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.
Arsen-kontaminiertes Grundwasser stellt eine große Gefahr für zig Millionen von Menschen dar, insbesondere in Süd- und Südost-Asien, durch seine Verwendung als Trinkwasser und für die Bewässerung von Reisfeldern. Das Hauptziel dieses Projekts ist es gemeinsam mit Wissenschaftlern der Stanford University die Menge an giftigem Arsen in den beiden wichtigsten Expositionsquellen, Wasser und Reis, zu reduzieren und zu bestimmen wie i) Arsen effizient mit Wasserfiltern aus dem Trinkwasser entfernt und ii) die Arsenaufnahme durch Reis während der Nasskultivierung reduziert werden kann. Im ersten Teilprojekt planen wir in Vietnam zu untersuchen, unter welchen Bedingungen Wasserfilter Arsen effizient entfernen, wie lange die Filter verwendet werden können und ob gesundheits-schädigende Konzentrationen von Nitrate in den Filtern gebildet werden. Wir werden einen visuell sichtbaren Indikator in den Filtern entwickeln, der es der breiten Bevölkerung erlaubt, ohne analytische Verfahren oder besonderen Bildungsstand zu bestimmen, wann die Effizienz des Filters aufgrund der Sättigung mit Arsen verschwindet und das Filtermaterial ersetzt werden muss. Darüber hinaus werden wir untersuchen, wie das Arsen-verschmutzte Filtermaterial ohne weitere Risiken entsorgt werden kann. Im zweiten Teilprojekt werden wir untersuchen, ob die Stimulation von nitrat-reduzierenden, eisenoxidierenden Bakterien in Reisfeldböden die Arsenaufnahme in Reis reduziert durch die Bindung von Arsen an die gebildeten Minerale. Wir werden bestimmen, wie die Zugabe definierter Mengen an Nitrat helfen kann, gleichzeitig die Arsenaufnahme in den Reis und die Emission des Treibhausgases N2O zu minimieren. Dieses Projekt wird für die Bevölkerung in Arsen-betroffenen Ländern praktische Lösungen bieten, um mögliche Schädigungen durch Arsen und Nitrat zu reduzieren und ihre Gesundheit und Lebenssituation zu verbessern.
Grundwasserversalzung ist eines der größten Probleme die mit dem klimatisch bedingten Meeresspiegelanstieg assoziiert werden, trotzdem wird dieses Problem aufgrund seines langsames Voranschreitens bedingt durch die geringen Fließgeschwindigkeiten im Untergrund von Gesellschaft und Entscheidungsträgern weitgehend übersehen. Aufgrund dieser Tatsache kann man auch von einer schleichenden Katastrophe sprechen, die große Unsicherheiten bezüglich des zu erwartenden Ausmaßes birgt und zu Herausforderungen bezüglich der gesellschaftlichen Reaktionen führt. Es ist jedoch wichtig, die Anfälligkeit des Grundwassersystems für eine Versalzung sowie dessen zu erwartendes Ausmaß als Folge des Meeresspiegelanstiegs zu verstehen, um effektive Managementstrategien und Gegenmaßnahmen zu entwerfen. Das Projekt zielt darauf ab, die Reaktionen der Küstenaquifere Nord-West-Deutschlands auf den innerhalb des SPP prognostizierten Meeresspiegelanstieg zu identifizieren. Zu diesem Zweck werden großskalige numerische Dichteströmungsmodellierungen angewandt, mit Hilfe derer zunächst die gegenwärtigen und später basierend auf verschiedenen Szenarien die zukünftigen Strömungsverhältnisse abgebildet werden sollen. Darüber hinaus sollen die sozioökonomischen Folgen der zu erwartenden Grundwasserversalzung untersucht werden, um anschließend geeignete Gegenmaßnahmen mit den betroffenen Akteuren zu aufzuzeigen. Besonderer Fokus liegt dabei auf den Wahrnehmungsmustern, dem Wissen und Lernprozessen von relevanten gesellschaftlichen Akteuren sowie den Kosten von Anpassungsmaßnahmen. Die Ziele der Projektes beziehen sich auf die generellen SPP Ziele die natürlichen und gesellschaftlichen Folgen von Küstensystemen auf den zukünftigen Meeresspiegelanstieg festzustellen sowie Anpassungsstrategien zum Meeresspiegelanstieg unter den gegebenen technischen, ökonomischen, kulturellen, gesellschaftlichen, sozialen und politischen Zwängen auszuloten.
Synthetische Polymere als Umweltkontaminanten in der Hydrosphäre haben in den letzten Jahren eine sehr starke wissenschaftliche Aufmerksamkeit erfahren. Hierbei wurde aber nahezu ausschließlich die Kontamination durch Plastikpartikel im Makro- bis Mikro-Maßstab berücksichtigt. Ebenfalls in großem Maßstab produzierte und in vielfältigen Produkten eingesetzte gelöste Polymere sind bislang aber völlig unbeachtet geblieben. Ein direkter Transfer bislang erarbeiteter analytischer Verfahren zur Umwelterfassung von Plastikpartikel auf die wassergelösten Polymere ist nicht möglich. Daher soll dieses Projektvorhaben in einem ersten Schritt ein geeignetes analytisches Verfahren basierend auf Pyrolyse-Methoden erarbeiten, das die quantitative Bestimmung von gelösten Polymeren in Abwasser- und Flusswasserproben ermöglicht. Hierbei sind sowohl die chemischen Eigenschaften der Polymere als auch die niedrigen Konzentrationsniveau in Umweltproben eine Herausforderung. Das entwickelte Analyseverfahren soll dann in einem zweiten Projektabschnitt auf Proben aus Kläranlagenzu- und -abläufen sowie aus zugehörigen Vorflutern angewendet werden, um so erste quantitative Daten zum Umweltvorkommen und somit zur Umweltrelevanz dieser Substanzklasse zu erhalten.
Der globale Wandel verändert nicht nur das Klima sondern auch die Oberfläche der Erde. Unser Verständnis von Bodenveränderungen und ihrer Wechselwirkungen mit hydrologischen, ökologischen und geomorphologischen Prozesse ist jedoch noch rudimentär. Einige der Bodeneigenschaften sind zeitlich stabil, aber andere verändern sich zum Teil sehr schnell mit signifikanten Auswirkungen auf die Quantität und Qualität des Wasserkreislaufes. Diese Veränderungen sind besonders markant auf der Hangskala, wo laterale und vertikale Prozesse über unterschiedliche Zeitskalen miteinander interagieren. Wasser und Vegetation beeinflussen die oberirdischen und unterirdischen Prozesse an Hängen auch über die Verwitterung, die Bodenentwicklung und die Erosion. Diese Prozesse wiederum beeinflussen auch die Fließwege des Wassers. Die daraus resultierende Verteilung der Wasserspeicher beeinflusst die Artenverteilung und Funkrionalität der Vegetation, wobei die Vegetation selber wiederum die Fließwege des Wassers beeinflusst. Dieses komplexe Gefüge an Wechselwirkungen wurde in seiner zeitlichen Entwicklung bisher noch kaum detailliert untersucht. Das interdisziplinäre Forschungsprojekt HILLSCAPE (HILLSlope Chronosequence And Process Evolution) soll sich mit der Frage beschäftigen, wie sich dieser Feedback-Zyklus in einem Zeitraum von 10000 Jahren verändert und was für strukturelle Veränderungen daraus resultieren. Das Projekt konzentriert sich dabei auf die vertikale und laterale Umverteilung von Wasser und Stoffen an Hängen und ihrer Wechselwirkungen mit dem Boden, der Vegetation und der Landschaftsentwicklung. Um dieses ehrgeizige Ziel erreichen zu können, wird sich HILLSCAPE Hang-Chronosequenzen auf Moränenstandorten zu Nutze machen. Gletschervorländer liefern uns so Schnappschüsse der zeitlichen Entwicklung. Die Auswahl zweier Fokusgebiete mit unterschiedlichem Ausgangsmaterial erlaubt dabei den direkten Vergleich der Entwicklung auf Silikat- und Karbonatgestein. In jedem Fokusgebiet werden Hänge in 4 verschiedenen Altersklassen instrumentiert. Die Aufgliederung in 5-6 Flächen pro Altersklasse ermöglicht es uns, eine große Bandbreite an Vegetationsbedeckung und -komplexität abzudecken. Wir werden gezielt relevante Strukturen aller 48 Hangflächen aufnehmen und werden deren hydrologische und geomorphologische Funktionsweise und Prozesse einerseits über ein Jahr beobachten und andererseits durch künstliche Beregnung in kontrollierten Experimenten genauer aufschlüsseln. Zusätzlich werden wir funktionalen Eigenschaften der Pflanzen und somit die strukturelle und funktionale Diversität der Standorte erfassen. Die Kombination von vier interdisziplinären Doktorarbeiten und der integrativen Modellierung durch einen Postdoc erlaubt uns die gemeinsame Untersuchung von hydrologischen, geomorphologischen und biotischen Prozessen und ihrer Interaktionen.
Die menschliche Gesellschaft zeichnet sich durch komplexe soziale Organisationsformen aus, die im Laufe der Zeit weltweit vielfältige Siedlungsmuster hervorgebracht haben. Stadtgrenzen markieren eine willkürliche Trennung zwischen einem (urbanen) Innenraum unter starker menschlicher Kontrolle und einem (ruralen) Äußeren, das stärker natürlichen, biophysikalischen Prozessen ausgesetzt ist. Tatsächlich sind aber beide Räume seit jeher eng miteinander verknüpft, und werden mit immer intensiverer Nutzung natürlicher Ressourcen zunehmend durch rural-urbane Transformationsprozesse geprägt. Im Anthropozän haben Urbanisierung und die damit verbundenen sozialen und ökologischen Veränderungen globale Dimensionen erreicht. "Rurales" und "Urbanes" gehen dabei auf verschiedenen Skalenebenen immer wieder neue Beziehungen ein und werden zu einer sich oft selbst organisierenden Einheit von großer wissenschaftlicher, gesellschaftlicher und politischer Bedeutung. Der vorliegende Antrag zur Einrichtung der Forschungsgruppe „Nachhaltige Rurbanität“ befasst sich mit diesem Phänomen und begreift es als einen sich ständig neu erfindenden Zustand des Seins und Werdens. Geleitet von drei übergeordneten Hypothesen nutzen die 10 natur- und sozialwissenschaftlichen Projekte Fallstudien in rurbanen Ballungsgebieten Indiens, Westafrikas und Marokkos, um Wirkmechanismen, Folgen und Steuerungsprozesse von Rurbanität beispielhaft zu untersuchen. Ein interdisziplinärer, sozial-ökologischer Forschungsansatz erlaubt die Schaffung von Synergien zwischen den Fachkulturen und verschiedenen Wissenschaftsdisziplinen, unter Einbeziehung von Perspektiven des Globalen Südens. Dieser gemeinsame Rahmen ist Voraussetzung dafür, kontextuelle empirische Forschung mit theoriegeleiteten analytischen Vergleichen zu verbinden, sowie innovative Methoden für die Systemanalyse und die Synthese der Ergebnisse zu nutzen. Dadurch lassen sich rural-urbane Transformation und das daraus abgeleitete Phänomen der Rurbanität in seiner skalen- und regionsübergreifenden Komplexität verstehen und dessen zentrale Implikationen für eine nachhaltige Landnutzungs- und Gesellschaftsentwicklung bewerten.
Das Biofilmwachstum in Biofilmreaktoren wird hauptsächlich durch den Abtragprozess reguliert. Den Abtragprozess zu kontrollieren ist daher ein wichtiges Anliegen für den stabilen Betrieb eines Bioreaktors. Zur Kontrolle des Reaktors und um die größte Effizienz zu erreichen sind mathematische (bzw. numerische) Modelle, die den Abtragsprozess darstellen, hilfreich. Solche Modelle können möglicherweise sogar für den Entwurf von Biofilmreaktoren nützlich zu sein. In diesem Projekt soll ein multidimensionales, poroviskoleastisches Biofilm Modell entwickelt werden, das den Abtragsprozess abbildet. Dabei soll auch der Abtrag durch das Auslösen von größeren Stücken ('sloughing'), das durch die Schubspannungen an der Biofilm Grenzfläche und durch das Spannungsfeld im Biofilm entsteht, erfasst werden. Das Modell für den Abtrag soll basierend auf den Schubspannungen an der Grenzfläche und dem Spannungsfeld im Biofilm formuliert werden. Das Modell wird mit experimentellen Beobachtungen kalibriert und validiert. Biofilm Modelle, die für Reaktoren verwendet werden, sind in der Regel eindimensional (1D). Aus diesem Grund soll in diesem Projekt mittels Modellrechnungen mit dem validierten multi-dimensionalen Abtragmodell ein vereinfachtes ('upscaled') 1D Modell entwickelt werden.
Die mikrobielle Biomasse im Untergrund leistet einen wesentlichen Beitrag zum Umsatz von Elementen, Nährstoffen und Schadstoffen in Böden und Grundwasser. Mikroben katalysieren Umsatzreaktionen und bauen dabei potentiell umweltschädliche, gelöste Stoffe wirksam ab. Veränderungen der Menge und Aktivität mikrobieller Biomasse sind eng mit der Effizienz der biologischen Abbauprozesse verbunden. Daher ist die Überwachung ihres Verhaltens der Schlüssel zu einem besseren Verständnis von Abbaureaktionen und der Vorhersagekraft von Wasserqualitätsmodellen. Die Messung von Mikroben ist jedoch nicht einfach, und traditionelle Methoden sind durch die schlechte Zugänglichkeit des Untergrunds begrenzt. Die Probenahme beruht daher auf invasiven Verfahren. Sogenannte nicht-invasive Methoden bieten die Möglichkeit Mikroben in den komplexen Umgebungen, in denen sie leben, z. B. in Böden und Grundwasser, zu überwachen. Sie liefern indirekte Informationen über dynamische Prozesse in Echtzeit und ohne Zerstörung des Beobachtungsobjektes. Insbesondere die spektrale induzierte Polarisation (SIP) ist, aufgrund der Eigenschaften von geladenen Bakterienoberflächen, sensitiv gegenüber mikrobiellem Wachstum in Böden. Offene Fragen zu den genauen Mechanismen, die zu den Signalen aus mikrobiellem Wachstum und mikrobieller Aktivität führen, bleiben jedoch unbeantwortet, was die Anwendung von SIP außerhalb des Bereichs der angewandten Geophysik erschwert. Das vorgeschlagene Projekt zielt darauf ab, das SIP-Signal von Bakterienzellen zu isolieren und die kombinierten Auswirkungen von Zelldichte und -aktivität mit der Größe und den spektralen Eigenschaften der SIP-Signale zu verbinden. Die vorgeschlagenen Arbeiten werden gezielte mikrobielle Wachstumsexperimente unter statischen (Batch), gut durchmischten (Retentostat) und Durchflussbedingungen kombinieren. In den Experimenten werden die Signale von Bakterienzellen in verschiedenen Stoffwechselzuständen quantifiziert, die von vorhanden und inaktiv bis hin zu aktiv und wachsend reichen. Durch die Durchführung von Messungen an Zellen in Abwesenheit anderer geladener Medien (z. B. Sediment) wird das Projekt den getrennten Beitrag der Abundanz gegenüber der Aktivität von Zellen isolieren. Das Upscaling von Batch-Inkubationen zu Durchflusssystemen wird durch systematische Experimente von zunehmender Komplexität durchgeführt. Experimente der höchsten Komplexitätsstufe in natürlichen porösen Medien werden von Daten aus den Vorläuferexperimenten profitieren. Diese werden es ermöglichen, mikrobielle elektrische Signale von den Signalen des Sediments zu separieren. Die vorgeschlagene Arbeit wird letztlich die Anwendbarkeit von SIP als nicht-invasives Überwachungsverfahren verfeinern, das den Sprung von einem vielversprechenden, von Geophysikern vorgestelltes Verfahren zu einer robusten geophysikalischen Methode schaffen kann, die von Biogeochemiker:innen, Geomikrobiolog:innen und Hydro(geo)log:innen angewandt wird.
Bodenwasserbewegung ist ein Schlüsselprozess in mehreren bereitstellenden und regulierenden Ökosystemdienstleistungen. Die genaue Vorhersage mit mathematischen Modellen bleibt jedoch aufgrund großer Unsicherheiten in allen Modellkomponenten eine Herausforderung, selbst wenn prozessbasierte Beschreibungen wie die Richards-Gleichung verwendet werden. Datenassimilationsmethoden bieten die Möglichkeit, Informationen aus unsicheren Modellen und unsicheren Messungen zu einer verbesserten konsistenten Zustandsbeschreibung zu verbinden, sofern die Unsicherheiten korrekt quantifiziert werden können. Die größten Unsicherheiten liegen dabei typischerweise in den hydraulischen Eigenschaften des Bodens. Werden die relevanten hydraulischen Parameter in einem erweiterten Zustand berücksichtigt, können diese mit den Datenassimilationsmethoden geschätzt werden. Dies ist selbst in Gegenwart von Modellfehlern wie z.B. präferentiellem Fluss möglich, falls diese Fehler entsprechend berücksichtigt werden. Bisher konnten solche konsistenten Beschreibungen nur auf kleinen Skalen bis hin zu eindimensionalen Bodenprofilen demonstriert werden. Auf größeren Skalen wurden noch keine detaillierten prozessbasierten Beschreibungen erreicht. Dies ist auf fehlende Informationen über die heterogenen bodenhydraulischen Eigenschaften in Kombination mit den hochgradig nichtlinearen und interagierenden Prozessen zurückzuführen. Eine einzigartige Forschungsinfrastruktur für die experimentelle Untersuchung der Bodenhydrologie von Hängen ist das Landscape Evolution Observatory (LEO) in der Biosphere 2. Es besteht aus drei künstlichen Hängen mit einem ausgedehnten Sensor- und Probennehmernetzwerk. Um das Verständnis auf dieser größeren Hangskala zu verbessern, ist das Ziel dieses Projektes die konsistente und prozessbasierte Beschreibung der Bodenwasserbewegung am LEO, einschließlich der Darstellung von Heterogenität und Evolution der bodenhydraulischen Parameter. Der Focus liegt dabei auf den folgenden Aspekten: (i) die Ableitung der zeitlichen Entwicklung der bodenhydraulischen Parameter durch Datenassimilation an ausgewählten Profilen in den Hängen, (ii) die Bestimmung der Heterogenität der bodenhydraulischen Eigenschaften und deren Auswirkungen durch hydraulische Experimente und Vorwärtssimulationen und (iii) die Entwicklung und Verifizierung einer konsistenten Beschreibung von Teilen der Hänge durch Datenassimilationsmethoden. Dieses Projekt wird die Frage beantworten, ob die derzeitigen Beobachtungstechniken ausreichen, um eine konsistente und ausreichend akkurate Beschreibung der Hanghydrologie zu erhalten, und wenn ja, wie und mit welcher Unsicherheit diese Darstellung erreicht wird. Darüber hinaus erwarte ich einen quantitativen Einblick in die Ausbildung der Heterogenität am LEO.
Boreale und temperate Moore bedecken weniger als 3% der Erdoberfläche, speichern jedoch fast 30% des terrestrischen Kohlenstoffs (C), akkumuliert über Jahrtausende durch permanente Wassersättigung. Natürliche Hochmoore sind charakterisiert durch Sphagnum-Moos dominierte Vegetationsdecken, werden jedoch seit Jahrhunderten vom Menschen durch Torfabbau genutzt. Die Auswirkungen der künstlichen Entwässerung auf Ökosystemfunktionen und Biodiversität sind zahlreich und nicht auf die stark erhöhten CO2-Emissionen beschränkt. Die Wiederherstellung quasi-natürlicher hydrologischer Bedingungen und typischer Vegetation ist das Hauptziel der seit Jahrzehnten praktizierten Renaturierung. Aufgrund enger Kopplung der C-Fixierung an den Wasserhaushalt können Änderungen in der Pflanzendecke erhebliche Auswirkungen auf die C-Senkenfunktion des Ökosystems haben .In den letzten Jahrzehnten wurden Veränderungen der Artenzusammensetzung Sphagnum-dominierter Hochmoore hin zu mehrschichtigen Baum- und Grasgesellschaften beobachtet. Aktuelle Studien berichten konträre Resultate über Auswirkungen auf Bestandsniederschlag, Evapotranspiration (ET), Bruttoprimärproduktion, Respiration, CO2-Nettobilanz (NEE) sowie die C-Senkenfunktion des Bodens. Eine abschließende Bewertung veränderter Ökosystemfunktionen im Angesicht des Klimawandels fehlt, ist jedoch von zunehmender Bedeutung, da immer mehr Flächen renaturiert werden. Das Entfernen von Gefäßpflanzen ist dabei eine übliche Naturschutzpraxis um ET zu reduzieren und weitere Besiedelungen zu begrenzen. Die Wirksamkeit hinsichtlich der Wiederherstellung naturnaher hydrologischer Bedingungen und der Einfluss auf die C-Bilanz sind jedoch nicht abschließend geklärt. Der vorliegende Projektantrag hat die mechanistische Analyse von ET, NEE und C-Senkenfunktion des Bodens eines renaturierten, atlantisch-temperaten Hochmoores unter Gefäßpflanzenbesiedelung zum Ziel. Der Fokus wird auf der Aufteilung der ET- und NEE-Flüsse des Ökosystems durch Eddy Kovarianz und Kammermessungen in situ in Moos-, Gras- und Baumbeiträge liegen. Die Ergebnisse werden zur Parametrisierung eines Boden-Pflanze-Atmosphäre-Austauschmodells genutzt, mit dem Moos- und Gefäßpflanzenschichten auf Torfböden simuliert werden können. Das Modell wird zusammen mit den empirischen Daten verwendet, um saisonale Änderungen der Flussbeiträge der funktionellen Gruppen in Abhängigkeit dynamischer Umgebungsbedingungen zu quantifizieren. Das ganzheitliche Prozessverständnis ist für die NEE-Abschätzung renaturierter Hochmoorökosysteme unter sich ändernden Klimabedingungen und Vegetationszusammensetzungen und damit deren Auswirkungen auf den Klimawandel von großer Bedeutung. Das verbesserte Wissen über die verschiedenen Wechselwirkungen von Pflanzenfunktionsgruppen mit Massen- und Energieflüssen des Hochmoorökosystems wird durch die Evaluierung von Renaturierungs-, Naturschutz- und Emissionsminderungsmaßnahmen in ganz Europa direkt in Wert gesetzt.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 836 |
| Kommune | 8 |
| Land | 7 |
| 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 | 734 |
| Luft | 529 |
| Mensch und Umwelt | 836 |
| Wasser | 821 |
| Weitere | 836 |