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.
Lakes of the Tibetan Plateau are the major components of the regional climate system. However, mechanisms of heat transport within the lakes and the lake-atmosphere interaction in the Tibetan Plateau remain largely unknown and limit the quantitative understanding of the contribution made by the Tibetan Plateau lake system into regional and global climate variability. The proposed project aims at (i) revealing specific features of the thermal and mixing regime of lakes on Tibetan Plateau at time scales from microturbulent to seasonal ones, and (ii) study the characteristics of energy and water cycle at the interface between atmosphere and lakes. By this, the project will provide unique information about the feedbacks and mechanisms between the thermal regime of lakes and climatic and hydrological factors in the Tibetan Plateau. The specific goals of the project are the following: (i) to understand the characteristics of the heat and mass exchange between lakes and the atmosphere, to qualify the influence factors; (ii) to estimate the thermal characteristics of lakes, their seasonal variability with respect to the heat and mass exchange at the lake-atmosphere interface; (iii) to improve and test the lake parameterization scheme applicable to conditions of the Tibetan Plateau area, and apply it into a regional atmospheric model; (iv) to investigate the feedbacks between Tibetan Plateau lakes and the atmosphere by means of coupled modeling. The outcomes of the project will provide a basis for further projections on the local water resources and regional climate conditions. To achieve the proposed goals the project will combine numerical models with field studies on the largest freshwater lake in the Yellow River source region of the Tibetan Plateau (Ngoring Lake) and the nearby salt lake (Hajiang Salt Pond). The project team joins together the leading group on lake physics from Germany with the meteorological research group from China intensively working on lakes as components of climatic system of the Tibetan Plateau, ensuring by this fundamental and interdisciplinary character of the proposed study.
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.
In den letzten zwei Jahrzehnten ereigneten sich in Deutschland und Österreich eine Reihe extremer Hochwasser, die mit den größten derartigen Ereignissen seit Beginn der systematischen Abflussbeobachtungen zu Beginn des 20. Jahrhunderts vergleichbar waren, oder diese sogar in ihrer Größe überschritten. Derartige Rekordhochwasser unterscheiden sich in mehrfacher Hinsicht von kleineren Hochwasserereignissen. Das Ausmaß, die Dauer und die räumliche Ausdehnung eines extremen Hochwassers werden von einer Reihe von Faktoren (beispielsweise durch den Niederschlag und seine räumliche und zeitliche Verteilung, den Vorfeuchtebedingungen und den Einzugsgebietseigenschaften wie Flächennutzung, Böden, Flussnetzen und anderen) gesteuert. Das Zusammenwirken des Regens in seiner ereignisspezifischen räumlichen und zeitlichen Verteilung mit der Bodenfeuchte ist oft der auslösende Faktor, da es eine extreme Abflussbildung bedingt. Sobald eine Hochwasserwelle sich im Flussnetz stromabwärts bewegt, wird ihr weitere Verlauf durch die Wechselwirkungen zwischen der Abflussbildung in den verschiedenen Teilbereichen des Einzugsgebietes, der Überlagerung von Hochwasserwellen aus Zuflüssen und den zur Verfügung stehenden Retentionsvolumina in den Überschwemmungsgebieten bestimmt. Welche Kombinationen dieser Faktoren extreme Hochwasserereignisse bedingen, stellt eine wichtige und interessante hydrologische Frage dar. Oft werden nur einige dieser Faktoren die Hochwasserentstehung dominieren und selten werden alle diese Faktoren gleichzeitig im Bereich ihres Maximums auftreten. Große Realisierungen einiger Wirkungsfaktoren reichen aber in der Regel aus, um extreme Hochwasserereignisse zu bedingen. In diesem Projekt werden diese Faktoren und deren Kombinationen im Rahmen einer detaillierten Analyse von extremen Hochwasserereignissen in verschiedenen Regionen Deutschlands und Österreichs untersucht. Aus der Anwendung eines einheitlichen analytischen Rahmens sind weitergehende Einblicke in den Hochwasserentstehungsprozess zu erwarten. Die Ergebnisse der Ereignisanalysen können durch regionalen Vergleiche verallgemeinert werden. Die Erkenntnisse zur Steuerung der hydrologischen Prozesse der Hochwasserentstehung werden in einem neuen GIS-basierte deterministischen Modellen zusammengefasst, um so das Wissen über die Entstehung von extremen Hochwasserereignissen zu verallgemeinern und zu formalisieren.
Persistente, mobile organische Chemikalien (PMOCs), wie p-Toluolsulfonsäure, p-Toluolsulfonamid, Sulfanilsäure und Dimethylbenzolsulfonsäure, gelangen nachweislich ins Grundwasser. Grund dafür ist vor allem ihre Mobilität: Die Substanzen können besonders leicht im Wasser durch Boden und Untergrund transportiert werden. Ihre Mobilität ist dabei ein Alleinstellungsmerkmal unter den organischen Substanzen und Schadstoffen. Die chemische Analytik von PMOCs ist wegen dieser schlechten Retentionseigentschaften außergewöhnlich herausfordernd, was eine ausgeprägte Wissenslücke über den Verbleib von PMOCs verursacht. Nur einzelne Forschergruppen weltweit können PMOCs mit Multimethoden quantifizieren. Erstmalig konnte 2019 mithilfe neuer analytischer Methoden in einer umfangreicheren Studie, geleitet durch das Department Analytik des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung GmbH - UFZ, die weite Verbreitung von PMOCs u.a. im Grundwasser im ng/L- mikro g/L Bereich nachgewiesen werden. Bisher wird die Persistenz regulatorisch, z.B. von REACH-Chemikalien (Verordnung (EG) Nr. 1907/2006: EU-Chemikalienverordnung), nicht im Grundwasser untersucht. Einzelne Studien zeigen jedoch, dass die Persistenz im Grundwasser besonders stark ausgeprägt sein kann. Dies trifft auch auf die vier erwähnten Substanzen zu, welche Halbwertszeiten von mehr als einem Jahr in Aquiferen aufweisen - jedoch mit den derzeitigen Persistenzkriterien unter REACH als nicht persistent gelten. Es bedarf Grundlagenforschung, um den Verbleib und die Persistenz im Grundwasser, und somit die Expositionssituation gegenüber Mensch und Natur, von PMOCs zu untersuchen. In diesem Projekt sollen experimentelle Instrumentarien zur Untersuchung des Verbleibs und der Persistenz von PMOCs im Grundwasser entwickelt und angewendet werden. Dies beinhaltet die Weiterentwicklung von analytischen Methoden, die Durchführung eines Monitorings und die Entwicklung eines Testsystems zur Persistenzuntersuchung in Aquiferen und zugehörigem Sediment unter verschiedenen Redox-Bedingungen. So kann die Exposition durch PMOCs untersucht und abgeschätzt werden. Die gewonnenen Erkenntnisse zur Exposition und das entwickelte Testsystem zur Persistenzuntersuchung im Grundwasser könnten zu einer Weiterentwicklung der Regulation unter der REACH-Verordnung für grundwassergängige, mobile organische Substanzen beitragen.
Städte haben ihre Wurzeln im Untergrund. Hier befinden sich die Fundamente von Gebäuden und ein wesentlicher Anteil der urbanen Infrastruktur. Zugleich dient der Untergrund als Wasserreservoir und als Quelle für erneuerbare Energie. Ein bisher wenig beachtetes Phänomen sind die sogenannten Urbanen Wärmeinseln im Untergrund (UWIU), die sich oft unbemerkt über Jahrzehnte ausbreiten. Sie reichen häufig über das gesamte Stadtgebiet, in dem erheblich höhere Boden- und Grundwassertemperaturen zu finden sind als in der ungestörten, ländlichen Umgebung. Die Ursachen hierfür sind vielfältig und gerade die langfristige Entwicklung von UWIUs ist noch heute ungeklärt. Um Empfehlungen für eine möglichst proaktive Nutzung des städtischen Untergrunds in der Zukunft zu erstellen, gilt es, die treibenden Prozesse und Faktoren zu ergründen, die UWIUs in verschiedenen Städten verursachen. Das Kernthema dieses Projekts ist, erstmalig die thermischen Bedingungen unter zwei chinesischen und deutschen Städten, Nanjing und Köln, zu vergleichen. Die teilnehmenden Wissenschaftler haben weitreichende Erfahrung in der Erforschung von UWIUs in ihren Ländern und in Vorarbeiten bereits eine umfassende Datenbasis von Boden- und Grundwassertemperaturen gesammelt. Kernziel ist es, diese mit einem neuen gemeinsamen Messprogramm zu aktualisieren und aus der vergangenen und aktuellen Entwicklung der beobachteten UWIUs auf die zukünftige Temperaturentwicklung im Untergrund zu schließen. Dies wird erreicht durch ergänzende Laborversuche und umfassende numerische Simulationen, die insbesondere die zeitliche Entwicklung der Landnutzung berücksichtigen. Die Ergebnisse für die Städte in Deutschland und China werden verglichen und so individuell von gemeinsamen Charakteristiken unterschieden. Auf diese Weise werden allgemeingültige Zusammenhänge erschlossen, die sich auch auf weitere weniger erforschte Städte übertragen lassen und dort Prognosen zur zukünftigen UWIU-Entwicklung ermöglichen.
Arsen-kontaminiertes Grundwasser stellt eine große Gefahr für zig Millionen von Menschen dar, insbesondere in Süd- und Südost-Asien, durch seine Verwendung als Trinkwasser und für die Bewässerung von Reisfeldern. Das Hauptziel dieses Projekts ist es gemeinsam mit Wissenschaftlern der Stanford University die Menge an giftigem Arsen in den beiden wichtigsten Expositionsquellen, Wasser und Reis, zu reduzieren und zu bestimmen wie i) Arsen effizient mit Wasserfiltern aus dem Trinkwasser entfernt und ii) die Arsenaufnahme durch Reis während der Nasskultivierung reduziert werden kann. Im ersten Teilprojekt planen wir in Vietnam zu untersuchen, unter welchen Bedingungen Wasserfilter Arsen effizient entfernen, wie lange die Filter verwendet werden können und ob gesundheits-schädigende Konzentrationen von Nitrate in den Filtern gebildet werden. Wir werden einen visuell sichtbaren Indikator in den Filtern entwickeln, der es der breiten Bevölkerung erlaubt, ohne analytische Verfahren oder besonderen Bildungsstand zu bestimmen, wann die Effizienz des Filters aufgrund der Sättigung mit Arsen verschwindet und das Filtermaterial ersetzt werden muss. Darüber hinaus werden wir untersuchen, wie das Arsen-verschmutzte Filtermaterial ohne weitere Risiken entsorgt werden kann. Im zweiten Teilprojekt werden wir untersuchen, ob die Stimulation von nitrat-reduzierenden, eisenoxidierenden Bakterien in Reisfeldböden die Arsenaufnahme in Reis reduziert durch die Bindung von Arsen an die gebildeten Minerale. Wir werden bestimmen, wie die Zugabe definierter Mengen an Nitrat helfen kann, gleichzeitig die Arsenaufnahme in den Reis und die Emission des Treibhausgases N2O zu minimieren. Dieses Projekt wird für die Bevölkerung in Arsen-betroffenen Ländern praktische Lösungen bieten, um mögliche Schädigungen durch Arsen und Nitrat zu reduzieren und ihre Gesundheit und Lebenssituation zu verbessern.
Die Verunreinigung unserer Wasserressourcen mit organischen Schadstoffen, wie etwa Öl-bürtigen Kohlenwasserstoffen, ist ein ernstzunehmendes Problem und hat vielerorts bereits zu einer chronischen Belastung des Grundwassers geführt. Der biologische Abbau ist der einzige natürliche Prozess, der im Untergrund zu einer Schadstoffreduktion führt. Als Steuergrößen gelten hier die Anwesenheit von Abbauern (Mikroorganismen) und die Verfügbarkeit von Elektronenakzeptoren und Nährstoffen. In den letzten Jahren wurde zudem die Bedeutung dynamischer Umweltbedingungen (z.B. Hydrologie) als wichtige Einflussgröße erkannt. Ein wichtiger Aspekt wurde jedoch bisher nicht in Betracht gezogen, nämlich die Rolle der Viren bzw. Phagen. Viren sind zahlenmäßig häufiger als Mikroorganismen und ebenso ubiquitär vorhanden. Mittels verschiedener Mechanismen können sie einen enormen Einfluss auf die mikrobiellen Gemeinschaften ausüben. Einerseits verursachen sie Mortalität bei ihren Wirten. Andererseits können sie über horizontalen Gentransfer den Wirtsstoffwechsel sowohl zu dessen Vorteil als auch Nachteil modifizieren. In den vergangenen Jahren konnten verschiedene mikrobielle Phänomene der Aktivität von Viren zugeschrieben werden. Die klassische Ansicht, dass Viren ausschließlich Parasiten sind, ist nicht mehr zutreffend. Als Speicher und Überträger von genetischer Information ihrer Wirte nehmen sie direkten Einfluss auf biogeochemische Stoffkreisläufe sowie auf die Entstehung neuer Schadstoffabbauwege. Biogeochemische Prozesse in mikrobiell gesteuerten Ökosystemen wie dem Grundwasser und die dynamische Entstehung und Anpassung an neue Nischen als Folge von Veränderungen der Umweltbedingungen kann nur verstanden werden, wenn der Genpool in lytischen und lysogenen Viren entsprechend mit berücksichtigt wird. Das Projekt ViralDegrade stellt Paradigmen in Frage und möchte eine völlig neue Perspektive hinsichtlich der Rolle der Viren beim mikrobiellen Schadstoffabbau eröffnen, welche zur Zeit noch als Black Box behandelt werden. ViralDegrade postuliert, dass Viren (i) durch horizontalen Gentransfer und den Einsatz von metabolischen Genen den Wirtsstoffwechsel modulieren (Arbeitshypothese 1) und (ii) für den temporären Zusammenbruch von dominanten Abbauerpopulationen und, damit verbunden, für den Wechsel zwischen funktionell redundanten Schlüsselorganismen verantwortlich sind (Arbeitshypothese 2). Sorgfältig geplante Labor- und Felduntersuchungen und vor allem der kombinierte Einsatz von (i) neu entwickelten kultivierungsunabhängigen Methoden, wie etwa dem Viral-Tagging, und (ii) ausgewählten schadstoffabbauenden aeroben und anaeroben Bakterienstämmen, garantieren neue Erkenntnisse zur Rolle der Viren beim mikrobiellen Schadstoffabbau sowie ähnlichen mikrobiell gesteuerten Prozessen. Ein generisches Verständnis der Vireneinflüsse wird zudem zukünftig neue Optionen für die biologische Sanierung eröffnen.
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.
Bodenwasserbewegung ist ein Schlüsselprozess in mehreren bereitstellenden und regulierenden Ökosystemdienstleistungen. Die genaue Vorhersage mit mathematischen Modellen bleibt jedoch aufgrund großer Unsicherheiten in allen Modellkomponenten eine Herausforderung, selbst wenn prozessbasierte Beschreibungen wie die Richards-Gleichung verwendet werden. Datenassimilationsmethoden bieten die Möglichkeit, Informationen aus unsicheren Modellen und unsicheren Messungen zu einer verbesserten konsistenten Zustandsbeschreibung zu verbinden, sofern die Unsicherheiten korrekt quantifiziert werden können. Die größten Unsicherheiten liegen dabei typischerweise in den hydraulischen Eigenschaften des Bodens. Werden die relevanten hydraulischen Parameter in einem erweiterten Zustand berücksichtigt, können diese mit den Datenassimilationsmethoden geschätzt werden. Dies ist selbst in Gegenwart von Modellfehlern wie z.B. präferentiellem Fluss möglich, falls diese Fehler entsprechend berücksichtigt werden. Bisher konnten solche konsistenten Beschreibungen nur auf kleinen Skalen bis hin zu eindimensionalen Bodenprofilen demonstriert werden. Auf größeren Skalen wurden noch keine detaillierten prozessbasierten Beschreibungen erreicht. Dies ist auf fehlende Informationen über die heterogenen bodenhydraulischen Eigenschaften in Kombination mit den hochgradig nichtlinearen und interagierenden Prozessen zurückzuführen. Eine einzigartige Forschungsinfrastruktur für die experimentelle Untersuchung der Bodenhydrologie von Hängen ist das Landscape Evolution Observatory (LEO) in der Biosphere 2. Es besteht aus drei künstlichen Hängen mit einem ausgedehnten Sensor- und Probennehmernetzwerk. Um das Verständnis auf dieser größeren Hangskala zu verbessern, ist das Ziel dieses Projektes die konsistente und prozessbasierte Beschreibung der Bodenwasserbewegung am LEO, einschließlich der Darstellung von Heterogenität und Evolution der bodenhydraulischen Parameter. Der Focus liegt dabei auf den folgenden Aspekten: (i) die Ableitung der zeitlichen Entwicklung der bodenhydraulischen Parameter durch Datenassimilation an ausgewählten Profilen in den Hängen, (ii) die Bestimmung der Heterogenität der bodenhydraulischen Eigenschaften und deren Auswirkungen durch hydraulische Experimente und Vorwärtssimulationen und (iii) die Entwicklung und Verifizierung einer konsistenten Beschreibung von Teilen der Hänge durch Datenassimilationsmethoden. Dieses Projekt wird die Frage beantworten, ob die derzeitigen Beobachtungstechniken ausreichen, um eine konsistente und ausreichend akkurate Beschreibung der Hanghydrologie zu erhalten, und wenn ja, wie und mit welcher Unsicherheit diese Darstellung erreicht wird. Darüber hinaus erwarte ich einen quantitativen Einblick in die Ausbildung der Heterogenität am LEO.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 652 |
| Land | 6 |
| Wissenschaft | 651 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 652 |
| License | Count |
|---|---|
| offen | 652 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 451 |
| Englisch | 433 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Keine | 19 |
| Webseite | 633 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 634 |
| Lebewesen und Lebensräume | 568 |
| Luft | 407 |
| Mensch und Umwelt | 652 |
| Wasser | 637 |
| Weitere | 652 |