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.
Oxidationsverfahren werden seit Jahrzenten in der Wasseraufbereitung z.B. zur Desinfektion eingesetzt. In den letzten Jahren wird zudem Ozon als mögliche Aufbereitungsstufe für den Abbau von Schadstoffen in der Abwasseraufbereitung diskutiert und z. T. eingesetzt. Da Schadstoffe in der Regel nicht mineralisiert werden, kommt es zur Bildung einer Vielzahl von Transformationsprodukten, die in manchen Fällen eine größere toxische Wirkung haben können als ihre Ausgangssubstanzen. Diese Transformationsprozesse sind sehr komplex und wurden in den letzten Jahren intensiv in definierten Reinstwassersystemen untersucht. Hauptbestandteile der Wassermatrix wie z. B. organisches Material können jedoch ebenfalls in die Reaktionen eingreifen und ggf. die Bildung von Tranformationsprodukten beeinflussen. Dies ist möglich, da die Komplexen Transformationsprozesse häufig über die Bildung reaktiver Zwischenstufen geschieht. Das sind Übergangsprodukte wie N-zentrierte Radikale (Aminylradikale), die z.B. bei der Ozonung gebildet werden können. Die Reaktion dieser Radiale ist jedoch bisher kaum untersucht, so dass es schwer ist Transformationsreaktionen in Realsystemen vorherzusagen. Das vorliegende Projekt beschäftigt sich mit dem Einfluss von Matrixkomponenten auf Transformationsprozesse. Dabei sollen die Reaktionen reaktiver Zwischenstufen mit Modelverbindungen untersucht werden, die bestimmte funktionelle Gruppen des organischen Materials repräsentieren, wie z.B. phenolische Verbindungen. Im weiteren Projektverlauf soll der Einfluss komplexerer Substanzen wie Huminsäuren untersucht werden. Die Ergebnisse sollen dazu beitragen Transformationsprozesse in realen Systemen besser zu verstehen und somit die Vorhersage von ggf. problematischen Transformationsprodukten zu erleichtern.
Synthetische Polymere als Umweltkontaminanten in der Hydrosphäre haben in den letzten Jahren eine sehr starke wissenschaftliche Aufmerksamkeit erfahren. Hierbei wurde aber nahezu ausschließlich die Kontamination durch Plastikpartikel im Makro- bis Mikro-Maßstab berücksichtigt. Ebenfalls in großem Maßstab produzierte und in vielfältigen Produkten eingesetzte gelöste Polymere sind bislang aber völlig unbeachtet geblieben. Ein direkter Transfer bislang erarbeiteter analytischer Verfahren zur Umwelterfassung von Plastikpartikel auf die wassergelösten Polymere ist nicht möglich. Daher soll dieses Projektvorhaben in einem ersten Schritt ein geeignetes analytisches Verfahren basierend auf Pyrolyse-Methoden erarbeiten, das die quantitative Bestimmung von gelösten Polymeren in Abwasser- und Flusswasserproben ermöglicht. Hierbei sind sowohl die chemischen Eigenschaften der Polymere als auch die niedrigen Konzentrationsniveau in Umweltproben eine Herausforderung. Das entwickelte Analyseverfahren soll dann in einem zweiten Projektabschnitt auf Proben aus Kläranlagenzu- und -abläufen sowie aus zugehörigen Vorflutern angewendet werden, um so erste quantitative Daten zum Umweltvorkommen und somit zur Umweltrelevanz dieser Substanzklasse zu erhalten.
Wasserfluss und reaktiver Transport findet im Hainich CZE in einem komplexen hydrogeologischen Umfeld statt. Um die Transportwege natürlicher organischer Substanzen zu rekonstruieren, benötigt man maßgeschneiderte, funktionell repräsentative, konservative und reaktive Tracer. In diesem Projekt werden Tracerbibliotheken mit synthetischen Polymeren kontrollierter kolloidaler Größe, Hydrophobizität, pH- und redoxabhängigem Verhalten, als auch kontrollierter Stabilität erschaffen. Diese Tracer werden dann vollständig charakterisiert und in Folge in Modellstudien zur Löslichkeit und Mobilität zunehmender Komplexität vom Labormaßstab bis zur Anwendung in der Natur herangezogen.
Windgetriebene Wasserbewegungen sind eine wichtige physikalische Charakteristik von Seen und haben einen großen Einfluss auf deren Ökologie und Biogeochemie. Windschub an der Wasseroberfläche erzeugt eine turbulent durchmischte Oberflächenschicht, Oberflächenwellen, grossskalige Strömungen, sowie interne Wellen, die Energie in größere Tiefen transportieren können. Die oberflächliche Impulsübertragung vom Wind auf Wasser und die daraus resultierende Intensität der Grenzschichtturbulenz beeinflusst auch den Austausch von Wärme und gelösten Gasen zwischen der Seeoberfläche und der Atmosphäre sowie die Verdunstungsrate. Die Prozesse welche den Austausch zwischen See und Atmosphäre kontrollieren wurden vor allem im Ozean und bei hohen Windgeschwindigkeiten untersucht. Wenig ist über den Zusammenhang zwischen Windgeschwindigkeit und Impulsübertragung, sowie über die Wechselbeziehungen zu anderen Transferkoeffizienten in kleinen Seen bekannt, wo die Einwirklänge und Geschwindigkeit des Windes typischerweise gering sind. In diesem Projekt stellen wir kürzlich durchgeführte atmosphärische Eddy-Covariance (EC) Messungen von Impuls, Wärme, Wasserdampf und Gasflüssen über 10 verschiedenen kleinen Seen zusammen. Dieser einzigartige Datensatz wird dazu verwendet, um die Abhängigkeit der Impulsübertragung vom Wind auf Wasser von der Windgeschwindigkeit und Einwirklänge in kleinen Seen zu analysieren und mechanistische Beziehungen zwischen den verschiedenen Übertragungskoeffizienten abzuleiten. Die Energieflusspfade innerhalb von Seen werden durch die Ergänzung laufender atmosphärischer EC-Messungen mit umfangreichen Messungen von Wellen, Strömungen und Turbulenz in drei Seen untersucht werden. Wir werden die Aufteilung der kinetischen Energie in verschiedene Arten von Strömungen und ihren Flusspfad von Erzeugung zu Dissipation als Funktion der Windgeschwindigkeit, Seegröße und vertikale Dichteschichtung analysieren. Als Ergebnis bieten wir ein umfassendes mechanistisches Verständnis der Energieflusspfade in kleinen Seen in Anhängigkeit des atmosphärischen Antriebs. Die Projektergebnisse werden die aktuellen Möglichkeiten zur Modellierung und Vorhersage von See-Atmosphäre Wechselwirkungen verbessern und zu einer Reihe von aktuellen Forschungsfragestellungen in Biogeochemie und Gewässerökologie beitragen.
Die rasante Urbanisierung und Industrialisierung in den vergangenen Jahrzehnten hat zu einer Vielzahl von Umweltkontaminationen mit halogenierten organischen Verbindungen (HOCs) sowohl in China als auch Europa geführt. Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist es, neue Erkenntnisse und ein vertieftes Prozessverständnis für die Synthese von biobasierten nFe(0)/Pd/C-Kompositen und deren Reaktionen mit HOCs in der Grundwasserreinigung zu gewinnen. Dies beinhaltet die Identifizierung von Synthese-optionen für Partikel mit maßgeschneiderten und verbesserten Eigenschaften mithilfe der Hydrothermalen Karbonisierung (HTC). Ein tiefgreifendes mechanistisches Verständnis der beteiligten Prozesse, d.h. Sorption, Reaktion und Transport reaktiver Spezies so-wie Katalyse sowie deren Synergien dient einer zielgerichteten Optimierung der Partikel und der Erkundung ihrer Anwendungsgebiete. Die nFe(0)/Pd/C-Komposite sollen speziell für die in-situ Grundwasserreinigung geeignet sein und verbesserte Eigenschaften insbesondere für solche Anwendungsfälle besitzen, bei denen bekannte Konzepte der in-situ-Sanierung mit Nanopartikeln (Nanoremediation) nicht greifen. Die synergistische Kombination verschiedener Wirkprinzipien erlaubt Multikatalyse-Prozesse sowie die sequentielle Behandlung von verschiedenen Kontaminanten. Zunächst werden verschiedene Optionen für die Einbettung von Metallen in oder auf die Kohlepartikel untersucht, die erhaltenen Produkte detailliert durch physikalisch-chemische Methoden charakterisiert und auf ihre Reaktivität getestet. Danach werden Reaktionen in Batch-Ansätzen für die Aufklärung der zugrundeliegenden Mechanismen, wie das Zusammenspiel von Pd, Kohleoberfläche und Fe-Spezies, der beteiligten Reaktionswege und reaktiven Spezies, durchgeführt. Weiterhin werden Optionen für Multikatalyse und sequentielle Reduktions-/Oxidationsprozesse untersucht. Abschließend werden die entwickelten Materialien und Prozesse im Labor für die Behandlung von Wasser von kontaminierten Standorten in Deutschland und China erprobt. Dieses kooperative Forschungsvorhaben von chinesischen und deutschen Partnern wird zu einem signifikanten Fortschritt in der Sanierungsforschung für industriell kontaminierte Standorte, insbesondere auch in China, führen.
Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung eines quantitativen Verständnisses der dynamischen biogeochemischen Prozesse in Auesedimenten, um zu einer prozessbasierten Abschätzung der Umsetzungsprozesse redox-sensitiver Spezies wie Stickstoff und Schwefel und von Herbiziden wie Glyphosat und MCPA zu gelangen. Untersuchungskampagnen (Bohrungen) unter unterschiedlichen Randbedingungen (Hochwasser, Trockenheit, Wiederbefeuchtung) in Kombination mit zielgerichteten Laborexperimenten sollen aufzeigen, wie hydrologische Faktoren, die im Hinblick auf die Umsetzung von Schadstoffen relevanten biogeochemischen Prozesse steuern.
Geothermalwässer sind eine der wichtigsten Quellen im geochemischen Arsen-Kreislauf. Untersuchungen konzentrieren sich häufig auf Arsenit und Arsenat, die sich nach dem Austritt aus Geothermalquellen weit ausbreiten und z.B. die Qualität von Trinkwasser-Aquiferen negativ beeinflussen können. Erst kürzlich wurde gezeigt, dass nicht Arsenit und Arsenat, sondern Thioarsenate (AsVSnO4-n3-; n = 1 - 4), die sich aus Arsenit und reduziertem Schwefel bilden, die häufigsten Arsenspezies an Geothermalquellen sind. Allerdings ist deren Ausbreitung durch Reaktivität gegenüber Sauerstoff begrenzt. Für das vorliegende Projekt postulieren wir, dass Methylierung ein viel häufigerer Prozess an Geothermalquellen ist als bisher angenommen und dass methylthiolierte Arsenate signifikanten Anteil am Gesamtarsengehalt haben, v.a. bei leicht saurem pH und hohen Gehalten an Sulfid und gelöstem organischem Kohlenstoff. Wir postulieren weiter, dass methylthiolierte Arsenate im Vergleich zu anorganischen Thioarsenaten geringere abiotische und mikrobielle Umwandlungen zeigen und im Vergleich zu Arsenit und Arsenat geringere und langsamere Sorption an Eisenminerale und organische Substanz. All dies würde zu einem potentiell hohen Austrag aus Geothermalgebieten führen. Um unsere Hypothesen zu testen, werden wir an zwei Geothermalgebieten in China (Rehai, Yunnan und Daggyai, Tibet) Arsenspezies an den Quellen bestimmen und ihre Umwandlung entlang der natürlichen Abflusskanäle sowie in on-site Inkubationsstudien verfolgen. Wir werden dabei auch klären, welche anderen abiotischen oder biotischen Faktoren zur Arsenspeziesumwandlung beitragen. Im Labor werden wir methylthiolierte Arsenate synthetisieren und ihre Bildung und Stabilität unter verschiedenen S/As Verhältnissen, Temperaturen, pH und in Anwesenheit von Oxidationsmitteln untersuchen. Desweiteren werden wir Ausmaß und Kinetik von Sorption an häufig vorkommenden Eisenmineralen (Ferrihydrit, Goethit, Mackinawit, Pyrit) und an einer organischen Modelsubstanz untersuchen. Um natürliche Bedingungen besser abzubilden, werden wir das Sorptionspotential für methylthiolierte Arsenate auch an natürlichen Sedimenten von Geothermalquellen und ihren Abflusskanälen bestimmen. Das Projekt wird in enger Zusammenarbeit zwischen Prof. Dr. Britta Planer-Friedrich (Deutschland), Expertin für Thioarsenchemie und -analytik, und Prof. Dr. Qinghai Guo (China), Experte für Geothermalwasserchemie, durchgeführt. Die Zusammenarbeit schliesst gemeinsam betreute Promotions- und Masterarbeiten ein, gemeinsame Geländearbeiten in China und Laborarbeiten in Deutschland, ein kickoff meeting in Deutschland sowie ein Abschlusstreffen in China. Das übergeordnete Ziel des Projekts ist es, ein neues Modell für die Bildung, den Transport und die Umwandlung von Arsenspezies in Geothermalgebieten zu entwickeln sowie das mögliche Vorkommen von methylthiolierten Arsenaten auch für andere natürliche Systeme vorhersagen zu können.
Eine sichere Wasserversorgung ist eines der Nachhaltigkeitsziele der Vereinten Nationen in der Agenda 2030. In Mitteleuropa und Deutschland sind hohe Nährstoffeinträge in Grund- und Oberflächenwässer und schließlich auch in die marinen Systeme nach wie vor einem Problem für aquatische Ökosysteme und die Sicherung der Wasserversorgung. Auf der räumlichen Skala von Flusseinzugsgebieten interagieren dabei eine Vielzahl von Eintragspfaden und Prozessen, die ein mechanistisches Verständnis und klare Ursache-Wirkungs-Beziehungen erschweren. In den letzten Dekaden wurden große Anstrengungen unternommen, Kläranlage zu ertüchtigen und damit Einträge von Phosphor und Stickstoff deutlich zu reduzieren. Andererseits sind diffuse Einträge aus der Landwirtschaft immer noch bedeutend und aufgrund der langen Transportzeiten von der Quelle zur Vorflut schwer zu managen. Es ist momentan schwer abzuschätzen, wie schnell sich Maßnahmen zur Verringerung von Stickstoffüberschüssen in der Landwirtschaft auf die Wasserqualität und ihre zeitlich-räumliche Variabilität in der Vorflut auswirken. In diesem Antrag wird ein einzigartiger Datensatz von Wasserqualität und -quantität über ganz Deutschland hinweg verwendet und einer systematischen Daten-getriebenen Analyse unterzogen. Der Datensatz basiert auf dem langjährigen Monitoring von Wasserqualität der einzelnen Bundesländer und wurde vom UFZ zusammengestellt. In der Analyse dieser Daten werden Muster in der Konzentrationsvariabilität aber auch den Beziehungen zwischen Konzentration und Abfluss verwendet, um Rückschlüsse auf dominante Prozesse und Eintragspfade im Einzugsgebiet zu schließen. Die Arbeit ist dabei auf drei Ziele fokussiert: (a) Die Klassifikation der Einzugsgebiete hinsichtlich ihres Nährstoff-Exportregimes für Daten ab dem Jahr 2010. (b) Die zeitliche Entwicklung der Stickstoff:Phosphor-Stöchiometrie für längere Zeitreihen im Wechselspiel von Punkt- und diffusen Quellen. (c) Die Langzeit-Trajektorien des Nährstoffexports aus Einzugsgebieten und einer möglichen Entwicklung zu chemostatischen Verhältnissen mit geringer Konzentrationsvariabilität aufgrund flächiger landwirtschaftlicher Einträge. Dabei ermöglichen innovative daten-getriebene Methoden und der einzigartige Datensatz einen neuen Blick auf die Steuergrößen von Nährstoffexporten im mitteleuropäischen anthropogen überprägten Landschaftsbild. Die Ergebnisse ebnen zum einen den Weg für komplexitätsreduzierte Wasserqualitäts-Modelle auf der Skala von Einzugsgebieten. Zum anderen haben die Ergebnisse Relevanz für weitere Fachgebiete, wie der aquatischen Ökologie und des Umweltmanagements.
Protisten (eukaryotische Mikroorganismen) erfüllen wichtige ökologische Funktionen, sie sind die dominierenden Primärproduzenten in Gewässern und die wichtigsten Konsumenten von Bakterien und damit von zentraler Bedeutung für aquatische Nahrungsnetze. Die Diversität von Protisten ist enorm, ihre Verteilungsmuster sind dagegen nicht gut verstanden. Während einige Taxa offensichtlich global verteilt sind, sind einige andere Taxa endemisch. Es ist aber höchst umstritten, inwieweit die für höhere Organismen beobachteten Verbreitungsmuster auf Protisten übertragbar sind. Die nacheiszeitliche Biogeographie Europas ist ideal für die Prüfung der Verallgemeinerbarkeit solcher biogeographischer Muster. Hochdurchsatzsequenzierung erlaubt jetzt die Analyse großräumiger Diversitätsmuster. In diesem Projekt werden wir die Verteilung von Protisten in europäischen Binnengewässern im Hinblick auf die postglazialen Verteilungsmuster von Makroorganismen untersuchen. Wir werden die Variation der Protistendiversität in aquatischen Ökosystemen auf der Basis von Planktonproben von 250 europäischen Seen einschließlich Seen aus Spanien, Frankreich, Italien, Schweiz, Österreich, Rumänien, Ungarn, der Tschechischen Republik, der Slowakei, Polen, Schweden, Norwegen, Griechenland, Kroatien und Bulgarien untersuchen. Wir werden die räumliche Analyse durch saisonale Analyse ausgewählter Seen innerhalb eines zentraleuropäischen Gradienten ergänzen, um räumliche von zeitlichen Mustern zu trennen. Das Projekt wird die Biogeographie, die Phylogeographie und die Diversität der Protisten in europäischen Süßwasserseen auf der Gemeinschaftsebene analysieren basierend auf Hochdurchsatzsequenzierung der molekularen Diversität. Insgesamt wird das Projekt die Gültigkeit allgemeiner biologischer Theorien für mikrobielle Eukaryoten testen.
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| Bund | 653 |
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| Förderprogramm | 653 |
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