Die Verweilzeit von Grundwasser in ausgedehnten Grundwasserleitern liegt oft im Bereich von Dekaden, so dass auch langsame mikrobielle Stoffumsätze (z.B. von Nitrat, Atrazin und dessen Abbauprodukten) die Stofffracht in solchen Systemen erheblich beeinflussen können. In diesem Projekt werden mittels geologischer und geochemischer Analysen die reaktiven Zonen und die zugehörigen Verweil- und Kontaktzeiten des Wassers eines Kluftgrundwasserleiters bestimmt. Omics und molekularbiologische Methoden werden genutzt, um Abbaupotential und Aktivität der mikrobiellen Gemeinschaften zu untersuchen. In begleitenden Laborexperimenten werden effektive Diffusions-konstanten und metabolische Raten, deren limitierende Faktoren und die beteiligten Mikroorganismen quantifiziert.
Silizium (Si) spielt eine wichtige Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf. Die Si-Verfügbarkeit in Ökosystemen ist dabei sehr unterschiedlich, abhängig von Ökosystemtyp, Ausgangsgestein, Vegetation und weiteren Faktoren. Aktuelle Forschung hat gezeigt, dass die Si-Verfügbarkeit entscheidend für Nährstoffgehalt und Nährstoffstöchiometrie von pflanzlicher Streu ist; besonders deutlich ist dieser Zusammenhang in Gräser-dominierten Systemen. Bedeutend in dem Zusammenhang ist eine gesteigerte Abbaurate von organischem Material bei gesteigerter Si-Verfügbarkeit. Pflanzenstreu mit geringen Nährstoffgehalten wird bekanntermaßen langsamer abgebaut als nährstoffreiche Streu. Allerdings konnte kürzlich gezeigt werden, dass nährstoffarme Streu mit hohen Si-Gehalten schneller abgebaut wird als nährstoffreiche Streu mit wenig Si. Dabei wurde gleichzeitig durch die Erhöhung des Si-Gehaltes der Streu die Biomasse der abbauenden Pilze stark reduziert. Dies beweist die Bedeutung von Si für den Kohlenstoffkreislauf und die mikrobielle Abbaugemeinschaft in von Gräsern dominierten Ökosystemen. Niedermore, als wichtige Kohlenstoffspeicher und bedeutende Treibhausgas-emittenden, sind solche von Gräsern dominierten Ökosysteme mit einem potentiell hohen Einfluss von Si auf den Kohlenstoffkreislauf. Eine Vorabstudie, welche den Einfluss von Si auf den Kohlenstoffkreislauf in einem Niedermoor untersuchte, zeigte eine verstärkte Respiration mit einer Vordopplung der Methangehalte im Torfkörper auf Si gedüngten Flächen. Allerdings wurde gleichzeitig zu den erhöhten Respirationsraten auch ein Anstieg der Phosphorgehalte (P) in der Bodenlösung gemessen. Eine Erhöhung des verfügbaren P führt bekanntermaßen ebenfalls zu einer Erhöhung der Respiration. Das Ziel des beantragten Projektes ist die direkten Effekte von Si auf den Kohlenstoffkreislauf von den indirekten Effekten (durch die Si bedingte P-Mobilisierung) zu trennen und eine Quantifizierung beider Prozesse vorzunehmen. Unsere Hypothesen sind (i) eine höhere Si Verfügbarkeit führt zu einer Steigerung der Respiration organischer Substanz (Torf), durch (ii) direkte Si-Effekte und indirekte Si-Effekte durch eine Steigerung der P-Verfügbarkeit, (iii) die Steigerung der Respiration durch Si wird vorrangig durch Bakterien als durch Pilze erzielt und (iv) eine Steigerung der Si Verfügbarkeit führt zu einer Steigerung von P und N Verfügbarkeit, Umsatz und Aufnahme durch Pflanzen und damit zu labilerer Streu. Die Mechanismen zu verstehen auf welche Weise Si den Kohlenstoffkreislauf in Niedermooren beeinflusst ist ein wichtiger Teil eines verbesserten Verständnisses des terrestrischen Kohlenstoffkreislaufs.
Oberflächengewässer sammeln die Wasser- und Stoffflüsse eines Einzugsgebiets. Flüsse liefern daher ein räumlich und zeitlich integriertes chemisches Signal einer Landschaft. Ziel des Projekts ist es, den Einfluss physikalisch-chemischer und biologischer Prozesse auf Transport und Umsetzungsprozesse von Schadstoffen im Gewässer besser zu verstehen. Mittels Lagrange'scher Beprobung in Kombination mit neuen analytischen und bioanalytischen Methoden werden Frachten und Abbaupotentiale bekannter und bisher nicht detektierter Mikroschadstoffe und deren Transformationsprodukte quantifiziert. Mit Hilfe eines neuen Masse/Effekt-Bilanzierungsmodell lassen sich wesentliche Faktoren bezüglich biologischer Wirkung und Umsetzungsprozesse identifizieren und beschreiben.
Derzeit wird diskutiert, ob Massenentwicklungen von potenziell gesundheitsgefährdenden Cyanobakterien allein durch verringerte Phosphoreinträge verhindert werden können. Viele Gewässer sind eher Stickstoff-limitiert, aber die kostspielige Reduktion der N-Einträge macht nur Sinn, wenn sie nicht durch die Fixierung von Luft-Stickstoff (N2) durch Cyanobakterien (Nostocales) mit speziellen Zellen (Heterocysten) ausgeglichen wird. Verringerte N-Einträge sollten diese Cyanobakterien dann sogar bevorteilen. Eine Langzeitstudie des IGB am Berliner Müggelsee zeigt bei reduzierten N-Einträgen aber eine Verringerung des Anteils der Nostocales am gesamten Phytoplankton und eine Verschiebung von Aphanizomenon- zu Anabaena-Arten. Wir wollen folgende Hypothesen testen: 1) Die energieaufwendige N2-Fixierung lohnt sich nur bei sehr geringem Angebot an Nitrat und Ammonium (=DIN). 2) Durch den Klimawandel nehmen Dauer und Häufigkeit thermischer Schichtung von Flachseen zu, dadurch werden pulsartig gelöstes P und N aus dem Sediment freigesetzt. Die stammspezifischen Strategien der Nostocales bei der Ausbildung von Heterocysten und beim Anschalten der N2-Fixierung hängen von Höhe und Dynamik des DIN-Angebots ab. 3) Diese stammspezifischen Traits erklären die im See beobachtete Wirkung verringerter N-Einträge und des Klimawandels auf die Planktongemeinschaft. Zur Testung dieser Hypothesen werden Labor- und Freilandexperimente, die Analyse von Langzeitdaten und Modellierung verbunden. Im Labor werden Wachstumsraten und N2-Fixierung verschiedener Aphanizomenon- und Anabaena-Stämme in Abhängigkeit von der DIN-Konzentration verglichen, wobei letztere konstant oder gepulst ist. In Konkurrenzversuchen wird festgestellt, welcher Stamm sich bei welcher DIN-Konzentration durchsetzt. Analoge Versuche werden im Müggelsee mit natürlichen Planktongemeinschaften durchgeführt. N2-Fixierung durch Nostocales und N-Einträge durch die Spree werden verglichen. Ein vorhandenes Anabaena-Modell wird um aktuelle Literaturdaten und die Erkenntnisse aus den beschriebenen Experimenten ergänzt und auf Aphanizomenon erweitert. Dieses Modell wird dann in ein biogeochemisches Modell integriert, das einen Modellsee erst eindimensional, für höhere zeitliche Auflösung auch dreidimensional beschreibt. Das Modell wird anhand von Langzeitdaten des Müggelsees kalibriert und validiert. Mit ihm werden dann Szenarien mit verschiedenen DIN-Konzentrationen und den untersuchten Stämmen für relevante Bereiche von externen P- und N-Frachten, Wassertemperaturen und Schichtungsbedingungen simuliert. Zudem soll ein Nostocales-Modul entwickelt werden, das in vorhandene Wassergütemodelle integriert werden kann. Dieses neue Wissen soll für ein effektiveres und nachhaltigeres Gewässermanagement genutzt werden, wobei die zu entwickelnden Modelle bei der Prognose der Cyanobakterien-Entwicklung und der entsprechenden Festlegung qualifizierter Eintrags-Grenzwerte auch unter veränderten klimatischen Bedingungen helfen.
Der Klimawandel verschärft die Probleme der Verfügbarkeit von Trinkwasserressourcen, die bereits für 80% der Weltbevölkerung bedroht sind. Es ist von daher wichtig, Systeme sorgfältig zu konzipieren, die Wasser mit hoher Zuverlässigkeit, langfristiger Nachhaltigkeit und niedrigere Kosten bereitstellen können. Außerdem erzeugt die Energiewende in der nahen Zukunft stark schwankende Strompreise was sich auf die Gestaltung, den Betrieb und die Kosten von Wasserversorgungssystemen auswirken wird. In der Literatur sind erste koordinierte Planungsansätze für Wasser- und Energiesysteme aufgetaucht. Diese jedoch begrenzen sich hauptsächlich auf die Bewertung einzelner Wasseranlagen. Das Verständnis komplexerer (z.B. aus mehreren Quellen bestehender) Wassersysteme, die langfristige Investitionsplanung von gekoppelten Wasser-Energie-Systemen und die langfristige Nachhaltigkeit unter dem Einfluss des Klimawandels sind entscheidende Aspekte, die mehr Forschung erfordern. Unser übergreifendes Ziel ist die Verbesserung des Planungsprozesses der Infrastruktur und des Betriebs von Wasserversorgungssystemen, wobei der Schwerpunkt auf der Wasserentnahme und -produktion aus verschiedenen Quellen liegt. Diese Methoden zur Entscheidungsfindung werden auf die Ressourcenknappheit, die Klimaunsicherheit und die fortschreitende Energiewende zugeschnitten und gleichzeitig die Komplexität von Wassersystemen mit mehreren Quellen berücksichtigen. Unser Vorhaben ist in drei Arbeitspakete strukturiert. Im ersten werden wir Methoden zur Planung des kurzfristigen (Wochen) Betriebs komplexer Systeme der lokalen Wasserversorgung vorantreiben. Dafür werden wir neuartige multikriterielle Optimierungsmodelle (Wasserqualität, Kosten) für Wasserversorgungssysteme mit mehreren Quellen entwickeln, die in intelligente Energiemärkte eingebunden sind. Maschinelles Lernen zur Vorhersage des Wasserbedarfs und der Stromkosten für die Wasserproduktion wird in dieses Optimierungsproblem eingebettet. Im zweiten Arbeitspaket werden wir Optimierungsmodelle für eine koordinierte Investitionsplanung für die Infrastruktur von Wasser-Energie-Systemen entwickeln. Diese werden so konzipiert sein, dass sie gegen Dürren unterschiedlicher Intensität und Dauer abgesichert sind, wie die Megadürren, die vielen Ländern in jüngster Zeit widerfahren sind. Im dritten Arbeitspaket werden wir unsere Methoden erweitern, um mit tiefen (d.h. schwer quantifizierbaren) Unsicherheiten umzugehen, die das langfristige (Jahrzehnte) Wassermanagement prägen. Unsere dazu entwickelten Methoden werden sich auf adaptive Investitionsstrategien konzentrieren. Die Ergebnisse unserer Grundlagenforschung werden Konzepte und Methoden für ein nachhaltiges und kosteneffizientes Wassermanagement sein, einschließlich der Betriebs- und Infrastrukturplanung. Die Weiterentwicklung dieser Planungsmethoden wird dazu beitragen, die Wasserversorgungssysteme auf den Klimawandel und auf die Gefährdung der Versorgungssicherheit vorzubereiten.
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 landschaftsweite Modellierung des reaktiven Stofftransports beinhaltet eine nichteindeutige Auswahl von Teilmodellen (konzeptionelle Unsicherheit). Die vorliegende Komplexität der Landschaft macht den Einsatz komplexer Modelle erforderlich, wobei eine zu große Komplexität problematisch ist: solche Modelle lassen sich an eine Vielzahl von Datensätzen anpassen, besitzen aber nur begrenzte Vorhersagekraft. Das Projekt wird die konzeptionelle Unsicherheit des genutzten Modells untersuchen und quantifizieren, und prüfen, ob das Modell zulässig im Sinne der verfügbaren Daten ist. Das Modell wird dann genutzt, um Monitoringstrategien und die damit verbundene Modellierungs- und Feldaktivitäten des gesamten Konsortiums zu optimieren.
Die Dynamik von Planktongemeinschaften wird durch Einflussfaktoren, die von unten nach oben (Wasserphysik und Chemie) und von oben nach unten (natürliche Feine) wirken, kontrolliert. Die relative Bedeutung und Richtung dieser Effekte auf die Zusammensetzung der Taxa sowie die relative Abundanz sind in natürlichen Gemeinschaften jedoch nicht hinreichend belegt: Sie variieren in Zeit und Raum und hängen auch von physiologischen und ökologischen Wechselwirkungen ab, die durch verschiedene Merkmale beeinflusst werden. Ziel dieses Projektes ist es, die Auswirkungen interagierender Kontrollen (z.B. Temperatur, Verwirbelung, Nährstoffversorgung, Identität von Weidegängern, Dichte und Beuteauswahl) auf Phytoplankton in Seen innerhalb taxonomischer und größenbasierter Kategorien zu quantifizieren, um merkmalbasierte theoretische und datenbasierte Modelle (neu) zu entwickeln, die eine genaue Prognose zu Veränderungen in Plankton-Nahrungsnetzen und somit von Ökosystemprozessen und -dienstleistungen über Umweltgradienten in Raum und Zeit ermöglichen. Dieses Projekt beinhaltet drei miteinander verbundene Arbeitspakete: 1) Anwendung neuer Methoden für In-situ-Monitoring, 2) Datenanalyse (Erforschung von Mustern, Hypothesenüberprüfung und Analyse von Einflussfaktoren), und 3) merkmalbasierte Modellierung (Entwicklung und Überprüfung von Theorien, Prognosen über Raum und Zeit). Dieses Projekt wird Unterwasseraufnahmen als neues Werkzeug für Forschung und routinemäßiges Monitoring evaluieren. Durch die gewonnenen Daten werden wir mittels merkmalbasierter Rahmenbedingungen in der Lage sein, Konzepte und Theorien in der Gemeinschaftsökologie zu präzisieren, insbesondere darüber, wie Chemie und Physik sowie die Wechselbeziehungen zwischen den Arten die Dynamik von Phytoplanktongemeinschaften über Zeit und Raum beeinflussen können. Das quantitative Verständnis von Einflussfaktoren und Mechanismen, die in der Gemeinschaft die Struktur und Abundanz steuern, wird uns Prognosen über Veränderungen in der Biodiversität von Plankton über Umweltgradienten und Algenblüten ermöglichen.
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.
Fließgewässerbegleitende Feuchtgebiete sind wichtige Quellen für gelösten organischen Kohlenstoff (DOC) im Gebietsabfluss. Während der letzten Jahrzehnte stiegen in vielen nördlichen Einzugsgebieten die DOC Konzentrationen im Abfluss, mit Folgen für die Gewässergüte und Kohlenstoffspeicherung in den Gebieten. Mögliche Ursachen der DOC Trends werden derzeit intensiv diskutiert. In Böden ist organischer Kohlenstoff (C) häufig mit Oxiden/Hydroxiden des Eisens (Fe) assoziiert, was C unter oxischen Bedingungen immobilisiert. Unter anoxischen Bedingungen kann C durch reduktive Auflösung der Fe-Phasen und/oder eine redoxbedingte Erhöhung des pH remobilisiert werden. Diese Vorgänge wurden zwar im Labor - vor allem für Mineralböden - untersucht, jedoch ist die Bedeutung für organisch geprägte Böden sowie die DOC-Dynamik im Gebietsabfluss noch weitestgehend unklar. Wir führen dies auf mangelnde Untersuchungen zurück, welche diese Prozesse in Einzugsgebieten von der DOC-Quelle bis ins Gewässernetz mit geeigneten experimentellen und Modelltechniken verfolgen. Ziel des Projektes ist daher ein Prozessverständnis der Interaktionen von DOC, Fe und pH für Einzugsgebiete zu entwickeln, die durch einen wesentlichen Anteil gewässerbegleitender Feuchtgebiete geprägt sind. Die zentrale Hypothese ist, dass der mobilisierbare DOC-Pool in gewässerbegleitenden organischen Böden hauptsächlich durch Redoxprozesse beeinflusst wird, insbesondere durch Fe-Reduktion sowie durch redoxbedingte Änderungen des pH. Wir postulieren einen Zusammenhang der DOC-Dynamik im Gebietsabfluss und der Änderung der Grundwasserstände/Bodentemperaturen in den Feuchtgebieten, weil letztere die Redoxbedingungen maßgeblich beeinflussen. Im Projekt wird ein kombinierter Ansatz verfolgt, mit (A) experimentellen Untersuchungen entlang von Transekten aus den Feuchtgebieten bis ins Gewässer, wobei molekulare DOC Signaturen als Tracer für Mobilisierungsprozesse verwendet werden und (B) der Anwendung von neueren Methoden zur Detektion kausaler Wechselwirkungen aus Monitoringdaten. Das Projekt ist vorwiegend im Krycklan Einzugsgebiet in Nordschweden geplant, für das lange Zeitreihen sowie eine sehr gute Infrastruktur existieren. Das Prozesswissen aus Krycklan soll mit Hilfe von Bayes'schen Netzen auf deutsche Einzugsgebiete übertragen werden, wo komplementäre Studien durchgeführt werden und Kooperationen bestehen. Das 3-jährige Forschungsprojekt soll mit einem Doktorand*innen in einer Kooperation der Uni Münster, der Berliner Hochschule für Technik (BHT), des UFZ Leipzig/Magdeburg, der Schwedischen Uni für Agrarwissenschaften in Umeå und der Uni Bayreuth durchgeführt werden. Während die/er Doktorand*in für die experimentellen und die Laboruntersuchungen zuständig ist, obliegen PI Selle (BHT) die Modellierungsarbeiten und die Übertragung der Erkenntnisse aus Schweden auf deutsche Einzugsgebiete; gemeinsam wird schließlich eine Integration und Synthese von Projektergebnissen erreicht.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 836 |
| Kommune | 3 |
| Land | 2 |
| Wissenschaft | 749 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 836 |
| License | Count |
|---|---|
| Offen | 836 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 632 |
| Englisch | 614 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Keine | 19 |
| Webseite | 817 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 816 |
| Lebewesen und Lebensräume | 730 |
| Luft | 529 |
| Mensch und Umwelt | 836 |
| Wasser | 821 |
| Weitere | 836 |