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.
The overarching goal of our proposal is to understand the regulation of organic carbon (OC) transfor-mation across terrestrial-aquatic interfaces from soil, to lotic and lentic waters, with emphasis on ephemeral streams. These systems considerably expand the terrestrial-aquatic interface and are thus potential sites for intensive OC-transformation. Despite the different environmental conditions of ter-restrial, semi-aquatic and aquatic sites, likely major factors for the transformation of OC at all sites are the quality of the organic matter, the supply with oxygen and nutrients and the water regime. We will target the effects of (1) OC quality and priming, (2) stream sediment properties that control the advective supply of hyporheic sediments with oxygen and nutrients, and (3) the water regime. The responses of sediment associated metabolic activities, C turn-over, C-flow in the microbial food web, and the combined transformations of terrestrial and aquatic OC will be quantified and characterized in complementary laboratory and field experiments. Analogous mesocosm experiments in terrestrial soil, ephemeral and perennial streams and pond shore will be conducted in the experimental Chicken Creek catchment. This research site is ideal due to a wide but well-defined terrestrial-aquatic transition zone and due to low background concentrations of labile organic carbon. The studies will benefit from new methodologies and techniques, including development of hyporheic flow path tubes and comparative assessment of soil and stream sediment respiration with methods from soil and aquatic sciences. We will combine tracer techniques to assess advective supply of sediments, respiration measurements, greenhouse gas flux measurements, isotope labeling, and isotope natural abundance studies. Our studies will contribute to the understanding of OC mineralization and thus CO2 emissions across terrestrial and aquatic systems. A deeper knowledge of OC-transformation in the terrestrial-aquatic interface is of high relevance for the modelling of carbon flow through landscapes and for the understanding of the global C cycle.
This project is a continuation of project F funded in the first phase of the DFG Research Group CAOS, where we evaluated the potential of different ground-based geophysical techniques for exploring hydrological systems regarding subsurface structures, characteristics, and processes. Building up on the results of this project, we now focus on further developing selected geophysical techniques (timelapse GPR imaging) for deepening our understanding of hydrological processes at the plot and hillslope scale. In addition, we propose to systematically evaluate modem remote sensing techniques because they cun-ently represent the only means to efficiently explore larger areas or entire catchments. Here, we focus on a combination of full-waveform laserscanning and hyperspectral imaging because they can provide detailed Information regarding geometrical and physical properties of earth's surface, respectively. To link remote sensing with point/plot/hillslope scale data as provided by geophysics and conventional hydrological field techniques, we believe that further methodological innovations are needed. For example, we plan to establish a unique field laboratory to better understand the responses of geophysical and remote sensing techniques to different natural and artificial hydrological events and to develop exploration strategies advancing the applicability of geophysics and remote sensing for hydrological applications at a variety of spatial scales.
Die Klimakrise verändert zunehmend die räumliche und zeitliche Verfügbarkeit von Grundwasser, der wichtigsten globalen Süßwasserressource. Das quantitative Verständnis der Interaktion von Grundwasser und Klima, vor allem auf nationaler und kontinentaler Skala, ist wichtig für ein optimal angepasstes Grundwassermanagement. Bisher ist das Wissen über die großskalige Sensitivität der Grundwasserressourcen auf den Klimawandel jedoch sehr limitiert. Das Ziel des hier vorgestellten Projektes ist die Erforschung der Auswirkungen des Klimawandels und der damit einhergehenden Umweltveränderungen auf den quantitativen Zustand von Grundwasserressourcen auf national-kontinentaler Skala. Etablierte prozessbasierte Modelle (PBMs) zur hydro(geo)logischen Modellierung auf großer Skala (meist „Global Hydrological Models“ - GHMs) sind starke Vereinfachungen der Realität und unterliegen daher deutlichen Limitationen und Unsicherheiten. Im Gegensatz zu anderen PBMs, weisen GHMs daher begrenzte physikalische Konsistenz und Interpretierbarkeit auf und ihre Anwendung kann zu irreführenden Schlussfolgerungen über die Verfügbarkeit von Grundwasser vor dem Hintergrund des Klimawandels führen. Vor allem die Übertragbarkeit auf datenarme Regionen ist nur eingeschränkt möglich. In den letzten Jahren haben sich Deep Learning (DL) Modelle als präziser und leicht übertragbarer alternativer Ansatz in der Modellierung von Wasserressourcen etabliert. Für die Modellierung von Oberflächengewässern wurde zudem gezeigt, dass DL auch spezialisierte PBMs übertreffen kann. Das vorgeschlagene Projekt möchte sich die gewonnenen Erkenntnisse zunutze machen und ein DL-Modell zur Untersuchung der Sensitivität von Grundwasser auf den Klimawandel auf kontinentaler Skala aufbauen. Hierfür wird ein „big data“ Ansatz gewählt, der Daten von >2200 Einzugsgebieten in Nordamerika nutzt (Erweiterung denkbar). Ein solches Modell kann lernen, Wissen über verschiedene Regionen zu transferieren, gewinnt somit stark an Generalisierungsfähigkeit (z.B. auf datenarme Regionen) und schlussendlich an Vertrauenswürdigkeit. Weiterhin soll das Problem von fehlenden, interpretierbaren und physikalisch konsistenten Modellen im nationalen Maßstab angegangen werden, indem physikalisches Wissen und Prozesse in die DL-Modelle eingebaut werden. Durch diese Ansätze soll ein plausibles, interpretierbares und vor allem vertrauenswürdiges Modell entstehen, welches sich zur Untersuchung von Klimawandelszenarien eignet. Die genannten Aspekte sind hierbei besonders kritisch, da für Zeiträume in der Zukunft keine Validierung möglich ist. Das entwickelte Modell dient anschließend der Beantwortung der übergeordneten Fragestellung, und die Auswirkungen des Klimawandels auf die Grundwasserressourcen werden anhand der Daten von Klimamodellen auf Basis von RCP bzw. SSP Szenarien untersucht. Weiterhin werden spezialisierte Untersuchungen (Szenarien) zum Einfluss einzelner Einflussfaktoren (z.B. Landnutzung) durchgeführt.
Klimafolgen werden typischerweise aus kombinierten Ereignissen (CEs) verursacht, also multivariate Kombinationen von klimatischen Treibern. Beispielsweise kann ein gleichzeitig heißer und trockener Sommer zu Vegetationsschäden führen, deren Auswirkungen oft die von Hitzewellen und Dürren für sich genommen übertreffen; gleichzeitige Waldbrände in mehreren europäischen Ländern können gemeinsam genutzte Einsatzmittel wie Löschflugzeuge überlasten und somit zu größeren Schäden führen. In den letzten Jahren ist aufgrund der Erkenntnis, dass eine univariate Perspektive auf Gefahren Klimarisiken möglicherweise stark unterschätzen und zu Fehlanpassungen führen kann, eine wachsende Zahl wissenschaftlicher Literatur zu CEs entstanden. Unser Verständnis von CEs, einschließlich der Quantifizierung, wie häufig sie auftreten und wie sie sich in Zukunft ändern werden, ist jedoch noch sehr begrenzt. Besonders die begrenzte Anzahl von Beobachtungen und routinemäßig verwendeten Klimamodellergebnissen macht die Forschung zu CEs sehr herausfordernd. Beispielsweise könnte man auf der Grundlage von einem kleinen Stichprobenumfang schlussfolgern, dass CEs an Orten selten sind, wo sie stattdessen sehr häufig sind. Das Hauptziel von ADVICE besteht darin, das volle Potenzial neuartiger Ensembles von Klimamodellen (SMILEs) auszuschöpfen, die Hunderte bis Tausende von Jahren an Daten des gegenwärtigen und zukünftigen Klimas liefern, um unser Verständnis von CEs zu erweitern. ADVICE baut auf früheren bahnbrechenden Beiträgen zur Erforschung von CEs durch den PI auf. Zwei Doktorand*innen werden gleichzeitig auftretendes Feuerwetter in europäischen Ländern und mehrjährige Dürren untersuchen, welche Ökosystemauswirkungen verstärken können, während ein Postdoc und der PI eine Reihe anderer CE-Typen untersuchen werden. ADVICE wird CE-Häufigkeiten und die damit verbundenen Unsicherheiten quantifizieren und so Informationen über Regionen mit erhöhtem CE-Risiko liefern. ADVICE wird Worst-Case-CEs untersuchen, die besonders extreme sozioökonomische Auswirkungen haben können. Die angemessene Kommunikation von Unsicherheiten in Prognosen ist unerlässlich, um irreführende Risikobewertungen zu vermeiden. Daher wird ADVICE verschiedene zukünftige Klimaentwicklungen abschätzen, einschließlich plausibler Worst-Case-Szenarien. Darüber hinaus werden Methoden zur Reduzierung von Unsicherheiten in CE-Projektionen untersucht. Insgesamt wird ADVICE die wichtigsten Vorteile von SMILEs für die Untersuchung von CEs sowie Informationen über die Fähigkeit von Klimamodellen bei der Darstellung von CEs herausarbeiten, was für Klimawissenschaftler*innen wichtig ist. Angesichts der Notwendigkeit einer multivariaten Perspektive in der Risikobewertung, werden die Ergebnisse von ADVICE zu verbesserten Klimarisikoabschätzungen beitragen, was letztendlich die Entwicklung der Anpassung an den Klimawandel unterstützen wird.
In den vergangen 20 Jahren kam es in Mitteleuropa zu einer Häufung hydrologischer Dürreereignisse, ein Trend, der sich in Zukunft weiter verstärken wird. Bereits jetzt gelten die im Vergleich zu Mittelwerten extrem trockenen vergangenen Jahre als eine der Hauptursachen für den sich systematisch verschlechternden Zustand der Wälder in Mitteleuropa. Eine allgemein akzeptierte Annahme ist, dass tief verwurzelte Bäume solchen Dürreereignissen besser standhalten können. Das prozessbasierte Verständnis in Bezug auf die Nutzung von tief liegenden Wasserressourcen und deren Nutzung durch Vegetation ist jedoch stark limitiert. Tiefes Bodenwasser (> 1 m) wird häufig vernachlässigt oder vereinfacht betrachtet. Zentrales Ziel unseres Projektes ist es daher, raumzeitliche Dynamiken und Rückkopplungen zwischen Niederschlagsinfiltration und Grundwasserneubildung sowie kapillarem Aufstieg zu quantifizieren. Wir werden die Wasseraufnahme von typischen europäischen Waldbäumen (Buche, Eiche, Fichte) mit unterschiedlichen Wassernutzungsstrategien und Wurzeltiefen untersuchen und dabei zwischen Bäumen mit I) direktem Zugang zu Grundwasser, II) Kontakt zur Kapillarzone oberhalb des lokalen Grundwasserspiegels und III) solchen, ohne direkte Verbindung zum Grundwasser/der Kapillarzone haben, aber ein tiefes Wurzelsystem zur Nutzung der in der ungesättigten Zone gespeicherten Wassers besitzen und IV) flachwurzelnden Bäumen. Unsere Hypothese ist, dass die Aufrechterhaltung der Konnektivität zur Kapillarzone für einige Arten eine kritische Komponente der Trockenheitstoleranz ist, deren Bedeutung aber abhängt von I) klimatischen und geomorphologischen Bedingungen, die die raumzeitliche Dynamik dieser Verbindung definieren (Dürredauer, Pufferkapazität der Kapillarzone) und II) Artenspezifischen Dürreanpassungen (Wurzeltiefen, adaptives Wurzelwachstum, Grad der Isohydrie) ab. Um die Auswirkungen der Vegetationskonnektivität zur Kapillarzone auf die Baumgesundheit sowie den Wasserkreislauf vollständig zu verstehen, verwenden wir eine Kombination aus ökohydrologischen, pflanzenphysiologischen, geophysikalischen und modellbasierten Ansätzen. Ein besonderer Schwerpunkt ist der Einsatz einer neuartigen Messmethodik zur kontinuierlichen Erfassung stabiler Wasserisotope. Daraus resultierende Datensätze mit hoher räumlich-zeitlicher Auflösung der Wasser Isotopie des Boden, des Xylem und des atmosphärischen Wasserdampfes werden durch Sauerstoffisotope- und Phloem-Kohlenstoffisotopendaten von Jahrringen ergänzt. Diese Kombination ermöglicht uns Rückschlüssen auf die aktuelle Konnektivität verschiedener Baumarten zu verschiedenen tief liegenden Wasserpools und sowie die neuartige Möglichkeit zur Analyse historischer Dürreereignisse. Anschließend wird das isotopenfähige SVAT-Modell MuSICA mit dem parametrisiert, um den Zusammenhang zwischen Tiefenwasseraufnahme und der Baumgesundheit unter verschiedenen Szenarien (extremer trockener, trockener, normaler Jahre) vorherzusagen.
Aquatische Pilze (AF) sorgen für Gesundheit, Funktion und Widerstandsfähigkeit von aquatischen Ökosystemen; doch ist ihre biologische Vielfalt weitgehend unbekannt. AF sind von allen wichtigen Erhaltungsplänen und -strategien unbeachtet und die derzeitigen Schutzgebiete (PAs), z. B. Natura-2000-Netz und Ramsar-Konvention beinhalten keine strategischen Überlegungen zur AF-Vielfalt und -Funktionalität. Dank enormer Fortschritte in der Sequenzierung und des kombinierten transdisziplinären Fachwissens der FUNACTION-Partner werden wir zum ersten Mal Wissen zur taxonomischen, phylogenetischen und funktionellen Vielfalt von AF aufbauen, um AF-fokussierte Strategien für ihre Erhaltung zu entwickeln. FUNACTION wird i) eine paneuropäische Karte der Pilzbiodiversität erstellen, um Muster und Triebkräfte der AF-Vielfalt auf europäischer Ebene zu identifizieren, die für eine datengestützte Erhaltung benötigt werden (WP1; THEME1); ii) die AF-Vielfalt über die verschiedenen räumlich-zeitlichen Skalen in PA vs. Nicht-PA auf ihre Eignung testen und bewerten (taxonomisch, phylogenetisch und funktionell), z.B. die Wirksamkeit beim Schutz der AF-Vielfalt, -Funktionen und -Dienstleistungen (WP2; THEME1,2,3); iii) Aufbau von Wissen und Strategien zur Überwachung (z. B. im Rahmen der Wasserrahmenrichtlinie 2000/60/EG) und Erhaltung von AF (Planung neuer PA im Rahmen der EU Biodiversitätsstrategie für 2030) und der damit verbundenen Ökosystemfunktionen (WP3,4; THEMA1,3) sowie Leitlinien zu deren Ausweitung auf globaler Ebene und iv) Sicherstellung einer effektiven Einbindung, Kommunikation und Informationsweitergabe an die Öffentlichkeit, Interessengruppen (nationale, europäische und globale Manager und politische Entscheidungsträger) und die wissenschaftliche Gemeinschaft (WP5). Die Identifizierung paneuropäischer Muster der AF-Diversität (WP1) in 16 Ländern wird ergänzt durch Datensätze von ca. 500 Standorten aus 26 europäischen Ländern (estnische FunAqua-Projektpartnern). Um eine breite geografische Streuung innerhalb Europas und repräsentative bioklimatische und Umweltgradienten zu gewährleisten, werden Fallstudien in allen Partnerländern (Estland, Deutschland, Italien, Portugal, Schweden und der Schweiz) (WP2) durchgeführt. Unsere Metabarcoding- und Metagenomanalysen erlauben einzigartige Einblicke in die Pilz- und Eukaryontenvielfalt und -funktion, die zusammen mit Klima, Landnutzung und anderen wichtigen Umweltvariablen in harmonisierte Leitlinien und Beispiele für eine wirksame Bewirtschaftungs- und Erhaltungsplanung in Europa eingesetzt werden. Um diese Ziele zu erreichen, fördert FUNACTION (Konsortium transnationaler, interdisziplinärer Experten (incl. IUCN)) den Austausch von Wissen, die Mobilität und Ausbildung der nächsten Generation von Wissenschaftlern und Managern und somit die europäische Kompetenz in diesem Bereich. FUNACTION baut ein effektives, langfristiges Kooperationsnetz zur Bewertung und zum Erhalt der AF-Diversität in Europa auf.
Aminopolyphosphonate (APPs) sind starke Komplexbildner für Metalle, die zunehmend in der Industrie und im Haushalt eingesetzt werden. Sie sind gut wasserlöslich, nicht flüchtig und besitzen eine geringe Affinität zu organischen Phasen. Dennoch scheint in Kläranlagen die Sorption an Klärschlamm ein wichtiger Eliminierungssprozess zu sein. Die Polyphosphonat-Konzentrationen in deutschen Flüssen liegen derzeit im ng L-1- bis niedrigen µg L-1 Bereich. Es wird jedoch ein Anstieg der Polyphosphonat-Konzentrationen aufgrund einer erhöhten Produktion und Nutzung vorhergesagt. Das Umweltverhalten dieser Substanzen kann derzeit jedoch nicht zuverlässig abgeschätzt werden, was in erster Linie auf Wissenslücken bezüglich der Bedeutung von Sorptions- und Abbauprozessen für die Gesamtentfernung von APPs in natürlichen und technischen Systemen zurückzuführen ist. Darüber hinaus sind die Reaktionsmechanismen und -wege von AAPs nicht vollständig identifiziert. Dies erschwert sowohl die Vorhersage der Auswirkungen von Umweltparametern auf den Verbleib von APPs als auch die Entwicklung von Verfahren zur effizienten Entfernung in technischen Systemen. Ziel der vorgeschlagenen Forschung ist es daher, Sorbentien, Reaktanten und Umweltbedingungen zu identifizieren, die die Entfernung von APPs aus natürlichen Gewässern und in der Wasseraufbereitung begünstigen. Wir schlagen vor, die Auswirkungen wichtiger Umweltparameter (z.B. pH-Wert, Komplexbildung) auf Sorptions- und Abbausprozesse von APPs in sorgfältig konzipierten Laborexperimenten an zwei Vertretern dieser Substanzklasse zu untersuchen: ATMP (Amino-tris(methylenphosphonsäure) und EDTMP (Ethylendiamin-tetra¬(methylenphosphonsäure). Durch die Kombination von Isotopenanalyik und hochauflösender Massenspektrometrie unter Einbeziehung weiterer moderner Verfahren sollen die wichtigsten Sorptions- und Abbauprozesse sowie die Umwandlungsprodukte von APPs identifiziert werden. Die vorgeschlagenen Forschungsarbeiten umfasse drei Teilbereiche. Zunächst soll die Sorption von APPs an Eisen(hydr-)oxiden, Tonmineralen und Aktivkohle/Biokohle untersucht und die potenziellen Isotopenfraktionierungseffekte aufgrund der Sorption quantifiziert werden. Dann werden wir uns mit den natürlichen Umwandlungsprozessen von AAPs befassen, wobei der Schwerpunkt auf der Oxidation durch Manganoxide und der direkten Photolyse von APP-Fe(III)-Komplexen liegt. Schließlich werden AAP-Abbauprozesse in technischen Systemen wie Ozonolyse und elektrochemischen Oxidation untersucht.
Agriculture is the major contributor of nitrogen to ecosystems, both by organic and inorganic fertilizers. Percolation of nitrate to groundwater and further transport to surface waters is assumed to be one of the major pathways in the fate of this nitrogen. The quantification of groundwater and associated nitrate flux to streams is still challenging. In particular because we lack understanding of the spatial distribution and temporal variability of groundwater and associated NO3- fluxes. In this preliminary study we will focus on the identification and quantification of groundwater and associated nitrate fluxes by combining high resolution distributed fiber-optic temperature sensing (DTS) with in situ UV photometry (ProPS). DTS is a new technique that is capable to measure temperature over distances of km with a spatial resolution of ca1 m and an accuracy of 0.01 K. It has been applied successfully to identify and quantify sources of groundwater discharge to streams. ProPS is a submersible UV process photometer, which uses high precision spectral analyses to provide single substance concentrations, in our case NO3-, at minute intervals and a detection limit of less than 0.05 mg l-1 (ca.0.01 mg NO3--Nl-1). We will conduct field experiments using artificial point sources of lateral inflow to test DTS and ProPS based quantification approaches and estimate their uncertainty. The selected study area is the Schwingbach catchment in Hessen, Germany, which has a good monitoring infrastructure. Preliminary research on hydrological fluxes and field observations indicate that the catchment favors the intended study.
Es ist das primäre Ziel dieses Projektes, Prozesse an der Schnittstelle zwischen Boden und Atmosphäre und deren Einfluss auf die ungesättigte Bodenzone zu analysieren, sowie die Theorie derartigen nicht-isothermen, mehrphasen und mehrkomponenten Prozesse zu verbessern. Hierbei liegt der Hauptfokus auf dem Einfluss von Oberflächenrauheiten und Heterogenitäten auf das Austauschverhalten. Das übergeordnete Ziel ist es, neue und validierte physikalische und mathematische Modelle zu entwickeln. Diese Modelle sollen mithilfe von umfassenden experimentellen und numerischen Analysen auf verschiedenen örtlichen und zeitlichen Skalen erstellt werden. Das Projekt hat vier Hauptziele:1. Hochauflösende Laborexperimente sollen auf verschiedenen Skalen (0,25-8m) durchgeführt werden, um neuartige Datenreihen zu erstellen, die aktuell nicht verfügbar sind. Dazu werden Experimente in einem Boden-Atmosphären Windkanal, dem Einzigen seiner Art, durchgeführt in denen die Eigenschaften der freien Strömung, der Bodenoberfläche und des Bodens variiert werden.2. Auf der Intermediate Skala werden Freifeldversuche unter dynamischen Randbedingungen durchgeführt um (i) die theoretischen Beschreibungen unter dem Einfluss von natürliche Heterogenitäten (z.B. Aggregaten) zu testen (ii) den Einfluss von tagesgang-abhängigen Triebkräften (z.B. Windgeschwindigkeit) zu analysieren und (iiI) zu untersuchen wie die Heterogenitäten am besten auf unterschiedlichen Skalen integriert werden können und wie diese die Austauschprozesse beeinflussen.3. Mit Hilfe dieser experimentellen Daten werden detaillierte numerische Simulationen auf der Darcy Skala (wenn notwendig mit der Forchheimer Erweiterung) benutzt, um zu analysieren ob es notwendig ist, die freie Strömung und deren Grenzschichteffekte für Masse, Impuls und Energie in aktuelle Modelle zu integrieren.4. Die Theorie für Massen-, Impuls- und Energieaustauschprozesse zwischen der Atmosphäre und dem Boden soll verbessert werden. Das beinhaltet Verdunstung, Kondensation, Strahlung und Transport von Komponenten, wie flüchtigen Komponenten in der Gasphase (VOC) oder stabilen Wasserisotopen, unter der Berücksichtigung unterschiedlicher Materialgrenzflächen. In einem zweiten Schritt sollen vereinfachte Modelle mit effektiven Parametern, basierend auf der integralen Betrachtung von Strömungs- und Transportprozessen, entwickelt, erweitert und getestet werden. Diese Modelle sollen die Effekte auf den unterschiedlichen zeitlichen und räumlichen Skalen wiedergeben.
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