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.
MP-Partikel mit Größen im unteren Mikrometer- und Submikrometer-Bereich stellen kolloidale Systeme dar, deren Oberflächenkräfte und Adsorptionsverhalten den Transport sowohl in aquatischen als auch terrestrischen Umgebungen bestimmt. Das zentrale Ziel dieses TP ist die Untersuchung der zugrundeliegenden Oberflächeneigenschaften von MP-Partikeln und deren Änderung durch Adsorption von natürlichen kolloidalen Inhaltsstoffen bei Exposition in limnischen Umgebungen. Aufgrund der Komplexität dieser Systeme sollen unsere Studien anhand von Modellsystemen mit repräsentativen Bestandteilen wie Eisen- und Aluminiumhydroxiden sowie Humin- und Fulvosäuren durchgeführt werden. Die Oberflächeneigenschaften und deren Änderungen werden anhand nasschemischer und kolloidchemischer Techniken bestimmt und mit der lokalen Grenzflächenstruktur aus Festkörper-NMR-spektroskopischen Experimenten und der direkten Messung von Wechselwirkungskräften mit dem Rasterkraftmikroskop korreliert. So erarbeiten wir, ein umfassendes Verständnis für die zugrundeliegenden Adsorptionsprozesse, und damit die Grundlage für eine Modellierung des Aggregations- und Transportverhaltens von MP im geochemischen Milieu.
Die Häufigkeit und das Ausmaß extremer hydrologischer Ereignisse werden höchstwahrscheinlich durch den Klimawandel verstärkt. Hochalpine Einzugsgebiete sind besonders sensible Räume, da diese Regionen der Hydrosphäre stark durch Veränderungen im Temperatur- und Niederschlagsregime beeinflusst werden. Die starke Kopplung zwischen der Hydrologie und weiteren Komponenten der Geosystem in hoch gelegenen Einzugsgebieten erfordert eine detaillierte Beschreibung der ablaufenden hydrologischen Prozesse. Dieser Umstand rechtfertigt die Einrichtung dieses Teilprojekts der im Rahmen des SEHAG Projektes (Sensitivity of high Alpine geosystems to climate change since 1850) beantragten Forschergruppe. Die Innovation der vorgeschlagenen Forschungsrichtung liegt in der Untersuchung der Veränderungen in der Hydrosphäre zwischen 1850 und 2050 und wie diese mit den übrigen Komponenten der Geosystem in hochalpinen Lagen interagieren. Insbesondere werden wir gründliche Zeitreihenanalysen zur Untersuchung der Korrelation zwischen Klimawandel und den Jährlichkeiten extremer hydrologischer Ereignisse (z.B.: zeitliche Verteilung von Niederschlagsereignissen innerhalb eines Jahres und Einsetzen der Schnee- und Gletscherschmelze) durchführen. Daneben wollen wir verifizieren ob es möglich ist die Qualität der hydrologischen Modelle für hochalpine Einzugsgebiete durch 'multi-objective' Kalibrierungsansätze zu verbessern. Archive spielen dabei eine wichtige Rolle als Datenquelle zur Rekonstruktion der meteorologischen Bedingungen der Vergangenheit. Außerdem ermöglicht die Zusammenarbeit mit anderen Teilprojekten die Kalibrierung des hydrologischen Modells, sowohl gegen den Abfluss, als auch gegen Permafrost- sowie Schnee- und Gletschermessungen. Darüber hinaus werden uns die geplanten experimentellen Messungen erlauben die 'multi-objective' Kalibrierung auf weitere Parameter, wie die elektrische Leitfähigkeit des Abflusses oder die Wassertemperatur der Wildbäche auszuweiten. Das resultierende, kalibrierte Modellergebnis, für das eine intensive Unsicherheitsanalyse durchgeführt werden wird, wird dann von den weitern Teilprojekten genutzt, um die Veränderungen in der Geosystem zu interpretieren.
Das Biofilmwachstum in Biofilmreaktoren wird hauptsächlich durch den Abtragprozess reguliert. Den Abtragprozess zu kontrollieren ist daher ein wichtiges Anliegen für den stabilen Betrieb eines Bioreaktors. Zur Kontrolle des Reaktors und um die größte Effizienz zu erreichen sind mathematische (bzw. numerische) Modelle, die den Abtragsprozess darstellen, hilfreich. Solche Modelle können möglicherweise sogar für den Entwurf von Biofilmreaktoren nützlich zu sein. In diesem Projekt soll ein multidimensionales, poroviskoleastisches Biofilm Modell entwickelt werden, das den Abtragsprozess abbildet. Dabei soll auch der Abtrag durch das Auslösen von größeren Stücken ('sloughing'), das durch die Schubspannungen an der Biofilm Grenzfläche und durch das Spannungsfeld im Biofilm entsteht, erfasst werden. Das Modell für den Abtrag soll basierend auf den Schubspannungen an der Grenzfläche und dem Spannungsfeld im Biofilm formuliert werden. Das Modell wird mit experimentellen Beobachtungen kalibriert und validiert. Biofilm Modelle, die für Reaktoren verwendet werden, sind in der Regel eindimensional (1D). Aus diesem Grund soll in diesem Projekt mittels Modellrechnungen mit dem validierten multi-dimensionalen Abtragmodell ein vereinfachtes ('upscaled') 1D Modell entwickelt werden.
Submariner Grundwasserzustrom (SGD) als Eintragspfad für Wasser und chemische Inhaltsstoffe von Land zum Meer ist ein junges Thema, obwohl seine Bedeutung für Stoffkreisläufe auf globaler Skala mit der von Flüssen gleichzusetzen ist. Trotz dieser Bedeutung beinhalten bisher beschriebene SGD Mengen große Unsicherheiten, entweder weil lokale Punktmessungen auf regionale Skalen extrapoliert wurden oder weil sie auf Modellierungansätzen von regionalen/globalen Stoffflüssen beruhen. Die Unsicherheiten stammen dabei von drei Aspekten: 1) Methoden zur Bestimmung von SGD Mengen unterscheiden sich ohne ihre Relation untereinander zu kennen. Dadurch ist ein methodenübergreifender SGD Mengen Vergleich kaum möglich. 2) SGD Messungen sind zeitlich begrenzte Punktmessungen sind daher nicht generell repräsentativ für Zeit und Raum. 3) SGD Untersuchungen sind meistens disziplinär (entweder marin oder terrestrisch) obwohl weitere Methoden mit gleichen Zielgrößen in anderen Disziplinen existieren. Mit interdisziplinären Untersuchungen würden methodenbezogene Unsicherheiten reduziert. Vor dem Hintergrund des Globalen Wandels, der speziell Küstenregionen betrifft, ist dies essentiell. Das Netzwerk zielt darauf ab, eine Plattform für eine Gruppe von SGD Experten bereit zu stellen, um eine disziplinübergreifende Zusammenarbeit zu initiieren und intensivieren. Durch eine interdisziplinäre Validierung strebt das Netzwerk ebenfalls die Verbesserung individueller Methoden an und einen direkten Vergleich zwischen terrestrischen und marinen Methoden. Letztendlich wird das Netzwerk einen interdisziplinären Methodenkatalog erstellen, der optimale Methodenkombinationen beider Disziplinen für qualitative und quantitative SGD Untersuchungen herausstellt und der die Basis für zukünftige SGD Forschung darstellt. Um diese Ziele zu erreichen wird das Netzwerk um regelmäßige Treffen aufgebaut, von denen vier vis-a-vis Treffen sind. Das erste und letzte sind ein Kick-off und Ergebnis Treffen. Das zweite und dritte dienen dazu ein Methodenvergleichsexperiment in der litoralen Bucht von Königshafen, Sylt durchzuführen. Während des Experimentes wird das interdisziplinäre Netzwerk alle verfügbaren quantitativen und qualitativen Methoden aus beiden Disziplinen zum ersten Man an einem Ort und zur gleichen Zeit anwenden. Im Ergebnis wird das Vorgehen junge und erfahrene Wissenschaftler von allen SGD-relevanten marinen und terrestrischen Disziplinen zusammenbringen. Es wird zudem dazu beitragen, den SGD-Wissensstand aller Teilnehmer zu erweitern, und verleiht der nächsten Generation von SGD Wissenschaftlern einen interdisziplinären Blick auf ihre Forschung. Zudem wird der Methodenvergleich Datensätze erzeugen, die in ihrem Umfang und interdisziplinären Natur einmalig sind und die in internationalen peer-reviewed und Open-Access Journalen veröffentlicht werden. Zudem werden wir den detaillierten SGD Methodenkatalog als Buch analog zu dem GEOTRACES CookBook erstellen und veröffentlichen.
Gasblasen mit Grössen zwischen einigen Mikrometern bis Zentimetern sind allgegenwärtig in aquatischen Ökosystemen. Sie beeinflussen nicht nur die physikalischen Eigenschaften des Wassers, sie ermöglichen auch einen wichtigen Transportweg mit hoher Relevanz für globale biogeochemische Kreisläufe und das Klima. An der Luft-Wasser-Grenzfläche beschleunigen Blasen den Gasaustausch und beeinflussen damit den globalen Kohlenstoffkreislauf. Aus Sedimenten freigesetzte Blasen (Ebullition) sind ein wichtiger Transportweg für Methan in die Atmosphäre. Darüber hinaus transportieren Blasen nicht nur Gase, sondern auch Partikel, gelöste Stoffe und Bakterien auf ihren Oberflächen. Dieses Material, darunter Kohlenstoff, Nährstoffe und Schadstoffe, stammt aus den Sedimenten oder wurde während des Aufstiegs aus der Wassersäule entfernt. Trotz dieser potenziellen Bedeutung ist wenig über Gasblasen und ihre Eigenschaften in Süßwasserökosystemen bekannt, bestehendes Wissen basiert hauptsächlich auf Beobachtungen in marinen Systemen. In diesem Projekt untersuchen wir diejenigen Prozesse, welche das Vorkommen und die Eigenschaften von Gasblasen in Süßwasserökosystemen kontrollieren, sowie die Rolle der Blasen für den Transport von Gasen, gelösten Stoffen und Partikeln. Wir unterscheiden zwischen Luftblasen die an der Wasseroberfläche eingetragen werden, Blasen die durch Gasübersättigung in der pelagischen Zone entstehen, sowie Blasen die in Sedimenten gebildet werden. Wir gehen davon aus, dass diese drei unterschiedlichen Arten von Blasen unterschiedliche Eigenschaften haben. Auf der Grundlage von Feldmessungen und Laborexperimenten untersuchen wir die Entstehung, Alterung und das Schicksal dieser drei Arten von Blasen und der von ihnen transportierten Substanzen in unterschiedlichen aquatischen Systemen. Die Beobachtungen und Ergebnisse werden mit prozessbasierten Modellen verknüpft um einen theoretisch fundierten und empirisch validierten Rahmen für die Bewertung der Relevanz von Stofftransport durch Gasblasen in aquatischen Ökosystemen zu entwickeln. Dies erlaubt die Übertragung der Ergebnisse dieses Projekts auf eine Vielzahl von Fragestellungen in unterschiedlichen Bereichen der aquatischen Forschung, der Gewässerüberwachung und des Gewässermanagements.
Fließgewässer gelten als Haupteintragspfad von Mikroplastik (MP) in marine Ökosysteme. Allerdings ist über das Transportverhalten und den Verbleib von MP in Flüssen und Bächen nur sehr wenig bekannt. Ebenso bestehen große Wissenslücken bezüglich der Migration von MP an der Schnittstelle zwischen Oberflächenströmung und der hyporheischen Zone (HZ, Grenzzone zwischen Fließgewässern und angrenzenden Grundwasserleitern), sowie der Mobilität von MP innerhalb der HZ. In B03 wollen wir das hydrodynamische Transportverhalten von MP in fluvialen Systemen einschließlich der HZ erforschen. Darüber hinaus soll auch der Einfluss biotischer Tranportmechanismen auf das Sedimentationsverhalten von MP erforscht werden. In der ersten Phase des SFB wollen wir diesen Themenbereich zunächst für einfache Modellsysteme untersuchen.
In der ersten Projektphase untersuchten wir die Auswirkungen von Fungiziden auf den Abbau organischen Materials in Bächen und fanden, dass der Fungizid-Toxizitätsgradient mit Änderungen in mikrobiellen Gemeinschaften und einem Rückgang des mikrobiellen Abbaus organischer Substanz assoziiert war. In der zweiten Projektphase werden die Wirkmechanismen von Fungiziden auf mikrobielle Gemeinschaften und die mögliche Effektfortpflanzung auf den Abbau organischen Materials näher beleuchtet. Darüber hinaus werden wir versuchen die Unterschiede in den Effektschwellen zwischen Felduntersuchungen und den wenigen Studien unter Laborbedingungen zu erklären. Im ersten Arbeitspaket werden die Wirkmechanismen von Fungiziden auf den mikrobiellen Blattabbau genauer betrachtet. Das Experiment setzt freilandrelevante Bedingungen ein wie wiederholte Schadstoffexposition, Fraßdruck durch wirbellose Zersetzer und mehrere Zyklen von mikrobieller Besiedelung und Zersetzung. Dieses Experiment wird an 6 Orten weltweit mit ortstypischen wirbellosen Zersetzern und Blättern (Konsortium von Labors aus Australien, Kanada, Deutschland, Dänemark, Costa Rica und Schweden) durchgeführt und verwendet eine Expositionsmuster mit Mischungen aus einer globalen Analyse von Fungizidkonzentrationen in Oberflächenwassern. Die gemessenen Endpunkte umfassen die Blattabbaurate, das Wachstum der Wirbellosen und die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft sowie deren Biomasse. Wir werden Effektschwellen für Fungizide ableiten und hypothetisieren, dass die Effekte über die Zeit kumulieren, und dass dies Unterschiede in den Effektschwellen von Labor- und Feldstudien erklären kann. Das zweite Arbeitspaket zielt darauf ab, die mögliche Kausalität des Zusammenhangs zwischen Fungizid-Toxizität und Veränderungen der mikrobiellen Gemeinschaften sowie dem Abbau organischen Materials näher zu untersuchen. Dabei wird eine Feldstudie in jeweils 6 Bächen mit hoher und niedriger Fungizidbelastung durchgeführt, in denen eine relativ unbelasteten Probestelle stromaufwärts (am Waldrand) und eine stromabwärts gelegene Probestelle ausgewählt werden (d.h. insgesamt 24 Stellen). Die Feldstudie umfasst den Zeitraum vor dem Fungizideinsatz bis zum Zeitraum mit dem höchsten Fungizideinsatz und beinhaltet den Vergleich der mikrobiellen Gemeinschaften und des mikrobiellen Abbaus zwischen Bachabschnitten stromaufwärts und stromabwärts. Blatttaschen die in relativ unbelasteten und belasteten Abschnitten mikrobiell besiedelt wurden werden eingesetzt, um (1) Unterschiede in der Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften und im Blattabbau und deren Beziehung zum Fungizid-Anwendungszeitraum und zur Fungizidbelastung zu identifizieren, und (2) die Auswirkungen der Fungizidbelastung auf die mikrobielle Besiedelung zu untersuchen. Insgesamt wird dieses Folgeprojekt mechanistische Erklärungen liefern sowie weitere Belege für die Kausalität von Fungizid-Toxizität und ökologischen Endpunkten.
Fließgewässer tragen wesentlich zum globalen organischem Kohlenstoffkreislauf und zu der Emission der klimarelevanten Gase Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) bei. Die Dynamik der CO2-Emissionen wurde mit dem Wasserabfluss und der Hydrologie des Einzugsgebietes in Verbindung gebracht, während CH4 mit dem Biom des Fließgewässers und der umgebenden Landnutzung korrelierte. Die Mehrzahl dieser Studien wurde jedoch an ganzjährig wasserführenden (perennierenden) Fließgewässern und unter stabilem Wasserabfluss durchgeführt, mit einer nur begrenzten Abdeckung von Hochwasserepisoden (Niederschlagsereignissen). Bislang sind daher Gasemissionen von nicht ganzjährig wasserführenden (intermittierenden) Fließgewässern nicht ausreichend in den lokalen und regionalen Kohlenstoff-Budgets enthalten. Diese erlangen jedoch erhöhte Bedeutung, da die aktuellen Prognosen zum Klimawandel darauf hindeuten, dass das Ausmaß und die Häufigkeit schwerer klimatischer Ereignisse wie Überschwemmungen und Dürre wahrscheinlich zunehmen wird. Das vorgeschlagene Projekt zielt darauf ab, diese wichtige Forschungslücke zu schließen, indem die treibenden Kräfte und die jahreszeitliche Relevanz der CO2- und CH4-Emissionen nicht nur in perennierenden sondern auch in intermittierenden Fließgewässern untersucht werden sollen. Das erste Ziel des Projekts ist die Quantifizierung der lokalen Relevanz von ereignisgesteuerten CO2- und CH4-Emissionen aus perennierenden Fließgewässern mittels einer Kombination von i) State-of-the-art Techniken zur Quantifizierung von Gasflüssen über die Wasser-Luft-Grenzfläche, ii) Sensoren nach dem Stand der Technik und In-situ-Gasmessungen und iii) etablierten Verfahren zur Bewertung der mikrobiellen Gemeinschaft und potentieller metabolischer Aktivität Das zweite Projektziel ist die Untersuchung des Kohlenstoff-Kreislaufs und der Gasemissionen von kontinentalen, nicht-perennierenden Fließgewässern, mit Schwerpunkt auf Trocknungs- und Wiederbefeuchtungszyklen. Das Projekt konzentriert sich auf das Einzugsgebiet des Flusses Queich (271 km2) in Rheinland-Pfalz. Der Fluss entspringt in einem natürlichen Reservoir (Biosphärenreservat Pfälzerwald) und fließt entlang eines ausgeprägten Landschaftsgefälles (natürlich bis anthropogen beeinflusst). Diese Umgebung bietet ein ideales Untersuchungsgebiet um die Rolle der Hydrologie und der Bodennutzung für kohlenstoffrelevante Gasemissionen aus Fließgewässern zu erforschen. Das übergeordnete Ziel des Projekts ist die Quantifizierung der Beiträge von episodischen (ereignisbasierten) Einflüssen und von saisonalen Trocknungs-Wiederbefeuchtungszyklen zum lokalen und regionalen Kohlenstoff-Kreislauf. Die Projektdaten werden mit zusätzlichen hydrologischen und biogeochemischen Daten in bestehenden geografischen Informationssystemen kombiniert, um die Entwicklung von Upscaling-Verfahren zu ermöglichen, die die oben genannten Beiträge schließlich in umfangreiche Budgets für den Kohlenstoffkreislauf überführen können.
Im beantragten Projekt soll die Wechselwirkung von Strömungs- und Substratbedingungen auf die Struktur und Funktion von Biofilmen untersucht werden. Entscheidend ist hier die Kombination von experimenteller und modelltechnischer Kompetenz, die es erlauben soll, das Biofilmwachstum, die Struktur, die Wechselwirkung mit dem Fluid und den Abtrag von Biomasse für einen großen Bereich von verschiedenen Bedingungen zu modellieren. Auf der experimentellen Seite soll vor allem die optische Kohärenztomographie (OCT) genutzt werden, um auf der Biofilm-Mesoskala Informationen zur Fluidstruktur-Wechselwirkung zu generieren. Sauerstoffoptoden sollen eingesetzt werden, um zweidimensional aufgelöste Informationen zur Biofilmaktivität zu ermitteln. Die experimentellen Daten werden dann genutzt, um ein Kontinuum-Biofilmmodel zu erstellen und zu kalibrieren. Im Vergleich zu den bisher verwendeten Biofilmmodellen wird im zu entwickelnden Modell die Interaktion der Biofilmstruktur mit dem umgebenden Fluid integriert. Dafür müssen die mechanischen Eigenschaften des Biofilms bekannt sein. Sie sollen mit der OCT ermittelt werden, die es erlaubt, zwei- und dreidimensionale Bilddaten der Biofilme bei sich ändernden Strömungsbedingungen zu ermitteln. Die Daten werden dann in das Biofilmmodel übertragen, dafür sollen entsprechende Protokolle entwickelt werden. Zunächst wird der Biofilm als homogene Struktur betrachtet, in weiteren Schritten werden die mechanischen Biofilmeigenschaften dann auch als heterogen angenommen. Neben dem Wachstum wird auch der Abtrag von Biomasse (also kohäsive und adhäsive Eigenschaften) in das Modell eingehen, auch dafür sollen mit Hilfe der OCT entsprechenden Experimente zur Verifikation durchgeführt werden. Die Vorhersagefähigkeit des entwickelten Biofilmmodelles soll zum Ende des Vorhabens anhand eines realen Abwasserbiofilms getestet werden. Ziel ist es, dass mit Hilfe des entwickelten Modells das Verhalten von Biofilmen für eine große Breite von Strömungs- und Substratbedingungen vorhersagbar wird.
| Origin | Count |
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| Bund | 653 |
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| Förderprogramm | 653 |
| License | Count |
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| offen | 653 |
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| Keine | 19 |
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| Boden | 635 |
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