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Schwerpunktprogramm (SPP) 1685: Ecosystem nutrition: forest strategies for limited phosphorus resources; Ökosystemernährung: Forststrategien zum Umgang mit limitierten Phosphor-Ressourcen, Die Entschlüsselung von P Quellen mittels Kombination von bottom up und top down Ansätzen zur Modellierung der P Aufnahme

Die Bodenstruktur, das heißt die räumliche Anordnung verschiedener Bodenbestandteile, kontrolliert Größe und Form der Verbindungslinie zwischen P Sorptionsplätzen und den biologischen Akzeptoren bzw. Donatoren im Boden. Die Bildung von Bodenaggregaten kann bodenphysikalisch (Schrumpfen und Quellen) oder biologisch (Bioturbation, biogene Klebstoffe) induziert werden. Derzeit weiß man erst wenig darüber (1) welche Einflüsse die Bildung und die Eigenschaften von Aggregaten in Waldböden steuern, (2) welche Bedeutung die Aggregatbildung für die P-Verteilung im Aggregat hat und (3) welche Konsequenzen sich daraus für P-Verfügbarkeit und Mobilität ergeben. Unsere eigenen Voruntersuchungen deuten darauf hin, dass der Einschluss von P in Bodenaggregate die P Verfügbarkeit in Böden mit geringer biologischer Aktivität herabsetzt. Unser Ziel ist es Wechselwirkungen zwischen der P Ernährungsstrategie, der Aggregatbildung und der P-Verteilung im Aggregat zu untersuchen. Unsere Hypothese ist, dass Aggregat turnover, die P-Diffusion im Aggregat und der P Eintrag auf die Aggregatoberfläche die P Verteilung steuern. Aufgrund dieser Zusammenhänge erwarten wir die stärkste Anreicherung von P auf der Aggregatoberfläche auf Standorten mit mittlerer P-Verfügbarkeit.Um diese Hypothese zu prüfen, untersuchen wir Aggregateigenschaften, Aggregat turnover und die P-Verteilung im Aggregat auf den SPP Versuchsstandorten. Wir verwenden Mikrodialyse um P-Diffusion im Freiland messen zu können. Zusätzlich werden Perkolationsexperimente mit unterschiedlich stark gestörten Bodenaggregaten durchgeführt. Unser Projekt wird dazu beitragen, Standortbedingungen zu identifizieren unter denen die Bodenstruktur besonders wichtig ist für die P-Verfügbarkeit. Die Bedeutung ökologisch kontrollierter Bodenarchitektur für die P-Verfügbarkeit wird analysiert.

Modellentwicklung zur regionalen Vorhersage der N2O-Emissionen aus bodenchemischen und bodenphysikalischen Parametern unter spezieller Berücksichtigung des oberflächennahen N2O-Gehaltes in Böden

Bisherige Ansätze zu Modellierung von Lachgasemissionen haben noch zu keinen zufriedenstellenden Ergebnissen geführt bzw. die Validierung von Modellen steht noch aus, da u.a. die Bestimmung der Gasdiffusion im Oberboden sowie der Gasübergang in Atmosphäre schwierig bestimmbar ist. Wir stellen für diesen Schritt einen empirischen Modellansatz zur Vorhersage von Lachgasemissionen aus oberflächennahen N2O-Gehalten des Bodens vor, der im Rahmen des Projektes zu einer allgemeinen Anwendbarkeit weiterentwickelt werden soll. Hierbei werden über empirische Transferfaktoren, die in Abhängigkeit von Bodenart, Wassergehalt und Temperatur ermittelt werden, die Emissionen aus Gasgehalten im Boden berechnet. Zur einfachen Bestimmung des N2O-Gehaltes im Oberboden steht ein in unserem Hause entwickeltes neuartiges Bodenprobenahmegerät zur Verfügung. Die Einfachheit der Probenahme und gleichzeitige Erfassung von Gas im Boden sowie den steuernden Größen Nmin und DOC, erlaubt zudem ein Monitoring der Spurengasemissionen auf regionaler Ebene sowie die Validierung bestehender Modelle.

Spätquartäre Kohlenstoffisotopie des CO2 der Bodenluft im Spiegel pedogener Karbonate

Die Böden terrestrischer Ökosysteme sind ein wichtiger Steuerungsfaktor der CO2-Konzentration in der Erdatmosphäre. Bei Modellierung von globalen CO2-Zyklen ist die Forschung der klimarelevanten Gase auf eindeutige Vorstellungen von der Kohlenstoffisotopie des CO2 der Bodenluft und ihrer Veränderungen angewiesen. Die bis heute vorhandenen Daten umfassen nur eine relativ kurzfristige Dynamik (Stunden bis Monate). Die Fragen nach den langfristigen Fluktuationen (Jahrtausende) der d13CWerte im bodenbürtigen Kohlendioxid und den sie kontrollierenden Faktoren sowie nach dem Zusammenhang mit dem CO2-Haushalt der spätquartären Atmosphäre bleiben offen. Ziel des Vorhabens ist es, die pedogenen Karbonate als Archive der langfristigen, spätquartären d13C-Dynamik des CO2 der Bodenluft zu untersuchen. Dem Arbeitskonzept liegen Modellvorstellungen der Produktion und Diffusion der 13CO2 im Boden zugrunde. Bei den Forschungsobjekten handelt es sich um laminierte Kalkablagerungen (Kalkkutanen) an Steinen aus holozänen Böden (Mediterraneis, Mitteleuropa, Sibirien) und sekundäre Karbonate aus spätpleistozänen Löss-Paläoboden-Sequenzen (Mitteleuropa). Die Untersuchungsmethoden: d13C, d18O, 14C-Altersbestimmung und Mikromorphologie. Bei der Auswertung der Ergebnisse sollen die Ursachen der langfristigen 13CO2-Dynamik der Bodenluft und die sie kontrollierenden Faktoren im Zentrum stehen.

Dispersion von Meereis unter Nutzung der Lagrangeschen Betrachtungsweise: Eine Studie dynamischer Systeme

Beobachtungen zeigen drastische Veränderungen in der Arktis bedingt durch den Klimawandel. In den Regionen, in denen der Anteil des mehrjährigen Eises an der Eisdecke abnimmt, weist das Meereis erhöhte Driftgeschwindigkeiten auf, da das dünnere und mechanisch schwächere einjährige Eis stärker auf den Windantrieb reagiert.Ein besseres Verständnis der Meereisdynamik ist daher notwendig um dessen Entwicklung und Variabilität im Zuge des Klimawandels besser vorhersagen zu können. Insbesondere auf lokaler Skala hängt die dynamische Entwicklung des Meereises von seiner Belastung und Deformation ab, welche umgekehrt wieder für die Veränderung des Eises, beispielsweise für das Aufbrechen der Eisdecke und für die Dispersion des Eises verantwortlich sind.In dieser Studie planen wir die Kinematik des Meereises anhand der Finite Scale Lyapunov Exponents (FSLEs) durch Beobachtungen von auf dem Meereis ausgebrachten Bojen zu untersuchen. Zunächst werden statistische Methoden zur Ausbreitung von Partikeln, wie Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen und Frequenzspektren, analysiert. Die FSLEs können beispielsweise für eine Charakterisierung von Dynamiken, welche eine vielskalige Natur besitzen, wie es bei Meereis der Fall ist, genutzt werden. Die Tatsache, dass die FSLEs die Einheit Hertz haben, lässt den Rückschluss zu, dass diese als Indikator für die Vorhersagbarkeit der Strömung genutzt werden können: Das Inverse stellt eine typische Zeitskala für die Separation von Teilchen und daher auch für die Deformierung von Meereis dar. FSLEs stehen außerdem in direktem Zusammenhang mit der horizontalen Dispersion von Teilchen (Bojen) und können anzeigen, ob die Separation der Bojen im Laufe der Zeit exponentiell (chaotisch) oder linear (diffusiv) verläuft oder ob sie einer anomalen Diffusion unterliegt. Die Wiederholung der Berechnungen für unterschiedliche Regionen und Jahre wird hoffentlich die Abhängigkeit der dynamischen Merkmale von unterschiedlichen klimatischen Bedingungen aufzeigen.

Abiotischer Abbau und Diffusion chlorierter Lösemittel in Fe2+-haltigen ungestörten Kalksteinen und Tonsteinen

Langsame Diffusionsprozesse von Schadstoffen in geringdurchlässigen wasser-gesättigten Gesteinen sind ein wesentlicher Grund für den beschränkten Erfolg vieler Untergrundsanierungen. Zu den immer noch wichtigsten Schadstoffen im Grundwasser zählen die chlorierten Lösemittel, die trotz jahrzehntelanger Sanierungsanstrengungen inzwischen lange Fahnen im urbanen Raum ausbilden. Eine langsame Diffusion bedingt aber auch lange Aufenthaltszeiten in der Gesteinsmatrix und damit können langsame abiotische Abbaumechanismen zum Tragen kommen, die auf Fe2+-haltige Mineralien wie z.B. Eisensulfide, Magnetit oder Phyllosilikate zurückgehen, und bei der Einschätzung des natürlichen Abbaupotentials berücksichtigt werden sollten. Ziel dieses Vorhabens ist es daher, die Transformation von Tri- und Perchlorethen während der Diffusion in Gesteinsproben geklüfteter Aquifere und Aquitarde zu quantifizieren. Weil die Reaktionsraten der Ausgangssubstanzen sehr wahrscheinlich zu klein sind, um im Labor gemessen werden zu können, liegt der Fokus auf der Bestimmung von Transformations- und Abbauprodukten (bspw. teil-chlorierte Ethene, Azetylen, Ethan). Die Experimente zur reaktiven Diffusion müssen mit intakten Gesteinsproben durchgeführt werden, da beim Zerkleinern reaktive Mineralober-flächen (z.B. bei Quarz und Pyrit) entstehen könnten, die zur Dehalogenierung der Ausgangssubstanzen führen könnten. Im Unterschied zu früheren Studien sollen hier die für die Reaktivität verantwortlichen spezifischen Minerale in der Gesteins-matrix identifiziert werden. Die Ergebnisse sind nicht nur für das Langzeitverhalten von chlorierten Lösemitteln im Grundwasser, sondern generell auch für die Endlagerung von radioaktiven Abfällen oder die chemische Verwitterung (Oxidation) von reduzierten Gesteinen relevant.

Bewertung von Schadensbildern aus Diffusionsvorgängen in Schwimmbecken aus WU-Beton

Mathematische Modellierung der biogeochemischen Prozesse im Wattenmeersediment

In diesem Vorhaben soll ein mathematisches Modell entwickelt werden, das die wichtigsten interagierenden Prozesse nachbildet. Dabei handelt es sich um die konkurrierenden Prozesse der Detritusdegradierung in den verschiedenen Schichten des Sedimentes mit unterschiedlichen Oxidationspotentialen, um die abiotischen und mikrobiologisch ablaufenden Redoxprozesse, um die physikalischen und biologisch induzierten Transportprozesse und um das microbial foodweb . Die Kreisläufe der Elemente C, 0, N, P, Si, S, Fe und Mn sollen mit ihren Massenbilanzen dargestellt werden. Das Modell besteht aus einer Reihe von partiellen Differentialgleichungen (Diffusions-Reaktionsgleichungen) für die Konzentrationen der beteiligten Stoffkomponenten. Dabei werden wir uns auf die vertikale Dimension (bis 30 cm) beschränken. Als Antrieb werden Annahmen über die zeitlich veränderlichen Oberflächenrandbedingungen (Konzentrationen im überstehenden Wasser, Eintrag durch Sedimentation usw.) benutzt. Die Arbeit synthetisiert frühere und gegenwärtig laufende Forschungsaktivitäten zu einem Gesamtbild. Es ist zu erwarten, dass dabei durchaus erhebliche Fortschritte im Verständnis auch der Einzelprozess erreicht werden, weil der Zwang zur konzeptionellen Klarheit in einem mathematischen Modell Wissenslücken und Konsistenzprobleme aufdeckt. Ein wesentliches Nebenprodukt wird die Erarbeitung einer Modellversion herausragend gut verständlicher graphischer Darstellung der Ergebnisse und einfachster Bedienung sein.

C- und N-Rhizodeposition in Erbsenreinsaat und im Gemengeanbau: Räumliche Verteilung, zeitliche Dynamik, mikrobieller Umsatz und Transferprozesse

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Quantifizierung der räumlichen und zeitlichen Verteilung der Rhizodeposition (C und N) von Erbsen und deren Transfer in die mikrobielle Biomasse, in die Folgekulturen und in den Gemengepartner im Feld. Ein Großteil der Ergebnisse zur quantitativen Erhebung der Rhizodeposition basiert auf Gefäßversuchen. Einzelne Untersuchungen weisen auf höhere Werte im Feld hin. Ein wesentlicher Teil dieses Projektes besteht daher aus Feldversuchen zur Quantifizierung (a) der räumlichen und zeitlichen Verteilung der C- und N-Rhizodeposition von Erbsen in Monokultur und im Gemengeanbau, (b) des Einbaus der Rhizodeposite in die mikrobielle Biomasse, (c) des C- und N-Transfers aus der Rhizodeposition in Gemengepartner. Zur Abschätzung der Bedeutung der Mykorrhiza für die Rhizodeposition, sollen zudem Gefäßversuche zur (a) Quantifizierung der C- und N-Rhizodeposition im zeitlichen Verlauf, (b) des Einbaus der Rhizodeposite in verschiedene Bodenkompartimente und (c) des C- und N-Transfers aus der Rhizodeposition in Folgekulturen und Gemengepartner von mykorrhizierten und nicht mykorrhizierten Erbsen durchgeführt werden.

Wirkungen wasserlöslicher organischer Substanzen auf die Stabilisierung und den Abbau organischer Bodensubstanz

Mikrobielle Umsetzungsprozesse im Boden verlaufen fast ausschließlich unter Beteiligung einer gelösten Phase, da alle lebenden Zellen von einem Wasserfilm umgeben sind, durch den Substrate hindurchdiffundieren müssen, oder über den Exoenzyme und andere Exsudate abgegeben werden. Bei der Mineralisierung organischer Substanzen kommt daher der gelösten organischen Substanz (DOM) als Substrat für Mikroorganismen eine entscheidende Rolle zu. In dem Vorhaben wird der Frage nachgegangen, ob bestimmte streu- und wurzelbürtige DOM-Komponenten wie Kohlenhydrate oder Phenole darüberhinaus die mikrobielle Aktivität in einem Maße fördern oder hemmen können, daß von ihnen Auswirkungen auf den Abbau oder die Stabilisierung der organischen Bodensubstanz auftreten können. Zur Untersuchung solcher 'Priming Effekte' sollen umfangreiche Inkubationsversuche durchgeführt werden, bei denen die Wirkung unterschiedlicher gelöster 14C-markierter Einzelverbindungen und von DOM-Lösungen unterschiedlicher 13C-Signatur auf die Mineralisierung von Modellsubstanzen und der organischen Substanz verschiedener Bodenproben ermittelt wird. Ein daraus berechneter Priming Index gibt Auskunft darüber, inwieweit es durch die zugesetzten DOM-Lösungen zu einem verstärkten oder vermindertem Abbau der organischen Bodensubstanz kommt

Mikrobieller Abbau von Nitrilotriacetat (NTA) unter aeroben und denitrifizierenden Bedingungen

Um die Eutrophierung von Oberflaechengewaessern zu verhindern, ist in der Schweiz Phosphat in Waschmitteln seit 1986 verboten. Ein Phosphatersatzstoff ist Nitrilotriacetat (NTA). Da NTA in grossen Mengen (nicht nur via Waschmittel) ins Abwasser gelangt, ist sein biologischer Abbau von primaerer Bedeutung. NTA wird durch Bakterien als Wachstumssubstrat verwendet und zu Biomasse, CO2 und NH4+ umgewandelt. In unserem Labor werden eine Reihe von NTA-abbauenden Bakterien isoliert, taxonomisch charakterisiert und die am Abbau von NTA beteiligten Enzyme isoliert. Das Wachstumsverhalten und die Regulation des Abbauverhaltens von NTA-verwertenden Bakterien wird sowohl im Labor als auch in Klaeranlagen (mit Hilfe von Immunofluoreszenzmarkierung und Diffusionskammern) untersucht. Die Resultate sollen die Voraussage des Abbaus von NTA in verschiedenen Oekosystemen erlauben, und Grundlagenwissen zum Abbau von Schadstoffen allgemein soll erarbeitet werden.

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