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Release of hexavalent chromium from ore processing residues and the potential of biochar for chromium immobilization in polluted soils

Chromium (Cr) is introduced into the environment by several anthropogenic activities. A striking ex-ample is the area around Kanpur in the Indian state of Uttar Pradesh, where large amounts of Cr-containing wastes have been recently illegally deposited. Hexavalent Cr, a highly toxic and mobile contaminant, is present in significant amounts in these wastes, severely affecting the quality of sur-roundings soils, sediments, and ground waters. The first major goal of this study is to clarify the solid phase speciation of Cr in these wastes and to examine its leaching behavior. X-ray diffraction and synchrotron-based X-ray absorption spectroscopy techniques will be employed for quantitative solid phase speciation of Cr. Its leaching behavior will be studied in column experiments performed at un-saturated moisture conditions with flow interruptions simulating monsoon rain events. Combined with geochemical modeling, the results will allow the evaluation of the leaching potential and release kinetics of Cr from the waste materials. The second major goal is to investigate the spatial distribution, speciation, and solubility of Cr in the rooting zone of chromate-contaminated soils surrounding the landfills, and to study the suitability of biochar as novel soil amendment for mitigating the deleterious effects of chromate pollution. Detailed field samplings and laboratory soil incubation studies will be carried out with two agricultural soils and biochar from the Kanpur region.

Forschergruppe (FOR) 1806: The Forgotten Part of Carbon Cycling: Organic Matter Storage and Turnover in Subsoils (SUBSOM)

We are currently facing the urgent need to improve our understanding of carbon cycling in subsoils, because the organic carbon pool below 30 cm depth is considerably larger than that in the topsoil and a substantial part of the subsoil C pool appears to be much less recalcitrant than expected over the last decades. Therefore, small changes in environmental conditions could change not only carbon cycling in topsoils, but also in subsoils. While organic matter stabilization mechanisms and factors controlling its turnover are well understood in topsoils, the underlying mechanisms are not valid in subsoils due to depth dependent differences regarding (1) amounts and composition of C-pools and C-inputs, (2) aeration, moisture and temperature regimes, (3) relevance of specific soil organic carbon (SOC) stabilisation mechanisms and (4) spatial heterogeneity of physico-chemical and biological parameters. Due to very low C concentrations and high spatio-temporal variability of properties and processes, the investigation of subsoil phenomena and processes poses major methodological, instrumental and analytical challenges. This project will face these challenges with a transdisciplinary team of soil scientists applying innovative approaches and considering the magnitude, chemical and isotopic composition and 14C-content of all relevant C-flux components and C-fractions. Taking also the spatial and temporal variability into account, will allow us to understand the four-dimensional changes of C-cycling in this environment. The nine closely interlinked subprojects coordinated by the central project will combine field C-flux measurements with detailed analyses of subsoil properties and in-situ experiments at a central field site on a sandy soil near Hannover. The field measurements are supplemented by laboratory studies for the determination of factors controlling C stabilization and C turnover. Ultimately, the results generated by the subprojects and the data synthesized in the coordinating project will greatly enhance our knowledge and conceptual understanding of the processes and controlling factors of subsoil carbon turnover as a prerequisite for numerical modelling of C-dynamics in subsoils.

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.

Gasterosteus aculeatus F2 hatchling length, clutch size and average egg diameter of the clutch depending on grandparent and parent heatwave treatment

F2 hatchling length (mm), clutch size (total number of eggs) and average egg diameter (mm) of the clutch depending on grandparent and parent heatwave treatment

Effects of water content, input of roots and dissolved organic matter and spatial inaccessibility on C turnover & determination of the spatial variability of subsoil properties

It is well established that reduced supply of fresh organic matter, interactions of organic matter with mineral phases and spatial inaccessibility affect C stocks in subsoils. However, quantitative information required for a better understanding of the contribution of each of the different processes to C sequestration in subsoils and for improvements of subsoil C models is scarce. The same is true for the main controlling factors of the decomposition rates of soil organic matter in subsoils. Moreover, information on spatial variabilities of different properties in the subsoil is rare. The few studies available which couple near and middle infrared spectroscopy (NIRS/MIRS) with geostatistical approaches indicate a potential for the creation of spatial maps which may show hot spots with increased biological activities in the soil profile and their effects on the distribution of C contents. Objectives are (i) to determine the mean residence time of subsoil C in different fractions by applying fractionation procedures in combination with 14C measurements; (ii) to study the effects of water content, input of 13C-labelled roots and dissolved organic matter and spatial inaccessibility on C turnover in an automatic microcosm system; (iii) to determine general soil properties and soil biological and chemical characteristics using NIRS and MIRS, and (iv) to extrapolate the measured and estimated soil properties to the vertical profiles by using different spatial interpolation techniques. For the NIRS/MIRS applications, sample pretreatment (air-dried vs. freeze-dried samples) and calibration procedures (a modified partial least square (MPLS) approach vs. a genetic algorithm coupled with MPLS or PLS) will be optimized. We hypothesize that the combined application of chemical fractionation in combination with 14C measurements and the results of the incubation experiments will give the pool sizes of passive, intermediate, labile and very labile C and N and the mean residence times of labile and very labile C and N. These results will make it possible to initialize the new quantitative model to be developed by subproject PC. Additionally, we hypothesize that the sample pretreatment 'freeze-drying' will be more useful for the estimation of soil biological characteristics than air-drying. The GA-MPLS and GA-PLS approaches are expected to give better estimates of the soil characteristics than the MPLS and PLS approaches. The spatial maps for the different subsoil characteristics in combination with the spatial maps of temperature and water contents will presumably enable us to explain the spatial heterogeneity of C contents.

Forschergruppe (FOR) 456 degree of celsius: The role of Biodiversity for element cycling and trophic interactions: An experimental approach in a grassland community, FOR 438: Die Bedeutung von Biodiversität für Stoffkreisläufe und trophische Interaktionen: Ein Versuchsansatz in Grasslandgesellschaften - Teilprojekt: Diversität und Funktion von arbuskulären Mykorrhiza- und Bodenpilzen mit oxidativem Potential in Grasländern mit unterschiedlichen Stufen pflanzlicher Diversität

Das Jena Experiment hat es sich zum Ziel gesetzt Zusammenhänge zwischen Pflanzendiversität und Ökosystemprozessen zu untersuchen. Unsere Arbeiten beschäftigen sich mit einer der Schlüsselgruppen in unterirdischen Ökosystemprozessen - den Pilzen. Das Wirtsspektrum arbuskulärer Mykorrhizapilze (AMF) wird innerhalb der Monokultur-Plots untersucht. In Polykulturen unterschiedlicher Diversität soll der Zusammenhang zwischen Artenreichtum von Pflanzen und AMF vertiefend studiert werden. Durch ein Experiment mit stabilen Isotopen soll der Beitrag der AMF für die Nährstoffverteilung zwischen einzelnen Pflanzenarten, aber auch zwischen funktionellen Gruppen näher beleuchtet werden. Weiterhin wird untersucht, ob Zusammenhänge zwischen Stickstoffmineralisierung, Anreicherung organischer Substanzen sowie der Diversität und dem Expressionsprofil pilzlicher Laccasegene bestehen.

Diffusion and advection with sorption of anions, cations and non-polar molecules in organo-clays at varying thermo-chemical conditions - validation by analytical methods and molecular simulation

The sorption of anions in geotechnical multibarrier systems of planned high level waste repositories (HLWR) and of non-ionic and organic pollutants in conventional waste disposals are in the center of recent research. In aquatic systems, persistent radionuclides such as 79Se, 99Tc, 129I exist in a form of anions. There is strongly increasing need to find materials with high sorption capacities for such pollutants. Specific requirements on barrier materials are long-term stability of adsorbent under various conditions such as T > 100 C, varying hydrostatic pressure, and the presence of competing ions. Organo-clays are capable to sorb high amounts of cations, anions and non-polar molecules simultaneously having selectivity for certain ions. This project is proposed to improve the understanding of sorption and desorption processes in organo-clays. Additionally, the modification of material properties under varying chemical and thermal conditions will be determined by performing diffusion and advection experiments. Changes by sorption and diffusion will be analyzed by determining surface charge and contact angles. Molecular simulations on models of organo-clays will be conducted in an accord with experiments with aim to understand and analyze experimental results. The computational part of the project will profit from the collaboration of German partner with the group in Vienna, which has a long standing experience in a modeling of clay minerals.

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.

Forschergruppe (FOR) 1525: INUIT - Ice Nuclei research UnIT, Die Bedeutung von Eisnukleationspartikeln und -moden für die Entstehung der Eisphase und Niederschlag: Modellsimulationen basierend auf Labormesssungen

In diesem Projekt sollen mit COSMO-SPECS, einem 3D-Wolkenmodell mit einer spektralen Beschreibung der wolken-mikrophysikalischen Prozesse von Hydrometeoren und Aerosolpartikeln, Modellsimulationen durchgeführt werden. Da dasselbe mikrophysikalische Schema in dem Luftpaketmodell enthalten ist, mit dem in INUIT-1 gearbeitet wurde, werden alle neuen Entwicklungen und Verbesserungen der Mikrophysik aus INUIT-1 direkt in COSMO-SPECS übertragen. Zunächst soll ein künstlicher Testfall simuliert werden, eine Wärmeblase über einem flachen Gelände. Sensitivitätsstudien sollen die Entwicklung der Eisphase und die Bildung von Niederschlag aufzeigen, wobei die Verteilung und die Typen der Eisnukleations-Partikel auf realistische Weise variiert werden. Ein anderer Schwerpunkt der Sensitivitätsstudien soll auf der Wirkung von sog. kleinen Triggern liegen, wie etwa Eisnukleations-Partikel oder Gefriermoden (z.B. biologische Partikel oder Kontaktgefrieren), die keine signifikanten Effekte hinsichtlich der Anzahl der entstehenden Eispartikel zeigen, aber doch die Dynamik der Wolke in einer Weise beeinflussen können, dass sich im Endeffekt die Eisbildung erhöht. Weiterhin ist in Zusammenarbeit mit INUIT RP5 eine Fallstudie geplant, die auf INUIT Feldexperimenten basiert. Hier sollen die Beiträge der verschiedenen eisbildenden Prozesse quantifiziert werden und dadurch die atmosphärische Relevanz der Eisbildungs-Regimes, wie sie in INUIT Labor- und Feldexperimenten untersucht werden, abgeschätzt werden. Gleichzeitig werden neue Parametrisierungen für Partikel, die während INUIT-2 untersucht werden, entwickelt und in das mikrophysikalische Schema eingebunden; vorhandene Parametrisierungen sollen weiter modifiziert und verbessert werden. Dieses Projekt schließt selbst auch Laborexperimente zum Kontakt- und Immersionsgefrieren ein, die am Mainzer vertikalen Windkanal und mit einer akustischen Tropfenfalle durchgeführt werden. Hier liegt der Schwerpunkt auf einer Verbesserung des Kontaktgefrierens. Die Experimente sollen am Mainzer vertikalen Windkanal durchgeführt werden, wobei unterkühlte Tropfen in einem Luftstrom, der die potentiellen Kontakteiskeime mit sich führt, frei ausgeschwebt werden. Auf diese Weise kann die Anzahl der Kollisionen zwischen Tropfen und Partikeln berechnet und die Gefriereffizienz, d.h. die Gefrierwahrscheinlichkeit für eine Tropfen-Partikel Kollision bestimmt werden.

The parent material as major factor for the properties of the biogeochemical interface: Integrative analysis

The formation of biogeochemical interfaces in soils is controlled, among other factors, by the type of particle surfaces present and the assemblage of organic matter and mineral particles. Therefore, the formation and maturation of interfaces is studied with artificial soils which are produced in long-term biogeochemical laboratory incubation experiments (3, 6, 12, 18 months. Clay minerals, iron oxides and charcoal are used as major model components controlling the formation of interfaces because they exhibit high surface area and microporosity. Soil interface characteristics have been analyzed by several groups involved in the priority program for formation of organo-mineral interfaces, sorptive and thermal interface properties, microbial community structure and function. Already after 6 months of incubation, the artificial soils exhibited different properties in relation to their composition. A unique dataset evolves on the development and the dynamics of interfaces in soil in the different projects contributing to this experiment. An integrated analysis based on a conceptual model and multivariate statistics will help to understand overall processes leading to the biogeochemical properties of interfaces in soil, that are the basis for their functions in ecosystems. Therefore, we propose to establish an integrative project for the evaluation of data obtained and for publication of synergistic work, which will bring the results to a higher level of understanding.

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