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 Interpretation der Messergebnisse eines Cosmic Ray Neutron Sensing (CRNS)-Detektors benötigt ein tiefgreifendes Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Prozesse. In diesem Zusammenhang haben sich Monte-Carlo-basierte Vielteilchensimulationen, z.B. MCNPX, als sehr hilfreich erwiesen. Die allgemein akzeptierten Transferfunktionen um aus einer Neutronendichte die Bodenfeuchte zu berechnen, wurden semi-empirisch für idealisierte Bedingungen ermittelt. Die Effekte von Bodenbeschaffenheit, Vegetation und Schneebeschaffenheit werden teilweise durch Hinzufügen phänomenologisch motivierter Parameter berücksichtigt. Allerdings gibt es dazu bisher keine tiefergreifenden theoretischen Untersuchungen und Validierungen. Wir haben daher das Monte-Carlo Werkzeug namens URANOS entwickelt, welches speziell auf die Anforderungen der Umweltphysik und CRNS zugeschnitten wurde. Der benötigte Rechenaufwand konnte durch effektive, problemspezifische Methoden im Vergleich zu herkömmlichen Vielteilchensimulationen stark reduziert werden. In den letzten Jahren konnten wir damit das Verständnis der Signal-Reichweite-Beziehung deutlich verbessern und eine analytische Beschreibung unter Berücksichtigung von Umweltfaktoren herleiten. Das Hauptziel dieses Teilprojektes ist es, die Änderung des CRNS-Signals, hervorgerufen durch verschiedene Umweltfaktoren und Bodenstrukturen innerhalb des Einflussbereichs, zu verstehen. Dabei handelt es sich um folgende Faktoren: Bodenbeschaffenheit, vertikale Wasserverteilung in Boden und Luft, Landnutzung, Schneebedeckung, Bewuchs, und durch solches abgefangenes Wasser bei Regenfällen sowie generelle räumliche Inhomogenität. Um dies zu erreichen werden wir versuchen, Korrekturfunktion basierend auf physikalischen Modellen zu verwenden, um die wachsende Anzahl von empirischen und standortspezifischen Näherungen überflüssig zu machen. Zusätzlich werden die Neutronensimulationen benötigt, um den Einfluss verschiedener Detektoranordnungen zu untersuchen. Unverzichtbar sind die Neutronensimulationen für die Verbesserung bezüglich energieabhängiger Gewichtung und Weiterentwicklung der Neutronendetektoren sowie energiebereichsspezifischer Abschirmung. Des Weiteren werden sie für konzeptionelle Untersuchungen des Einflusses der Vegetation und weiterer Wasserspeicher benötigt. Für die Großversuchskampagne werden wir 3D-Modelle der Sensor-Standorte erstellen und die simulierten Messsignale den Arbeitsbereichen Großflächiges CRNS-Netzwerk und Mobiles CRNS zu Verfügung stellen. Schließlich können zusammen mit den Arbeitsbereichen Hydrologische Modellierung und Grundwasserneubildung räumlich-zeitliche Modellrechnungen durchgeführt werden um komplexe Zusammenhänge im Wasserhaushalt der Umwelt zu verstehen. Für die Weiterentwicklung des URANOS-Programms für den Einsatz im CRNS-Bereich benötigen wir die Vorschläge und Rückmeldungen der Nutzer.
Die Akkumulation von Methan (CH4) in sauerstoffhaltigen Wasserschichten wurde kürzlich für viele Binnengewässern und Ozeangebiete beschrieben. In unserem DFG-Projekt Aquameth (GR1540/21-1) haben wir daher die wichtigste Literatur in einem Review zusammengefasst und die möglichen Mechanismen für dieses Phänomen im Stechlinsee evaluiert. Indem wir ein online System für CH4 Messungen entwickelt haben, konnten wir die enge Kopplung der räumlich-zeitlichen Dynamik von Algen (z.B. Blaualgen und Cryptophyten) und CH4 in den oxischen Wasserschichten des Sees zeigen. Obwohl der vor kurzem beschriebene Methylphosphonat-Metabolismus im See vorkommt, haben wir zahlreiche Hinweise, dass Algen das CH4 während der Photosynthese direkt produzieren. Jedoch sind die genauen Mechanismen sowie der Anteil des im sauerstoffreichen Wasser gebildeten CH4 am gesamten CH4 Fluss in die Atmosphäre unklar. Durch die Kombination der Expertise von zwei etablierten Arbeitsgruppen, die sich ideal ergänzen, möchten wir die genaue Chemie und Biologie der CH4 Bildungs- und Oxidations-prozesse untersuchen, um die Rolle von Seen für den regionalen und globalen CH4 Kreislauf besser zu verstehen. Daher soll das komplette CH4 Budget von zwei Seen detailliert quantifiziert werden, d.h. CH4-Quellen und -Senken werden mit einem Massenbalance-Ansatz untersucht und mit in situ Inkubationsexperimenten verknüpft. Unsere zwei ausgesuchten Seen (Stechlinsee und Willersinnweiher) repräsentieren zwei Hauptseentypen der gemäßigten Zone (tief/Nährstoff-arm und flach /Nährstoff-reich), die gut von beiden Institutionen untersucht und biogeochemisch charakterisiert wurden. In diesen Seen hängen die spezifischen Prozesse der CH4 Bildung, Akkumulation und Freisetzung in die Atmosphäre von dem komplizierten Wechselspiel von physikalischen, chemischen und biologischen Faktoren sowie bestimmten Organismen ab. Daher ist unser Hauptziel, dieses komplizierte Wechselspiel zwischen Umweltvariablen und den CH4 Prozessen und ihre globale Bedeutung zu entschlüsseln. Unser Hypothesen sind: (1) Die Methanproduktion ist direkt mit der Photosynthese verbunden und CH4 kann bei bestimmten Umweltbedingungen, z.B. Nährstofflimitation, direkt von photo-autotrophen Organismen gebildet werden. (2) Die Methanbildung ist von der -oxidation durch die räumlich-zeitliche Trennung der methanotrophen Aktivität in sauerstoffhaltigen Wasserkörpern entkoppelt. (3) Methan an der Temperatursprungschicht ist das Produkt aus einem komplizierten Wechselspiel von biologischen, chemischen und physikalischen Prozessen. (4) Die erhöhten CH4 Konzentration in der oberen oxischen Wasserschicht erleichtert den Gasaustausch mit der Atmosphäre. Obwohl die CH4 Anreicherung in den oberen Wasserschichten stark vernachlässigt wurde, könnte sie eine wichtige fehlende Verbindung im globalen CH4 Budget sein. Um diese Hypothesen zu überprüfen, sollen Feld- und Labormessungen gemeinsam durch beide Teams durchgeführt werden.
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.
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.
Methane emissions from inland water bodies are of growing global concern since surveys revealed high emissions from tropical reservoirs and recent studies showed the potential of temperate water bodies. First preliminary studies at the River Saar measured fluxes that exceed estimates used in global budgets by one order of magnitude. In this project we will investigate the fluxes and pathways of methane from the sediment to the surface water and atmosphere at the River Saar. In a process-based approach we will indentify and quantify the relevant environmental conditions controlling the potential accumulation of dissolved methane in the water body and its release to the atmosphere. Field measurements, complemented by laboratory experiments and numerical simulations, will be conducted on spatial scales ranging from the river-basin to individual bubbles. We will further quantify the impact of dissolved methane and bubble fluxes on water quality in terms of dissolved oxygen. Special emphasize will be put on the process of bubble-turbation, i.e. bubble-mediated sediment-water fluxes. The project aims at serving as a reference study for assessing methane emissions from anthropogenically altered river systems.
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.
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.
Im Allgemeinen sind die Molybdän (Mo) Werte im Trinkwasser deutlich unterhalb der als Gesundheitsrisiko eingestuften Konzentrationen. Daher hat die Weltgesundheitsorganisation (WHO) noch keine Grenzwerte festgelegt, veröffentlichte jedoch eine Empfehlung, wonach 70 Mikro g/L nicht überschritten werden sollten. In diesem Zusammenhang sind kürzlich im Grundwasser Zentral Floridas gemessene Molybdän-Konzentrationen von über 5.000 Mikro g/L besorgniserregend. Molybdän tritt in dieser Region natürlich auf (geogen) und wird aufgrund von anthropogen bedingter Störung der physikalisch-chemischen Bedingungen im Grundwasserleiter freigesetzt. Diese Art der anthropogen-induzierten Kontamination durch geogene Elemente stellt weltweit ein Problem für die öffentliche Gesundheit dar. Die andauernden Probleme mit Arsen (As) in Bangladesch und Westbengalen sind Thema unzähliger Beiträge in Presse und wissenschaftlichen Zeitschriften. Wenngleich Molybdän weniger toxisch ist als Arsen, könnte es sich als ein ähnliches Problem erweisen. Besonders dann, wenn Trinkwasser aus Grundwasserleitern marinen Ursprungs gewonnen wird in denen Mo von Natur aus erhöht vorhanden ist. Um die Möglichkeit der anthropogen-induzierten Kontamination durch geogenes Mo in Grundwasserleitern marinen Ursprungs besser zu verstehen, wird ein multidisziplinärer Ansatz vorgeschlagen. Ziel ist ein besseres Verständnis der Mo-Mobilisierung durch eine Kombination aus (geo)chemischen und hydrogeologischen Arbeiten, sowie deren Quantifizierung im Rahmen eines reaktiven Transportmodels.
Der globale Wandel verändert nicht nur das Klima sondern auch die Oberfläche der Erde. Unser Verständnis von Bodenveränderungen und ihrer Wechselwirkungen mit hydrologischen, ökologischen und geomorphologischen Prozesse ist jedoch noch rudimentär. Einige der Bodeneigenschaften sind zeitlich stabil, aber andere verändern sich zum Teil sehr schnell mit signifikanten Auswirkungen auf die Quantität und Qualität des Wasserkreislaufes. Diese Veränderungen sind besonders markant auf der Hangskala, wo laterale und vertikale Prozesse über unterschiedliche Zeitskalen miteinander interagieren. Wasser und Vegetation beeinflussen die oberirdischen und unterirdischen Prozesse an Hängen auch über die Verwitterung, die Bodenentwicklung und die Erosion. Diese Prozesse wiederum beeinflussen auch die Fließwege des Wassers. Die daraus resultierende Verteilung der Wasserspeicher beeinflusst die Artenverteilung und Funkrionalität der Vegetation, wobei die Vegetation selber wiederum die Fließwege des Wassers beeinflusst. Dieses komplexe Gefüge an Wechselwirkungen wurde in seiner zeitlichen Entwicklung bisher noch kaum detailliert untersucht. Das interdisziplinäre Forschungsprojekt HILLSCAPE (HILLSlope Chronosequence And Process Evolution) soll sich mit der Frage beschäftigen, wie sich dieser Feedback-Zyklus in einem Zeitraum von 10000 Jahren verändert und was für strukturelle Veränderungen daraus resultieren. Das Projekt konzentriert sich dabei auf die vertikale und laterale Umverteilung von Wasser und Stoffen an Hängen und ihrer Wechselwirkungen mit dem Boden, der Vegetation und der Landschaftsentwicklung. Um dieses ehrgeizige Ziel erreichen zu können, wird sich HILLSCAPE Hang-Chronosequenzen auf Moränenstandorten zu Nutze machen. Gletschervorländer liefern uns so Schnappschüsse der zeitlichen Entwicklung. Die Auswahl zweier Fokusgebiete mit unterschiedlichem Ausgangsmaterial erlaubt dabei den direkten Vergleich der Entwicklung auf Silikat- und Karbonatgestein. In jedem Fokusgebiet werden Hänge in 4 verschiedenen Altersklassen instrumentiert. Die Aufgliederung in 5-6 Flächen pro Altersklasse ermöglicht es uns, eine große Bandbreite an Vegetationsbedeckung und -komplexität abzudecken. Wir werden gezielt relevante Strukturen aller 48 Hangflächen aufnehmen und werden deren hydrologische und geomorphologische Funktionsweise und Prozesse einerseits über ein Jahr beobachten und andererseits durch künstliche Beregnung in kontrollierten Experimenten genauer aufschlüsseln. Zusätzlich werden wir funktionalen Eigenschaften der Pflanzen und somit die strukturelle und funktionale Diversität der Standorte erfassen. Die Kombination von vier interdisziplinären Doktorarbeiten und der integrativen Modellierung durch einen Postdoc erlaubt uns die gemeinsame Untersuchung von hydrologischen, geomorphologischen und biotischen Prozessen und ihrer Interaktionen.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 651 |
| Kommune | 10 |
| Land | 5 |
| Wissenschaft | 650 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 651 |
| License | Count |
|---|---|
| Offen | 651 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 450 |
| Englisch | 433 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Keine | 19 |
| Webseite | 632 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 635 |
| Lebewesen und Lebensräume | 569 |
| Luft | 409 |
| Mensch und Umwelt | 651 |
| Wasser | 637 |
| Weitere | 651 |