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Forschergruppe (FOR) 1525: INUIT - Ice Nuclei research UnIT, Kompositionsanalyse von Eisresiduen mittels der Kombination von Aerosol-Massenspektrometrie mit einem virtuellem Gegenstromimpaktor

Dieser Fortsetzungsantrag eines bestehenden Forschungsprojekts innerhalb der Forschergruppe INUIT (Ice Nuclei Research UnIT) hat zum Ziel, die physikalischen und chemischen Eigenschaften von atmosphärischen Eiskeimen (ice nucleating particles, INP) und Eispartikelresiduen (ice particle residuals, IPR) zu untersuchen. Es werden hauptsächlich zwei Messtechniken eingesetzt: virtueller Gegenstromimpaktor und Laserablationsmassenspektrometrie. Eiskeime (INP) aus atmosphärischem Aerosol werden erst in einem Eiskeimzähler aktiviert, so dass sich Eiskristalle bilden, die dann mit einem bepumpten Gegenstromimpaktor aufgrund ihrer Größe extrahiert und verdunstet werden können. Die freigesetzten INP können wiederum mit dem Massenspektrometer oder anderen Messtechniken untersucht werden. Dieses Experiment wird während einer Feldmesskampagne in der Nähe der Quellen von potentiell guten Eiskeimen (Mineralstaub, Biopartikel, anthropogene Partikel) durchgeführt. Ein geeigneter Kampagnenort hierfür ist die Mittelmeerregion, z.B. Südspanien. Die Eispartikelresiduen werden direkt aus unterkühlten Mischphasenwolken gesammelt. Hierzu wird ein spezieller Eis-Gegenstromimpaktor eingesetzt, der nur Eiskristalle sammelt und von den unterkühlten Wolkentröpfchen trennt. Nach der Sammlung wird das Eis der Eiskristalle verdunstet, so dass die Eisresidualpartikel freigesetzt werden und mittels des Laser- Ablationsmassenspektrometers analysiert werden können. Dieses Experiment wird auf einer Bergstation (Jungfraujoch) durchgeführt. Die Kombination aus Eiskeimzähler, bepumptem Gegenstromimpaktor und Massenspektrometer wird auch unter Laborbedingen zur Bestimmung der Eiskeimfähigkeit von internen und externen Partikelmischungen (z.B. biologisch/mineralisch) betrieben. Das Laserablationsmassenspektrometer in seiner Eigenschaft als Einzelpartikel-Analysegerät wird ebenfalls dazu eingesetzt, um den Mischungszustand der erzeugten Mischpartikel zu charakterisieren.

Mesocosm experiment on the influence of heatwave on plankton

In the context of global change, marine organisms are subjected not only to gradual changes in abiotic parameters, but also to an increasing number of extreme events, such as heatwaves. However, we still know little about the influence of heatwaves on the structure of marine communities, and experimental studies are needed to test the impact of heatwaves alone, and in combination with other environmental drivers. Here, we conducted a mesocosm experiment and applied an integrated multiple driver design to assess the potential impact of heatwaves under ambient and future environmental conditions on natural coastal plankton communities. To represent future environmental conditions, temperature and pH were manipulated based on the Representative Concentration Pathway 8.5 proposed by the IPCC for 2100, and dissolved N:P ratios were increased to simulate the conditions expected in European coastal zones. Throughout the experiment, we measured abiotic conditions as well as the abundance of bacterioplankton, phytoplankton, and microzooplankton.

Light effects on the vertical positioning of the freshwater jellyfish (Craspedacusta sowerbii Lankester, 1880)

We experimentally manipulated the presence of light and light intensity (F = 36.7 μmol m⁻² s⁻¹; D = 0 μmol m⁻² s⁻¹; L = 4.8 μmol m⁻² s⁻¹; M = 21.4 μmol m⁻² s⁻¹) and tested their effects on the vertical positioning of the freshwater jellyfish (Craspedacusta sowerbii) medusae. For the experiments, approximately 100 C. sowerbii medusae were collected in August 2017 in two lakes (Haager Weiher and Leitner Weiher) in Bavaria, Germany. Testing was carried out at Seeon Limnological Station in close vicinity to the collection site. The experimental columns were 7.4 cm in diameter and 170 cm high and were marked with horizontal lines every 5 cm for visual position estimation. Four replicates run in parallel. One C. sowerbii medusa was used in each experimental column. Data cover three light treatments, each run twice: 1) 16:8 h full light (F)–dark (D) light intensity cycles (nF = 716, nD = 428), 2) 16:8 h full light (F)–full dark (D) light intensity cycles complemented with low (L) and medium (M) light intensities (nF = 96, nM = 96, nL = 48, nD = 288), and 3) altered light intensities in approximately 2-hour periods randomly among dark, low, medium, and full light intensities (nF = 96, nM = 76, nL = 72, nD = 336). Results show that light alone was sufficient to trigger a vertical position change of jellyfish towards the water surface, especially high light.

LA-ICP-MS data (Mg/Ca, Sr/Ca and Mn/Ca) of foraminifera from controlled growth experiments

LA-ICP-MS data from three different experiments including five foraminiferal species: Ammonia confertitesta (Bourgenuf, France), Bulimina marginata, Cassidulina laevigata (Gullmard Fjord, Sweden), Amphistegina lessonii and Operculina ammonoides (Eilat, Israel). Foraminifera were cultured at different oxygen concentrations (30% and 100% oxygen saturation). Element to calcium ratio (E/Ca) and partition coefficients (D) of Mg, Mn and Sr are noted for individual laser ablation measurements per specimen.

Strömungsdynamik über ästuarinen Bodenformen

Ziel dieses Projektes ist die Beschreibung von Strömungsmustern über ästuarinen Bodenformen anhand von Rinnenexperimenten und numerischen Simulationen. Bodenformen (Riffel und Dünen) sind weitverbreitete Bestandteile von Flüssen, Ästuaren, Küstengewässern- und Tiefseegebieten. Bodenformen liefern Hinweise auf Richtung und Stärke von Sedimenttransportprozessen, haben einen starken Einfluss auf die über ihnen liegende Strömung und sind zudem von großer sozioökonomischer Bedeutung, z. B. hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Schiffbarkeit der Gewässer. In vielen Ästuaren bilden sich aufgrund der starken Hydrodynamik und der hohen Verfügbarkeit von sandigen Sedimenten große Bodenformfelder. Die Strömung über diesen Bodenformfeldern unterscheidet sich grundlegend von der Strömung über den bekannten, dreieckigen Bodenformen mit einem Neigungswinkel von 30°, die bisher im Fokus von Labor- und numerischen Modellierungsstudien standen. Ästuarine Bodenformen sind hauptsächlich flachgeböschte Dünen mit mittleren Luvwinkeln von 5 bis 20°. Die Strömungseigenschaften über derartigen, flachen Winkeln sind derzeit nicht genau bekannt. So ist zum Beispiel der Zusammenhang zwischen der Neigung der Leeböschung und dem Vorhandensein oder Fehlen einer intermittierenden oder permanenten Strömungsablösung noch nicht ausreichend verstanden. Außerdem haben ästuarine Dünen ein relativ flaches Tal und steile Böschungen in der Nähe des Kammes, während Flussdünen einen flachen Kamm und in der Nähe des Tals steile Böschungen haben. Die Auswirkungen dieses Unterschieds in der Dünenmorphologie auf die Strömung sind derzeit noch unbekannt. Darüber hinaus wurde der Zusammenhang zwischen einer sich in der Richtung ändernden Gezeitenströmung und der natürlichen Morphologie von Dünen, einschließlich der dreidimensionalen Variationen, noch nicht im Detail untersucht.Im Rahmen der vorgeschlagenen Studie werden mehrere Versuchsreihen in einer großen Laborrinne durchgeführt, um die Strömungseigenschaften (Geschwindigkeit und Turbulenz) über an Ästuardünen angelehnten Modelldünen aus Beton zu charakterisieren. Basierend auf Feldmessungen von Bodenformen in der Weser werden drei Dünenformvarianten untersucht: Steilgeböschte asymmetrische Dünen, flachgeböschte asymmetrische Dünen und flachgeböschte symmetrische Dünen. Darüber hinaus werden hochauflösende numerische Simulationen der Strömung über dreidimensionalen Bodenformfeldern die Rinnenexperimente ergänzen. Mithilfe der Modellsimulationen ist es möglich, die Geschwindigkeitsstrukturen der Gezeitenströmung und die Turbulenzstrukturen über natürlichen, in der Weser vorkommenden Dünenfeldern zu bestimmen. Die Ergebnisse dieses Projekts tragen zu einem besseren Verständnis der komplexen Wechselwirkungen zwischen ästuarinen Dünen und der Gezeitenströmung bei und erlauben eine bessere Parametrisierung der kleinräumigen Prozesse in großräumigen hydro- und morphodynamischen Modellen.

Coordination and administration of the priority programme SPP 1315 Biogeochemical Interfaces in Soil, Biotic and abiotic factors that dive the function of microbial communities at biogeochemical interfaces in different soils (BAMISO)

Biogeochemical interfaces shape microbial community function in soil. On the other hand microbial communities influence the properties of biogeochemical interfaces. Despite the importance of this interplay, basic understanding of the role of biogeochemical interfaces for microbial performance is still missing. We postulate that biogeochemical interfaces in soil are important for the formation of functional consortia of microorganisms, which are able to shape their own microenvironment and therefore influence the properties of interfaces in soil. Furthermore biogeochemical interfaces act as genetic memory of soils, as they can store DNA from dead microbes and protect it from degradation. We propose that for the formation of functional biogeochemical interfaces microbial dispersal (e.g. along fungal networks) in response to quality and quantity of bioavailable carbon and/or water availability plays a major role, as the development of functional guilds of microbes requires energy and depends on the redox state of the habitat.To address these questions, hexadecane degradation will be studied in differently developed artificial and natural soils. To answer the question on the role of carbon quantity and quality, experiments will be performed with and without litter material at different water contents of the soil. Experiments will be performed with intact soil columns as well as soil samples where the developed interface structure has been artificially destroyed. Molecular analysis of hexadecane degrading microbial communties will be done in vitro as well as in situ. The corresponding toolbox has been successfully developed in the first phase of the priority program including methods for genome, transcriptome and proteome analysis.

Trophic interactions in the soil of rice-rice and rice-maize cropping systems

Subproject 3 will investigate the effect of shifting from continuously flooded rice cropping to crop rotation (including non-flooded systems) and diversified crops on the soil fauna communities and associated ecosystem functions. In both flooded and non-flooded systems, functional groups with a major impact on soil functions will be identified and their response to changing management regimes as well as their re-colonization capability after crop rotation will be quantified. Soil functions corresponding to specific functional groups, i.e. biogenic structural damage of the puddle layer, water loss and nutrient leaching, will be determined by correlating soil fauna data with soil service data of SP4, SP5 and SP7 and with data collected within this subproject (SP3). In addition to the field data acquired directly at the IRRI, microcosm experiments covering the broader range of environmental conditions expected under future climate conditions will be set up to determine the compositional and functional robustness of major components of the local soil fauna. Food webs will be modeled based on the soil animal data available to gain a thorough understanding of i) the factors shaping biological communities in rice cropping systems, and ii) C- and N-flow mediated by soil communities in rice fields. Advanced statistical modeling for quantification of species - environment relationships integrating all data subsets will specify the impact of crop diversification in rice agro-ecosystems on soil biota and on the related ecosystem services.

Drivers and mechanisms of 13C discrimination in Cleistogenes squarrosa (C4) - reducing uncertainties on bundle sheath leakiness

The energetic efficiency of C4 photosynthesis is strongly affected by bundle sheath leakiness, which is commonly assessed with the 'linear version' of the Farquhar model of 13C discrimination, and leaf gas exchange and 13C composition data. But, the linear Farquhar model is a simplification of the full mechanistic theory of ? in C4 plants, potentially generating errors in the estimation of leakiness. In particular, post-photosynthetic C isotope fractionation could cause large errors, but has not been studied in any detail. The present project aims to improve the understanding of the ecological and developmental/physiological factors controlling discrimination and leakiness of the perennial grass Cleistogenes squarrosa. C. squarrosa is the most important member of the C4 community which has spread significantly in the Mongolia grasslands in the last decades. It has an unusually high and variable discrimination, which suggests very high (and potentially highly variable) leakiness. Specifically, we will conduct the first systematic study of respiratory 13C fractionation in light and dark at leaf- and stand-scale in this C4 species, and assess its effect on discrimination and estimates of leakiness. These experiments are conducted in specialized 13CO2/12CO2 gas exchange mesocosms using ecologically relevant scenarios, testing specific hypotheses on effects of environmental drivers and plant and leaf developmental stage on discrimination and leakiness.

Einfluss von Ionen auf das atmosphärische Partikelwachstum - Studien an einem Flussreaktor und einer Aerosolkammer

Sekundäre Partikelneubildung ist eine Hauptquelle für atmosphärische Partikel mit wichtigen Folgen für das Klima und die menschliche Gesundheit. Dieses Vorhaben untersucht die Rolle von Luft Ionen bei der sekundären Partikelneubildung in Flussreaktor- und Aerosolkammer-Experimenten unter kontrollierten Laborbedingungen. Trotz beträchtlicher Fortschritte in der Messtechnik zur Untersuchung der atmosphärischen Nukleation und des Partikelwachstums bestehen weiterhin Verständnislücken hinsichtlich der grundlegenden physikalischen und chemischen Prozesse. Insbesondere die möglichen Effekte von Ionen-Partikel-Wechselwirkungen und von Ionenchemie auf die Partikelneubildung werden kontrovers diskutiert. In Ergänzung zu bestehenden Forschungsprogrammen hinsichtlich der Rolle von Ionen im initialen Nukleationsschritt wird vorgeschlagen, Ionen-Partikel-Wechselwirkungen während des anschließenden Partikelwachstums zu untersuchen und sich dabei auf direkte Messungen des Ladungszustands, der Wachstumsraten und der chemischen Zusammensetzung von sekundärem organischem Aerosol zu konzentrieren. Hierzu werden der Ladungszustand und die Wachstumsraten von Partikelpopulationen mit einem modifizierten Mobilitätspartikelspektrometer unter wohldefinierten Randbedingungen in Laborexperimenten quantifiziert. In einem nächsten Schritt werden die neuartigen Messmöglichkeiten unseres Aerosol-Massenspektrometers CAChUP voll ausgeschöpft, um den Beitrag verschiedener organischer Vorläufergase zur chemischen Zusammensetzung von sekundärem organischen Aerosol bei variierenden Ladungszuständen zu quantifizieren. Schließlich werden die Ergebnisse dieser Experimente durch Messungen zur sekundären organischen Partikelbildung bei wohldefinierten Ionenkonzentrationen an einer Aerosolkammer überprüft. Die vorgeschlagene Forschungsagenda ist somit darauf abgestimmt, mögliche ladungs-katalysierte chemische Mechanismen bei der sekundären Aerosolbildung besser einzuordnen.

Forscherguppe (FOR) 1536: INTERNANO: Mobility, aging and functioning of engineered inorganic nanoparticles at the aquatic-terrestrial interface, Aging of engineered inorganic nanoparticles in surface waters

When released into surface waters, engineered inorganic nanoparticles (EINP) can be subject to multiple transformations. The objectives of MASK are to understand under which conditions EINP in aquatic systems will attach to suspended matter, under which conditions and in which time scale EINP are coated by NOM present in freshwater systems, how these coated colloidal particles are stabilized in the aquatic system and to which extent the aquatic aging processes are reversible. Homo-aggregation, coating changes, biological interactions and hetero-aggregation are hypothesized as key processes governing EINP aging in water bodies. In process orientated laboratory incubation experiments (50 ml to 6 l) with increasing complexity, MASK unravels the relevance and the interplay of inorganic colloids, aquagenic and pedogenic organic matter and solution physicochemistry for stability of EINP. These systems will successively approach situations in real waters. MASK thus provides information on EINP fluxes in the aquatic compartment, their time scales, reversibility and relative relevance. EINP will be analysed by standard light scattering techniques, ICP-MS, ESEM/EDX, WetSTEM and AFM. A method coupling hydrodynamic radius chromatography (HDC) with ICPMS recently developed by K. Tiede for nAg0 will be optimized and developed for further EINP analysis, MASK is further responsible for the virtual subproject ANALYSIS, the development and optimization of joint research unit methods of EINP analysis, sample preparation and sample storage, the exchange of methods and coordinates the joint analyses and the central EINP database.

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