodentyp die Freisetzung von Schadstoffen und die damit verbundene Selektion von Antibiotikaresistenzen moduliert. Die Wirkung der Zugabe von behandeltem oder unbehandeltem AW zu Leptosolen, Phäozemen und Vertisolen, die seit >80 Jahren mit unbehandeltem AW bewässert werden, auf Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft und Häufigkeit von Antibiotikaresistenzgenen (ARG) sowie mobilen genetischen Elementen (MGE), die mit gramnegativen Bakterien (GNB) assoziiert sind, wird in einem gemeinsamen Inkubations- und Batch-Experiment in Gesamt-DNA getestet. HGT-Raten zwischen GNB werden für eine Teilmenge von Bodenproben bestimmt. Isolierte Enterobakterien (SP 6) werden auf das Vorhandensein übertragbarer Plasmide gescreent. Die Mobilisierung von ARG zu IncP-1-Plasmiden aufgrund der Selektion durch Antibiotika und Desinfektionsmittel, die dem AW zugesetzt und aus Boden freigesetzt werden, wird in einem Satellitenexperiment getestet. Dabei wird das Bodenbakterium Acinetobacter baylyi BD413, das IncP-1-Plasmide ohne ARG trägt, auf die unterschiedlich behandelten Böden aufgebracht, nach 28 Tagen isoliert und die Plasmide auf erworbene ARG gescreent. Die Relevanz der Pflanzen für Selektion und Ausbreitung von ARG und Transfer in die Nahrungskette wird im gemeinsamen Bodensäulexperiment mit monolithischen, "ungestörten", mit Koriander (Coriandrum sativum) bepflanzten Bodensäulen untersucht. SP 5 wird die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft in Phyllosphäre und Wurzeln/Rhizosphäre, die relative Häufigkeit von ARG und MGE von GNB und die HGT-Raten zwischen GNB bewerten. SP 5 bringt gleiches Fachwissen und gleiche Techniken in das gemeinsame Feldexperiment mit Koriander bepflanztem Phäozem-Boden ein, um kontrollierte Labor- und Gewächshausversuche mit realen Bedingungen zu verbinden, insbesondere im Hinblick auf Auswirkungen von Bewässerungswasserqualität auf Phyllosphärenbakterien, die unter Gewächshausbedingungen schwer zu untersuchen sind. Durch Verknüpfung der Ergebnisse und Fachkenntnisse mit Daten und Kenntnissen der anderen SP, ebenfalls mit Hilfe des integrierten mathematischen Modells (SP 7), trägt SP 5 zu einem mechanistischen Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Schadstoffen, Antibiotikaresistenzen und Pathogenen in sich verändernden AW-Bewässerungssystemen bei.

Lysimeterversuch

Versuchsfrage: Welche mittel- und langfristigen Auswirkungen ergeben sich bei der unterschiedlichen Fruchtfolge- und Bewirtschaftungssystemen in Bezug auf: a) Ertrag und Qualitaet des pflanzlichen Erntegutes? b) Verlagerung von Mineral- und Schadstoffen mit dem Sickerwasser? c) Wasser-, Naehrstoff- und Schadstoffhaushalt des Bodens? - Versuch in besonderer Anlage- 32 Lysimeter (monolithische Bodensaeulen 1,45 m3 Inhalt) und 2 Kieskontrollparzellen- 8 Bewirtschaftungssysteme mit jeweils unterschiedlicher Fruchtfolge, 4-fache Wiederholung.

Quecksilberisotopenverhältnisse als Werkzeug zur Bestimmung von Speziestransformationsprozessen in kontaminierten Boden-Aquifer-Systemen

Aufgrund seiner hohen Toxizität ist Quecksilber (Hg) immer noch ein großes Umweltproblem. Die Mobilität und Bioverfügbarkeit von Hg wird maßgeblich durch die chemisch-physikalischen Eigenschaften verschiedener Hg-Spezies (z.B. Hg(II)Cl2, Hg(0), HgS) bestimmt. Die Verteilung stabiler Hg-Isotope wird dabei in einem messbaren Ausmaß durch Speziestransformationsprozesse (z.B. Reduktion/Oxidation, Sorption, Fällung und Verflüchtigung) verändert, womit die Bestimmung des Hg-Umweltverhaltens durch Hg-Isotopenverhältnisse ein neues analytisches Werkzeug bietet. Verschiedene Spezies-Umwandlungsprozesse resultieren dabei in unterschiedlichen massenabhängigen und massenunabhängigen Fraktionierungs-Signaturen, die zum einen ein weiterreichendes Verständnis, zum anderen eine Quantifizierung der verschiedenen biogeochemischen Kontrollfaktoren ermöglichen. Zur Untersuchung der Isotopenfraktionierung durch Speziestransformationsprozesse in Boden-Grundwassersystemen wurden als natürliche Labore zwei Standorte ausgewählt, die durch die Anwendung von hochgiftigem HgCl2 zur Holzimprägnierung stark kontaminiert wurden und somit nur eine einzige Hg-Kontaminationsquelle aufweisen. Vorstudien belegen bereits das Auftreten verschiedener Speziestransformationsprozesse im Boden und Grundwasser und einer damit verbundenen Variation der Hg-Isotopie. Wir postulieren, dass die Hg-Isotopensignaturen im Boden und Grundwasser Hg-Speziestransformationsprozesse abbilden und somit eine Bestimmung dieser Prozesse an Fest-/Flüssigphasengrenzen sowie zwischen verschiedenen Hg-Festphasen-Pools möglich ist. Neben der Untersuchung umfangreicher Grundwasser - und Bodenproben sollen Labor-versuche zur Bestimmung der Hg-Fraktionierung während einzelnen Speziesumwandlungs-prozessen durchgeführt werden. Für ein tieferes Verständnis der biogeochemischen Prozesse der Hg-Speziesumwandlung im Grundwasser soll, basierend auf den gewonnenen Daten, darüber hinaus ein Modell zum reaktiven Hg-Transport im Grundwasser entwickelt werden, das auch die Implementierung der Isotopenfraktionierung beinhaltet. Die erstmalige Kombination von Hg-Speziationsverfahren (Pyrolyse-Thermodesorption) und der Hg-Isotopenbestimmung (Kaltdampf-MC-ICP-MS) in Flüssig-, Fest-, und Gasproben wird unsere Möglichkeiten die Mobilität und Speziation von Hg, nicht nur in den untersuchten kontaminierten Systemen, sondern auch in unbelasteten Boden-Grundwassersystemen signifikant verbessern. Im Gegensatz zur Anwendung von Hg-Isotopendaten zur Ermittlung von Kontaminationsquellen ist die Verwendung als Prozessanzeiger bisher nicht beschrieben. Zudem liegen in der Fachliteratur keine Daten zur Hg-Isotopie in Grundwässern vor.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1158: Antarctic Research with Comparable Investigations in Arctic Sea Ice Areas; Bereich Infrastruktur - Antarktisforschung mit vergleichenden Untersuchungen in arktischen Eisgebieten, Biodiversität von Mikroalgen- und Cyanobakteriengesellschaften in Böden der Antarktis: Veränderungen entlang Entwicklungsstadien von Böden und abiotischen Variablen sowie Testen auf Endemismus und geographische Verbreitung

Antarktische Böden sind ideal geeignet, um bisher unerforschte besondere Eigenschaften von Bodenmikroalgen und -cyanobakterien zu untersuchen. Dazu gehören das Aufdecken von Pinionierarten bei der Besiedlung junger nährstoffarmer Böden sowie die Entwicklung von Mikroalgengesellschaften im Boden unbeeinflusst von anthropogenen Störungen oder dem Einfluss einer Deckschicht von Gefäßpflanzen. Zentrales Forschungsthema des Projektes ist es mögliche Korrelationen in Veränderungen der Algen- und Cyanobakteriengesellschaften mit verschiedenen Entwicklungsstadien der Böden, Stadien der (biogenen) Verwitterung sowie einer Reihe von abiotischen Bodenparametern zu untersuchen. Die Analysen werden die Rolle der Mikroalgen und Cyanobakterien bei der Bereitstellung von photosynthetischer Energie für Verwittungsvorgänge in jungen Böden als auch ihre Beiträge zu geochemischen Zyklen in den Böden aufklären. Schließlich werden die Analysen Rückschlüsse auf funktionelle und ökophysiologische Eigenschaften der Antarktischen Bodenalgen erlauben. Außerdem wird untersucht, ob die geographische Abgeschiedenheit der Antarktis und ihre besonders rauen Umweltbedingungen die Ausbildung besonders angepasster Antarktischer Populationen von Bodenalgen ermöglicht haben, die auf genotypischer Ebene unterschiedlich von ihren Entsprechungen der gemäßigten Breiten sind. Es werden mit Schwerpunkt Bodenproben entlang von Chronosequenzen aus Antarktischen Gletschervorfeldern der Maritimen Antarktis und dem Östlichen Antarktischer Kontinent, aber auch der trockeneren Polygonböden des Coal Nunatak untersucht. Die Proben wie auch die Bestimmung ihrer abiotischen Parameter werden durch Kooperationen innerhalb des SPP 1158 zur Verfügung gestellt. Unsere ersten Gruppen-spezifischen PCR-Amplifikationen zeigen bereits das Vorhandensein von Vertretern der Chlorophyta, Klebsormidium und Xanthophyceae in verschiedenen Bodenentwicklungsstadien entlang zweier Chronosequenzen aus Gletschervorfeldern.

Bioaccessibility of phosphorus in the subsoil (SubsoilP)

Soil porewater chemistry survey of European peatlands

Porewater and soil samples were collected from 64 natural and rewetted peatlands across Germany (47 sites), Poland (5), Estonia (6), Scotland (3), Sweden (2), and Georgia (1) between 1997 and 2017. A total of 812 anoxic porewater samples were taken from water-saturated soil layers (0–0.6 m depth) using dialysis samplers along 10–20 m transects (Hesslein, 1976). Selected fen sites were monitored for 10–20 years post-rewetting to assess seasonal and long-term nutrient dynamics. The peatlands varied in drainage history and land use intensity, resulting in different degrees of decomposition in the upper peat layers (0–0.4 m depth). The dialysis sampling technique enabled unbiased sampling of oxygen-sensitive dissolved solutes and provided vertical concentration profiles of porewater chemistry (Zak et al., 2004). The data were used to compare porewater composition between rewetted and natural peatlands (bogs and fens), (ii) evaluate the influence of peat characteristics on porewater chemistry in rewetted sites, (iii) examine seasonal variations in nutrient concentrations in rewetted fens, and (iv) assess long-term changes in porewater composition following rewetting.

Site information for porewater chemistry survey of European peatlands

The study investigates the chemical and physical characteristics of porewater and soil samples from peatlands across 64 sites in Germany, Poland, Estonia, Scotland, Sweden, and Georgia sampled between 1997 and 2017. The sites covers oceanic (Cfb, Cfc) and continental (Dfb, Dfc) climate zones and include both minerotrophic fens and ombrotrophic bogs. Fens were further classified into poor and rich types based on acidity and floristic composition, with rich fens characterized by higher pH and calcium concentrations due to mineral-rich groundwater inputs. The study also distinguishes between natural sites with stable near-surface water tables and rewetted sites previously subjected to drainage and agricultural use.

Soil chemistry and soil bulk density data from restored grasslands and reference sites in Germany

This dataset provides information on soil chemistry and soil bulk density as part of the Grassworks project, which investigates the restoration of species-rich grasslands in Germany. Grasslands are globally threatened ecosystems, and the project aims to identify factors that contribute to successful restoration, focusing on ecological complexity and stakeholder engagement. Data was collected from 187 grassland sites across three regions in Northern, Central, and Southern Germany, each with distinct socio-economic and ecological characteristics. Sampling occurred between 2022 and 2023 and included 40–41 restored grassland sites and 20–25 reference sites (10–12 positive, 10–13 negative) per region. At each site in March or early April at each vegetation plot per subtransect, we took soil samples (pooled from six soil cores, 20 mm diameter) that were further pooled into one sample per site (24 in total) and analyzed for total soil organic carbon (SOC), total nitrogen content, pH, and soil texture. Additionally, soil bulk density was measured at vegetation plots per site, to enable future assessment of carbon sequestration over time. Soil and bulk density samples were taken at two depths: 0–10 and 10–30 cm.

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