Das Kapillare Einfangen von CO2-Gas und deren nachfolgende Auflösung sind zwei wichtige Speicherprozesse der CCS (Carbon Capture Storage)-Technologie, die im Rahmen des beantragtes Projektes untersucht werden sollen. Das zentrale Ziel ist ein Upscaling von porenskaligen Eigenschaften getrappter Gascluster mittels universellen Skalengesetzen, wie sie von der Perkolationstheorie vorhergesagt werden. Erstmals wird ein analytisches Näherungsverfahren zur Berechnung der effektiven Auflösungsrate angewendet und durch vergleichende Makroskala-Modellierungen (MIN3P und TOUGH2) getestet. Von grundlegendem Interesse ist die Frage, unter welchen Bedingungen, die im Projekt untersuchten porösen Medien zur gleichen Universalitätsklasse gehören, und welchen Einfluss, Porenstruktur, Mikrostruktur der Festkörperoberfläche und heterogene Benetzbarkeit auf den Trapping-Prozess haben. Methodisch wird mittels micro-Computertomographie und Bildanalyse sowohl die Porenstruktur, Porenraumtopologie und mittels Clusteranalyse die Geometrie und statische Verteilung getrappter Gascluster analysiert und quantifiziert. Die Dynamik des Trapping-Verhaltens wird mittels optischer Visualisierung in Glaskugel-Monolayer untersucht. Die Fluide werden so gewählt, dass sie Proxies für die CO2-Injektion in Tiefenaquifere darstellen. Die zu erwartenden Ergebnisse sind sowohl von grundlegendem Interesse als auch von großer praktischer Relevanz, da sie Prognose-Modellierungen zur CCS-Technologie und zur Grundwasserreinigung (Auflösung residualer NAPL (non aqueous phase liquid) bzw. von Mischgasphasen) verbessern.
Silizium (Si) spielt eine wichtige Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf. Die Si-Verfügbarkeit in Ökosystemen ist dabei sehr unterschiedlich, abhängig von Ökosystemtyp, Ausgangsgestein, Vegetation und weiteren Faktoren. Aktuelle Forschung hat gezeigt, dass die Si-Verfügbarkeit entscheidend für Nährstoffgehalt und Nährstoffstöchiometrie von pflanzlicher Streu ist; besonders deutlich ist dieser Zusammenhang in Gräser-dominierten Systemen. Bedeutend in dem Zusammenhang ist eine gesteigerte Abbaurate von organischem Material bei gesteigerter Si-Verfügbarkeit. Pflanzenstreu mit geringen Nährstoffgehalten wird bekanntermaßen langsamer abgebaut als nährstoffreiche Streu. Allerdings konnte kürzlich gezeigt werden, dass nährstoffarme Streu mit hohen Si-Gehalten schneller abgebaut wird als nährstoffreiche Streu mit wenig Si. Dabei wurde gleichzeitig durch die Erhöhung des Si-Gehaltes der Streu die Biomasse der abbauenden Pilze stark reduziert. Dies beweist die Bedeutung von Si für den Kohlenstoffkreislauf und die mikrobielle Abbaugemeinschaft in von Gräsern dominierten Ökosystemen. Niedermore, als wichtige Kohlenstoffspeicher und bedeutende Treibhausgas-emittenden, sind solche von Gräsern dominierten Ökosysteme mit einem potentiell hohen Einfluss von Si auf den Kohlenstoffkreislauf. Eine Vorabstudie, welche den Einfluss von Si auf den Kohlenstoffkreislauf in einem Niedermoor untersuchte, zeigte eine verstärkte Respiration mit einer Vordopplung der Methangehalte im Torfkörper auf Si gedüngten Flächen. Allerdings wurde gleichzeitig zu den erhöhten Respirationsraten auch ein Anstieg der Phosphorgehalte (P) in der Bodenlösung gemessen. Eine Erhöhung des verfügbaren P führt bekanntermaßen ebenfalls zu einer Erhöhung der Respiration. Das Ziel des beantragten Projektes ist die direkten Effekte von Si auf den Kohlenstoffkreislauf von den indirekten Effekten (durch die Si bedingte P-Mobilisierung) zu trennen und eine Quantifizierung beider Prozesse vorzunehmen. Unsere Hypothesen sind (i) eine höhere Si Verfügbarkeit führt zu einer Steigerung der Respiration organischer Substanz (Torf), durch (ii) direkte Si-Effekte und indirekte Si-Effekte durch eine Steigerung der P-Verfügbarkeit, (iii) die Steigerung der Respiration durch Si wird vorrangig durch Bakterien als durch Pilze erzielt und (iv) eine Steigerung der Si Verfügbarkeit führt zu einer Steigerung von P und N Verfügbarkeit, Umsatz und Aufnahme durch Pflanzen und damit zu labilerer Streu. Die Mechanismen zu verstehen auf welche Weise Si den Kohlenstoffkreislauf in Niedermooren beeinflusst ist ein wichtiger Teil eines verbesserten Verständnisses des terrestrischen Kohlenstoffkreislaufs.
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.
Das Mischen von Flüssigkeiten ist in vielen Bereichen der Wissenschaft und Technik von größter Bedeutung. In porösen Medien sind Mischprozesse normalerweise ineffizient. Eine Verbesserung der Durchmischung kann potenziell durch eine Verbesserung der Schadstofffahnenverformung durch Dehnung und Faltung des Strömungsfeldes unter Verwendung von Injektions-Extraktions-Systemen oder in Systemen, die von Natur aus eine komplexe instationäre Dynamik aufweisen, wie z.B. die Wirkung von Gezeiten, erreicht werden. Frühere Studien wurden auf mehreren räumlichen Skalen (d.h. Poren-, Darcy-, Feld- und Regionalskala) durchgeführt, wobei hauptsächlich theoretische und Modellierungsansätze verwendet wurden. Experimentelle Studien hingegen, die unterkontrollierten Bedingungen durchgeführt wurden, sind nur spärlich vorhanden. Das vorgeschlagene Forschungsprojekt zielt darauf ab, die Auswirkungen der chaotischen Advektion auf den Transport gelöster Stoffe in gesättigten porösen Medien unter kontrollierten Laborbedingungen experimentell nachzuweisen. Die experimentellen Arbeiten werden von der Entwicklung neuer fortschrittlicher numerischer Methoden begleitet, die in der DUNE-Umgebung (Distributed Unified Numerics Environment) entwickelt werden, um eine genaue modellgestützte Interpretation der Ergebnisse zuermöglichen. Darüber hinaus werden auch multiparametrische Studien durchgeführt, um die realistischen Szenarien zu untersuchen, die den Rahmen von Laborexperimenten sprengen. Dieses Forschungsprojekt ist innovativ, da folgende Punkte untersuchtwerden: 1) Die Auswirkung der nichtlinearen Geschwindigkeitsabhängigkeit der Dispersion und des Nicht-Fick‘schen Transports im Allgemeinen auf die chaotische Advektion; 2) Die Auswirkung der unvollständigen Vermischung auf der Porenskala auf die effektive Vermischungsverstärkung durch chaotische Advektion; 3) Die Auswirkung der Verzögerungs- und Dichteeffekte, die den Transport von gelösten Stoffen chemisch-relevanter Spezies beeinflussen, auf die durch chaotische Advektion erzielte Vermischungsverstärkung; 4) Die Auswirkung der chaotischen Advektion auf reaktiven Transport. Darüber hinaus zielen wir darauf ab, die fehlende Verbindung zwischen den Metriken, die die chaotische Advektion und die Vermischung auf der Darcy-Skalabeschreiben, herzustellen. Dies kann durch eine modellgestützte Interpretation der in diesem Forschungsprojekt gesammelten experimentellen Ergebnisse erreicht werden.
Parasitismus bleibt in unserem Verständnis von Nahrungsnetzen praktisch vernachlässigt. Parasiten herstellen alternative trophische Verbindungen und können sich auf die Kohlenstoffübertragung im Nahrungsnetz auswirken. In aquatischen Ökosystemen führt die Dominanz von schlecht konsumierbarem Phytoplankton zu trophischen Engpässen, die als störend für Kohlenstoffflüsse angesehen werden. Die Infektion von Phytoplankton durch Pilzparasiten wurde vorgeschlagen, um solche Engpässe zu umgehen, indem unzugänglicher Kohlenstoff aus Algen den Zooplanktonkonsumenten als essbare Zoosporen zur Verfügung gestellt wird (Mycoloop). Neue Erkenntnisse deuten darauf hin, dass die Chytrid-Infektion indirekt andere biotische Komponenten beeinflusst, was wiederum trophische Wechselwirkungen verändern kann. Die Verringerung der Phytoplanktongröße, die unter einer Chytrid-Infektion beobachtet wird, kann das Phytoplankton für Zooplankton genießbarer machen und dadurch den Kohlenstofftransfer zu den Konsumenten über die Herbivoren-Nahrungskette verbessern. Darüber hinaus führt ein erheblicher Anstieg der unter Infektionsbedingungen beobachteten Biomasse heterotropher Bakterien, die von den Verbrauchern genutzt werden können, zu der Hypothese, dass die Chytrid-Infektion den Kohlenstofftransfer durch den mikrobiellen Loop weiter fördert. Mit Hilfe eines künstlich zusammengesetzten Nahrungsnetzes, bestehend aus einem Chytrid-Cyanobakterium Wirtsparasiten-System, einem Zooplankton-Konsumenten und einer heterotrophen Bakteriengemeinschaft, sollen solche indirekten Effekte des Chytrid-Parasitismus auf Kohlenstoffflüsse empirisch untersucht werden. Das experimentelle Nahrungsnetz wird manipuliert, um einzelne Komponenten des Nahrungsnetzes auszuschließen, zu modulieren oder zu kombinieren und Szenarien der Anwesenheit und Abwesenheit von Infektionen zu vergleichen. Experimente werden durchgeführt, um die durch Parasiten vermittelten Effekte auf: i) die pflanzenfressende Nahrungskette zu ermitteln, indem auf Unterschiede in der Fähigkeit von Zooplankton, auf infiziertem und nicht infiziertem Phytoplankton zu verwerten, getestet wird, ii) den Mycoloop, indem sein Beitrag zum trophischen Transfer quantifiziert wird und sein Zusammenhang mit dem sich ändernden Infektionsgrad beschrieben wird, und iii) den mikrobiellen Loop, indem seine vermeintliche Verstärkung durch Chytrid-Infektion und seine möglichen synergistischen Effekte in Kombination mit kleinen Mycoloop-Beiträgen untersucht werden. Schließlich werden die experimentellen Daten genutzt, um ein Modell zu generieren, das erstmals sowohl direkte als auch indirekte Effekte der Chytrid-Infektion auf Nahrungsketten integriert. Dies wird unsere Vorhersagen über den trophischen Transfer in der Basis pelagischer Nahrungsnetze und die Auswirkungen von Parasitismus in großen Kohlenstoffkreisläufen in aquatischen Ökosystemen verbessern.
Die Auswirkungen von Klimavariabilität und Landbedeckungsänderungen auf die Vernetzung im Boden-Pflanzen-Atmosphären-Kontinuum (SPAC) und auf die ökohydrologische Wasserspeicherung und -verteilung sind nur unzureichend bekannt. Dieses begrenzte Verständnis ist das Ergebnis komplizierter Messungen und ungeeigneter Modellierungstechniken. Dies gilt insbesondere für die komplexen klimatischen und landschaftlichen Gegebenheiten Costa Ricas und ähnlicher tropischer Entwicklungsregionen, die unter dem akuten Druck des globalen Wandels stehen. Wir wollen diese Wissenslücke beheben, indem wir einen gekoppelten, tracergestützten atmosphärisch-ökohydrologischen Modellierungsrahmen entwickeln, um zu bewerten, wie sich veränderte klimatische Bedingungen, Feuchtigkeitsquellen und Landbedeckungsänderungen auf die hydrologische Reaktion in Form von Verdunstungs-, Transpirations- und Abflussflüssen sowie auf die Grundwasserneubildung in einem großen, strategisch wichtigen Einzugsgebiet in Costa Rica auswirken (was Untersuchungen auf mehreren Ebenen ermöglicht). Dieses Projekt zielt darauf ab, zu verstehen, wie klimatische Variabilität und Veränderungen der Landbedeckung die ökohydrologische Wasserverteilung im SPAC beeinflussen und wie sich Prozesse auf lokaler Ebene auf größere Skalen in tropischen Regionen auswirken können. Das vorgestellte neuartige gekoppelte Modellsystem wird die Quantifizierung großräumiger, historischer Landbedeckungsveränderungen und ihre Auswirkungen auf die Wasserverteilung in einem tropischen Testeinzugsgebiet ermöglichen, das über eine Vielzahl bereits vorhandener hydrometeorologischer und Isotopendaten verfügt. Konkret werden wir uns mit den folgenden zwei Forschungsfragen befassen, die sich direkt auf zwei Arbeitsabschnitte beziehen: i) Können wir die ökohydrologische Aufteilung und die Rückkopplungen in einem großen (>1000km2) feuchten tropischen Einzugsgebiet mit Hilfe von Isotopenmessungen innerhalb eines gekoppelten, prozessbasierten ökohydrologischen und regionalen Klimamodellierungsrahmens besser charakterisieren und quantifizieren? ii) Wie werden sich Veränderungen der Landbedeckung (z.B. von Tieflandwäldern zu Ananas-Monokulturen) auf die ökohydrologische Aufteilung auswirken, und wie wird dies die Niederschlagsmuster, die Temperatur, den rückgeführten Feuchtigkeitstransport und die Wasserverfügbarkeit in den feuchten Tropen beeinflussen? Dieses Projekt, das gemeinsam von einem international renommierten Team geleitet wird, hat das Potenzial, unser Wissen darüber zu erweitern, wie das SPAC auf hydrologische Extremsituationen in den feuchten Tropen Zentralamerikas reagiert, um die Resilienz und Regenerationsfähigkeit von Wasserressourcensystemen auf Stressfaktoren wie Dürren zu bewerten.
Höhere Abundanz von Zooplankton führt häufig zu einer Verschiebung der Algengemeinschaft hin zu größeren nicht fressbaren Algen, was zu einer Limitation des Nährstoffflusses entlang der Nahrungskette führt. Im Gegenzug können parasitische Pilze (z.B. Chytridien) große schlecht fressbare Algen infizieren und so für das Zooplankton (z.B. Mikro- und Makrozooplankton) in Form von Zoosporen verfügbar machen. Dieser sogenannte 'Mycoloop' hat wichtige Konsequenzen für die verschiedensten Nahrungsnetzinteraktionen. In Abwesenheit einer Kopplung zwischen Pilzen und Zooplanktonfraß, sind parasitische Pilze in der Lage große nicht fressbare Algen stark zu reduzieren und somit kleine fressbare Algen zu fördern. Allerdings existiert eine starke Kopplung durch Zooplanktonfraß zwischen den Pilzen und dem Zooplankton (über die Zoosporen), dies kann das Wachstum der nicht fressbaren Algen sogar fördern und zwar durch eine reduzierte Infektionsrate. Genetische Varianz (trait variability) innerhalb der nicht fressbaren Algenpopulation, kann eine Verschiebung zu resistenteren Genotypen ermöglichen und somit die direkte Kontrolle durch parasitische Pilze reduzieren, sowie die Kopplung durch Zooplanktonfraß zwischen Pilzen und Zooplankton schwächen. Unser Ziel ist es daher, die Variabilität in den Eigenschaften mit dem Zooplanktonfraß und dem Pilzparasitismus zu verbinden, um Räuber-Beute/Parasit-Wirt Beziehungen und die Konkurrenz zwischen fressbarem und nicht-fressbarem Phytoplankton in Anwesenheit von Pilzparasitismus oder Zooplankton Fraßdruck und in Kombination zu untersuchen. Unsere Hypothese ist, dass der Pilzparasitismus das Potential besitzt, unser Modellsystem in alternative Zustände mit einer Dominanz von entweder fressbarem oder nicht-fressbarem Phytoplankton zu verschieben, in Abhängigkeit von der Stärke der Pilz-Zooplankton-Kopplung. Mit Hilfe von Experimenten möchten wir die Auswirkungen von Parasitismus und des Mycoloop auf die Nahrungsnetzdynamik untersuchen. Wir erwarten, dass alternative Zustände des Nahrungsnetzes auftreten: entweder die Dominanz von fressbaren Algen oder nichtfressbaren Algen. Theoretische Untersuchungen mit Hilfe eines entsprechenden Nahrungsnetzmodelles werden uns Einsichten geben, wie die unterschiedlichen Treiber und Nahrungsnetzinteraktionen die Konkurrenzstärke zwischen kleinen, fressbaren und großen, nicht-fressbaren Algen beeinflusst. In der Kombination erlaubt uns dies, zu bestimmen, wie der Pilzparasitismus die Nahrungsnetzdynamik und damit seine Implikationen für Phytoplankton Diversität und Funktionalität verändern.
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.
Mit der Unterzeichnung des UNEP Minamata Vertrages in 2013 haben Regierungen weltweit die Gefahr und Toxizität von Quecksilber (Hg) anerkannt und Maßnahmen zur Kontrolle und Reduzierung von Hg festgelegt. Obwohl Quecksilber in der Umweltforschung schon seit Jahrzehnten ein wichtiges Thema ist, gibt es noch offene Fragen zu den grundlegendsten Prozessen im globalen Hg Kreislauf und auch bezüglich der Transformation von Hg Spezies. Der Anteil von Hg aus hydrothermalen Quellen könnte einer der bedeutsamsten, natürlichen Beiträge zum globalen Hg Kreislauf sein, jedoch unterscheiden sich die Schätzungen um mehrere Größenordnungen von 20 bis 2000 t pro Jahr. Es gibt, wenngleich widersprüchliche, Daten über Hg Konzentrationen in hydrothermalen Quellen in der Tiefsee, wogegen hydrothermale Quellen in flacher, küstennaher Umgebung bisher jedoch ignoriert wurden. Gerade diese haben jedoch einen großen Einfluss auf die chemische Zusammensetzung der biologisch wichtigen Küstengewässer. Hydrothermale Quellen setzen nicht nur giftige Verbindungen frei, wie z.B. Schwefelwasserstoff und Arsenverbindungen, sondern liefern auch Nährstoffe wie Eisen und Kohlenstoffverbindungen und sind dadurch eine ökologische Nische für Organismen. Obwohl einige Studien diese hydrothermalen Systeme im Flachwasser als eine mögliche Quelle für Hg thematisierten waren die Ergebnisse nicht zufriedenstellend. Ein Grund könnte die herausfordernde Matrix der hydrothermalen Lösungen sein, sowie eine unzureichende Datenlage um Aussagen über den Gesamteintrag von Hg zu treffen. Noch wichtiger als die Gesamtmenge des Hg Eintrages ist die Verteilung der individuellen Hg-Spezies. Eine fundamentale Transformation ist die Methylierung von Quecksilber (MeHg) und die daraus resultierende Verstärkung der Toxizität. MeHg bioakkumuliert und biomagnifiziert sich innerhalb der marinen Nahrungskette und damit auch letztlich im Menschen. Die Methylierung von Quecksilber ist ein ozeanweites Phänomen. Die niedrigen Konzentrationen von Hg im offenen Gewässer machen das genaue Erforschen dieser biologisch-chemischen Reaktion jedoch schwierig. Hier können hydrothermale Quellen im Flachwasser als natürliche Laboratorien genutzt werden um die Umwandlungsraten von Hg-Spezies und deren Abhängigkeit von Umwelt Faktoren zu bestimmen. Dementsprechend schlagen wir vor, die Speziierung und den Eintrag von Hg für Flachwasser-Hydrothermalsysteme zu bestimmen, um damit bessere Schätzungen für den globalen Quecksilber Kreislauf zu bekommen. Die geplante Arbeit besteht aus 4 Teilen: (1) Probenahme an ausgewählten Standorten, (2) Vollständige Charakterisierung der freigesetzten Hg-Spezies (anorganisches Hg, MeHg und elementares Hg), (3) Bestimmung der Methylierungsrate und (4) eine Schätzung der mengenmäßigen Freisetzung von totalem und methyliertem Hg.
Die mikrobielle Umsetzung von organischem Material zu dem erneuerbaren Energieträger Methan ist eine bewährte und verbreitete Strategie der effektiven Abfallwirtschaft. In einem solchen methanproduzierenden Milieu nutzen elektrisch verbundene Bakterien und Archaeen direkten Interspezies-Elektronentransfer (DIET), als Alternative zum Interspezies-Formiat- und Wasserstofftransfer (IHT). Grundlegende Aspekte der mikrobiellen Ökologie in Bezug auf DIET sind dabei jedoch noch unerforscht, insbesondere der Stellenwert für die Biogasproduktion. Bis jetzt haben sich Studien zum Großteil auf DIET in Ko-Kulturen von wenigen Modellorganismen beschränkt, die für die Abwasserbehandlung in UASB-Reaktoren (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) eine Rolle spielen. Wir beabsichtigen weithin anwendbare Erkenntnisse über die Zusammenhänge der syntrophen mikrobiellen Gemeinschaft und dessen Funktion in mesophilen und thermophilen Biogasreaktoren mit Hilfe moderner molekularbiologischer und mikrobiologischer Methoden zu generieren, um letztendlich eine höhere Prozessstabilität und Effizienz zu ermöglichen. Zentrale Ziele sind die Identifizierung neuer Organismen die an DIET beteiligt sind und das Verständnis der zugrundeliegenden genetischen Mechanismen. Der Schwerpunkt wird auf Bioabfall vergärende Anlagen liegen, die sich wesentlich von mesophilen UASB Reaktoren durch Konstruktion, Betriebsweise, Temperatur und Substratzusammensetzung unterscheiden. Wir vermuten, dass DIET ein weit verbreiteter Alternativprozess zum IHT bei der anaeroben Vergärung von Biomasse ist, wobei beide Prozesse wahrscheinlich parallel ablaufen. In dem vorgeschlagenen Projekt wird DIET erstmals in thermophilen aber auch in mesophilen Systemen Gegenstand der Forschung sein. Ein weiteres Ziel ist die Identifizierung neuer Substrate, die von den syntrophen Konsortien während DIET umgesetzt werden können. Hier wird der Fokus auf syntrophe Propionat- und Butyratoxidierer liegen, die für den anaeroben Abbau von organischem Material eine Schlüsselrolle spielen. Mittels Metagenomik wird das Stoffwechselpotential rekonstruiert und Genexpressionsmuster im Zusammenhang mit IHT und DIET werden mittels Transkriptomik untersucht. DIET ist möglicherweise vorteilhaft für die Stabilität des Vergärungsprozesses, da die Produktion von Wasserstoff umgangen wird, welcher schon in geringer Konzentration die Oxidation von kurzkettigen Fettsäuren inhibieren kann. Deshalb planen wir physiologische Vorteile von DIET gegenüber IHT in Anreicherungskulturen zu untersuchen. Die zu erwartenden Ergebnisse sind essentiell um das Potential der Biogasproduktion im vollen Umfang auszuschöpfen. Darüber hinaus werden die Ergebnisse auch für andere Forschungsgebiete relevant sein, wo elektrisch verbundene Mikroorganismen eine Rolle spielen, beispielsweise bei der Minimierung von Treibhausgasemission in methanogenen Habitaten oder bei der Nutzung in mikrobiellen Brennstoffzellen.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 836 |
| Kommune | 3 |
| Land | 5 |
| Wissenschaft | 798 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 836 |
| License | Count |
|---|---|
| Offen | 836 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 632 |
| Englisch | 614 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Keine | 19 |
| Webseite | 817 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 820 |
| Lebewesen und Lebensräume | 733 |
| Luft | 531 |
| Mensch und Umwelt | 836 |
| Wasser | 822 |
| Weitere | 836 |