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Ecosystem Engineering: Sediment entrainment and flocculation mediated by microbial produced extracellular polymeric substances (EPS)

Sediment erosion and transport is critical to the ecological and commercial health of aquatic habitats from watershed to sea. There is now a consensus that microorganisms inhabiting the system mediate the erosive response of natural sediments ('ecosystem engineers') along with physicochemical properties. The biological mechanism is through secretion of a microbial organic glue (EPS: extracellular polymeric substances) that enhances binding forces between sediment grains to impact sediment stability and post-entrainment flocculation. The proposed work will elucidate the functional capability of heterotrophic bacteria, cyanobacteria and eukaryotic microalgae for mediating freshwater sediments to influence sediment erosion and transport. The potential and relevance of natural biofilms to provide this important 'ecosystem service' will be investigated for different niches in a freshwater habitat. Thereby, variations of the EPS 'quality' and 'quantity' to influence cohesion within sediments and flocs will be related to shifts in biofilm composition, sediment characteristics (e.g. organic background) and varying abiotic conditions (e.g. light, hydrodynamic regime) in the water body. Thus, the proposed interdisciplinary work will contribute to a conceptual understanding of microbial sediment engineering that represents an important ecosystem function in freshwater habitats. The research has wide implications for the water framework directive and sediment management strategies.

Geochemical composition of S1 sediment core from Lower Odra Valley, NW Poland

Oxbow lakes are continuous archives of flood events. On 28th June 2022 a 7.5 m long bottom sediment core (S1: 53.24758°N and 14.46271°E, 2.4 m b.s.l.) was collected from an oxbow lake in the Lower Odra Valley, NW Poland. Drilling was conducted using an Instorf sampler (Russian type; chamber dimension: 10 x 50 cm), onboard a "Manat" catamaran motorboat. After core recovery, each half-metre section was packed into a PVC tube and kept in cool rooms with a constant temperature. Samples were collected every 4 cm. For the first 2 m of the core grain-size, geochemical and Chironomidae analyses as well as radiocarbon dating were performed, which allow to identify flood events in the last 3200 years.

Physical and chemical parameters of sediment core SAC05 from Sacrower See (NE Germany) provide a robust reconstruction of climate change and human impact since 13,000 cal. BP

The 11.8 m-long composite sediment record from the hardwater lake of Sacrower See, located near the city of Potsdam (north-eastern Germany), has been characterised by a range of analytical techniques. These include magnetic susceptibility, chemical parameters (XRF core scanning, CNS analysis, biogenic silica) and stable isotopes (13C, 15N). The chronology covers the entire Holocene and the concluding Lateglacial (Alleröd, Younger Dryas) and is based on age-depth modelling using radiocarbon dates refined by the onset of the local varve chronology in 1870 CE (Lüder et al., 2006) and by the Laacher See Tephra, an isochrone dated to 13,000 cal. BP. It offers a detailed environmental reconstruction providing insights into depositional processes influenced by both natural climatic variations and human activities (Enters et al., 2009; Kirilova et al., 2009). The Lateglacial and Early Holocene are distinguished by the stabilisation of natural landscapes characterised by the presence of pine-birch (Alleröd) and mixed oak forests (Early Holocene). This development was interrupted by the climatic deterioration of the Younger Dryas, which resulted in a destabilisation of vegetation and increased natural soil erosion. It is evident that, for the first time around 5500 cal. BP, anthropogenic forest clearing became a factor, which subsequently led to increasing cultural soil erosion further accelerating during the Bronze Age (3600-3200 cal. BP), the Early Iron Age (2800-2600 cal. BP) and the Middle Ages (900-600 cal. BP). In the course of industrialisation since the 19th century, human impact underwent a transition from the destabilisation of soils to the phenomenon of eutrophication. This transition resulted in the occurrence of hypolimnetic anoxia, accompanied by the formation of carbonaceous varves.

Erosionsabtragsflächen (WFS Dienst)

Darstellung von konkreten Flächen mit beobachteten Erosionsereignissen, die zu Bodenabtrag aus landwirtschaftlich genutzten Flächen mit Oberflächenabfluss und Sedimenttransport geführt haben. Die Flächen sind i.d.R. anhand von Schlaggrenzen oder Feldblöcken abgregrenzt und wurden zum Teil orientierend untersucht.

Erosionsabtragsflächen

Darstellung von konkreten Flächen mit beobachteten Erosionsereignissen, die zu Bodenabtrag aus landwirtschaftlich genutzten Flächen mit Oberflächenabfluss und Sedimenttransport geführt haben. Die Flächen sind i.d.R. anhand von Schlaggrenzen oder Feldblöcken abgregrenzt und wurden zum Teil orientierend untersucht.

Analyse der Ursachen / Prozesswirkungsketten der rezenten Zunahme von Bodenerosionserscheinungen in Einheiten der hochmontanen bis alpinen Stufe an ausgewählten Testgebieten in Westösterreich

Erforschung des Faktorenkomplexes der Ursachen rezenter Zunahmen der Bodenerosion auf waldfreien Standorten in alpinen Einzugsgebieten der hochmontanen bis alpinen Stufe in Westösterreich. Verbesserung des Prozessverständnisses und Abschätzung möglicher zukünftiger Szenarien der Erosionsentwicklung unter dem Aspekt sich ändernder Klimabedingungen (z.B. Häufung meteorologischer Extreme, geänderte Ausaperungsbedingungen, Häufung von Bodenlawinen etc.). - Ableitung von Methoden zur Früherkennung und Prognose der Erosionsentwicklung. Die Früherkennung von instabilen Hangbereichen ist ein zentrales Thema in der Gefahrenprävention. - Abklärung der Bedeutung dieser rezenten Bodenerosion für die Geschiebeentwicklung in Wildbacheinzugsgebieten. Unter welchen Bedingungen ist mit einer erhöhten Geschiebebereitstellung zu rechen? - Schaffung einer Basis für die Ableitung / Anpassung / Entwicklung von einfachen, kostengünstigen und trotzdem dauerhaften Sanierungsverfahren in der Praxis (für WLV, Zivilingenieure, das Feld der Ingenieurbiologie, etc.), z.B. unter Weiterentwicklung des Ansatzes von Florineth, Mittendrein und Stern aus dem Jahr 2002 oder Adaptierung des für die Stabilisierung extrem skelettreicher und verarmter Standorte entwickelten Ansatzes von Schaffer et al. (2006).

Numerische Simulation von flussmorphologischen Prozessen und des Geschiebehaushaltes von Fluessen

Ein Fluss ist natuerlicherweise nicht im Gleichgewicht, was sich in morphologischen Veraenderungen wie Auflandungen oder Erosion an der Flusssohle und den Ufern aeussert. Die Problematik des Geschiebetransportes und der Sohlenveraenderungen haben sowohl fuer Katastrophenbekaempfung wie fuer Landschaftsschutz (naturnahe Flussverbauungen) grosse Bedeutung. Im vorliegenden Projekt wird ein numerisches Simulationsmodell entwickelt, das den Flusslauf mit Hilfe von Querprofilen sowie der Oberflaechenbeschaffenheit beschreibt und aufgrund eines Abflussregimes und eines Geschiebeeintrages eine Prognose der Sohlenveraenderungen und eine Abschaetzung der anfallenden Geschiebemengen erlaubt.

Karte der Winderosionsgefährdung der Böden

Bodenerosion durch Wind tritt insbesondere auf sandigen, unbedeckten Böden auf, die an der Bodenoberfläche abgetrocknet sind. Darüber hinaus wird Winderosion begünstigt durch fehlende Windhindernisse in der Landschaft (z.B. Hecken und Wälder). Nach DIN 19706 wird die standortabhängige Erosionsgefährdung eines vegetationsfreien und trockenen Bodens in Abhängigkeit von der Bodenart und dem Jahresmittel der Windgeschwin-digkeit bewertet. Zunächst wird die Erodierbarkeit des trockenen Feinbodens durch Wind bestimmt. Diese basiert vor allem auf der Korngrößenzusammensetzung. So haben trockene Feinsande die höchste Erodierbarkeit. Anschließend wird das regionalisierte Jahresmittel der Windgeschwindigkeit genutzt, um in Verbindung mit der Erodierbarkeit das Gefährdungspotential zu bewerten.

Pflanzengeographie und Pflanzenoekologie der Nebeloasen Namibias

In tropischen und subtropischen Kuestenwuesten treten wiederholt Nebeloasen auf. Die Nebeloasen Namibias werden vor allem von verschiedenen Flechtenarten besiedelt, zu denen sich nur wenige Spezialisten unter den Hoeheren Pflanzen gesellen. Die Arbeiten zeigen, dass die namibischen Nebeloasen zum Teil durch die feuchte Luft des benachbarten Meeres und zum Teil durch Kaltluftstroeme aus dem Inland verursacht werden. Je nach Intensitaet und Dauer der Nebel-Wetterlagen ergeben sich unterschiedliche Flechten-Gesellschaften, deren mittlere Bio- Produktion ebenso bestimmt wird wie die CO2-Assimilation in Abhaengigkeit von Anfeuchtung und Salzeintrag. Ausserdem werden der Transport und die Erosion der Flechten durch den Wind untersucht. Hieraus ergeben sich Empfehlungen fuer Nutzung und Naturschutz. Die hier lebenden Hoeheren Pflanzen sind auch Gegenstand der Untersuchungen. Von Interesse ist ihre Anatomie, Cuticula-Struktur, Wasseraufnahme und -leitung sowie ihre Bioproduktion in Abhaengigkeit vom zeitlichen Verlauf der Wasseraufnahme.

Auswirkungen einer reduzierten Bodenbearbeitung auf das Auftreten, das Ueberdauern und die Bekaempfungsmoeglichkeiten von Unkraeutern und Pflanzenkrankheiten in einer Rapsfruchtfolge

Verfahren der pfluglosen Bodenbearbeitung erhoehen die Gefuegestabilitaet und Tragfaehigkeit des Bodens, hemmen die Bodenerosion und den Austrag von Duenge- und Pflanzenschutzmitteln, schonen die Bodenlebewesen und Gegenspieler von Pflanzenschaedlingen und verringern die Arbeits- und Maschinenkosten. Trotz ihrer Vorteile werden Verfahren der reduzierten Bodenbearbeitung insgesamt gesehen nur zoegernd von der Praxis angenommen. Ein wichtiger Grund hierfuer duerften die Pflanzenschutzprobleme sein, die nach pflugloser Bodenbearbeitung auftreten koennen. Dies sind vor allem eine Zunahme der Verunkrautung und des Befalls mit Schadorganismen. Fuer den Anbau von Raps wurden die mit einer pfluglosen Bodenbearbeitung verbundenen Pflanzenschutzprobleme und deren Loesung kaum bearbeitet. Dies ist daher der Schwerpunkt des Projektes.

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