Forschungsthema: Die Beschreibung der Anreicherungen von Mikroplastik (MP) an und in Pflanzenwurzeln lässt hoffen, dass das für Umweltschadstoffe etablierte Prinzip der Phytoremediation zur Entfernung von MP aus der Umwelt genutzt werden kann. Jedoch sind die zur Gestaltung der Technologie notwendigen Grundlagen nur ansatzweise untersucht und verstanden. Daher wollen wir als Voraussetzung für die Entwicklung von Phytoremediationsverfahren die Grundlagen der Wirkung von MP auf Bodenqualität und -prozesse an der Schnittstelle von Vegetation und Gewässerdynamik am Beispiel von Flussauen untersuchen. Ziel des Projekts ist ein Verständnis von Prozessen in Böden und Sedimenten, die durch Anreicherung von MP an und in Vegetationsbeständen verändert werden. Dies umfasst am Beispiel ausgewählter Flussauen einer stark anthropogen beeinflussten Bundeswasserstraße (Elbe) im Vergleich zum einzigen erhaltenen Wildflusssystem Europas, der Vjosa, die Einflüsse von MP auf Kohlenstoffumsatz, räumliche und zeitliche Verteilung und Verhaltensdynamik von MP in Flussauen sowie die Bedeutung von Pflanzen für eine Entfernung von MP, einschließlich der dafür notwendigen Adaption, Entwicklung und Optimierung erforderlicher Analysemethoden.
Im beantragten Projekt soll die Wechselwirkung von Strömungs- und Substratbedingungen auf die Struktur und Funktion von Biofilmen untersucht werden. Entscheidend ist hier die Kombination von experimenteller und modelltechnischer Kompetenz, die es erlauben soll, das Biofilmwachstum, die Struktur, die Wechselwirkung mit dem Fluid und den Abtrag von Biomasse für einen großen Bereich von verschiedenen Bedingungen zu modellieren. Auf der experimentellen Seite soll vor allem die optische Kohärenztomographie (OCT) genutzt werden, um auf der Biofilm-Mesoskala Informationen zur Fluidstruktur-Wechselwirkung zu generieren. Sauerstoffoptoden sollen eingesetzt werden, um zweidimensional aufgelöste Informationen zur Biofilmaktivität zu ermitteln. Die experimentellen Daten werden dann genutzt, um ein Kontinuum-Biofilmmodel zu erstellen und zu kalibrieren. Im Vergleich zu den bisher verwendeten Biofilmmodellen wird im zu entwickelnden Modell die Interaktion der Biofilmstruktur mit dem umgebenden Fluid integriert. Dafür müssen die mechanischen Eigenschaften des Biofilms bekannt sein. Sie sollen mit der OCT ermittelt werden, die es erlaubt, zwei- und dreidimensionale Bilddaten der Biofilme bei sich ändernden Strömungsbedingungen zu ermitteln. Die Daten werden dann in das Biofilmmodel übertragen, dafür sollen entsprechende Protokolle entwickelt werden. Zunächst wird der Biofilm als homogene Struktur betrachtet, in weiteren Schritten werden die mechanischen Biofilmeigenschaften dann auch als heterogen angenommen. Neben dem Wachstum wird auch der Abtrag von Biomasse (also kohäsive und adhäsive Eigenschaften) in das Modell eingehen, auch dafür sollen mit Hilfe der OCT entsprechenden Experimente zur Verifikation durchgeführt werden. Die Vorhersagefähigkeit des entwickelten Biofilmmodelles soll zum Ende des Vorhabens anhand eines realen Abwasserbiofilms getestet werden. Ziel ist es, dass mit Hilfe des entwickelten Modells das Verhalten von Biofilmen für eine große Breite von Strömungs- und Substratbedingungen vorhersagbar wird.
Zwischenabfluss (ZA) ist ein bedeutender Abflussbildungsprozess in gebirgigen Einzugsgebieten der feucht-gemäßigten Klimazonen. Obwohl ZA bereits seit den 1970er Jahren intensiv untersucht wird, ist es ein noch immer schwer zu erfassender Prozess in der Einzugsgebietshydrologie. Es ist unklar, welche wesentlichen Faktoren dessen räumliche und zeitliche Verteilung steuern und wie dieser Prozess in Niederschlag-Abfluss-Modellen parametrisiert werden kann. Um diese Forschungslücke zu schließen, wird das wissenschaftliche Netzwerk, Zwischenabfluss: Ein anerkannter, aber immer noch schwer zu erfassender Prozess in der Einzugsgebietshydrologie, gegründet, in dem aktuelle Probleme zur1) Identifizierung maßgeblicher Einflussfaktoren des ZA,2) Parametrisierung des ZA in N-A-Modellen sowie3) zu bestehenden Ansätze der Kalibrierung und Validierung des ZA diskutiert werden. Das Netzwerk setzt sich aus den Nachwuchswissenschaftler/innen Sophie Bachmair, Theresa Blume, Katja Heller, Luisa Hopp, Ute Wollschläger, Thomas Graeff, Oliver Gronz, Andreas Hartmann, Bernhard Kohl, Christian Reinhardt-Imjela, Martin Reiss, Michael Rinderer und Peter Chifflard (PI) zusammen. Sie werden die genannten Probleme kritisch reflektieren und Forschungsdefizite als Basis für ein gemeinsames Forschungsprojekt erarbeiten, das als Forschergruppe realisiert und bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft eingereicht wird. Das Arbeitsprogramm des Netzwerkes wird in insgesamt 6 Workshops umgesetzt, die jeweils etwa 3 Tage dauern und als moderierte, problemlösungsorientierte Workshops organisiert sind. Spezifische Fragestellungen werden zuerst in Kleingruppen erörtert und anschließend in der gesamten Gruppe diskutiert und dokumentiert. Das Ziel eines jeden Workshops ist die Erarbeitung von Hypothesen, die die Grundlage des Forschungsantrages darstellen. In den ersten vier Workshops werden die Themen 1) Zwischenabfluss: Warum? Wann? Wo? 2)Identifizierung maßgeblicher Einflussfaktoren, 3) (Boden-) hydrologische Modellkonzepte und 4) Kalibrierungs- und Validierungsansätze bearbeitet. Die international ausgezeichneten Wissenschaftler/innen Nicola Fohrer, Ilja van Meerveld, Doerthe Tetzlaff, Axel Bronstert, Olaf Kolditz, Gunnar Lischeid, Brian McGlynn und Markus Weiler nehmen an den ersten vier Workshops als Gäste teil und tragen zu den Diskussionen und der Hypothesenbildung bei. Im fünften und sechsten Workshop wird eine Projektskizze, die zur Beantragung einer Forschergruppe bei der DFG notwendig ist, verfasst und fertiggestellt. Die insgesamt sechs Workshops werden durch wissenschaftliche Exkursionen in experimentelle Untersuchungsgebiete, in denen der ZA ein maßgebende Prozess ist, ergänzt und an den Instituten der Mitglieder des Netzwerkes durchgeführt: Universitäten Marburg, Trier, Dresden, Durham (USA), UFZ Leipzig und BfW Innsbruck. Dadurch bestehen zusätzliche Kooperationen mit M. Casper, J. Fleckenstein, A. Kleber, G. Markart,F. Reinstorf, H.-J. Vogel, H. Zepp, und E. Zehe.
Mit Experimenten auf verschiedenen Skalen und verschiedener Komplexität wird die Reaktion von Gemeinschaften aquatischer Pilze sowie von Laubabbau auf multiple Stressoren untersucht. Experimente in Mikrokosmen analysieren die Reaktionen vorgestresster Pilzgemeinschaften auf Temperatur, Salz- und Trockenstress über längere Zeiträume, einschließlich möglicher Erholungsprozesse. Darüber hinaus wird die Nahrungswahl vorgestresster Gammariden zwischen verschiedenen Pilzgemeinschaften untersucht. In dem ExStream Experiment, den Freilandrinnen und den Feldstudien von RESIST werden die Auswirkungen multipler Stressoren auf das Nahrungsnetz mit Schwerpunkt auf den Laubabbau untersucht.
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.
Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist die Entwicklung eines integrierten mesoskaligen Ansatzes zur Quantifizierung von neun Ökosystemleistungen (ÖSL) in Auen. Unter Berücksichtigung von Hydraulik und Ökologie werden Wirkungsgrenzen definiert. Diese ermöglichen eine Abgrenzung der Aue nach ihrer Funktionsfähigkeit in Bezug auf die Bereitstellung von ÖSL, welche für den Erhalt natürlicher Lebensgrundlagen bedeutend sind. Trotz des Wissens um die ökologische Bedeutung und die hohe Gefährdung von Auen weltweit findet eine Verschlechterung des Auenzustands weiterhin statt. Dies reduziert auch die Bereitstellung von ÖSL von Auen in unbekanntem Maß. Grund hierfür ist ein fehlendes Verständnis der Interaktionen zwischen den natürlichen Prozessen und ÖSL, den anthropogenen Einflüssen sowie dem Auenzustand. Des Weiteren werden in Auen bereitgestellte ÖSL bei der Kostenberechnung von Maßnahmen vernachlässigt, da ein integrierter übertragbarer Ansatz zur Ermittlung der ÖSL auf der relevanten räumlichen Skala, der Landschaftsebene, fehlt. Die Herausforderungen in der Ökosystemleistungsforschung liegen hauptsächlich in der Vielfalt von nicht abgestimmten Definitionen, Begrifflichkeiten und Indikatoren. Die Skalenproblematik wird zudem bei der Betrachtung der Auengrenzen als räumliche Basis deutlich. Mit der Entwicklung einer übertragbaren Methode wird in diesem Projekt erstmalig ein umfangreiches Spektrum an ÖSL (klimatische, hydrologische Leistungen, Wasserqualität und Biodiversität, Produktion von Lebensmitteln, Baumaterialien und Energie, kulturelle Leistungen, Schutz vor Naturgefahren) unter Berücksichtigung des Auenzustands in Deutschland integriert. Als räumliche Basis der Auenabgrenzung dienen die Überschwemmungsflächen häufiger Hochwasser gemäß öffentlich zugänglicher Hochwassergefahrenkarten. Die Eignung dieser rein hydraulisch bestimmten Grenzen wird durch umfangreiche ökologische Daten anderer Forschungsinstitute (Bundesanstalt für Gewässerkunde (Vegetation) und Universität Duisburg-Essen (Laufkäfer)) erstmals untersucht. Neue Indikatoren werden für jede der neun ÖSL auf der Basis von Geoinformationen und Literaturrecherchen entwickelt. Mittels Metaanalysen wird die Übertragbarkeit von ökonomischen Faustzahlen für einen Wertetransfer überprüft. Ergebnis ist eine erstmalige Berechnung des ökonomischen Gesamtwertes der Auen auf Landschaftsebene, um die Leistungen von Auen, ihren Erhalt bzw. ihre Wiederherstellung umfassender als bisher zu bewerten. Anhand von zehn bereits durchgeführten Auenrenaturierungsprojekten wird dieser Ansatz mittels einer Kosten-Nutzen-Rechnung validiert. Dieser neue integrierte Ansatz ist interdisziplinär ausgerichtet, um der Komplexität von Auen und den von ihnen erbrachten ÖSL gerecht zu werden. Mit der Inwertsetzung bieten sich breite thematische Anknüpfungspunkte. So erhalten u.a. Biologen und Hydrologen, Geowissen- und Volkswirtschaftler eine vereinheitlichte Datenbasis bisher dezentral vorliegender Informationen.
Das Potential für den kolloidgetragenen Transport (Co Transport) von Schadstoffen im Grundwasser durch natürliche und künstliche Kolloide ist seit den 80er Jahren bis zum heutigen Tag Gegenstand der Forschung. Insbesondere das Potential für den Co-Transport von unpolaren, hydrophoben Stoffen an natürlichen und künstlichen organischen aber auch anorganischen Kolloiden ist experimentell gut erfasst. Organische Schadstoffe treten in der aquatischen Umwelt allerdings häufig als ionare Spezies auf. Gerade bei geringen Anteilen organischen Kohlenstoffs im Grundwasserleiter ist ihr Sorptions- und damit auch ihr Umwelt- und Transportverhalten dann nicht durch die hydrophobe Sorption sondern durch Ionenaustausch geprägt. Prognosen zur Schadstoffausbreitung können dann sowohl zur Unter- als auch Überschätzung ihrer Mobilität führen. Trotz des hohen Adsorptionspotentials organischer Kationen an Tonen durch Ionenaustausch und einer z.T. der hydrophoben Sorption ähnlichen Sorptionshysterese wurde der Kationenaustausch als Sorptionsmechanismus für den Co-Transport bisher nicht systematisch untersucht. Es existieren keine grundlegenden Arbeiten zur Bedeutung des Kationenaustausches im Co-Transport organischer ionarer Spezies an Ton-Kolloiden. Ziel dieses Vorhabens ist die Bedeutung des Co-Transportes organischer Kationen an Ton-Kolloiden mit experimentellen Labormethoden systematisch zu erfassen und zu bewerten. Dafür sollen Batch und Säulen Experimente mit ein- und zweiwertigen organischen Kationen als Sorbent und Tonmineralen (Illite, Kaolinite und Montmorillonit) der Größenfraktionen 200, 500 und 1000 nm unter verschiedenen, definierten Bedingungen (pH, Ionenstärke, Valenz organischer Kationen und Verweilzeiten) in/mit silikatischer Matrix durchgeführt werden. Das Verständnis der komplexen Zusammenhänge des Co-Transports bildet einen Grundstein zur Abschätzung des Umweltpotentials organischer Schadstoffe in Gegenwart von Tonmineralen. Darüber hinaus schafft das Vorhaben die methodisch analytische Grundlagen für spätere experimentelle Laborexperimente an komplexen Materialien und in Geländeversuchen.
Das Projekt soll die Mechanismen klären, die die Biogeochemie (Metabolismus und Stickstoffaufnahme der mikrobiellen Gemeinschaft) in verschiedenen Chronologien der Wiederaufnahme des Flusses mit und ohne Sedimenttransport modulieren. Die Wiederaufnahme der Strömung nach der Trocknung wird als biogeochemisches Heißmoment betrachtet, bei dem hohe Metabolismusraten und Stickstoffaufnahme durch die Häufigkeit der vorherigen Trocknung beeinflusst werden. Die Mechanismen, die diesen Heißmoment modulieren, sind wenig bekannt. Bisher waren es vor allem Einzelfaktorstudien in temporären Bach- und Flussökosystemen. Allerdings treten Intermittenz und Wiederaufnahme der Strömung zunehmend auch in mehrjährigen Gewässerökosystemen auf und die Oberflächenströmung impliziert oft Sedimenttransport (z.B. Wanderrippel, Oberstufenebene), insbesondere in sandigen Gewässern. Darüber hinaus kann die Wiederaufnahme der Strömung verschiedenen Chronologien folgen, wie z.B. sofort bei Regen oder langsam bei steigendem Grundwasser, und die Konzentrationen von Nährstoffen und Kohlenstoff, die bei der Wiederaufnahme der Strömung ausgelaugt werden, können auch die biogeochemische Reaktion beeinflussen. Ich schlage ein neues allgemeines Konzept von 'intermittierenden Bachlebensräumen' für alle Bereiche eines Bachbettes vor, die trotz variabler Wechselwirkungen von Faktoren irgendwann trocken sind (z.B. Oberflächenwassermangel). Die hier vorgeschlagene Untersuchung der Mechanismen bei verschiedenen Chronologien der Strömungswiederaufnahme, gekoppeltem Sedimenttransport und in temporären und mehrjährigen Gewässerökosystemen wird zeigen, ob eine solche allgemeine und integrative Sichtweise angewendet werden kann. Die Wechselwirkungen von Strömungswiederaufnahme, Sedimenttransport, Nährstoff- und Kohlenstoffkonzentrationen und Trocknungshäufigkeit werden in Mikrokosmosversuchen mit Sedimentgemeinschaften von intermittierenden Lebensräumen aus mehrjährigen und temporären Strömen untersucht. Die Antwortvariablen unter Beachtung sind: Kohlenstoffstoffwechsel, gemessen an Veränderungen der Sauerstoffkonzentration in der Dunkelheit und im Licht, Netto-Stickstoffaufnahme durch Zugabe des stabilen Isotops 15N (15NH4Cl) und der Struktur und Architektur (z.B. Biofilm) der mikrobiellen Gemeinschaft (nur für gekoppelten Sedimenttransport). Die Ergebnisse werden zu einem vollständigen mechanistischen Bild der Kohlenstoff- und Stickstoffdynamik Gewässerökosystemen beitragen, die zu starken Strömungsschwankungen und Trocknung neigen. Die Ergebnisse werden es ermöglichen, die Wiederaufnahme der Strömung in die aktuellen Konzepte der Strömungsbiogeochemie zu integrieren. Ein solcher konzeptioneller Rahmen ist der Schlüssel für das Management von Ökosystemen im Mittelmeerraum und immer mehr gemäßigten Strömungen, die aufgrund der zunehmenden Wasserentnahme und des Klimawandels trocken werden.
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.
Ausreichende Verfügbarkeit von Trinkwasser und entsprechende Langzeitplanung sind wesentliche Voraussetzungen für eine nachhaltige Zukunft. Dazu bedarf es verlässlicher Langzeitprognosen des zukünftigen Wasserbedarfs. Stündliche und tägliche Bedarfsprognosen mithilfe von maschinellem Lernen (ML) sind wohletabliert, sofern ausreichend Daten vorhanden sind. Dennoch gibt es einige Herausforderungen. Erstens verfügen viele lokale Wasserversorger lediglich über monatliche Bedarfsdaten. Zweitens ist das System wegen des Klimawandels und wegen sozialer, rechtlicher und wirtschaftlicher Veränderungen instationär. Drittens sind zukünftige Wetter- und Klimabedingungen sowie die genannten Wandelprozesse unsicher. Insgesamt führt dies zu hoch volatilen und unsicheren Szenarien mit begrenzten Daten, was eine große Herausforderung für Modellierung und ML-Methoden darstellt. Dennoch sollten diese Methoden breit in verschiedenen Klima- und Wirtschaftsregionen anwendbar sein, zuverlässige Vorhersagen über Jahrzehnte ermöglichen und für Experten in Planungsbüros handhabbar sein. Dieses Projekt zielt darauf ab, Langzeitprognosen des Wasserbedarfs zu verbessern, indem wir folgende vier Forschungsfragen bearbeiten: Welche ML-Modelle für datenarme Probleme beschreiben den Wasserbedarf am besten, und kann die Modellauswahl automatisiert werden? Welche erklärenden Variablen sind notwendig, und wie sind diese zukünftig verteilt? Wie können wir der variierenden Aussagekraft von Daten in instationären Problemen begegnen? Wie können wir sinnvolle Unsicherheitsintervalle für Risikobewertungen erreichen? Um diese Fragen zu beantworten, werden wir speziell für datenarme Situationen entwickelte ML-Modelle entwickeln, kombinieren und bewerten sowie deren Auswahl automatisieren. Dies umfasst auch die Auswahl der erklärenden Variablen und die Untersuchung ihrer Wahrscheinlichkeitsverteilungen. Wir werden auf zwei Zeitskalen arbeiten: kurzfristig (lokal Wetter) und langfristig (Klima). Für die kurze Zeitskala werden wir statistische Wettergeneratoren verwenden, während wir für die langfristige Skala Langzeit-Wettervorhersagen des DWD unter verschiedenen Klimaszenarien nutzen werden. Da technische, gesellschaftliche oder wirtschaftliche Veränderungen und ihre Auswirkungen auf den Wasserbedarf schwer vorhersehbar und allgemein modellierbar sind, müssen sie als exogene oder festgesetzte Variablen behandelt werden. Sie können die Aussagekraft von Daten, die unter aktuellen Bedingungen erhoben werden, beeinflussen. Daher werden wir Multi-Fidelity-Ansätze entwickeln, die aus kürzeren Zeitreihen größerer räumlicher Gebiete lernen können. Für das Projekt bauen wir auf Vorarbeiten im Bereich des Polynomiellen Chaos und der Gauß-Prozess-Regression auf. Alle Methoden werden open-source verfügbar gemacht, um Transparenz in der Bedarfsvorhersage zu fördern und somit verbesserte Vorhersagen und Entscheidungsunterstützung öffentlich verfügbar zu machen.
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| Förderprogramm | 838 |
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