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.
Die stetig wachsende Bevölkerung führt zu einem steigenden Bedarf an Frischwasser und die Entnahme von Grundwasser ist eine der wichtigsten Quellen diesen Bedarf zu decken. Engpässe in der Frischwasserversorgung haben die Suche Nachweis von frischem Grundwasser unter dem heutigen Meeresboden angetrieben. Die Rolle glazialer Strukturen, welche während der Vergletscherungen entstanden sind, ist jedoch im Hinblick auf das Vorkommen frischen Grundwassers noch wenig bekannt. Insbesondere sogenannte Tunneltäler (TT), welche sich unter den Eisschilden bildeten, könnten von besonderer Relevanz sein. Ihre Ausmaße (bis zu 5 km breit, 400 m tief, 100te km lang) spiegeln die gewaltigen Schmelzwassermengen wider, die den Untergrund unter den Eisschilden durchspülten. Ihre Entstehung und Füllung resultierte in stark durchlässigen Sanden und Kiesen im unteren Teil und feinkörnigen Ablagerungen im oberen Teil dieser Strukturen. Diese Konfiguration begünstigt eine Rolle als bevorzugte Fließwege für offshore Grundwasser. Zur Untersuchung des Potenzials von TT als bevorzugte Fließwege für offshore frisches Grundwasser (OFG), verfolgt dieses Projekt folgende Ziele: (O1) Durch die Kombination von elektromagnetischen und seismischen Daten wollen wir ein strukturgebundenes Widerstandsmodell für mehrere TT erstellen; (O2) Wir wollen die Salzgehaltswerte für verschiedene Architekturen und Tiefen von TT abschätzen; (O3) Aufbauend auf den ersten beiden Zielen wollen wir die Ergebnisse für das gesamte Arbeitsgebiet in ein detailliertes lithologisches 3D-Modell extrapolieren. Die sich daraus ergebende Salzgehaltsverteilung im Untergrund wird dazu beitragen, die Ober- und Untergrenzen des Volumens frischen Grundwassers abzugrenzen und die Grundlage für ein detailliertes Grundwassermodell schaffen. Folgende Schritte sind dazu nötig: (S1) Kartierung und Charakterisierung der räumlichen Heterogenität von TT anhand vorhandener seismischer Daten; (S2) Erstellung eines lithologischen Modells für den Untergrund zwischen Amrum und Helgoland von 0 bis 400 m Tiefe; (S3) Identifizierung vielversprechender Standorte und Durchführung von CSEM-Messungen (Controlled Source Electromagnetic) zur Untersuchung der Verteilung des elektrischen Widerstands im Untergrund (TT); (S4) Kombination von Widerstandsmessungen mit Mehrkanal-Seismikdaten (MCS) zur Ableitung des Salzgehalts der Porenflüssigkeit; (S5) Extrapolation der Ergebnisse für das gesamte lithologische Modell. Tunneltäler existieren in ehemals vergletscherten Regionen weltweit. Gelingt uns der Nachweis von OFG in Tunneltälern, hätte dies erhebliche Implikationen für bisher unbekannte Süßwasserverteilungen und hydrologische Systeme. Die uns zur Verfügung stehenden Daten bieten eine einzigartige Möglichkeit zur Integration von CSEM- und seismischen Messungen bei begrenztem Aufwand. Die Ergebnisse des Projekts werden einen neuen Blick auf offshore Gletscherlandschaften und ihre Rolle im pleistozänen Wasserkreislauf erlauben.
Der Süßwassereintrag in den Arktischen Ozean stellt einen wichtigen Antriebsmechanismus für regionale Meeresspiegeldynamik in der Arktis dar. Salzarmes Oberflächenwasser erzeugt und unterhält eine starke Schichtung im Arktischen Ozean. Diese Halokline schirmt größtenteils das kalte polare Oberflächenwasser und das Meereis von wärmerem Tiefenwasser atlantischen Ursprungs ab und verhindert so vertikale Wärmeflüsse. Veränderungen des Süßwassergehalts werden wahrscheinlich den regionalen Meeresspiegel direkt beeinflussen, aber ebenso wird eine modifizierte Ozeandynamik durch Massentransporte innerhalb der Arktis den Meeresspiegel verändern. Das hydrologische Regime des kontinentalen Abflusses unterliegt Schwankungen. Leider sind kontinuierliche Aufzeichnungen von kontinentalem Abfluss in den Arktischen Ozean zu selten, um wichtige wissenschaftliche Fragen über das Langzeitverhalten und die Entwicklung von arktischem Meeresspiegel und Klima zu bearbeiten. Neben in-situ Beobachtungen und hydrologischen Modellen eröffnen Satellitengravimetrie (GRACE) und Satellitenaltimetrie neue Möglichkeiten, die Hydrologie von großen Einzugsgebieten zu beobachten. Dies geschieht, im dem man mit diesen Fernerkundungsmethoden die Größe von Wasserspeichern in den Einzugsgebieten und Pegelstände entlang von Flüssen misst, die dann auf verschieden Arten in Abfluss umgerechnet werden können. Für Meereis-Ozeanmodelle bedeutet die Seltenheit von Abflussinformationen in der Arktis, dass der Jahresgang des Abflusses als stationär angenommen wird. In unserem Projekt werden wir diese Annahme aufheben und ein Meereis-Ozeanmodell benutzen, um den Einfluss von zeitlich variablem Abfluss auf die arktische Ozeanzirkulation und das Süßwasserbudget zu untersuchen. Das Hauptziel der Projektes ist es, die Reaktion von Meeresspiegel und Hydrographie in der Arktis auf Veränderungen des hydrologischen Regimes über borealen Einzugsgebieten abzuschätzen und zu quantifizieren. Die Projektziele tragen zur Strategie des Schwerpunktprogramms 1889 bei, indem 1)die Datensätze und Zeitreihen von hydrologischen Parametern über borealen Einzugsgebieten durch den Einsatz von geodätischen satellitengestützten Fernerkundungsmethoden (zeitliche auflösenden Gravimetrie, Satellitenaltimetrie) verbessert werden und lange und hochauflösende Zeitserien für alle großen Einzugsgebiete, die in den Arktische Ozean entleeren, erstellt werden. 2) Sensitivität von Meereis- und Ozeandynamik auf Veränderungen des Süßwasserantriebs (u.a. Abfluss) analysiert wird. 3) Modellergebnisse über Veränderungen des kontinentalen Abflusses verglichen werden mit seit 1990 beobachteter Variabilität von flüssigen Süßwassergehalt (und damit verbundenen sterischen Meeresspiegeländerungen) im Arktischen Ozean und im Nordatlantik. Nicht nur dienen diese Vergleiche der Modellbewertung, sondern sie unterstützen auch die Interpretation relativ seltener ozeangraphischer in-situ Beobachtungen.
Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist die Entwicklung eines integrierten mesoskaligen Ansatzes zur Quantifizierung von neun Ökosystemleistungen (ÖSL) in Auen. Unter Berücksichtigung von Hydraulik und Ökologie werden Wirkungsgrenzen definiert. Diese ermöglichen eine Abgrenzung der Aue nach ihrer Funktionsfähigkeit in Bezug auf die Bereitstellung von ÖSL, welche für den Erhalt natürlicher Lebensgrundlagen bedeutend sind. Trotz des Wissens um die ökologische Bedeutung und die hohe Gefährdung von Auen weltweit findet eine Verschlechterung des Auenzustands weiterhin statt. Dies reduziert auch die Bereitstellung von ÖSL von Auen in unbekanntem Maß. Grund hierfür ist ein fehlendes Verständnis der Interaktionen zwischen den natürlichen Prozessen und ÖSL, den anthropogenen Einflüssen sowie dem Auenzustand. Des Weiteren werden in Auen bereitgestellte ÖSL bei der Kostenberechnung von Maßnahmen vernachlässigt, da ein integrierter übertragbarer Ansatz zur Ermittlung der ÖSL auf der relevanten räumlichen Skala, der Landschaftsebene, fehlt. Die Herausforderungen in der Ökosystemleistungsforschung liegen hauptsächlich in der Vielfalt von nicht abgestimmten Definitionen, Begrifflichkeiten und Indikatoren. Die Skalenproblematik wird zudem bei der Betrachtung der Auengrenzen als räumliche Basis deutlich. Mit der Entwicklung einer übertragbaren Methode wird in diesem Projekt erstmalig ein umfangreiches Spektrum an ÖSL (klimatische, hydrologische Leistungen, Wasserqualität und Biodiversität, Produktion von Lebensmitteln, Baumaterialien und Energie, kulturelle Leistungen, Schutz vor Naturgefahren) unter Berücksichtigung des Auenzustands in Deutschland integriert. Als räumliche Basis der Auenabgrenzung dienen die Überschwemmungsflächen häufiger Hochwasser gemäß öffentlich zugänglicher Hochwassergefahrenkarten. Die Eignung dieser rein hydraulisch bestimmten Grenzen wird durch umfangreiche ökologische Daten anderer Forschungsinstitute (Bundesanstalt für Gewässerkunde (Vegetation) und Universität Duisburg-Essen (Laufkäfer)) erstmals untersucht. Neue Indikatoren werden für jede der neun ÖSL auf der Basis von Geoinformationen und Literaturrecherchen entwickelt. Mittels Metaanalysen wird die Übertragbarkeit von ökonomischen Faustzahlen für einen Wertetransfer überprüft. Ergebnis ist eine erstmalige Berechnung des ökonomischen Gesamtwertes der Auen auf Landschaftsebene, um die Leistungen von Auen, ihren Erhalt bzw. ihre Wiederherstellung umfassender als bisher zu bewerten. Anhand von zehn bereits durchgeführten Auenrenaturierungsprojekten wird dieser Ansatz mittels einer Kosten-Nutzen-Rechnung validiert. Dieser neue integrierte Ansatz ist interdisziplinär ausgerichtet, um der Komplexität von Auen und den von ihnen erbrachten ÖSL gerecht zu werden. Mit der Inwertsetzung bieten sich breite thematische Anknüpfungspunkte. So erhalten u.a. Biologen und Hydrologen, Geowissen- und Volkswirtschaftler eine vereinheitlichte Datenbasis bisher dezentral vorliegender Informationen.
Das Projekt "Quantifying the Influence of SnowmelT on RIVEr Hydrology in High Mountain Asia (STRIVE)" fokussiert sich auf alpine Flüsse und dem Zeitpunkt und Menge der Schneeschmelze im Himalaya . In vielen alpinen Einzugsgebieten stammt ein signifikanter Teil des jährlichen Wasserhaushalts aus der Schneeschmelze, insbesondere während der Monate vor dem Beginn des Monsuns. Da die Gletscher in vielen hochgelegenen Bergregionen weiter schmelzen werden, wird der saisonale Wasserpuffer durch die Schneeschmelze in Zukunft noch wichtiger werden. Auch die Gefahr von Überschwemmungen wird zunehmen, da die steigenden Temperaturen die Schneeschmelze im Frühjahr beschleunigen. Trotz der Bedeutung des Schneewasserhaushalts für viele besiedelte Gebiete sind Zeitpunkt und Volumen der Schneeschmelze nach wie vor nur unzureichend bekannt - insbesondere in Einzugsgebieten in großer Höhe. Um besser quantifizieren zu können, wann und wo das Wasser der Schneeschmelze die alpinen Flüsse erreicht, wird das STRIVE-Projekt einen kombinierten in-situ- und satellitenbasierten Ansatz verwenden, um (1) den Zeitpunkt und die räumliche Verteilung der Schneeschmelze zu überwachen, (2) den Einfluss der Schneeschmelze auf die Flusshöhen und (3) Flusstemperaturen zu bewerten. Die im Rahmen des STRIVE-Projekts gesammelten neuen Daten mit hoher zeitlicher Auflösung werden mit lokalen und regionalen hydrologischen Daten kombiniert, um (4) ein umfassenderes Verständnis der aktuellen Schneeschmelze und deren Wassermenge für alpine Flüsse zu entwickeln. Hier spielen insbesondere die sich verändernden Klimabedingungen eine große Rolle. Die Ergebnisse des STRIVE-Projekts werden für Forscher verschiedener Fachbereiche in der physischen Geographie, Hydrologie und Geomorphologie, zum Einschätzen von Naturgefahren und für Manager sowie Entwickler von Wasserkraftwerken im gesamten Himalaya und in ähnlichen, von der Schneeschmelze angetriebenen alpinen Ökosystemen, von großem Nutzen sein. Um die Forschungszusammenarbeit und den Austausch mit den nepalesischen Partnern zu erleichtern und nachhaltiger zu machen, wird das STRIVE-Projekt zwei Workshops für Nachwuchswissenschaftlerinnen durchführen, die sich mit der Sammlung und Verarbeitung von in-situ- und Fernerkundungsdaten beschäftigen. Diese Workshops werden dazu beitragen, die Ergebnisse und Erkenntnisse des STRIVE-Projekts zu verbreiten und sicherzustellen, dass die entwickelten Methoden und Daten auch nach dem Ende des Projekts in die Forschung und in wasserpolitische Entscheidungen im Himalaya einfließen.
Die Ozonierung ist eine etablierte Technologie zur effizienten Oxidation von organischen Spurenstoffen in der Wasseraufbereitung. Ein wesentlicher Nachteil bei der Anwendung von Ozon ist die Bildung von stabilen und potenziell toxischen Ozonungsprodukten (OPs). Kritisch sind wegen ihrer Langlebigkeit vor allem biologisch stabile OPs. Unmöglich kann die Reaktion aller relevanter CECs mit Ozon, die dabei entstehenden OPs und deren biologische Stabilität untersucht werden. Vielmehr ist es notwendig, basierend auf dem systematischen Studium funktioneller Gruppen Kenntnisse zu generieren, die auf andere Stoffe übertragbar sind. Bislang wurden solche systematischen Studien aber nicht durchgeführt. Noch größer ist die Wissenslücke bei den im Abwasser vorliegenden organischen Kohlenstoffverbindungen (engl.: effluent organic matter, EfOM). Zwar belegt die Ozonzehrung von EfOM dessen Reaktivität gegenüber Ozon, aber welche funktionellen Gruppen reagieren, welche Produkte gebildet werden und wie biologisch stabil diese sind, ist gerade für EfOM mit Heteroatomen (N, S) nicht untersucht. Dieses Vorhaben will beide Lücken durch ein komplementäres analytisches und experimentelles Vorgehen schließen, mit dem gemeinsamen methodischen Ansatz der Einführung einer Markierung in die OPs durch Verwendung von 18O-Ozon und der nachfolgenden Detektion und Identifizierung der OPs mithilfe der (ultra-hochauflösenden) Massenspektrometrie. Das Vorhaben basiert auf der zentralen Hypothese, dass die Reaktion von Ozon sowohl mit bestimmten funktionellen Gruppen organischer Spurenstoffe als auch mit äquivalenten Gruppen des EfOM zu einer vorhersagbaren Bildung von OPs führt. Es zielt darauf ab, i) unser Verständnis der Reaktivität verschiedener funktioneller Gruppen gegenüber Ozon zu verbessern, wobei der Schwerpunkt auf der Identifikation biologisch schwer abbaubarer Funktionen innerhalb der OPs liegt, ii) ozon-reaktive funktionelle Gruppen im EfOM basierend auf bestehendem Wissen zur Transformation von Spurenstoffen zu identifizieren, wobei der Schwerpunkt auf N- und S-haltigen funktionellen Gruppen liegt, welche potentiell chemisch stabile OPs bilden, und iii) die Bedeutung des EfOM im Hinblick auf die Bildung biologisch schwer abbaubarer OPs in der Ozonierung von Abwasser zu bewerten. Dazu soll der biologische Abbau der OPs anhand deren spezifischen funktionellen Gruppen in Säulen-Abbauversuchen und einer simulierten Grundwasseranreicherung untersucht werden. Mit dem neuen Ansatz der Markierung sind wir in der Lage, OPs von CECs ebenso wie von EfOM sicher zu detektieren, besser zu identifizieren und ihre Stabilität gut zu verfolgen. Das Vorhaben generiert ein systematisches und übertragbares Verständnis zur Bildung stabiler OPs basierend auf funktionellen Gruppen organischer Moleküle, von CECs wie von EfOM. Erst wenn die Stabilität der möglichen OPs untersucht ist, wird auch eine systematische toxikologische Bewertung der Ozonung als Wasseraufbereitungsmethode möglich.
Ziel des Projektes ist es, die Bedeutung wandernder Sandrippel für das mikrobielle Nahrungsnetz, den Kohlenstofffluss und den Metabolismus in Fließgewässerökosystemen aufzuklären. Die etablierten Konzepte zur Sedimentstörung in der Fließgewässerökologie fokussieren auf katastrophale Hochwasserereignisse, die tiefe Erosionen und drastische Verlagerungen der Sedimente bewirken. In Gewässern mit einem hohen Anteil sandiger Sedimente kommt es allerdings bereits bei geringen Abflüssen zu einer periodischen Umlagerung der Bettsedimente in Form wandernder Sandrippel. Diese Sandrippel bedecken, abhängig von der Sedimentfracht, zunehmende Bereiche der Gewässersohle, streckenweise sogar bis zu 100%. Aufgrund des weltweit zunehmenden Feinsedimenteintrags aus den Einzugsgebieten sind Sandrippel ein weit verbreitetes Phänomen in Bächen und Flüssen. Dennoch gibt es zum Einfluss der Sandrippel auf die Fließgewässerökologie nur sehr wenige Untersuchungen, deren Ergebnisse sich teilweise widersprechen. Wir postulieren, dass wandernde Sandrippel abhängig von ihrem Deckungsgrad auf der Sohle das mikrobielle Nahrungsnetz, den Kohlenstofffluss und den Metabolismus des gesamten Gewässers bestimmen. In originären experimentellen Ansätzen untersuchen wir i) die Auswirkungen der Sedimentumlagerung innerhalb wandernder Sandrippel, ii) die Interaktion der Rippelbereiche mit den umliegenden stabilen Sohlbereichen eines Gewässerabschnitts und den Gesamtmetabolismus im Abschnitt und iii) den Return (= Dynamik nach Beendigung der Sedimentumlagerung). Die Bewegung der Sande in wandernden Sandrippeln wird in einer Mikrokosmenanlage simuliert und der Einfluss von Umlagerungsfrequenz, Licht- und Nähstoffregime auf die Respiration, die Primärproduktion und das mikrobielle Nahrungsnetz untersucht. Die Auswirkungen zunehmender Bedeckung der Sohle mit wandernden Sandrippeln auf nahe stabile Sohlbereiche und den Gesamtmetabolismus von Gewässerabschnitten werden in 16 Rinnen einer Fließgewässersimulationsanlage erforscht. In diesen Experimenten werden zudem der Return von mikrobiellen Gemeinschaften und Gesamtmetabolismus mit erfasst. Die Experimente werden ergänzt und validiert durch in situ Messungen in Bächen und Flüssen. Dabei werden die abiotisch Bedingungen im Porenraum wandernder Sandrippel und naheliegender stabiler Sande sowie der lokale Metabolismus mit einer neu entwickelten Sonde gemessen und das mikrobielle Nahrungsnetz und der Kohlenstofftransfer in diesen Sohlbereichen erfasst. Die Synthese der Ergebnisse wird Klarheit schaffen über die Bedeutung wandernder Sandrippel für die mikrobiellen Gemeinschaften und den Stoffumsatz in Fließgewässern. Die zu erwartenden Erkenntnisse werden auch eine bessere Bewertung wandernder Sandrippel ermöglichen und sind somit Grundlage für Schutz und Management der Gewässerfunktionen.
Nanopartikel (NP) sind neuartige Schadstoffe, deren Umweltverhalten sich grundlegend von molekularen Schadstoffen unterscheidet. Die Sorption von natürlichen organischen Substanzen (NOM) an NP ist ein Schlüsselfaktor für das weitere Umweltverhalten der NP wie Aggregation oder Sorption auf Oberflächen. Verfügbaren Daten zum Verhalten von NP beschränken sich auf Laborstudien unter stark vereinfachte Bedingungen. Für die Modellierung des Verbleibs von NP in der Umwelt ist es daher unerlässlich, die Sorptionsmechanismen unter umweltrelevanten Bedingungen zu erforschen. Dafür haben wir eine neue Methode entwickelt und validiert, bei der die NP mittels eines Dialysebeutels im Kontakt mit den gelösten Komponenten des Gewässers gebracht werden. Diese Methode ermöglicht es erstmals Partikel mit einer realistischen NOM Oberflächenbeschichtung (Coating) zu erhalten. Moderne Methoden der Oberflächencharakterisierung erlauben es zudem, die Zusammensetzung und Eigenschaften von NP Coatings detailliert zu untersuchen. Ziel dieses Projekts ist es, die Sorptionsmechanismen unter Umweltbedingungen, ihren Einfluss auf die kolloidale Stabilität und ihren Zusammenhang mit dem initialen NP Coating zu erforschen und vorherzusagen. Dazu werden die Zusammensetzungen und die Eigenschaften der unter Feldbedingungen gebildeten NP Coatings für fünf TiO2-Nanopartikeltypen, einschließlich der aus kommerziellen Produkten extrahierten Partikel, untersucht. Diese Partikel werden in 60 ausgewählten Gewässern, welche einer großen Bandbreite an wasserchemischen Parametern entsprechen, mittels Dialysebeutelmethode exponiert. Nach der Entnahme werden die Partikel mit XPS, FT-IR, ToF-SIMS und AFM analysiert, um die Oberflächenzusammensetzung, den Sorptionsmodus und die Schichtdicke des Coatings zu bestimmen. Zur Untersuchung der Schichtdicke mittels AFM wird eine neu entwickelte Probenpräparationsmethode weiterentwickelt und validiert. Die molekulare Zusammensetzung und Stabilität der NP Coatings werden mittels direkter Messung von Molekülen auf der Partikeloberfläche mit einer neu entwickelten Laser-Desorptions-Ionisation ultrahochauflösender FT-ICR MS Methode sowie sequentieller Extraktion, gefolgt von Elektrospray-Ionisation FT-ICR MS untersucht. Zudem werden Experimente zur Aggregationskinetik der exponierten NP durchgeführt. Dazu werden Proben der 60 Gewässer mit und ohne natürliche Kolloide verwendet, um Hetero- und Homoaggregation zu berücksichtigen. Die gewonnenen Daten werden in ein multivariates Machine-Learning-Modell einfließen, um die Beziehung zwischen initialem Coating, Coating mit NOM nach Exposition, der Gewässerchemie und der Aggregation der Partikel zu bestimmen und um die Eigenschaften des Coatings und die Aggregationsrate aus den vorliegenden Wasserparametern vorherzusagen. Die Modellergebnisse werden wertvolle Beiträge für die Vorhersage des Umweltverhaltens von Nanopartikeln in natürlichen Gewässern liefern.
Natürliches organisches Material (NOM) ist die Triebfeder für viele biogeochemische Prozesse in Böden und Grundwässern. Diese herausragende Rolle resultiert nicht nur aus dessen Eigenschaft als Elektronendonor sondern insbesondere auch durch die Fähigkeit Elektronen aufzunehmen und zu speichern (Redoxpuffer) sowie Redoxprozesse zwischen anderen redoxsensitiven Spezies zu vermitteln und zu beschleunigen (Mediator). Obwohl NOM in Böden und Grundwässern zu einem erheblichen Teil in sorbierter Form vorliegt, wurde der Einfluss von Redoxzustand und Redoxeigenschaften auf die Sorption von NOM bisher nicht detailliert untersucht und umgekehrt auch nicht der Einfluss von Sorption auf dessen Redoxzustand. Wir postulieren, dass die Redoxeigenschaften von adsorbiertem NOM sich signifikannt unterscheiden von gelöstem NOM aufgrund von Fraktionierungsvorgängen und Konformationsänderungen. Die vorgeschlagenen Forschungsarbeiten zielen darauf ab, diese Prozesse im Detail zu untersuchen um somit eine Grundlage zu schaffen für ein mechanistisches Verständnis wie Sorptionsprozesse die biogeochemischen Funktionen in natürlichen wässrigen Systemen steuern. Da Sorption die mobilen und immobilen Fraktionen von NOM in diesen Systemen bestimmt, sind die Resultate auch relevant für die Beurteilung der Rolle von NOM für Transport und Transformation von Schadstoffen und mikrobiellen Atmungsprozessen. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts möchten wir konkret folgende Kernfragen bearbeiten:- Wie verändert Sorption an natürliche Oberflächen per se (d.h. ohne Elektronentransfer mit dem Sorbens) die Redoxeigenschaften von NOM (Elektronenakzeptor/-donor Kapazität, EH-Werte und -Verteilung, Elektronenmediator-Eigenschaften) - Wie beeinflusst der Redoxzustand von NOM dessen Sorptionsverhalten? - Wie beeinflusst Elektronentransfer zwischen Sorbens und NOM dessen Redoxeigenschaften? - Welchen Einfluss haben Materialeigenschaften von NOM (Herkunft, Aromatizität, Säure/Base Eigenschaften etc.) auf Sorptions- und Redoxprozesse? Hierzu werden wir im Labor mit Hilfe von Batchversuchen unter umweltrelevanten Bedingungen systematisch den Einfluss von Sorptionsprozessen an unterschiedliche natürliche Oberflächen auf die Redoxeigenschaften verschiedenartiger NOM-Proben und Chinon-Modellverbindungen untersuchen und dabei neuartige und sensitive elektrochemische Methoden anwenden. Da NOM-Überzüge auf Mineralien praktisch in allen natürlichen Systemen vorhanden sind erwarten wir uns von den Forschungsergebnissen einen wesentlichen Erkenntnisgewinn im Hinblick auf ein quantitatives Verständnis von Redoxprozessen in natürlichen heterogenen Systemen. Die Resultate sollen somit die Grundlage bilden für eine Weiterentwicklung quantitativer Modelle zur Beschreibung biogeochemischer Prozesse an der Mineral-Wasser Grenzfläche unter natürlichen Bedingungen.
Karst entsteht sich durch die Verwitterung von Karbonatgestein und erzeugt starke oberflächliche und unterirdische Heterogenität von hydrologischen Speicher und Fließprozessen. Ungefähr 7% bis 12% der Erdoberfläche besteht aus Karstgebieten und etwa ein Viertel der Weltbevölkerung ist ganz oder teilweise abhängig von Trinkwasser aus Karstgrundwasserleitern. Für die nächsten Jahrzehnte, Klimamodelle prognostizieren einen starken Temperaturanstieg und eine Abnahme von Niederschlagsmengen in vielen Karstregionen der Welt. Trotz dieser Vorhersagen gibt es nur wenige Studien, die die Auswirkungen des Klimawandels auf die Karstwasserressourcen abschätzen. Die ist hautsächlich auf das Fehlen von Messdaten und die inadäquate Abbildung von Karstprozessen in derzeit angewandten Ansätzen zur großskaligen Modellierung zurückzuführen. Das Ziel der beantragten Nachwuchsgruppe ist, die notwendigen Daten und Ansätze zur erstmaligen Abschätzung der gegenwärtigen und zukünftigem Verfügbarkeit von Wasserressourcen in Karstgebieten zur Verfügung zu stellen. Um dieser Herausforderung gerecht zu werden, sind signifikante Fortschritte (1) zum Verständnis der Heterogenität von Karstregionen und zu deren Einarbeitung in hydrologische Modelle, (2) zum Upscaling von Beobachtungen auf der Einzugsgebietsskale für Anwendungen von Simulationsmodellen im globalen Maßstab, und (3) zum Vergleich der gegenwärtigen und zukünftigen Verfügbarkeit von Wasserressourcen mit gegenwärtigen und zukünftigen Wasserbedarf von Nöten. Im vorgeschlagenen Projekt sollen neuartige Ansätze zur Messung und Analyse hydrologischer Daten an fünf experimentellen Messgebieten, die in 5 verschiedenen Klimaregionen über den Globus verteilt sind (AU, D, ES, MX, UK), eingesetzt werden, um die Einflüsse der Heterogenität von Karstgebieten auf oberflächennahe Fließprozesse zu erkunden. Mittels einer neu entwickelten Karstdatenbank, welche beobachtete Zeitreihen von Karstquellenabflüssen enthält, und Rezessionsanalyse sollen die Heterogenität von Grundwasser und Abflussprozesse in verschiedenen Regionen der Welt charakterisiert werden. Dieselbe Datenbank, erweitert durch zusätzlich Abflussdaten auf Flussgebietsskale des Global Runoff Data Center (GRDC), soll zur Entwicklung eines neuen Ansatzes zur Einbindung der neu gewonnenen Erkenntnisse in ein großskaliges Simulationsmodell speziell für Karstregionen angewandt werden. Dieses Modell soll letztendlich dazu benutzt werden, um (1) gegenwärtige und, gekoppelt mit Klimaszenarien, zukünftige Verfügbarkeit von Wasserressourcen in Karstgebieten zu erkunden, um diese (2) mit gegenwärtigen und zukünftigen Wasserbedarf zu vergleichen und von Wassermangel bedrohte Regionen zu identifizieren.
| 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 | 727 |
| Luft | 526 |
| Mensch und Umwelt | 836 |
| Wasser | 821 |
| Weitere | 836 |