Poröse Medien bieten exzellente Lebensbedingungen für Bakterien, da ihr Lebensraum geschützt ist aber trotzdem eine kontinuierliche Nahrungezufuhr möglich ist. Folglich existieren Mikroorgansimen in vielen natürlichen und technischen porösen Medien und haben dort einen großen Einfluss. Wenn diese für technische oder industrielle Anwendungen genutzt werden, ist es sehr wichtig die Wechselwirkungen zwischen Strömung, Transport und mikrobiologischen Prozessen zu verstehen. In der Literatur ist eine Vielzahl von Modellierungsmethoden vorhanden, jedoch sind diese in der Regel unter einphasigen Strömungsbedingungen entwickelt worden. Es ist schwierig mikrobiologische Prozesse in den natürlichen und komplexen Porenstrukturen von Gesteinen (wie z.B. Anhaften/Ablösen und Bildung von Biofilmen) zu beobachten und demzufolge sind diese Prozesse unzureichend erforscht. In diesem Projekt werden künstliche Strukturen geschaffen, die den Porenstrukturen des Gesteins nachempfunden sind und dafür benutzt, das Verhalten von Bakterien in mit zwei Phasen gesättigten porösen Medien zu untersuchen. Diese transparenten sozusagen zweidimensionalen Mikromodelle erlauben eine direkte Beobachtung der mikrobiologischen Prozesse, wie z.B. Wachstum, Transport und Anhaftung/Ablösung von Bakterien, durch mikroskopische Auswertungen. Die Bakterien, die für die experimentellen Untersuchungen eingesetzt werden, gehören zu der Klasse der methanogenen Archaeen. Die detaillierte Interpretation der experimentellen Ergebnisse durch Bilddatenverarbeitung erlaubt es, zeitlich und räumlich aufgelöste Datensätze für die Anzahl, Struktur und Bewegung der Bakterien zu erzeugen. Aus diesen Datensätzen wird ein verbessertes mathematisches Modell entwickelt, welches das Wachstum und die Bewegung von Bakterien in mit zwei Phasen gesättigten porösen Medien beschreibt. Das Modell soll das bakterielle Wachstum unter nicht-nährstofflimitierten Bedingungen, das Vorhandensein von verschiedenen bakteriellen Strukturen (Plankton und Biofilm), die individuellen Bewegungseigenschaften und die Anhaftungs- und Ablösevorgänge berücksichtigen. Um das neu entwickelte Modell zu testen und zu parametrisieren, wird es auf Basis eines diagonal-impliziten Runge-Kutta-Verfahrens, welches für die stark nicht-linearen Quellterme gut geeignet ist, numerisch umgesetzt. Die Anwendung des theoretischen Modells bezieht sich auf die Technologie der Untergrundmethanisierung, in welcher das injizierte Gasgemisch aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid durch mikrobiologische Reaktionen in Methan umgewandelt wird.
Organische Spurenstoffe (TrOCs) sind eine vielfältige Gruppe von Chemikalien wie Arzneimittel, Pestizide, Körperpflegeprodukte. In vielen Tieflandbächen, in die gereinigtes Abwasser eingeleitet wird, treten hohe TrOC-Belastungen auf. Diese Bäche sind oft durch Feinsedimente gekennzeichnet, in denen Wasserströmung über kleine Bettformen Druckunterschiede erzeugt, so dass Wasser ins, im und aus dem Bachbett fließt (hyporheischer Austausch). Biotransformations- und Sorptionsprozesse verringern die TrOC-Konzentrationen im Porenwasser stärker als im Oberflächenwasser. Bei vielen Verbindungen sind diese Prozesse redoxabhängig, d.h. die Verweildauer des Wassers in bestimmten Redoxzonen des Betts ist für die TrOC-Abnahme entscheidend. Bisherige Forschungen zu Fließgewässern haben sich fast ausschließlich auf stationäre Sohlformen konzentriert, obwohl Sohlformen in Fließgewässern häufig in Bewegung sind. Ihre Bewegung beeinflusst Fließwege, Fluxe und Redoxzonen im Sediment. Das Projekt zielt darauf, die Auswirkungen von sich bewegenden Sohlformen auf die TrOC-Abnahme zu untersuchen. Außerdem soll erforscht werden, wie dynamische Fließregime die Flussbettmobilität und die TrOC-Abnahme beeinflussen. Dazu werden Felduntersuchungen mit Fließrinnenexperimenten und Modellierungen kombiniert. Die Felduntersuchungen erfolgen in einem kleinen Fließgewässer mit sandigem Flussbett und hoher Spurenstoffbelastung (gereinigtes Abwasser). Der Versuchsaufbau ermöglicht eine Variation der Fließgeschwindigkeit und damit der Bewegung der Sohlformen. Planare 2D-Optoden erlauben eine Identifikation der Redoxzonierung und damit eine redoxspezifische Beprobung der TrOC-Konzentrationen. Experimente in einer einzigartigen Fließrinne an der Ben-Gurion Universität erlauben eine systematische Variation der Sohlformgeschwindigkeit, ein dynamisches Abflussregime und geben so einen Einblick in die Schlüsselprozesse, die die TrOC-Abnahme kontrollieren. Nach der Zugabe der TrOC werden Zeitreihen ihrer Abnahme im Oberflächenwasser gemessen. Die Redoxzonen im Sediment werden durch planare 2D-Optoden identifiziert und beprobt. Um die Ergebnisse zu verallgemeinern, wird ein reaktives Spurenstoff-Transportmodell für beliebig geformte, instationäre Bettformen entwickelt. Dabei wird auf Basis vorhandener Fließrinnen-Datensätze maschinelles Lernen zur Vorhersage der Fluxverteilungen im Gewässerbett eingesetzt. Strömungs- und Reaktionsparameter werden anhand von Fließgewässer- und Erpe-Datensätzen kalibriert und dann wird eine Monte-Carlo / Maschinenlernen-Studie durchgeführt, um die Reaktionsrate des Gesamtsystems anhand der beobachteten Parameter vorherzusagen. Durch die Verbesserung des mechanistischen Verständnisses der Spurenstoffabnahme in Fließgewässern soll diese Forschung die langfristigen Vorhersagen über den Verbleib von TrOCs in Fließgewässern verbessern und Sanierungsstrategien zur Verbesserung der Wasserqualität in Gewässersystemen vorantreiben.
Langsame Diffusionsprozesse von Schadstoffen in geringdurchlässigen wasser-gesättigten Gesteinen sind ein wesentlicher Grund für den beschränkten Erfolg vieler Untergrundsanierungen. Zu den immer noch wichtigsten Schadstoffen im Grundwasser zählen die chlorierten Lösemittel, die trotz jahrzehntelanger Sanierungsanstrengungen inzwischen lange Fahnen im urbanen Raum ausbilden. Eine langsame Diffusion bedingt aber auch lange Aufenthaltszeiten in der Gesteinsmatrix und damit können langsame abiotische Abbaumechanismen zum Tragen kommen, die auf Fe2+-haltige Mineralien wie z.B. Eisensulfide, Magnetit oder Phyllosilikate zurückgehen, und bei der Einschätzung des natürlichen Abbaupotentials berücksichtigt werden sollten. Ziel dieses Vorhabens ist es daher, die Transformation von Tri- und Perchlorethen während der Diffusion in Gesteinsproben geklüfteter Aquifere und Aquitarde zu quantifizieren. Weil die Reaktionsraten der Ausgangssubstanzen sehr wahrscheinlich zu klein sind, um im Labor gemessen werden zu können, liegt der Fokus auf der Bestimmung von Transformations- und Abbauprodukten (bspw. teil-chlorierte Ethene, Azetylen, Ethan). Die Experimente zur reaktiven Diffusion müssen mit intakten Gesteinsproben durchgeführt werden, da beim Zerkleinern reaktive Mineralober-flächen (z.B. bei Quarz und Pyrit) entstehen könnten, die zur Dehalogenierung der Ausgangssubstanzen führen könnten. Im Unterschied zu früheren Studien sollen hier die für die Reaktivität verantwortlichen spezifischen Minerale in der Gesteins-matrix identifiziert werden. Die Ergebnisse sind nicht nur für das Langzeitverhalten von chlorierten Lösemitteln im Grundwasser, sondern generell auch für die Endlagerung von radioaktiven Abfällen oder die chemische Verwitterung (Oxidation) von reduzierten Gesteinen relevant.
Allochthones organisches Material, wie Falllaub, ist eine zentrale Nährstoff- und Energiequelle für aquatische Ökosysteme. Diese werden durch die Aktivität von Mikroorganismen, im Speziellen aquatische Pilze, für das aquatische Nahrungsnetz zugänglich. Die Pilze tragen zum Einen durch die Produktion von Enzymen direkt zum Falllaubabbau bei. Zum anderen erhöhen sie die Konzentration an Lipiden und Proteinen auf dem Laub und stimulieren somit den Fraß von Zerkleinerern, wodurch sie indirekt zum Laubabbau beitragen. Die Zusammensetzung der Pilzgemeinschaft wird jedoch durch Stressoren anthropogenen Ursprungs beeinflusst, wodurch auch die Fähigkeit der Gemeinschaft beeinträchtigt wird, diese beiden Funktionen wahrzunehmen. In Anlehnung an das Konzept der Verschmutzungsinduzierten Toleranz einer Gemeinschaft, werden aufgrund von Stressoren sensitive durch tolerante Spezies ersetzt, wodurch sich die Toleranz der Gemeinschaft erhöht. Diese erhöhte Toleranz kann stressor-spezifisch sein. In diesem Zusammenhang untersucht das vorliegende Projekt die Toleranz von unbeeinflussten Gemeinschaften relativ zu Gemeinschaften, welche entweder an Mischungen von organischen Mikroverunreinigungen und Nährstoffen (Abwassereinleitung) oder an Fungizide (Weinbau) angepasst sind. Die Effizienz dieser Gemeinschaften Falllaub abzubauen, wird unter zunehmenden Konzentrationen von Nährstoffen und Fungiziden in einem voll-faktoriellen laborbasiertem Testverfahren untersucht. Durch die gleichzeitige Betrachtung der Eigenschaften einzelner Pilzarten (z.B. Enzymaktivität, Amino- und Fettsäurenzusammensetzung) strebt BIO2FUN an die zugrundeliegenden Mechanismen aufzudecken. Darüber hinaus können erste Abschätzungen zu möglichen 'bottom-up' gerichteten Auswirkungen auf die nächst höhere trophische Ebene, den Zerkleinerern, abgeschätzt werden. Diese werden durch Fütterungsexperimente, welche physiologische Reaktionen der Zerkleinerer untersuchen, verifiziert. Damit kann das vorliegende Projekt als Meilenstein für der Interpretation von zukünftigen Studien betrachtet werden, die sich der Rolle aquatischer Pilze in heterotrophen Nahrungsnetzen widmen.
Das sogenannte Retracking von Einzelwellenformen in der Satellitenaltimetrie über Küstenzonen und Binnengewässern hat seine Grenzen erreicht und bietet im Durchschnitt eine Genauigkeit im Dezimeterbereich. Durch die Analyse von Variationen der Rückstreuleistung entlang der Bin-Koordinate suchen die vorhandenen Retracking-Methoden nach einem Retracker-Offset in der Wellenform. Dies führt zu einer starken Abhängigkeit des Retrackingverfahrens von Messrauschen. Mit dem Start der operativen Sentinel-3-Serie sind wesentlich robustere Algorithmen erforderlich, um hochpräzise Wasserstandsschätzungen über Binnen- und Küstengewässern zu erhalten. Daher ist das Hauptziel dieses Forschungsprojekts, einen solchen robusten Algorithmus zu entwickeln und damit die altimetrische Wasserstandsbestimmung über Binnengewässern und Küstenregionen zu verbessern. Um ein robustes Wellenform-Retracker zu erhalten, ist es unser Ziel, das einen Stapel von benachbarten Wellenform erzeugen (das sogenannte Radargram) und schließlich einen Stapel von Radargrammen in der Zeit zu verwenden, den sogenannten Radargrammstapel, für den wir der raum-zeitlichen Variation der zurückgestreuten Leistung profitieren. Der Radargrammstapel erleichtert die Erkennung von Mustern wie Retracking-Gate, Off-Nadir-Muster (z.B. Parabel), oder Küstenlinien. Anstelle eines Retracking-Gates, als Punkt in einer einzelnen Wellenform, kann in einem Radargrammstapel eine Oberfläche, die sogenannte Retracker-Fläche/Mannigfaltigkeit, bestimmt werden. In diesem Forschungsprojekt wird zunächst die raumzeitliche Entwicklung von Satellitenaltimeterbeobachtungen über Wasserobjekten analysiert und werden Muster in Radargrammstapeln charakterisiert. Um ein Retracker-Fläche und die zugehörige Unsicherheit zu definieren, wird anschließend ein Conditional Random Fields (CRF)-Modell entwickelt. Das CRF-Modell profitiert von bedingten Modellen in den Querschnitten Bin-Raum, Bin-Zeit und Raum-Zeit. Anschließend wird eine maximale a-posteriori-Lösung gefunden, die die Retracking- Fläche ergibt. Zu diesem Zweck wird das Problem als Minimierung einer Energiefunktion formuliert, für die die Leistung verschiedener Klassen von Optimierungstechniken untersucht wird. Schließlich werden Wasserstandszeitreihen mit In-situ-Daten validiert und mit der Leistung bestehender Retrackers verglichen. Im Rahmen dieser Studie werden die Altimetrie-Daten aus den drei Missionen Jason-2&3 und Sentinel 3 verwendet. Zur Validierung werden mehrere Fallstudien ausgewählt. Die Idee des Wellenform-Retracking durch Analyse des raumzeitlichen Verhaltens in einer 3D-Datenstruktur wird in diesem Vorschlag zum ersten Mal formuliert und wurde in der Altimetrieforschung bisher nicht berücksichtigt. Dies eröffnet neue Wege für eine wesentlich genauere Abschätzung des Wasserspiegels für operative Missionen und für künftige Missionen über Binnen- und Küstengewässern.
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 Herausforderungen einer nachhaltigen Entwicklung erfordern Antworten auf komplexe Umweltprobleme wie Klimawandel, Verlust an Biodiversität, Verfügbarkeit von sauberem Wasser und biobasierten Materialien für die Kreislaufwirtschaft. Die jüngsten Fortschritte bei der Entwicklung analytischer Technologien bieten vielfältige Möglichkeiten, sich diesen Problemen erfolgreich zu stellen. Diese Entwicklungen gehen jedoch mit einer hohen Spezialisierung einher und bergen die Gefahr einer starken Fragmentierung der verschiedenen Disziplinen der Umweltwissenschaften. Gleichzeitig steigen die Kosten für den Betrieb der analytischen Instrumente kontinuierlich an. Die Etablierung eines Gerätezentrums (GZ) ‘Umweltanalytik’ an der TU Dresden (TUD) soll diese starke Fragmentierung überwinden und damit die Verfügbarkeit und die Zugänglichkeit zu modernen analytischen Instrumenten für Wissenschaftler der TUD und deren externer Partner verbessern. Das angestrebte GZ umfasst sehr innovative und äußerst komplexe Gerätesysteme für die (i) Analyse stabiler Isotope zur Prozessforschung, die Nutzung (ii) spektroskopischer Verfahren zur Identifizierung molekularer Strukturen organischer Substanzen und die Nutzung (iii) der Rasterelektronenmikroskopie (Environmental Scanning Electron Microscopy) zur Erforschung von Mikro- und Nanostrukturen. Diese Kerntechnologien werden ergänzt durch eine breite Palette an unterstützenden analytischen Verfahren, womit insgesamt ein großes Potential für eine integrative Forschung in den Umweltwissenschaften besteht. Die integrative Datenanalyse wird ein weiterer Bestandteil des angestrebten GZ sein. Es wird ein Managementsystem entwickelt, das einen einfachen Zugang und eine effiziente gemeinsame und kostengünstige Nutzung aller Instrumente ermöglicht. Dies ist Voraussetzung einer tiefgreifenden Integration der Umweltwissenschaften und wird gleichzeitig zu einem fruchtbaren Austausch von Wissenschaftlern unterschiedlicher Disziplinen führen. Der Aufbau des GZ wird zu neuen Qualitätsstandards in der Umweltanalytik beitragen. Das GZ geht weit über das Angebot der Nutzung analytischer Kapazitäten hinaus. Die Nutzer werden bei der Auswahl der am besten geeignetsten Kombination analytischer Verfahren wissenschaftlich fundiert beraten. Außerdem wird eine gemeinsame integrative Auswertung bei komplexen Umweltdaten angeboten. Durch das GZ werden besonders interessierten Studenten und jungen Forschern Qualifizierungskurse angeboten. Damit wird das GZ der interdisziplinären Spitzenforschung in den Umweltwissenschaften an der TUD einen starken Impuls verleihen. Externe Partner erhalten mehr Möglichkeiten zur erfolgreichen Zusammenarbeit mit ihren Partnern an der TUD. Dies wird zur Generierung neuer Forschungsideen und deren Umsetzung in wissenschaftlichen Projekten führen. Damit wird das Gerätezentrum zu wissenschaftlich exzellenten Lösungen der komplexen Umweltprobleme beitragen, mit denen unserer Gesellschaft konfrontiert ist.
In Innenräumen findet sich eine Vielzahl von Chemikalien, die aus Gegenständen, Materialien oder durch menschliche Aktivitäten freigesetzt werden und ein Risiko für aquatische Ökosysteme darstellen können, falls entsprechende Chemikalien in den Wasserkreislauf gelangen. Wir stellen die Hypothese auf, dass aromatische Amine (AA), die aus Innenräumen emittiert werden, in Oberflächengewässer eingetragen werden und dort signifikant zur Belastung und der damit verbundenen Mutagenität beitragen. Gewaschene Textilien, die durch Emissionsquellen in Innenräumen mit AA kontaminiert sind, wirken als Überträger dieser Substanzen in Abwässer. Die Berücksichtigung dieses Übertragungsweges kann uns helfen, das Auftreten von AA ohne klare Emissionsquellen in Oberflächengewässern besser zu verstehen. In vielen Studien wird berichtet, dass AAs, welche in Innenräumen beispielweise durch Rauchen und Grillen von Fleisch entstehen, die Hauptursache für Mutagenität in Oberflächengewässern und häuslichen Abwässern sind. Sie können durch gasförmige und Partikeldepostion auf Textilien adsorbiert werden. Daher wollen wir den Übertragungsweg von AA aus Innenräumen in Oberflächengewässer im Hinblick auf die folgenden vier Aspekte untersuchen: (i) Stoffgruppen-spezifisches Non-target-Screening zum Nachweis der gesamten Verbindungsklasse in allen Matrizes entlang des dargestellten Expositionspfades, d.h. in Extrakten von Textilien, Staub, Waschwasser, Abwasser und Oberflächenwasser; (ii) Instrumente zum Monitoring aromatischer Amine aus Abwässern und Oberflächengewässern mittels selektiver Anreicherung, um ihren Verbleib in Kläranlagen und das damit verbundene Risiko für Wasserorganismen zu entschlüsseln; (iii) Charakterisierung der Aufnahme AA durch Textilien durch gasförmige und Partikeldeposition und ihre Verteilung in Innenräumen durch Expositionsexperimente im Labor und realen Innenräumen und (iv) Anwendung aller entwickelten Instrumente und Methoden in Kombination mit diagnostischen Mutagenitätstests zur Aufklärung der angenommenen Emissionswege. Hierbei werden Textilbelastung in Innenräumen mit verschiedenen AA-Quellen berücksichtigt, Waschexperimente durchgeführt und Proben aus Kläranlagen und Abwasserauffangbecken entnommen, um die quellenbezogenen Muster und die wichtigsten AA zu identifizieren, die die beobachtete mutagene Aktivität verursachen. Mit diesem Ansatz wollen wir die Kenntnislücke zwischen Innenraumexpsosition und der Umweltexposition schließen. In diesem Projekt wird das Fachwissen eines deutschen und eines tschechischen Forschungsinstituts kombiniert. Es umfasst das Target-, Suspect- und Non-target-Screening nach organischen Schadstoffen in komplexen Umweltmischungen, die Detektion von Mutagenität und den zugrundeliegenden Chemikalien in Oberflächenwasser mit wirkungsorientierter Analytik und passiver Probenahme in verschiedenen Umweltmatrizes, sowie die Berücksichtigung von Verteilungsmechanismen von Verbindungen in Innenräumen.
The accurate estimation of nitrous oxide (N2O) emissions and monitoring of nitrate (NO3) leaching in agricultural catchments are critical for contemporary environmental science and policymaking. These issues contribute to climate change and groundwater pollution, necessitating a thorough understanding of underlying processes to develop effective mitigation strategies. Our research aims to develop a robust upscaling procedure for N2O emissions and NO3 leaching at the catchment scale, where mitigation actions are finally applied. This involves an integrated approach spanning three scientific disciplines: 1. Field and laboratory measurements: Utilizing local chamber-based and laboratory-based measurements to assess microbial N cycling fluxes and process rates, providing essential data for process understanding. 2. Remote sensing: Leveraging satellite data with unprecedented spatiotemporal resolution to gather catchment-scale information on geomorphology, topography, land use, standing biomass, and soil water status, enhancing our understanding of the catchment environment. 3. Modelling: Employing a fusion of machine learning techniques and mechanistic modeling, we aim to integrate all information from the collected datasets, facilitating the upscaling of N2O emissions and NO3 leaching to the entire catchment scale. Our work program comprises two interrelated work packages focusing on data collection and modeling. WP 1 Data Collection: Creation of a comprehensive dataset, including N2O and NH3 emissions, NO3 leaching, soil d15N isotopic composition, site preference and d15N-N2O, and lab-based measurements of N process rates such as gross nitrification. This dataset will provide a deeper understanding of microbial N-cycling processes such as nitrification and denitrification and their roles in N2O production and NO3 leaching. Hot spot monitoring: Continuous measurements at model-guided identified N2O emission hot spots, covering potential hot moments such as freeze-thaw periods and fertilization events. WP 2 Modeling: Machine Learning: Extracting knowledge from all collected data to create models predicting N2O emissions and NO3 leaching. Mechanistic modelling: Improving a state-of-the-art biogeochemical model that includes a spatially explicit hydrology model for the lateral flow of water and nutrients. Improving will be particularly based on incorporating isotopic data and an isotopic tracing model. Combining machine learning and mechanistic models to benefit from each other, with mechanistic models enhancing machine learning through providing additional data and machine learning to identify and improve structural deficiencies of the mechanistic model. This interdisciplinary proposal seeks to advance our understanding of N2O emissions and NO3 leaching at the catchment scale, ultimately providing valuable insights for environmental assessment and mitigation strategies in agricultural landscapes.
Angesichts der Klimakrise untersucht dieses Forschungsprojekt die Treibhausgasemissionen aus anthropogen beeinflussten kolmatierten Flüssen bezüglich physikalisch-chemischer und mikrobiologischer Ursachen für die Umsetzung kohlenstoffeffizienter Flussrenaturierungen. Die gegenwärtige wasserbauliche Praxis betrachtet mikrobielle Aktivitäten in Flussökosystemen bestenfalls als Input-Output-System und übersieht dabei kritische biodynamische Prozesse, die den Kohlenstoffkreislauf und Kohlenstoffemissionen fluvialer Umgebungen beeinflussen. Ziel dieses Projektes ist es, mikrobielle Mechanismen in stark degradierten, kolmatierten Flussökosystemen zu untersuchen, um Kohlenstoffemissionen nicht nur quantitativ zu erfassen, sondern auch deren Ursachen zu verstehen und gezielt zu adressieren. Dazu sollen durch die Kombination von wasserbaulichem und mikrobiologischem Fachwissen kolmatierte Flusssysteme mittels Feldmessungen, numerischen Simulationen und Laborexperimenten analysiert werden. Kolmation bezeichnet die Verstopfung der Porenräume grobkörniger Sedimentmatrizen durch Feinsediment, was den vertikalen hydrologischen Austausch in ökologisch sensiblen alpinen und mittelländischen Flüssen unterbricht. Kolmation ist die Folge erhöhter Feinsedimentzufuhr, die durch menschliche Aktivitäten wie Grobsedimentrückhalt hinter Staudämmen oder verstärkte Feinsedimentproduktion durch erosive Landnutzung erheblich verstärkt wird. Diese Störung des vertikalen Austauschs beeinflusst direkt den Sauerstoffgehalt des Flussbetts, was wiederum die Zusammensetzung und Aktivität mikrobieller Gemeinschaften verändert. Sauerstoff ist entscheidend für mikrobielle Prozesse, die zur Reduktion von Treibhausgasen beitragen können, insbesondere für methanreduzierende mikrobielle Gemeinschaften, deren Aktivität durch eingeschränkten Sauerstoffeintrag aufgrund von Kolmation gehemmt wird. Das Projekt untersucht die Wirksamkeit wasserbaulicher Renaturierungsmaßnahmen zur Beseitigung von Kolmation, insbesondere in Bezug auf die Etablierung von Nischen für methanreduzierende Mikroorganismen. Die interdisziplinären Feldstudien, numerischen Simulationen und Laborexperimente sollen dabei komplexe Wechselwirkungen zwischen dekolmatierenden Renaturierungsmaßnahmen und mikrobiellen Prozessen systematisch analysieren und aufschlüsseln. Erwartet werden neue wegweisende Erkenntnisse über die Wirksamkeit von Renaturierungsmaßnahmen, die nicht nur aus fischökologischer Sicht, sondern auch im Hinblick auf das Klima von Bedeutung sind.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 836 |
| Kommune | 3 |
| Land | 5 |
| Wissenschaft | 760 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 836 |
| License | Count |
|---|---|
| Offen | 836 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 632 |
| Englisch | 614 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Keine | 19 |
| Webseite | 817 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 660 |
| Lebewesen und Lebensräume | 733 |
| Luft | 530 |
| Mensch und Umwelt | 836 |
| Wasser | 821 |
| Weitere | 836 |