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.
Die Hydrologie der Landoberfläche wirkt an der Schnittstelle zwischen Boden, Vegetation und Atmosphäre. Sie hat dadurch Auswirkungen auf Nahrungsmittelproduktion, Wasserverfügbarkeit und Extremereignisse, wie Dürren und Überschwemmungen. Die Wechselwirkungen zwischen Land (Hydrologie) und Atmosphäre (Wetter) sind bisher nur ungenügend verstanden. Es ist insbesondere unklar, ob sich die Einflüsse der Landoberfläche auf Vegetation und Wetter durch die globale Erwärmung verstärken werden. Darüber hinaus ist nur wenig bekannt bezüglich des Übergangs von einem energielimitierten Regime, wo die Atmosphäre (Temperatur und Einstrahlung) das Land (Vegetationsproduktivität, Bodenfeuchte) beeinflusst, hin zu einem wasserlimitierten Regime, wo das Land (auch) die Atmosphäre beeinflusst. Um das Verständnis der Land-Atmosphäre-Wechselwirkungen zu verbessern, wird ein multivariater Ansatz mit der Analyse von Daten über Bodenfeuchte, Matrixpotential, Bruttoprimärproduktion, Verdunstung, Temperatur und Landoberflächencharakteristiken vorgeschlagen. Mit dieser umfassenden Methodik werden Land-Atmosphäre-Wechselwirkungen in Bezug auf ihre kurz- und langfristige Variabilität, sowie auf ihre Veränderungen im Kontext des Klimawandels untersucht. Ausserdem werden potentiell stark betroffene Regionen bestimmt. Desweiteren wird ein kritischer Bereich der Bodenfeuchte und/oder des Matrixpotentials identifiziert und charakterisiert, ab dem eine Wasserlimitierung von Vegetation oder Evapotranspiration auftritt. Ein Ergebnis dieser Analyse wird die Identifizierung eines dritten charakteristischen Matrixpotentials neben dem permanenten Welkepunkt und der Feldkapazität sein. Als Grundlage für diese Untersuchungen wird mittels eines Landoberflächenmodells von geeigneter Komplexität ein langfristiger, qualitativ hochwertiger hydrologischer Datensatz berechnet, welcher anhand von multivariaten Beobachtungen kalibriert wird. Dabei werden auch die Unsicherheiten des Datensatzes, sowie der multivariaten Beobachtungen, thematisiert. Die Resultate dieser Arbeit können helfen das Management von Wasserressourcen zu verbessern. Beispielsweise können Prognosen des Matrixpotentials in Verbindung mit dem identifizierten kritischen Bereich für eine intelligente Bewässerung von Pflanzen und Feldern verwendet werden. Eine Analyse von langfristigen Trends in Matrixpotential-, Bodenfeuchte- und Abflussdaten kann als Grundlage für langfristige Anpassungsmaßnahmen dienen. In einer weiteren Analyse werden Größenordnungen und Auftrittshäufigkeiten von Extremereignissen, wie Dürren und Überschwemmungen untersucht und in Verbindung mit entstandenen Sach- und Personenschäden gebracht. Diese Arbeit trägt zu den Millenniums-Entwicklungszielen der Vereinten Nationen bezüglich der Bekämpfung von Hunger und einer nachhaltigeren Wassernutzung, den 'Europa 2020' Zielen der EU Kommission bezüglich nachhaltiger Energienutzung, und zum 'grand challenge' Wasserverfügbarkeit des Weltklimaforschungsprogramms bei.
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.
Die Quantifizierung von Boden-Wasser Interaktionen ist von großer Bedeutung für eine Reihe praktischer Anwendungen wie z.B. im Bewässerungsmanagement, bei der Nahrungsmittelproduktion oder im Hochwasserschutz. Trotzdem ist die genaue räumliche und zeitliche Schätzung der hydrologischen Zustände und Wasserflüsse nach wir vor eine große Herausforderung in der Hydrologie. Dies liegt daran, dass die meisten hydrologischen Prozesse stark nichtlinear und zudem durch zeitlich variable Randbedingungen kontrolliert sind. Daher werden numerische Modelle für ihre umfangreiche Beschreibung benötigt. Eine weitere Herausforderung ist die räumliche Heterogenität der Böden, deren Identifikation und Charakterisierung nach wie vor ein Gebiet intensiver Forschung im Gebiet der Hydrogeophysik ist. Bis heute gibt es nur sehr wenige Studien, die vorhandene Informationen aus der traditionellen bodenkundlichen Beschreibung, hydrologischem Monitoring, geophysikalischer Charakterisierung des Untergrundes und moderner hydrologischer Modellierung kombinieren, um zu einer umfangreichen Beschreibung der hydrologischen Prozesse zu kommen. Hauptziel dieses Projektes ist es, einen integrativen Ansatz für eine verbesserte prozessbasierte hydrologische Modellierung der ungesättigten Wasserflüsse auf der Hangskala anzuwenden. Der Ansatz basiert auf der Integration von klassischem pedologischem Wissen zur Bodenbeschreibung, präzisem Monitoring des Bodenwassergehalts, sowie auf Zeitreihen moderner geophysikalischer Messungen zur Erfassung der räumlichen Heterogenität des Untergrundes. Letztendlich sollen die gesamten gesammelten Informationen in einem physikalisch-basierten numerischen Modell integriert werden, welches in der Lage ist, die Bodenwasserflüsse inklusive der gesättigten und ungesättigten Wasserflüsse, Oberflächenabfluß, Evaporation, Wasseraufnahme durch Pflanzen, sowie Schneeakkumulation und -schmelze in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu simulieren. Das Projekt wird die derzeit vorhandenen Ansätze zur Schätzung der Bodenwasserflüsse um eine neue Dimension erweitern, da es die Möglichkeit bietet, durch Kombination die Potenziale der verfügbaren Mess- und Modellierungstechniken zu maximieren und die Quellen der Unsicherhheiten in den geschätzten hydrologischen Zuständen und Flüssen zu minimieren. Es wird wichtiges Wissen liefern, um diesen Ansatz auch auf größere Skalen zu übertragen, wo eine präzise Quantifizierung der Bodenwasserflüsse auf Betriebs- oder Einzugsgebietsskala für ein effizienteres Wasser- und Nährstoffmanagement im Zusammenhang mit einer nachhaltigen Nahrungsmittelproduktion in Zeiten Klimawandels benötigt wird.
Das übergeordnete Ziel der Arbeit sind Untersuchungen zur Vorhersagbarkeit extremer Hochwässer in Abhängigkeit von Eigenschaften der Einzugsgebiete und des Klimas unter Berücksichtigung unterschiedlicher räumlicher und zeitlicher Maßstäbe. Vorhersage von Hochwasser ist hier definiert als Schätzung von Hochwasserwahrscheinlichkeitsverteilungen für unbeobachtete Orte und/ oder zukünftige Zeitperioden. Die Vorhersagbarkeit bezieht sich auf die Quantifizierung und Attributierung der Unsicherheit der Vorhersage. Mit 'Extrem' werden Hochwasser bezeichnet, die besonders groß (hinsichtlich des Scheitels) und anderer Charakteristiken (Volumen, Form, räumliche Ausdehnung, etc.) sind. Zuerst erfolgt eine Daten-basierte Analyse, die die Hochwasser zu ihren treibenden Kräften wie Wetter, Klima und Einzugsgebietseigenschaften in Beziehung setzt. Methodisch werden hier lokale und regionale Hochwasserstatistik angewandt und verglichen. Ziel dieses ersten Teils ist die Quantifizierung der Vorhersagbarkeit allein auf Basis der Daten. Im zweiten Schritt wird ein multivariater Wettergenerator entwickelt, der an großskaligen meteorologischen Variablen bedingt werden kann. Damit steht ein Werkzeug zur Verfügung, mit dem Niederschlag und andere meteorologische Oberflächenvariablen für unbeobachtete Gebiete und Zeitperioden generiert werden können. Im dritten Schritt werden mit dem Wettergenerator zunächst eine Vielzahl hochwasserrelevanter Niederschlags- und Klimaszenarien erzeugt. Diese werden dann im Rahmen von Monte-Carlo-Simulationen zusammen mit einem hydrologischen Modell für lokale und regionale abgeleitete Hochwasserstatistik eingesetzt. Ziel ist die Quantifizierung der Vorhersagbarkeit der Hochwasser durch hydrologische Modellierung. Dabei wird eine Fehlerzuweisung in Abhängigkeit von Niederschlag, Klima und Einzugsgebietseigenschaften durchgeführt.
Geophysikalische Strömungen sind gewöhnlich durch komplexes räumliches und zeitliches dynamisches Verhalten charakterisiert, das die Ausbreitung von gelösten Stoffen, deren Verdünnung und reaktives Vermischen bestimmt. Ineffizientes Vermischen, charakteristisch für Strömungen mit geringer Reynoldszahl wie bei Grundwasserströmungen, kann die effektive Reaktionsrate im System wesentlich verringern. Das Vermischen ist insbesondere im Zusammenhang mit der Verschmutzung von Grundwasserkörpern relevant, da es hierbei den Schadstoffabbau hemmen kann. In Anbetracht von geringer Vermischung spielen die Topologie der Strömung und kinetische Prozesse wie das Ausdehnen und Falten bei zahlreichen räumlichen und zeitlichen Skalen eine zentrale Rolle in der Quantifizierung und im Verständnis von Verbleib und Verhalten der Schadstoffe. Unsere Hypothese dieses Projektes ist, dass die dynamische Interaktion zwischen Oberflächen- und Grundwasser eine zentrale Bedeutung für die exakte Quantifizierung der Vermischung in porösen Grundwasserleitern hat. Insbesondere beabsichtigen wir zu untersuchen, wie das Oberflächenwassermanagement in alpinen Einzugsgebieten, welche von starken anthropogenen Einflüssen beeinträchtigt sind (Schwall-/ Sunkbetrieb bei Wasserkraftwerken), Mischungsprozesse bei zahlreichen zeitlichen Skalen (mehrstündlich, täglich, wöchentlich, saisonal) steuert. Das Projekt zielt darauf ab, geeignete topologische und kinematische Maße zu entwickeln und anzuwenden. Diese können als Prädiktoren für Mischungen, für die Entwicklung von neuen numerischen Ansätzen zur Lösung inverser Probleme unter solch komplexen und transienten Bedingungen und für das Abschätzen von Parameterunsicherheiten verwendet werden. Neben numerischen Simulationen werden die in diesem Projekt entwickelten Methoden in einer echten Fallstudie (Etsch-Grundwasserleiter in Trient, Italien) geprüft. Die Neuheit des beabsichtigten Forschungsvorhabens liegt in der Untersuchung i) des Einflusses von Oberflächenmanagement in alpinen Einzugsgebieten auf Grundwasserströmung in alluvialen Grundwasserleitern (d.h. jenseits der hyporheischen Zone); ii) des Einflusses von stark transienten Grenzflächenübertragungsbedingungen auf die Topologie von zweidimensionalen und dreidimensionalen Grundwasserströmungen; iii) der Entwicklung von präzisen numerischen Inversion-Algorithmen zur Lösung von Grundwasserströmung unten stark transienten Randbedingungen; iv) der Quantifizierung der Unsicherheit im Zusammenhang mit Modellvorhersagen unter Berücksichtigung von hydrogeologischen Parameterunsicherheiten sowie Unsicherheiten, die die transienten Grenzflächenbedingungen betreffen.
Fließwege in Böden und porösen Gesteinen sind durch eine starke Heterogenität auf allen Skalen geprägt. Diese Heterogenität beeinflusst sowohl die Eigenschaften des Bodens oder Gesteins als Wasserspeicher als auch den Transport gelöster Stoffe. Obwohl kaum Zweifel an der Bedeutung dieser mehrskaligen Heterogenität bestehen, ist deren Integration in numerische Boden- und Grundwasserfließmodelle nach wie vor eine große Herausforderung. Einerseits ist die räumliche Struktur der Heterogenität und ihrer Abhängigkeit von den Boden- und Gesteinseigenschaften noch immer nicht hinreichend genau bekannt, und andererseits würde eine Abdeckung eines ausreichend großen Skalenbereichs den numerischen Aufwand stark erhöhen. In den letzten Jahrzehnten hat sich die Idee, statistische Eigenschaften von Fließmustern aus Prinzipien der Optimalität abzuleiten, zumindest für zwei natürliche System als tragfähig erwiesen, und zwar für Flussnetzwerke an der Erdoberfläche und für den Blutkreislauf. Vor einiger Zeit wurde vom Antragsteller ein theoretisches Konzept entwickelt, um eine optimale räumliche Verteilung von Porosität und hydraulischer Leitfähigkeit im Sinne einer Minimierung der Energiedissipation abzuleiten. Allerdings ist die Forschung diesbezüglich noch immer auf dem Niveau eines theoretischen Konzepts, welches im Wesentlichen auf Relationen zwischen Porosität, Leitfähigkeit und Fließrate (Darcy-Geschwindigkeit) beschränkt ist. Die Validierung des theoretischen Konzepts, seine Weiterentwicklung für die Anwendung auf realistische Szenarien und die Überführung in entsprechende 'lumped parameter' Modelle sind die Hauptziele des Forschungsvorhabens. Die Validierung wird sowohl auf Basis der statistischen Verteilung der Einzugsgebietsgrößen gegenüber Daten von mittleren Quellschüttungen als auch auf Basis von Schüttungskurven einzelner Quellen erfolgen. Die Erweiterungen bzw. Verallgemeinerungen des ursprünglichen generischen Modells werden horizontale und geneigte Aquifere in Boussinesq-Näherung und echte 3D Modelle umfassen. 'Lumped paramter' Modelle sind für alle Varianten geplant, um die Ansätze schließlich mit angemessenem numerischen Aufwand anwendbar zu machen.
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.
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.
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| offen | 653 |
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| Boden | 635 |
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