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.
Signifikante Veränderungen hydrologischer Extremereignisse sind zentraler Bestandteil zukünftiger Klimawandelprognosen. Das Verständnis komplexer Wechselwirkungen zwischen Niederschlägen, Wasserspeicherung in Boden und Grundwasser sowie Wasserflüssen im Einzugsgebiet ist eine große Herausforderung in der Ökohydrologie. Die Vegetation spielt dabei eine zentrale Rolle in dem sie 50-70% der terrestrischen Evapotranspiration kontrolliert. Verschiedene Pflanzenarten unterscheiden sich signifikant in ihren Wassernutzungsstrategien. Die Integration solcher Informationen zu artspezifischen Einflüssen auf die Bodeninfiltration und Wurzelwasseraufnahmedynamiken liefern erste Hinweise darauf, wie Bäume Wasser in Richtung ihrer aktiven Wurzelzone leiten können. Dies wird unter zukünftigen klimatischen Bedingungen und bei der Entwicklung von Anpassungsstrategien für eine nachhaltige Waldökosystembewirtschaftung bedeutend. Das Konzept des Wasseralters mittels stabiler Wasserisotopen wird verwendet, um den Beitrag unterschiedlicher Wasserfließwege zum Abfluss und deren Änderungen zu bewerten. Das Wasseralter bietet dabei eine weitere Perspektive, um hydrologische Prozesse besser zu verstehen und Modelle zu optimieren. Jüngste Studien zur Bestimmung von Verweilzeit zeigen, dass besonders die Schnittstellen zwischen den Kompartimenten (z.B. Boden-Atmosphäre oder Boden-Wurzeln) besser berücksichtigt werden muss, um den ökohydrologischen Kreislauf ganzheitlicher zu verstehen. Artspezifische Unterschiede und die komplementäre Ressourcennutzung von Baum-Mischbeständen können dabei Wasserverweilzeiten und -alter im ökohydrologischen Kreislauf verändern. Unsere zentrale Hypothese lautet, dass Artidentität und Wasserkonkurrenz zwischen Baumarten ein Haupttreiber für ökohydrologische Rückkopplungsprozesse zwischen Boden und Bäumen sind. Wir werden unsere zentrale Hypothese in Rein- und Mischbeständen von Tannen und Buchen in einem kombinierten experimentellen (Arbeitspakete (WPs) 1-3) und Modellierungsansatz (WP 4) untersuchen, in dem räumlich hochaufgelöste Messungen von Isotopen sowie hydrometrische und ökophysiologische Messungen mit kontinuierlicher Langzeitüberwachung kombiniert werden, um alle Kompartimente des Wasserkreislaufs des Ökosystems zu quantifizieren. Isotopensignaturen von Wasserflüssen auf natürlichem Niveau werden zunächst über eine neuartige in-situ-Monitoringplattform (SWIP) für ein Jahr (WP 1) beobachtet, um das SWIP-System standortspezifisch zu validieren. In WP 2 werden wir ein Isotopenmarkierungsexperiment durchführen, um die standortspezifische zeitliche Heterogenität der Reaktionszeiten der Ökosystemkompartimente zu quantifizieren, während in WP 3 die Verweilzeiten und das Wasseralter der verschiedenen Kompartimente untersucht werden. WP 4 dient der Modellierung ökohydrologischer Prozesse mittels der erhobenen Daten. Der Fokus wird hier auf der Verbesserung der SWIS-Modellstruktur und der Anpassung an verschiedene Baumstände liegen.
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.
Submarine Grundwasseraustritte sind wichtige Komponenten des hydrologischen Kreislaufs und tragen wesentlich zum Austrag von Nährstoffen, Kohlenstoff und Metallen aus den küstennahen Grundwasserleitern in die Küstenmeere bei, in Folge dessen sie küstennahe marine Ökosysteme beeinflussen. Das derzeitige Bild der hydraulischen Bedingungen im subterranen Ästuar ist, dass eine von Gezeiten und Wellenbewegung induzierte Salzwasserzirkulationszelle einen Süßwasser-'tube' überlagert. Unsere eigenen Forschungsergebnisse legten jedoch kürzlich nahe, dass diese Schichtung unter bestimmten Randbedingungen instabil wird, die Salzwasserzirkulationszelle und der Süßwasser-'tube' nicht mehr existieren und stattdessen Salzwasserfinger in das darunterliegende Süßwasser absinken. Dies würde die subterranen Grundwasseraustrittsmuster stark verändern und sich mit großer Wahrscheinlichkeit auch auf die geochemischen Prozesse im Untergrund auswirken. Das Projekt kombiniert physikalische Laborversuche und numerische Modellierung, um zu untersuchen (i) ob und wo ein Absinken von Salzwasserfingern in das darunterliegende Süßwasser in der Natur denkbar ist, (ii) welchen Einfluss Sedimenteigenschaften (z.B. Heterogenität) und Randbedingungen (z.B. saisonal variabler Süßwasserzustrom) auf die Ausbildung von Salzwasserfingern haben, (iii) wie die Strömungsmuster in 3-D aussehen, (iv) welche Möglichkeiten der Vorhersage es für die instabilen Strömungsmuster gibt und wie man diese verbessern kann sowie (v) welchen Einfluss die veränderten Strömungsmuster letztlich auf die biogeochemischen Prozesse und die Formation von stark adsorbierenden Eisen(III)hydroxidoberflächen ('Iron curtain') in sandigen Strandgrundwasserleitern und die davon abhängigen Stoffausträge in das Meer haben.
Es werden im Rahmen des Projektes anthropogen induzierte Folgen von Landnutzungsänderungen und der Industrialisierung auf die Morphodynamik von Fließgewässern anhand von Beispielen aus dem Rureinzugsgebiet untersucht. Die Rur ist ein 165 km langer Fluss mit einer Einzugsgebietsgröße von 2340 km2 in Nordrhein-Westfalen und verbindet ein heute überwiegend bewaldetes Mittelgebirge mit einer Quellregion in einer Höhe von 660 m mit einem agrarisch geprägten Tiefland zwischen 200 und 30 m NHN. Wie in vielen anderen Flusssystemen Mitteleuropas sorgten anthropogene Eingriffe für erhebliche Veränderungen der Naturräume und der fluvialen Systeme. Im Einzugsgebiet der Rur wurden die Rur selbst, aber auch ihre Zuflüsse erheblich durch Siedlungsausdehnung, Mühlenbau, Rodungen, Bergbau, Industrieeinleitungen, Talsperrenbau, Wiederaufforstungen, Flurbereinigungen und Naturschutzmaßnahmen (u.a. Nationalpark Eifel) geprägt. Ziel des Projektes ist es, die unterschiedlichen Einflüsse und deren jeweiligen Folgen für die fluvialen Systeme in verschiedenen Zeitabschnitten (u.a. Mittelalter, Neuzeit, heute und Zukunft) mittels geowissenschaftlicher und ingenieurwissenschaftlicher Methoden zu untersuchen. Dies beinhaltet u.a. Kartierungen, Beprobungen fluviale Sedimente, sedimentologische und geochemische Analysen, 14C und 137Cs Datierungen sowie numerische Modellierungen von Fließgewässern und deren Auen einschließlich der Talsperren. Ein besonderer Fokus liegt neben den unterschiedlichen anthropogenen Eingriffen auf den natürlichen Einflüssen und dem Vergleich der fluvialen Dynamik im Mittelgebirge und im Tiefland. Dieser interdisziplinäre Ansatz soll ein möglichst umfassendes Bild des anthropogenen sowie natürlichen Einflusses und seinen Folgen auf das Einzugsgebiet der Rur in der Vergangenheit, Gegenwart und in der Zukunft vermitteln.
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.
Kohäsive Feinpartikel sind potentielle Träger von anorganischen und organischen Schadstoffen und spielen eine entscheidende Rolle beim Stoffaustausch zwischen Wasserkörper, Schwebstoff und Sediment. Daher ist die Kenntnis der Depositionsdynamik dieser Feinpartikel ein wichtiger Baustein für ein effizientes Sedimentmanagement und eine physikalisch basierte Modellierung des Schadstofftransfers in Fließgewässern. Es überrascht jedoch, dass sich Untersuchungen zum Transport- und Sedimentationsverhalten kohäsiver Partikel bisher häufig auf definierte stationäre Randbedingungen im Labormaßstab und Trockenwetterbedingungen im Gelände konzentrieren. Weitgehend ungeklärt ist hingegen das Verhalten von Feinpartikeln und deren Speicherung im Gerinnebett während der dynamischen Phase von Hochwasserereignissen. Um die im Gerinne ablaufenden Prozesse weitgehend unabhängig von den Einzugsgebietsprozessen zu untersuchen hat sich in unserer Arbeitsgruppe seit nunmehr über 10 Jahren ein Ansatz mit künstlich generierten Hochwasserwellen bewährt. Es ist ein genereller Vorteil von solchen Geländeexperimenten, dass einzelne steuernde Größen ausgeschlossen oder gezielt kontrolliert werden können. Außerdem ist ein solcher Ansatz eine Voraussetzung, um die Aussagekraft experimentell gewonnener Laborergebnisse zur potentiell hohen Feinpartikel-Retention in Sand- und Kiessedimenten in einem natürlichen System zu validieren. Das übergeordnete Ziel des hier beantragten Projekts ist es, die Gerinnespeicherung kohäsiver Feinpartikel in einem natürlichen System bei variierenden hydrologisch-hydraulischen Randbedingungen zu quantifizieren. Zu diesem Zweck werden standardisierte Feinpartikeltracer (Kaolinit, d50 = 2ìm, ñ = 2,6 g/cm3) sowohl im Verlauf von künstlich generierten Hochwasserwellen als auch während stationärer Trockenwetterbedingungen in einen Mittelgebirgsbach induziert. Die Retention und Sedimentation der eingegebenen Feinpartikel wird gezielt in kleinräumig variierenden Flussbettstrukturen (Hyporheische Zone, Stillwasserzonen, Gerinnerandbereiche, Riffle-Pool-Sequenzen) und für einzelne Gerinneabschnitte erfasst. Die Quantifizierung der Speicherung erfolgt mit bereits erprobten Resuspensionstechniken und Sedimentfallen sowie einer in Pilotprojekten erfolgreich getesteten Tracerfrachtberechnung mittels FTIR-DRIFT Spektroskopie an mehreren Basismessstationen im Längsprofil. In einem interdisziplinären Forscherverbund mit Kollegen des 'Hydraulics Laboratory' und des 'Dept. of Civil Engineering' der Universität Gent, der 'Ecosystem Management Research Group, Dept. of Biology' der Universität Antwerpen und des 'Dept. of Hydrology and Hydraulic Engineering' der Freien Universität Brüssel in Belgien wird darüber hinaus die Transport- und Speicherdynamik der Feinpartikel mit der neuen, FORTRAN basierten Modellierungssoftware 'FEMME' ('Flexible Environment for Mathematically Modelling the Environment') abgebildet.
Wir werden eine Strategie zur Assimilation der Landoberflächentemperatur implementieren, bei der verschiedene Beobachtungen innerhalb eines Tages verwendet werden, um sensitive Landoberflächenparameter und -zustandsgrößen anzupassen. Wir werden zudem einen Operator zur Assimilation des Blattflächenindex entwickeln, um damit dynamische Vegetationszustandsgrößen und sensitive Ökosystemparameter anzupassen. Der Nutzen der genannten Daten in Kombination mit Bodenfeuchtebeobachtungen wird mit Hilfe synthetischer Experimente ermittelt. Im Besonderen wird dabei untersucht, ob die Parameterschätzung verbessert werden kann und in welchem Ausmaß die Assimilation bestimmter Datentypen die Zustandsgrößen anderer Kompartimente verbessert. Hierbei werden realistische Szenarien verwendet, welche verschiedene Unsicherheitsquellen und unbekannte Parameter beinhalten. Synthetische Experimenten werden zunächst mit der Landkomponente von TerrSysMP-PDAF (CLM-ParFlow-PDAF) mit Hilfe eines gemeinsamen Testfalles mit P5, P6 und P7 durchgeführt. Wir werden zudem Beiträge zu den Experimenten mit dem gesamten TerrSysMP-PDAF liefern, welche von C1 koordiniert werden. Im letzten Schritt werden Tests mit dem Rureinzugsgebiet durchgeführt.
Unter anoxischen Bedingungen wird Arsen (As) in Form von Arsenit vermeintlich vollständig über Schwefel(S)-Gruppen an natürliches organisches Material (NOM) gebunden. Laborexperimente zeigten, dass selbst unter oxischen Bedingungen die Halbwertszeit mehr als 300 Tage betrug, damit sogar größer war als die von Arsenit an Eisen(Fe)(III)-Oxyhydroxiden. Global betrachtet heißt das, dass z.B. Moore, die reich an Organik und Sulfid sind, wichtige quantitative As-Senken sind. Allerdings wurden alle mechanistischen Studien bisher so durchgeführt, dass Arsenit einem zuvor gebildeten S(-II)-NOM zugegeben wurde. In einem System, das As(III), S(-II) und NOM enthält, spielt aber auch die As(III)-S(-II)-Komplexierung in Lösung unter Bildung von Thioarseniten ((H2AsIIIS-IInO3-n)-, n=1-3) und Thioarsenaten ((HAsVS-IInO4-n)2-, n=1-4) eine Rolle. Unsere zentrale Hypothese ist, dass die Kinetik der Thioarsen-Spezies-Bildung in Lösung schneller ist als die Sorption von As(III) und S(-II) an NOM und dass daher Thioarsen-Spezies das Ausmaß und die Kinetik der As-Sorption an Organik bestimmen. Auch die kompetitive Sorption an gleichzeitig auftretenden (meta)stabilen Fe-Mineralen wird vom bekannten Verhalten von Arsenit abweichen. Aufgrund ihrer Instabilität und einem Mangel an reinen Standards, ist über das Sorptionsverhalten von Thioarseniten bislang nichts bekannt. Für Thioarsenate gibt es keine Information zum Bindungsverhalten an NOM, aber es ist bekannt, dass die Sorption an verschiedenen Fe(III)-Mineralen geringer ist als die von Arsenit. Wir postulieren, dass Thioarsenate weniger und langsamer als Arsenit an S(-II)-NOM binden, da kovalente S-Bindungen in Thioarsenaten die Affinität für S(-II)-NOM Komplexierung verringern. An Fe(III)-NOM sollte die Bindung geringer sein in Analogie zur bekannten geringeren Affinität für Fe(III)-Minerale. Wir postulieren weiter, dass die Sulfidierung eine schnellere und größere As-Mobilisierung bewirkt als die zuvor untersuchte Oxidation, da abiotische Oxidation langsam ist, die As-S-Komplexierung in Lösung aber spontan und so As-Bindungen an NOM und Fe-Minerale schwächt. Um unsere Hypothesen zu testen, werden wir Batch-Experimente durchführen mit Mono- and Trithioarsenat-Standards und einem Arsenit-Sulfid Mix (der Thioarsenite enthält) bei pH 5, 7 und 9 an zwei ausgewählten NOMs (Federseemoor Torf und Elliott Soil Huminsäure; jeweils unbehandelt, S(-II)- und Fe(III)-komplexiert). Wir werden Sorptionsaffinität und -kinetik, sowie mittels Röntgenabsorptionsspektroskopie Bindungsmechanismen bestimmen. Die Stabilität der (Thio)arsen-beladenen NOMs wird unter oxidierenden aber auch unter sulfidischen Bedingungen studiert und präferenzielle Bindung in binären Systemen (Kombinationen aus Fe-Oxyhydroxiden, Fe(III)-NOM, S(-II)-NOM und Fe-Sulfiden) untersucht. Ziel ist, As-Bindungsmechanismen in S(-II)-Fe(III)-NOM-Systemen besser zu verstehen, um vorhersagen zu können, unter welchen Bedingungen As Senken zu As Quellen werden können.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 508 |
| Kommune | 3 |
| Land | 2 |
| Wissenschaft | 508 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 508 |
| License | Count |
|---|---|
| Offen | 508 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 347 |
| Englisch | 300 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Keine | 10 |
| Webseite | 498 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 490 |
| Lebewesen und Lebensräume | 433 |
| Luft | 301 |
| Mensch und Umwelt | 508 |
| Wasser | 493 |
| Weitere | 508 |