Verkarstete, zerklüftete unterirdische Aquifere sind wichtige Trinkwasserquellen. Der Einsatz von Düngemitteln in der Landwirtschaft hat jedoch zu einer Nitratinfiltration geführt. Der Konsum von nitrathaltigem Trinkwasser könnte zu gesundheitlichen Problemen führen, und die Europäische Union hat festgelegt, dass die Stickstoffkonzentration im Trinkwasser weniger als 50 mg/L betragen muss, um trinkbar zu sein. In landwirtschaftlich genutzten Regionen liegen die Nitratkonzentrationen jedoch häufig über diesem Grenzwert. So wurden beispielsweise im Einzugsgebiet der Ammer (Deutschland) Nitratkonzentrationen von bis zu 60 mg/l gemessen, während die Abflussgebiete nur 1 mg/l Nitrat enthielten. Diese Konzentrationsunterschiede lassen auf eine intensive Denitrifikation schließen. In unterirdischen oligotrophen Umgebungen können Mikroorganismen die Nitratreduktion mit der Eisen-/Schwefeloxidation koppeln. Die Bestimmung räumlicher Hot Spots, in denen Mikroben eine wichtige Rolle bei der Denitrifikation im Untergrund spielen, ist eine Herausforderung, und es ist daher nicht bekannt, ob die Denitrifikation nur in Klüften oder auch in der porösen Gesteinsmatrix stattfindet. Wir haben Gesteinskerne aus 70 m Tiefe entnommen - der gesättigten Zone der Bronnbachquelle (Deutschland). Das einzigartige Bohrloch ohne Verrohrung diente der Errichtung einer Grundwassermessstelle. Das erste Ziel dieses Projekts besteht darin, die Taxonomie und die funktionellen Fähigkeiten der denitrifizierenden Mikroorganismen zu bestimmen, die das Karbonatgestein bewohnen. Das zweite Ziel ist die Charakterisierung der mikrobiellen Besiedlung Pyrit-haltiger künstlicher und natürlicher poröser Gesteinsmatrixen und der Pyritoxidationsrate durch Laborexperimente. Für diese In-vitro-Studie werden Mikroorganismen verwendet, die zuvor aus Karbonatgestein angereichert wurden und die die Nitratreduktion mit (Eisen/Schwefel)-Oxidation verbinden. Das dritte Ziel besteht darin, die In-situ-Pyrit-Oxidationsrate in den künstlichen und natürlichen porösen Gesteinsmatrixen zu bestimmen. Dies wird durch die langfristige Inkubation von Pyrit-haltigen mikrobiellen Fallen (MTDs; mit Gesteinsmatrixen) im neu installierten Grundwasserbrunnen und durch die Überwachung der Veränderungen in der Zusammensetzung und der Funktionen der mikrobiellen Gemeinschaften, die die MTDs besiedeln, erreicht. Mittels der kombinierten Ergebnisse der Feld- und Laborarbeiten werden wir Folgendes ermitteln: i) die ökologischen Nischen der nitratreduzierenden Mikroorganismen im Grundwasserleiter des Einzugsgebiets der Bronnbachquelle, ii) die wichtigsten Mikroorganismen, die für den Nitratumsatz verantwortlich sind, iii) die Stoffwechseleigenschaften und Funktionen der nitratreduzierenden Mikroorganismen, iv) das Potenzial der Denitrifikanten, die poröse Gesteinsmatrix zu besiedeln, v) die Faktoren, die die Effizienz der Denitrifikation beeinflussen, und v) die Pyritoxidationsrate innerhalb der porösen Gesteinsmatrix.
Um aktuelle Umwelt- und Klimaveränderungen in einem längeren zeitlichen Kontext bewerten zu können, insbesondere anthropogene und natürliche Einflüsse auf den atmosphärischen Aerosoleintrag in die Atmosphäre zu verstehen, werden Informationen über die Zusammensetzung der Atmosphäre in der Vergangenheit benötigt. Eisbohrkerne aus den Polarregionen oder Gletschern sind wertvolle Umwelt- und Klimaarchive, da sie unter anderem das mit dem Schnellfall deponierte Aerosol enthalten. Daher kann die Analyse von partikel-gebundenen Spurenstoffen in Eisbohrkernen stoffliche Informationen über zurückliegende Umwelt- und Klimabedingungen liefern. Bis heute konzentrieren sich diese Bemühungen auf anorganische Substanzen und nur wenige organische Analyten. Ein Großteil der in diesen Bohrkernen enthaltenen Informationen geht dadurch verloren. Dies charakterisiert das Hauptziel des Vorhabens, durch Erarbeitung organischer spurenanalytischer Methoden basierend auf LC-HRMS (Flüssigchromatographie in Kombination mit hochauflösender Massenspektrometrie) eine ausgewählte Palette von Markersubstanzen zu quantifizieren. Zielmoleküle sind insbesondere neue Marker für biogene sekundäre organische Aerosole (biogenic SOA) und Biomasseverbrennungs-Marker. Die Auswahl dieser Verbindungen basiert einerseits auf dem zu erwartenden Informationsgewinn über die Quellen und deren Zusammensetzung (terrestrische Vegetation/Waldbrände), andererseits auf der atmosphärischen Lebensdauer der Marker, da nur langlebige Marker weit entfernt liegende Regionen erreichen können. Zusätzlich zur Analyse dieser Zielanalyten sollen auch ââ‚ Ìnon-target screening-Methoden zum Einsatz kommen. In enger Zusammenarbeit mit einem etablierten Eisbohrkernlabor am PSI in der Schweiz werden die entwickelten Analysetechniken auf einen Eisbohrkern aus dem Belukha-Gletscher im Sibirischen Altai Gebirge angewendet.
Das primäre Forschungsziel des Projekts ist das Verständnis der biotischen und abiotischen Prozesse, welche die molekulare Zusammensetzung von gelöstem organischem Material (engl. DOM) in tiefen, hydrothermal beeinflussten Sedimenten bestimmen. Hierzu steht uns bereits ein umfassender Satz von Porenwasser- und Sedimentproben aus dem Guaymas-Becken zur Verfügung, die im Rahmen der IODP-Expedition 385 (Sep. - Nov. 2019) erbohrt wurden. Die Proben wurden aus bis zu 500 Meter langen Bohrkernen von acht Bohrlokationen gewonnen, die unterschiedliche hydrothermale Gradienten aufweisen. Durch die Bestimmung der molekularen Zusammensetzung von Porenwasser-DOM und Wasser-extrahierbarem organischem Material aus dem Sediment sollen deren hydrothermale und mikrobielle Überprägung erfasst werden. Mit Hilfe von ultrahochauflösender Massenspektrometrie (FT-ICR-MS), modernen molekularbiologischen Methoden und Kohlenstoff-Isotopen-Analyse sollen aktuelle Wissenslücken zu den molekularen Eigenschaften von DOM in tiefen Sedimenten geschlossen werden. Wir werden 1) die molekulare Zusammensetzung von DOM in Organik-reichen, hydrothermal geprägten Sedimenten im Vergleich zu unbeeinflussten Sedimenten charakterisieren und 2) die Verbindung zwischen der molekularen Zusammensetzung des DOM mit dem mikrobiellen Stoffwechsel in der tiefen Biosphäre entlang von Temperatur- und Redoxgradienten entschlüsseln. Die Ergebnisse sollen zudem mit Proben aus der Wassersäule verglichen werden, die während einer FS Atlantis-Ausfahrt zum Guaymas-Becken im Jahr 2018 gewonnen wurden, um den Transport von hydrothermalen DOM in die Tiefsee zu untersuchen. Im Rahmen des Projekts werden die folgenden Hypothesen getestet: I) Die hydrothermale Aufheizung tiefer Sedimente erzeugt und setzt große Mengen von reaktivem und refraktärem DOM frei, II) Hydrothermales thermogenes DOM (engl. dissolved black carbon, DBC) trägt zur stabilen Kohlenstoff-Isotopensignatur mariner Prägung und zum Radiokarbonalter des refraktären ozeanischen DBC bei, und III) die Struktur der mikrobiellen Gemeinschaft in der Tiefen Biosphäre wird durch die geochemischen und thermalen Gradienten beeinflusst und hängt mit spezifischen reaktiven, hydrothermal erzeugten DOM-Verbindungen zusammen. Insgesamt bietet das Projekt die einmalige Gelegenheit, die Biogeochemie von DOM entlang hydrothermaler Gradienten in tiefen Sedimenten, aber auch im Übergang von Lithosphäre zur Hydrosphäre zu untersuchen.
Die Antarktis ist ein wesentlicher Bestandteil des Klimasystems: Die enorme Menge an Eis interagiert mit der Atmosphäre und dem Ozean und hat einen entscheidenden Einfluss auf das Strahlungsbudget der Erde und auf die ozeanische und atmosphärische Zirkulation. Aufgrund der verhältnismäßig kurzen Verfügbarkeit instrumenteller Aufzeichnungen, wird die Signatur des Klimawandels in der Zentralantarktis durch starke natürliche Klimavariabilität maskiert. Deutlich aussagekräftigere Werte kann die Auswertung von Eisbohrkernen liefern, in denen die gemessene Isotopenzusammensetzung belastbare Informationen über vergangene Klimaentwicklungen sowohl auf kurzen Zeitskalen (anthropogene Periode) wie langen Zeitskalen (Eis- / Warmzeitzyklen) zulässt. Dies ermöglicht es, die gegenwärtigen Temperaturschwankungen der Antarktis im Kontext der letzten Jahrtausende einzuordnen und vergleichbaren Szenarien gegenüberzustellen. Dabei wird die Interpretation des Wasserisotopensignals, insbesondere bei hoher zeitlicher Auflösung, durch bisher noch nicht vollständig verstandene Prozesse während der Deposition an der Oberfläche und Archivierung des Signals im Eis eingeschränkt. Diese Einflüsse spielen speziell bei Untersuchungen auf dem ostantarktischen Plateau eine erhebliche Rolle.Das hier vorgestellte Projekt untersucht die Archivierung des Klimasignals in der Isotopenzusammensetzung in der Region von Dome C, in der die längsten verfügbaren Eisbohrkerne der Welt vorliegen. Ziel ist es, die Fähigkeit zur Rekonstruktion früherer Klimaschwankungen zu verbessern, indem genauer untersucht wird, wie Klimaschwankungen die Isotopenzusammensetzung im Eis prägen. Dies wird erreicht, indem Rauschquellen identifiziert werden, welche das Klimasignal in der Eisisotopen-zusammensetzung maskieren und verzerren, hier insbesondere das stratigraphische Rauschen, das durch eine kleine (<5m) Dekorrelationslänge gekennzeichnet ist, und das Rauschen durch unregelmäßigen Niederschlag, welches durch eine große (>100km) örtliche Dekorrelationslänge gekennzeichnet ist. Die Untersuchung basiert dabei auf zwei Methoden. Einem mechanistischen Ansatz bei dem die Ergebnisse einer einjährigen Messung des Wasserdampf-Schnee Isotopenaustauschs verwendet werden, wird die statistische Analyse der Schneeisotopenvariablilität gegenübergestellt, die auf eine große Anzahl statistisch auswertbarer Daten aus der Dome C Umgebung zurückgreifen kann. Durch diese vergleichende Auswertung kann ein besseres Prozessverständnis erreicht werden, welches es erlaubt Wasserisotope als genaueren Indikator für Klimaentwicklungen nutzen zu können. Die Arbeit nutzt modernste Analyseverfahren der Infrarotspektroskopie sowie fortgeschrittene statistische Verfahren. Sie basiert auf der Zusammenarbeit mit anderen Instituten durch Wissensaustausch und gemeinsame Feldarbeiten. Das Projekt wird wesentliche Verbesserungen beim Verständnis der Prozesse ermöglichen, welche die Isotopensignale in Eisbohrkernen prägen.
In Folge des globalen Klimawandels hat sich die Meereisdecke in der Arktis dramatisch verändert. Im derzeitigen Zustand spielt die arktische Eisdecke eine wichtige Rolle; so schirmt sie das Oberflächenwasser, die sogenannte arktische Halokline (Salzgehaltsschichtung), von der Erwärmung durch die sommerliche Sonneneinstrahlung ab. Zudem wird die Halokline durch die Salze, welches beim Gefrierprozess des Meerwassers aus der Kristallstruktur austritt, gebildet und stabilisiert. Gleichzeitig wirkt die Halokline als Barriere zwischen der Eisdecke und dem darunter liegenden warmen atlantischen Wasser und trägt so zum Erhalt der arktischen Meereisdecke bei. Dieses Gleichgewicht ist nun durch die insgesamt wesentlich dünnere arktische Meereisdecke und ihre verringerte sommerliche Ausdehnung gestört. Im Meerwasser sind zudem Gase und biogeochemisch wichtige Spurenstoffen enthalten. Diese werden durch die Gefrierprozesse eingeschlossen, beeinflusst und wieder ausgestoßen. So beeinflusst die Meereisdecke die Gas- und Stoffflüsse zwischen Atmosphäre, Eis und oberer Wasserschicht. Durch die Eisbewegung findet außerdem ein Transport statt z.B. in der sogenannten Transpolarendrift von den sibirischen Schelfgebieten, über den Nordpol, südwärts bis ins europäische Nordmeer. Nun wird mit den weitreichenden Veränderungen des globalen und arktischen Klimawandels bereits von der „neuen Arktis“ gesprochen, da angenommen wird, dass sich die Arktis bereits in einem neuen Funktionsmodus befindet. Dabei ist jedoch weitgehend unbekannt wie dieses neue System funktioniert, sich weiterentwickelt und wie sich dies auf die Eisbildungsprozesse und damit die Stabilität der Halokline und die damit verbundenen Gas- und Stoffflüsse auswirkt. Für solche Untersuchungen werden über den Jahresverlauf Proben der oberen Wassersäule und der Eisdecke benötigt. Ermöglicht wird dies durch die wissenschaftliche Initiative MOSAiC. Mithilfe der stabilen Isotope des Wassers (?18O und ?D) aus dem Eis und der Wassersäule kann Rückschlüsse auf die Herkunftswässer und den Gefrierprozess gezogen werden und diese Ergebnisse sollen in direkten Zusammenhang mit Gas- und biogeochemischen Stoffuntersuchungen (aus Partnerprojekten) gesetzt werden. Dabei können z.B. Stürme, Schmelzprozesse, Schneebedeckung, Teichbildung und Alterungseffekte des Eises eine Rolle spielen. Untersucht wird parallel die Veränderung der Wassersäule welche z.B. durch Wärmetransport, wiederum die Eisdecke beeinflussen kann.Diese prozessorientierten Untersuchungen der saisonalen Eisbildungsprozesse in Eis und Wassersäule der zentralen Arktis, werden einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Stabilität der arktischen Halokline und der arktischen Gas- und Stoffflüsse liefern. Da sich die Gase und Stoffe nicht-konservativ verhalten, während die Isotope im Gefrierprozess konservativ sind, erwarten wir aus der Diskrepanz wiederum wichtige Informationen z. B. über wiederholtes Einfrieren von Süßwasserbeimengungen ableiten zu können.
Die Moore im Bereich der Hornisgrinde (Nordschwarzwald) werden kartiert und oekoogisch relevante Parameter des Moorwassers werden gemessen. Anhand von Bohrkernen aus den Mooren werden durch Pollen, Grossreste und Geochemie die Entwicklung der Moore und ihrer Umgebung sowie die Einfluesse durch die Besiedelung der Region untersucht.
Der Melvillesee ist ein Fjordsee, der sich in der letzten Eiszeit am Rande des hochdynamischen Laurentidischen Eisschildes (LIS) befand. Die obersten 10 m der insgesamt ca. 300-400 m Seesedimente haben die postglaziale Geschichte der letzten 10000 Jahre aufgezeichnet. In diesem dicken Sedimentpaket dürfte der See die Klimageschichte bis weit zurück vor das letzte Glazial gespeichert haben und würde sich daher als exzellentes Klimaarchiv anbieten. Um diesen Sachverhalt zu klären, wurde im Sommer 2019 eine Expedition mit dem FS Maria S. Merian (MSM84) unternommen. Während dieser Expedition wurden Sedimentkerne gezogen sowie ein dichtes Netz von hydroakustischen Messungen durchgeführt. Anhang der Sedimentkerne und der Sedimentecholot-Daten kann man fünf verschiedene Schichten im Untergrund des Sees erkennen: (I) post-glaziale Sedimente; (II) Sedimente aus der Zeit des Eisrückzuges; (III) Sedimente, die mit großer Wahrscheinlichkeit in einem subglazialen See unterhalb des aufschwimmenden LIS abgelagert wurden. Darunter finden sich (IV) wiederum schön geschichtete Sedimente, die aus einem früheren eisfreien Zeitraum stammen dürften, vermutlich MIS5, MIS4 oder die erste Hälfte des MIS3. Als unterste Schichte ist das Grundgestein (V) zu erkennen. Unsere Sedimentkerne enthalten Sedimente aus I und II sowie aus dem obersten Bereich von III. Im Rahmen dieses Projektes schlagen wir vor, die post-glazialen Sedimente sowie diejenige vom Rückzug des LIS genauer zu untersuchen, um daran Paläoklimaschwankungen sowie die Rückzugsgeschichte des LIS zu rekonstruieren. In einem zweiten Schritt möchten wir auch die Sedimente analysieren, die vom subglazialen See zu stammen, um diesen besser zu charakterisieren und um zu testen, ob auch diese Sedimente Klimaschwankungen aufgezeichnet haben. Um diese Fragen zu beantworten, werden wir die Sedimentkerne zuerst mit zerstörungsfreien Methoden wie CT-Scanning, Multisensor-Core-Logging und XRF-Scanning untersuchen. Danach werden ausgewählte Kernabschnitte beprobt. Mit Hilfe von Radiokarbondatierungen und paläomagnetischen Messungen werden wir ein Altersmodell erstellen können. Mit einer Kombination der zerstörungsfreien Messungen mit Einzelprobenmessungen (TIC, TOC, Korngröße, XRD, WD-XRF) werden wir die in den Kernen enthaltene paläoklimatologische Information entschlüsseln. Hierbei werden wir einen Schwerpunkt auf die Entwicklung von Proxies legen, die geeignet sind, die vergangenen Vorstöße und Rückzüge des LIS zu rekonstruieren. Falls wir zeigen können, dass die Sedimente des Melvillesees tatsächlich ein Archiv für Klimageschichte auch jenseits des Holozäns sind, dann empfiehlt sich der See als ein Hauptziel einer zukünftigen amphibischen Tiefbohrung von IODP und ICDP. Diese würde mit dem Ziel abgeteuft, die Dynamik des LIS zu rekonstruieren.
Durch die Klimaerwärmung der letzten Jahrzehnte hat sich der Eismassenverlust des Antarktischen Eisschildes (AIS) verstärkt. Das ist gesellschaftlich relevant, da der globale Meeresspiegel in naher Zukunft substantiell ansteigen könnte. Eine Reihe wissenschaftlicher Disziplinen versuchen daher den Istzustand des AIS besser zu verstehen, um fundierte Prognosen für die Zukunft liefern zu können. Im Projekt AIS-DIS würden wir gerne die Dynamik des AIS für Schlüsselzeiträume der Vergangenheit besser verstehen, damit Modelle kalibriert und künftige Vorhersagen verbessert werden können. Wir werden unsere Studien auf den letzten glazialen Zyklus konzentrieren, und zwar speziell auf die Terminationen 1 und 2, da der Eismassenverlust während dieser natürlichen Klimaerwärmungen am größten war. Unsere Untersuchen sollen sich auf die sog. Iceberg Alley konzentrieren. Es handelt sich dabei um ein einzigartiges Portal durch das die meisten Eisberge, die von der Antarktis abbrechen, hindurchdriften und dann über unseren Kernstationen abschmelzen. Deswegen ist dies die einzige Region, in der ein repräsentatives und integriertes Signal des Antarktischen Eismassenverlustes durch die Zeit hinweg gewonnen werden kann. Während der IODP Expedition 382 werden zum ersten mal lange Bohrkerne aus der Iceberg Alley entnommen. Wir möchten gerne die oberen 80-120 m an vier Kernstationen innerhalb des Scotia-Meeres untersuchen (zwei aus dem Pirie-Becken und zwei aus dem Dove-Becken). Unser Ziel ist es, Zeitpunkt, Geschwindigkeit und Ausmaß der Eismassenverlustes zu entschlüsseln. Das soll hauptsächlich dadurch erreicht werden, dass Eisberg transportiertes Material (IBRD) analysiert wird - grobkörnige Sedimentpartikel, die im Eisberg eingeschlossen sind, beim Schmelzen losgelassen werden, und schließlich im Sediment des tiefen Ozeans abgelagert und archiviert werden. Zunächst werden wir jüngst dokumentierte Staub-Klima Kopplungen implementieren und zwar durch die Korrelation von magnetischer Suszeptibilität, Ca und Fe zu Staubanzeigern antarktischer Eiskerne. Dadurch sollen hochauflösende Altersmodelle für die letzten ca. 140 ka etabliert werden. Anzeiger für IBRD sollen anhand von 2D-Radiographien, Korngrößenanalysen und XRF-Scandaten gewonnen werden. Um unsere Ergebnisse in einen größeren paläoklimatischen Kontext zu stellen, wollen wir weiterhin die sog. Fourier Transformierte Infrarot Spektroskopie sowie Farbreflexionsmessungen (L*a*b*) einsetzen. Durch die Zusammenarbeit mit weiteren Wissenschaftlern der IODP Expedition 382 sollen unabhängige Altersangaben anhand von Aschen und der Relativen Paläointensität geliefert werden sowie die Herkunft des IBRD mittels geochemischem Fingerabdruck entschlüsselt werden. Die Resultate des Projektes AIS-DIS sollen weiterhin in Eis-, Ozean-, und Klimamodelle implementiert, und die Ergebnisse als gemeinsame Leistung in hochangesehenen Journalen publiziert werden.
m Rahmen des Kooperationsprojekts zwischen dem Institut für Waldwachstum und der Forstlichen Versuchs- und Forschungsanstalt Baden-Württemberg (FVA) Freiburg werden Bohrkerne von Fichten und Buchen zellstrukturanalytisch untersucht und im Hinblick auf Trockenstressreaktionen in den Jahren 1976 und 2003 ausgewertet. Die Untersuchungsbäume wurden an den Standorten der Bodenzustandserfassung (BZE) in Baden-Württemberg ausgewählt. Die Auswertungen stellen eine wesentliche empirische Grundlage für die Validierung von Geländewassermodellen dar, die im Zusammenhang eines fachübergreifenden Forschungsprojektes zur Klimafolgenforschung an der FVA stehen und zur Quantifizierung von Trockenstress-Intensitäten dienen.
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