Binnengewässer sind wichtiger Teil des globalen Kohlenstoffkreislaufs, da sie der terrestrischen Biosphäre entstammende Biomasse (organisches Material, OM) aufnehmen und umsetzen. Gelöstes OM beeinflusst Farbe und Zustand der Gewässer und subventioniert als Energieträger das aquatische Nahrungsnetz. Der Umsatz des OM wird von dessen oxidativer Mineralisation getrieben, daher wird die Sauerstoffverfügbarkeit als kritischer Einflussfaktor gesehen. Jedoch findet auch in sauerstofffreien, anoxischen Zonen rege Produktion, Mineralisation und Transformation von OM statt. Die chemische Zusammensetzung des OM wird in anoxischen Zonen auf spezifischen Reaktionspfaden transformiert. Zu diesen Pfaden gehört (1.) der bevorzugte Abbau von energiereichen OM-Fraktionen, (2.) die Anreicherung von mikrobiellem OM, sowie (3.) der Einbau von anaerob entstandenem Wasserstoff in OM. Anoxische Zonen sind in kontinentalen und marinen Gewässern bereits heute weit verbreitet. Ihre weitere Ausdehnung ist vorhergesagt. Trotzdem ist unklar, unter welchen Bedingungen die anoxischen Reaktionspfade aktiviert werden und wie sie gemeinsam den Kohlenstoffkreislauf und aquatische Ökosystemfunktionen beeinflussen. Ziel dieses Projekts ist es daher, das Zusammenspiel anoxisch ablaufender OM Transformationen aufzuklären. Zu diesem Zweck entwickeln wir eine OM Charakterisierung basierend auf der (Gibbs-) Energie seiner molekularen Bestandteile. Die Energieeigenschaften des OM dienen als Bezugssystem, mit dem sich aktive Reaktionspfade einschließlich ihre spezifischen Einflussfaktoren unterscheiden lassen. Auf Grundlage dieses Bezugssystems können wir die orts- und substratspezifischen Faktoren identifizieren, die mit der molekulare OM Zusammensetzung variieren. Entlang aquatischer Netzwerke werden wir dann analysieren, wie anoxische Zonen einen spezifischen Fingerabdruck im OM formen. Die Ergebnisse dieses Projekts werden eine neuartige, energiezentrierte Charakterisierung von organischem Material begründen. Damit können wir langfristig unser Verständnis des Umweltverhaltens von OM, insbesondere unter anoxischen Bedingungen, verbessern.
Oxidationsverfahren werden seit Jahrzenten in der Wasseraufbereitung z.B. zur Desinfektion eingesetzt. In den letzten Jahren wird zudem Ozon als mögliche Aufbereitungsstufe für den Abbau von Schadstoffen in der Abwasseraufbereitung diskutiert und z. T. eingesetzt. Da Schadstoffe in der Regel nicht mineralisiert werden, kommt es zur Bildung einer Vielzahl von Transformationsprodukten, die in manchen Fällen eine größere toxische Wirkung haben können als ihre Ausgangssubstanzen. Diese Transformationsprozesse sind sehr komplex und wurden in den letzten Jahren intensiv in definierten Reinstwassersystemen untersucht. Hauptbestandteile der Wassermatrix wie z. B. organisches Material können jedoch ebenfalls in die Reaktionen eingreifen und ggf. die Bildung von Tranformationsprodukten beeinflussen. Dies ist möglich, da die Komplexen Transformationsprozesse häufig über die Bildung reaktiver Zwischenstufen geschieht. Das sind Übergangsprodukte wie N-zentrierte Radikale (Aminylradikale), die z.B. bei der Ozonung gebildet werden können. Die Reaktion dieser Radiale ist jedoch bisher kaum untersucht, so dass es schwer ist Transformationsreaktionen in Realsystemen vorherzusagen. Das vorliegende Projekt beschäftigt sich mit dem Einfluss von Matrixkomponenten auf Transformationsprozesse. Dabei sollen die Reaktionen reaktiver Zwischenstufen mit Modelverbindungen untersucht werden, die bestimmte funktionelle Gruppen des organischen Materials repräsentieren, wie z.B. phenolische Verbindungen. Im weiteren Projektverlauf soll der Einfluss komplexerer Substanzen wie Huminsäuren untersucht werden. Die Ergebnisse sollen dazu beitragen Transformationsprozesse in realen Systemen besser zu verstehen und somit die Vorhersage von ggf. problematischen Transformationsprodukten zu erleichtern.
In diesem Projekt wollen wir in einem Süßwasserhabitat die Koppelung der nitratabhängigen Methanoxidation (n-damo) mit dem Anammox Prozess nachweisen. Messungen der stabilen Isotope im Methan, Nitrat, Nitrit, Ammonium und DIC und molekularbiologische Methoden sollen helfen, diese Prozesse zu entschlüsseln. Zudem wollen wir klären, wie die Erkenntnis von einströmendem Grundwasser in das Habitat (Interaktion zwischen Grundwasser und Seewasser) zu erklären ist, dass die für die Prozesse (n-damo, Anammox, Methanogenese) benötigten stabilen Umwelt- bzw. anoxischen Redoxbedingungen vorliegen.
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.
Grundwasserneubildung ist eine wichtige Komponente des natürlichen Wasserkreislaufs, die eine zentrale Bedeutung für die nachhaltige Nutzung der Grundwasserressourcen hat. Zukünftige Landnutzungsänderungen und Verschiebungen durch den Klimawandel erfordern mehr denn je detailliertes Wissen über räumliche Verteilung, Intensität und zeitliche Variabilität der Grundwasserneubildung, ebenso, wie der Eintrag von Düngemitteln und Agrochemikalien ins Grundwasser. Ihre Abschätzung und Messung ist jedoch schwierig, da sie räumlich und zeitlich sehr variabel ist, große Gebiete betrifft und nicht direkt von der Landoberfläche messbar ist. Die Anwendung von Messungen des natürlichen Neutronenhintergrunds an der Landoberfläche (CRNS) könnte erstmalig konkret dazu genutzt werden, Grundwasserneubildungsraten für größere Flächen als bisher abzuschätzen. Durch die hohe Sensitivität und die räumliche Mittelung der Methode kann nicht nur die Dynamik der Bodenfeuchte im Oberboden repräsentativ und nicht-invasiv erfasst werden, sondern ebenso Schnee, der als saisonaler Wasserspeicher einen relevanten und kurzfristigen Beitrag zur Grundwasserneubildung liefern kann. Die Forschungsfragen dieses Teilprojekts der Forschergruppe 'Cosmic Sense' konzentrieren sich darauf, 1) wie die gewonnenen CRNS Daten zur Abschätzung der Grundwasserneubildung eingesetzt werden können, auch wenn mit CRNS allein bisher noch keine komplette Wasserbilanz des gesamten Bodenkompartiments möglich ist; 2) diese Abschätzung bei der experimentellen Untersuchung mehrerer, unterschiedlicher Standorte einzusetzen und zu validieren; und 3) über CRNS erstmalig auch Schnee in die Bilanzierung einzubeziehen und Schneewasseräquivalente für hydrologische Modelle zur Verfügung zu stellen. Für die Interpretation der experimentellen Daten werden sowohl die Ergebnisse eindimensionaler Simulationen der Bodenwasserströmung herangezogen als auch der Vergleich mit einer hydrogeophysikalischen Messung der Wasserverteilung im Boden bis zum Grundwasser (in einem anderen Teilprojekt). Bei den beiden Großversuchskampagnen der Forschergruppe wird die Grundwasserneubildung für das am jeweiligen Standort (in einem anderen Teilprojekt) installierte großflächige CRNS-Bodenfeuchte-Netzwerk über diese Methodik ermittelt. Die räumliche Verteilung und zeitliche Dynamik der Grundwasserneubildungsrate wird dann in einem numerischen Grundwassermodell für das Gebiet zusammengeführt und beides wird zur Überprüfung der Gesamtwasserbilanz des Gebietes im jeweiligen Großversuch dienen.
Das Wasserfahrzeug als Messgeräteplattform besteht aus einem durch zwei Motoren angetriebenen Katamaran. Das Sensorpaket beinhaltet Messtechnik zur gleichzeitigen Erfassung der Gewässergüte (Multiparametersonde), der Gewässertopografie (Vertikal-Echolot, Seitensichtsonar) sowie hochaufgelöster Strömungsverhältnisse im Fließquerschnitt (9-strahlige Akustik-Doppler-Sonde). Weiter ist ein LiDAR-Sensor zur Erfassung und Kartierung der Ufervegetation bzw. Bebauung an und in Gewässerrandstreifen vorgesehen. Für eine georeferenzierte Datenerfassung soll die Messgeräteplattform mit einem GNSS-Empfänger (RTK-Genauigkeit) ausgestattet werden und ergänzend eine Zielmarke erhalten, sodass ein Tracking über Kopter und Vermessungsdrohnen (UAVs) ermöglicht wird. Mit den Messgeräten sollen Forschungsfragen in den Handlungsfeldern „Digitalisierung der Wasserwirtschaft“, „Resilienz gegenüber Hoch- und Niedrigwasserereignissen“ und „Neue Verfahren zur Datenerhebung in der Wasserwirtschaft“ beantwortet werden. Grundlegend wird mit dem Großgerät die Aufnahme von Messdaten angestrebt, die möglichst viele gewässerbezogene Parameter enthalten. So soll eine Datenbasis geschaffen werden, welche die Grundlage für die Beantwortung der folgenden Forschungsfragen darstellt: - Inwiefern sind datengetriebene Modelle in der Lage, strukturelle Veränderungen im Gewässer abzubilden und diese auf Wasserstand-Abfluss-Beziehungen zu übertragen bzw. ebendiese zu aktualisieren? - Lassen sich räumliche und raumzeitliche (Auto-) Korrelationen von Niederschlag- und Abflussdaten mittels maschineller Lernverfahren (ML) (insbesondere Long Short-Term Memory-Methoden) modellieren und welchen Einfluss haben Menge und Qualität der Eingangsdaten auf die Genauigkeit der Systemantwort „Abfluss“? - Wann und wo finden Sedimentationsprozesse in Speichersystemen (z. B. Talsperren) statt und können diese durch gezielte Bewirtschaftungspläne verhindert werden? - Welche Auswirkungen hat die Volumenänderung auf die Bewirtschaftung von Speichersystemen und die Bereitstellung bzw. Aufrechterhaltung der Wasserversorgung?
Das globale Netz von Fließgewässern erstreckt sich über 80 Millionen Kilometer. Es ist der Schlüssel für menschliche Besiedlung, unterstützt die vielfältigen Gewässerökosysteme und transportiert Sedimente & Kohlenstoff in die Ozeane. Die Verdunstungsverluste dieser Wasseradern wirken sich auf die Wasservorräte aus und können durch Veränderungen des Energiehaushalts und der Wassertemperatur auch chemische und biologische Prozesse in Flussökosystemen beeinflussen. Derzeit sind die Schätzungen zur Verdunstung aus Flüssen weitgehend lokal und empirisch. Es mangelt ihnen auf verschiedenen Ebenen an Vorhersagbarkeit für unterschiedliche Fluss- & Klimabedingungen. Besonders die Auswirkungen von Turbulenzen und Durchmischung dieser dynamischen Verdunstungsflächen, die aerodynamischen Wechselwirkungen mit der darüber liegenden Luft, die unterschiedliche Strahlung und die Strömungseigenschaften wurden bisher nicht systematisch in skalenübergreifende Verdunstungsmodelle integriert. Im Gegensatz zu Penman-basierten Methoden, die sich auf empirische Oberflächenaustauschkoeffizienten stützen, wird in diesem Projekt ein physikalisch basierter Rahmen für die Verdunstungsbegrenzung in Fließgewässern unter Berücksichtigung eines skalengerechten Energieverteilungsschemas entwickelt. Es wird ein Modell eines charakteristischen Fließgewässerprofils (1-D) entwickelt, das die wesentlichen Aspekte der Durchmischung und Turbulenz sowie unterschiedliche Strahlungsenergiezufuhren und Strömungseigenschaften berücksichtigt. Mit dieser vereinfachten Darstellung werden die Hauptprozesse, die Verdunstungsverluste & Wassertemperaturen beeinflussen, in skalierbarer Weise erfasst und unsere Abhängigkeit von der Empirie verringert. Unsere Ziele sind: - Die Entwicklung eines mechanistischen Ansatzes, der hydro-aerodynamische Merkmale mit der Verteilung der Strahlungsenergie und der Wärmebilanz charakteristischer Flussprofile verbindet, um Verdunstungsverluste für Flussabschnitte zu quantifizieren - Systematische Labor- und Feldexperimente zur Bestimmung dominanter Flussmerkmale und Umweltfaktoren, die die Verdunstungsdynamik bestimmen, um die Modellevaluierung und das Upscaling zu ermöglich. - Die Klassifizierung räumlich-zeitlicher Merkmale des globalen Flussnetzes, um die Skalierung des theoretischen Ansatzes zu unterstützen. Für das Projekt werden Labor- und Feldgeräte sowie Fachwissen des Desert Research Institute (USA), des Forschungszentrums Jülich (Deutschland), der Universität Utrecht (Niederlande) und der Boston University (USA) genutzt. Die quantitativen Rahmenbedingungen ermöglichen es, künftige Klimaauswirkungen auf die Fließgewässereigenschaften und deren ökologischen Folgen zu bewerten. Die besseren Schätzungen der Verdunstungsverluste des globalen Flussnetzes werden Wissenslücken bezüglich der Wasserbilanz & -verfügbarkeit in Trockengebieten schließen und unser Wissen für den regionalen & grenzüberschreitenden Wassertransfer und die Wasserrechte verbessern.
Es ist dringend erforderlich, die relevanten hydrologischen Prozesse in montanen mediterranen Einzugsgebieten zu verstehen, um deren potentielle Änderungen in ihren Funktionen für die Wasserversorgung durch den Klimawandel und Landnutzungsänderungen zu kennen. Daher möchte ich zusammen mit meiner Gastinstitution, dem IDAEA-CSIC in Barcelona, untersuchen, wie die Vegetation, die Böden und das Grundwasser das Speichern, die Mischung, die Abflussbildung, sowie die Evapotranspiration in dem Einzugsgebiet Vallcebre im Nordosten Spaniens beeinflussen. Die Forscher des IDAEA -CSIC haben hydrometrische Daten und stabile Isotope (d2H, d18O) der verschiedenen hydrologischen Kompartimente des Einzugsgebiets gesammelt. Somit liegen Informationen über den Freiland- und Bestandniederschlag, Stammabfluss, Bach- und Grundwasser, sowie Wasser im Boden und der Vegetation vor. Ich plane, diesen umfangreichen Datensatz zur Bestimmung der Verweilzeiten mit neue Methoden anzuwenden, damit sich unser Verständnis von Wasserfluss und Stofftransport in Einzugsgebieten verbessert. Ich werde zunächst testen, wie mittels 'StorAge Selection functions' (Rinaldo et al. 2015) die Dynamik der Verweilzeiten des Abflusses und der Evapotranspiration beschrieben werden können. Des Weiteren habe ich als Ziel die neuen Konzepte der 'young water fraction' (Kirchner 2016) and 'new water fraction' (Kirchner 2017) anzuwenden, um besser die kurzfristige Komponente der Verweilzeiten beschreiben zu können. Diese Methoden sind noch nicht für Mediterrane Einzugsgebiete getestet worden, aber der umfangreiche Datensatz für die Vallcebre Einzugsgebiete ermöglicht die Untersuchung aktueller Fragen der Einzugshydrologie: Können Studien zur Verweilzeit verbessert werden mit höherer Rate der Probennahme von Niederschlag und Abfluss? Wie wirken sich neu erschlossene Daten über Bestandsniederschlag, Stammabfluss, Wurzelwasseraufnahme oder Bodenwasserfluss auf die Analysen aus? Zuletzt werde ich die Information von Tiefenprofilen der Isotopenzusammensetzung von Porenwasser einbeziehen, um hydrologische Modelle zu testen und die Verweilzeiten im Boden mit der Verweilzeit des Einzugsgebietsabflusses in Bezug zu setzen. Letzteres baut auf meine Dissertation und derzeitiger Postdoc-Studien auf.
Wie das jüngste dürrebedingte Waldsterben und der Waldwachstumsrückgang in Europa und auf der ganzen Welt zeigen, hat der Klimawandel verheerende Auswirkungen auf die Waldökosysteme. Daher werden dringend neue Strategien zur Stabilisierung bestehender Wälder benötigt. Eine zentrale Herausforderung für die Waldbewirtschaftung besteht darin, dass die meisten Vorhersagen zur Abschätzung des Trockenstresses in Wäldern auf vereinfachten Ansätzen auf der Bestandsebene beruhen, wodurch verschiedene potenziell wichtige unterirdische Prozesse vernachlässigt werden. In diesem Projekt werden die Auswirkungen zweier solcher unterirdischer Prozesse—(i) die Dynamik des tiefen Wassers und (ii) die Artenmischung—auf die Widerstandsfähigkeit von Waldökosystemen gegenüber Wasserstress mit Hilfe eines gekoppelten ökohydrologisch-pflanzenhydraulischen Modells untersucht, das durch Felddaten zu stabilen Wasserisotopen, Wasserstress der Bäume und Saftfluss, die in diesem Projekt gesammelt wurden, sowie durch Synergien mit laufenden Projekten aus Deutschland und Frankreich ergänzt wird. Die Innovation dieses gekoppelten Modells besteht darin, dass der Schwerpunkt auf trockenheitsbedingten Prozessen in den Pflanzen und im Boden liegt. Das Projekt besteht aus vier Arbeitspaketen (APs), die von vier Arbeitsgruppen (zwei in Deutschland und zwei in Frankreich) geleitet werden. Das erste AP wird stabile Wasserisotopenmessungen nutzen, um unterirdische Prozesse im Feld zu untersuchen. Diese Messungen werden zur Information und Validierung der Berechnungsmodelle verwendet, die im zweiten und dritten Arbeitspaket entwickelt werden. Darüber hinaus werden Daten, die im Rahmen laufender Forschungsprojekte gesammelt wurden, für die Modellierung herangezogen. Das zweite AP wird ein ökohydrologisches und ein pflanzenhydraulisches Modell miteinander koppeln, um die topographischen Einflüsse auf das tiefe Wasser in einer räumlich verteilten Weise zu untersuchen. Das dritte AP wird ein pflanzenhydraulisches Multispeziesmodell entwickeln, um die Auswirkungen der Artenmischung auf die Widerstandsfähigkeit der Wälder gegen Trockenheit zu untersuchen. Schließlich wird das vierte AP eine detaillierte modellgestützte Fallstudie in den Vogesen, Frankreich, durchführen, wo sowohl topografische Einflüsse als auch interindividueller Wettbewerb eine wichtige Rolle für die Muster der Baumsterblichkeit spielen dürften. Das Projekt wird wertvolle Einblicke in zwei bisher wenig erforschte Komponenten der Widerstandsfähigkeit von Wäldern gegen Trockenheit liefern und mit dem gekoppelten ökohydrologisch-pflanzenhydraulischen Modell ein neuartiges Instrument für zukünftige Trockenheitsstudien bereitstellen. Außerdem erwarten wir, dass dieses Projekt die Zusammenarbeit zwischen den französischen und deutschen Gruppen stärkt, was zu künftigen gemeinsamen Forschungsanstrengungen führen soll.
Binnengewässer sind ein wichtiger Bestandteil des globalen Kohlenstoffkreislaufs und vor allem Emissionen des Treibhausgases Methan (CH4) aus Gewässern sind von zunehmendem globalen Interesse. Jüngste wissenschaftliche Untersuchungen zielen darauf ab, das prozessbasierte Verständnis der räumlichen und zeitlichen Dynamik der CH4-Emissionen aus Gewässern und ihrer treibenden Faktoren zu verbessern. Prognosen dazu, wie sich Methanemissionen aus Gewässern durch anthropogenen Einflüsse oder durch den Klimawandel bedingt verändern, sind auf Basis bisheriger Modelle nicht zuverlässig möglich. Viele der Faktoren, welche die Raten der Methanproduktion, -Oxidation und Emission in aquatischen Sedimenten beeinflussen, stehen in direkter oder indirekter Beziehung zur Strömungsgeschwindigkeit. Die Strömungsabhängigkeit der Methanproduktion und Methanemissionen von aquatischen Ökosystemen wurde jedoch bisher nicht explizit untersucht. In diesem Projekt werden wir neuartige experimentelle Mesokosmensysteme einsetzen, um die Strömungsabhängigkeit dieser Prozesse in einer Reihe von gezielten Laborexperimenten zu untersuchen. Der experimentelle Aufbau simuliert die Bedingungen, denen aquatische Sedimente in einem hydraulischen Gradienten von schnell fließenden (lotischen) hin zu schwach strömenden (lentischen) Systemen ausgesetzt sind. Solche Übergänge treten beispielsweise entlang von Längsgradienten in Flussstauhaltungen auf. Unsere Experimente zielen darauf ab, den Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf diejenigen Prozesse zu untersuchen, die zur Bilanz von Methan im Sediment und an der Sediment-Wasser-Grenzfläche beitragen. Die Ergebnisse werden wir in ein prozessbasiertes Modell implementieren, welches neben relevanten biogeochemischen Parametern auch die Strömungsgeschwindigkeit als explizite Randbedingung berücksichtigt. Mit dem validierten Modell werden wir die Relevanz der Strömungsgeschwindigkeit für die Emissionen von Methan aus unterschiedlichen Gewässern mit Hilfe eines systemanalytischen Ansatzes untersuchen.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 836 |
| Kommune | 9 |
| Land | 5 |
| Wissenschaft | 752 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 836 |
| License | Count |
|---|---|
| Offen | 836 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 632 |
| Englisch | 614 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Keine | 19 |
| Webseite | 817 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 819 |
| Lebewesen und Lebensräume | 733 |
| Luft | 530 |
| Mensch und Umwelt | 836 |
| Wasser | 821 |
| Weitere | 836 |