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Haushalt und Flüsse des wurzelbürtigen Kohlenstoffs in Nahrungsketten

Rhizodeposition der Pflanzen ist eine wichtige primäre Kohlenstoff- (C) und Energiequelle für Bodenorganismen. Die Ziele dieses Projektes sind die Abschätzung des C-Eintrages durch Mais in den Boden, die Verfolgung des wurzelbürtigen C in der ganzen Nahrungskette im Boden und die Aufstellung von C-Bilanzen. Mais wird in der 13CO2- und 14CO2-Atmosphäre markiert, um zwischen den wurzelbürtigen und bodenbürtigen C zu unterscheiden und den Haushalt des wurzelbürtigen C zu bestimmen. Der Einbau von wurzelbürtigem C in Mikroorganismen, Nematoden, Collembolen und Predatormakrofauna wird quantifiziert. 14C-Phosphor-Imaging der Wurzel ermöglicht es Hotspots der Rhizodeposition und der Exsudation zu lokalisieren. 13C-Pulsmarkierung wird die Empfindlichkeit der Koppelung des 13C mit Biomarker der Bakterien und Pilze (PLFA, Ergosterol) und Collembolen (neutrale Lipide) wesentlich erhöhen. Die Verzögerung zwischen der Photoassimillation der Pflanze, Wurzelexsudation in die Rhizosphäre und Einbau vom wurzelbürtigen C in die einzelnen Organismen wird bestimmt. Dies wird die Aufstellung und Modellierung des C-Flusses durch die Nahrungsketten im Boden ermöglichen. Durch mehrfache 13C-Pulsmarkierung von Mais wird eine hohe 13C-Anreicherung der Mikroorganismen erreicht, um anschließend die aktivsten Spezies in der Rhizosphäre mit Hilfe von Stable Isotope Probing (SIP) zu bestimmen.

Soil water controls on nitrogen oxide fluxes and N2O production and consumption along a rainfall gradient of tropical forests

Die Eisendüngung vor Inseln im Südozean: Fe-Isotopenaustausch zwischen reaktiven Partikeln und Meerwasser

Die marine Eisendüngung durch Inseln ist ein wichtiger Steuerungsprozess der marinen Planktonproduktion, einer der größten atmosphärischen CO2-Senken. Der Prozess lässt sich allgemein im Südozean beobachten, wo die glaziale Verwitterung auf Inseln eine gut dokumentierte Quelle an reaktivem, partikulärem Fe (pFe) darstellt. Diese Verwitterung dürfte sehr empfindlich auf den globalen Klimawandel reagieren. Der diagenetische Stoffkreislauf auf dem Schelf, mit Rückdiffusion und Rücksuspension von Fe in die Wassersäule ist eine weitere Quelle von globaler Bedeutung. In unseren vergangenen Studien auf King George Island, antarktischer Inselbogen, konnten wir zeigen, Fe-isotope eine Unterscheidung dieser Quellen erlauben. Jedoch zeigt die Fe-Isotopenzusammensetzung des gelösten Fe (dFe) insgesamt im Südozean eine überraschend große Variabilität von etwa 2‰ (d56Fe). Dies bedeutet entweder eine lokal sehr variable Mischung der beiden Fe-Quellen, einen regional sehr diversen Fe-Stoffkreislauf mit variabler Interaktion zwischen dFe und pFe, ein regional sehr dynamischer biologischer Fe-Kreislauf in der Wassersäule, oder Kombinationen aller drei Aspekte. Ich beantrage während einer FS Polarstern Expedition (PS-133), die verschiedenen Fe-Quellen von der Küste der Insel Süd-Georgiens und den Fe-Transport in den offene Ozean mithilfe von Fe-Isotopenanalysen zu verfolgen, und die Transformation dieser partikulären Fe-Quellen in bioverfügbares dFe, z.B. durch Lösung und Austausch mit der Partikeloberfläche, auf der Basis der Fe-Isotopenfraktionierung zu bestimmen. Die Fe-Isotopenfraktionierungsfaktoren, die generell im marinen Millieu nur unzureichend bestimmt sind, sollen experimentell im Labor und an Bord bestimmt werden. Diese Austauschexperimente beinhalten Mischungen aus reinen Fe-Oxyhyroxiden und Mn-Oxiden mit künstlichem Meerwasser, sowie Mischungen aus mittels Tangentialflussfiltration angereicherten marinen Partikeln von der Schelf- und Kontinentalhangregion Süd-Georgiens mit filtriertem, partikelfreiem Meerwasser von stromaufwärts der Insel. Ebenso werden Mischungen aus reinen Mineralphasen mit Meerwasser des Südozeans untersucht. In allen Experimenten wird das Wasser mit einem monoisotopisch angereicherten „Spike“ versetzt, werden die Experimente (lang)zeit-kontrolliert beprobt, und die „Drei-Isotopenmethode“ konsequent verwendet, mittels derer die Extrapolation der isotopischen Fraktionerungsfaktoren möglich ist, selbst wenn die Austauschreaktion nicht vollständig abläuft. Die experimentell bestimmten Fraktionierungsfaktoren dienen als Basis, die natürlichen, molekularen Austauschprozesse bei der marinen Fe-Düngung zu identifizieren. Die natürliche Fe-Düngung soll vor Süd-Georgien auf der PS-133 Expedition vom Littoral bis in den offen, hochproduktiven Ozean beobachtet und beprobt werden. Zum Vergleich sollen zusätzlich Proben aus dem Littoral und der Küstenregion vor King George Island von einer früheren Expedition analysiert werden.

Rekonstruktion der Terra Preta-Genese mittels molekularer Biomarker und ihrer substanzspezifischen Stabilisotopenverhältnisse

In Amazonien dominieren nährstoffarme Oxisole und Ultisole, die nur schwer nachhaltig nutzbar sind. Innerhalb dieser Bodenlandschaft kommen allerdings aufgrund langandauernder anthropogener Nutzung durch präkolumbische Indianer tiefhumose, nachhaltig bewirtschaftbare Böden vor. Unsere bisherigen Untersuchungen belegen, dass die hohen und stabilen Humusvorräte dieser Böden maßgeblich auf pyrogenen Kohlenstoff zurückzuführen sind. Ungeklärt ist bisher die Herkunft ihrer hohen Nährstoffgehalte (bes. N, P, Ca, Mg). Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens ist es deshalb, durch die kleinräumige Analyse von Biomarkern und ihrer Stabilisotopenverhältnisse sowie von P-Bindungsformen Hinweise auf die Terra Preta-Genese zu bekommen. Insbesondere soll zwischen dem Eintrag menschlicher und tierischer Exkremente sowie zwischen aquatischer und terrestrischer Biomasse unterschieden werden. Von den Ergebnissen der Untersuchungen erwarte ich gezielte Aussagen über die Anreicherung der Terra Preta-Böden mit Nährstoffen sowie die Heterogenität der Eintragspfade.

Schwerpunktprogramm (SPP) 527: Bereich Infrastruktur - International Ocean Discovery Program, Teilprojekt: Spätneogene und quartäre Klima- und Vereisungsgeschichte der Westantarktis

Das westantarktische Eisschild (WAES) umfasst ein Volumen von 2,2 Millionen km3 und trägt damit zu etwa 10 Prozent am gesamten antarktischen Eisvolumen bei. In der jüngsten Vergangenheit, hat sich diese Volumen allerdings dramatisch reduziert und zurzeit gehört der WAES zu der am stärksten abschmelzenden Region des antarktischen Kontinents. Satellitengestützte Untersuchungen legen den Schluss nahe, dass der WAES mit 86 Prozent den weitaus größten Anteil am Verlust der antarktischen Eismassen über die letzten zwei Jahrzehnte hatte. Sollte sich das Abschmelzen in einer ähnlichen Weise fortsetzen, ist davon auszugehen, dass alleine die Eismassen des WAES den globalen Meeresspiegelanstieg bis zum Ende des Jahrhunderts um einen Meter ansteigen lassen kann. Ein kompletter Zusammenbruch des WAES könnte sogar zu einem Anstieg des Meeresspiegels von bis zu 6 m führen. Computermodellierungen deuten an, dass Zusammenbrüche des WAES wiederholt seit dem späten Miozän aufgetreten sein könnten und sich über geologisch kurze Zeiträume von nur wenigen hundert Jahren entwickeln. Allerdings sind solche Modellierungen mit großen Unsicherheiten hinsichtlich der zeitlichen Entwicklung als auch der Menge der abschmelzenden Eismassen behaftet. Proxydaten, die Informationen hinsichtlich der zeitlichen und räumlichen Ausdehnung des WAES liefern, sind ein vielversprechender Ansatz um zukünftige Änderungen dieser sehr zerbrechlichen aber aus globaler Sicht äußerst wichtigen Region unseres Planeten zu bestimmen. Solche Proxydaten stehen aus der Westantarktis zurzeit jedoch nur begrenzt zur Verfügung. Sedimente, die vom Kontinentalhang der Amundsensee in der Westantarktis während IODP Expedition 379: 'Amundsen Sea West Antarctic Ice Sheet History' genommen wurden, bieten erstmalig die Möglichkeit kontinuierliche Klimaprofile und Profile der Eismassenbewegungen des WAES über die letzten ca. 6.8 Millionen Jahre in einer bis jetzt einmaligen Auflösung zu generieren. In dem hier vorgestelltem Projekt wird ein Multiproxyansatz bestehend aus bulk-geochemischen Methoden, Isotopen und Lipidbiomarkern gewählt um das Verhalten des WAES auf sich verändernde Umweltparameter zu untersuchen und zu bestimmen ob und auf welchen Zeitskalen partielle oder komplette Zusammenbrüche des WAES erfolgten. Im speziellen, soll der erste durchgängige Temperaturrekord der Westantarktis seit dem späten Miozän erzeugt und die Hypothese getestet werden, dass die Rückwanderung des WAES in der Amundsensee im direkten kausalen Zusammenhang mit dem Übergreifen von relativ warmen zirkumpolaren Tiefenwasser auf die Schelfbereiche der Westantarktis steht. Zudem soll untersucht werden, wie aquatische und terrestrische Ökosysteme auf sich verändernde Eismassenverhältnisse reagieren und ob diese Systeme bei einem sich erwärmenden Klima als Quellen oder eher als Senken für Kohlenstoff fungieren.

The role of the East Greenland Current in the mid to late Holocene North Atlantic climate variability

Variations in the strength of arctic freshwater export via the East Greenland Current (EGC) can affect thermohaline circulation and the strength of the Subpolar Gyre and, therefore, can modulate the northward heat transport in the North Atlantic Ocean. To assess the role of the EGC in the mid to late Holocene North Atlantic climate variability, its palaeoceanographic history and spatial extent will be studied at three key sites; two sites in the EGC core (Foster Bugt and Nansen Trough) and one site in the Subpolar Front area (SPF; Reykjanes Ridge). For the first time, palaeoceanographic data sets, spanning the last 6000 years, for the EGC core will be produced at a multi-decadal to centennial time scale. A multi-proxy approach, combining foraminifera, diatom, dinoflagellate as well as stable isotope, trace element (Mg/Ca) and IP25 analyses on the same sample set will be performed in close collaboration with national and international project partners. The proposed reconstructions will be linked to marine and terrestrial high-resolution studies from the North Atlantic Drift, the West Greenland Current, the Fram Strait, the Baltic Sea and continental Europe, in order to investigate the timing (in-phase/out-of-phase) of mid to late Holocene climatic oscillations in the different regions. Reconstructing the role of the EGC at high resolution will increase our understanding of trigger mechanisms underlying natural mid to late Holocene climate variability in the North Atlantic region.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1006: Bereich Infrastruktur - Internationales Kontinentales Bohrprogramm, Teilprojekt: Paläoklima und Paläoökologie des kontinentalen östlichen Mittelmeerraumes - Hochauflösende Pollenanalyse aus dem Vansee während des Mittleren Pleistozäns (MIS 8 bis 10)

Unser derzeitiges Wissen über die paläoklimatische Entwicklung des Nahen Ostens nach 250.000 Jahre ist noch unzureichend untersucht. Der Vansee (Ostanatolien, Türkei) ist ein hervorragender Standort für die Untersuchung der Klimaentwicklung im kontinentalen östlichen Mittelmeerraum zwischen der nördlichen Levante und dem Mittelmeerraum. Dieses Projekt bietet die einzigartige Möglichkeit, die Variabilität von lokaler / regionaler Vegetation, Feuerintensität und die Klimaveränderungen während des drittletzten glazial-interglazialen Zyklus (Marine Isotope Stage (MIS) 8 bis 10; ca. 240 bis 350 ka BP), unter Verwendung von Palynologie, Auswertung von mikroskopischer Holzkohle sowie der Messung von stabilen Isotopen, zu bewerten. Die in diesem Projekt erstellten hochauflösenden palynologischen Datensätze bilden die Grundlage für die Biomodellierung und Rekonstruktion der Klimaentwicklung im östlichen Mittelmeerraum, die mit multivariaten statistischen Methoden entwickelt werden (z. B. Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion zur Rekonstruktion von Temperatur und Niederschlag). Ziel dieser Studie ist es, globaler Klimasignale unterhalb von Milankovitch-Zyklen zu untersuchen, und deren direkten Einfluss auf die Vegetationszusammensetzung und / oder die Umweltbedingungen in dieser Region.

Frühdiagenetische Veränderung von Seltenerdelement- und Yttrium (SEY) Signalen in marinen Sedimenten und deren Einfluss auf die Verwendung von SEY als Tracer im früheren und rezenten Ozean

Seltenerdelemente und Yttrium (SEY), einschließlich Nd-Isotope, werden häufig als geochemische Proxys für frühere und rezente Umweltbedingungen und -prozesse verwendet. In den letzten Jahren wurde die Verwendung dieser Proxys zur Rekonstruktion frühzeitlicher Meerwasserchemie und die Nachverfolgung von Wassermassen in Frage gestellt, da die Primärsignale des Meerwassers in den Sediment-Archiven während der frühen Diagenese überprägt werden können. Die Wechselwirkung zwischen Porenwasser und Festphase kann zur Fraktionierung und Veränderung der SEY-Muster und der Nd-Isotopensignatur führen. Die zugrunde liegenden Prozesse sind noch wenig erforscht. Das Ziel des hier vorgeschlagenen Projekts ist es, aufzudecken, welchen Einfluss die Redox-Zonierung und die Lithologie auf die SEY-Zusammensetzung im Porenwasser und die beteiligten Prozesse im Sediment haben. Zur Beantwortung dieser Frage werden Proben aus der pazifischen und atlantischen Tiefsee, dem Kontinentalrand vor Neuschottland und der Amazonasmündung entnommen, analysiert und ausgewertet. Die SEY-Konzentrationen und die Nd-Isotopenzusammensetzung im Porenwasser, in der festen Phase und im darüber liegenden Meerwasser werden verglichen, um die Fraktionierung, Veränderung und Konservierung der Proxys zu identifizieren. Die vier Lokationen wurden aufgrund ihres unterschiedlichen Organik-Gehalts und der daraus resultierenden Redox-Zonierung sowie des variablen kontinentalen Eintrags ausgewählt. Die vorgeschlagene systematische Untersuchung der SEY im Porenwasser wird die Lücke in der paläozeanografischen Forschung schließen, unter welchen Umwelteinflüssen SEY-Proxys zuverlässig sein können und unter welchen Bedingungen sie nicht zuverlässig sind. Messwerte werden dringend benötigt, da bei Modellierungen und experimentellen Arbeiten keine guten Informationen zu Eingabevariablen und realistischen Randbedingungen vorliegen. Die vorgeschlagene Forschung wird neue Daten zu den bisher wenigen, bis gar nicht, verfügbaren Daten zu SEY-Konzentrationen und der Nd-Isotopenzusammensetzung in (insbesondere oxischen) Porenwässern liefern.

Pflanze-Boden-Mikroben-Interaktionen in Agrarsystemen: Einfluss von Cadmium und Stickstoff auf mikrobielle Gemeinschaften in der Rhizosphäre sowie auf das Wachstum einheimischer Pflanzenspezies in Landwirtschaftssystemen

Pflanzenmanagement- und Agrarsysteme erlangen international eine steigende Bedeutung. In der vorliegenden Studie werden Pappeln und Weiden mit einheimischen Pflanzenspezies kombiniert, um Agrarsysteme weiter zu verbessern. Zwei in landwirtschaftlichen Systemen relevante Schadstoffe (Cadmium und Stickstoff) wurden ausgewählt, um die Pflanzen bezüglich Phytoremediation und Effizienz von Schadstoffanreicherung in Pflanzenteilen zu untersuchen. Pflanzen-Mikroben-Interaktionen spielen eine Hauptrolle in Agrarsystemen, weshalb mikrobielle Veränderungen in der Rhizosphäre durch Schadstoffeintrag in Böden einen wichtigen Schwerpunkt darstellen. Um solche Veränderungen in einer pflanzenspezifischen, mikrobiellen Gemeinschaft zu detektieren werden Phospholipidfettsäuren (PLFA) im Boden bestimmt, da diese in allen lebenden Zellen vorkommen und nach Zelltod rasch abgebaut werden. Die erzielten Ergebnisse werden mit DNA-basierten Methoden zur Bestimmung mikrobieller Gemeinschaften verglichen. Weiterhin soll die Analytik von Terpenen, Flavonoiden und Fettsäuren im Pflanzenmaterial Auskunft über pysiologische Veränderungen von Pflanzen geben, welche durch die verschiedenen Schadstoffe ausgelöst werden. Ein 13CO2 Puls, welcher vor der Ernte appliziert wird, ermöglicht eine genaue Untersuchung, wie Pflanzenstoffwechsel und Kohlenstofftranslokation in die Rhizosphäre durch Schadstoffe verändert werden. In diesem Zusammenhang wird die Stabilisotopenanalytik von PLFA und DNA verglichen, sowie weitere 13C-Analysen des Pflanzenmaterials durchgeführt. Um den Schwerpunkt von Pflanzenmanagement Systemen zu vertiefen werden weitere Analysen von Pflanzenteilen (Wurzeln, Stamm, Blätter, Früchte, Samen) bezüglich Cadmium und Stickstoff durchgeführt. Massiv kontaminiertes Pflanzenmaterial kann für die Biogasproduktion verbrannt und anschließend zum Recycling kompostiert werden. Pflanzenteile mit hohem Stickstoffgehalt und fehlender Akkumulation von Cadmium kann als Tierfutter in Wintermonaten verwendet werden; eine Verwendung für kommerzielle Produkte ist ebenfalls denkbar und soll im Rahmen des Forschungsantrags untersucht werden.

Quecksilberisotopenverhältnisse als Werkzeug zur Bestimmung von Speziestransformationsprozessen in kontaminierten Boden-Aquifer-Systemen

Aufgrund seiner hohen Toxizität ist Quecksilber (Hg) immer noch ein großes Umweltproblem. Die Mobilität und Bioverfügbarkeit von Hg wird maßgeblich durch die chemisch-physikalischen Eigenschaften verschiedener Hg-Spezies (z.B. Hg(II)Cl2, Hg(0), HgS) bestimmt. Die Verteilung stabiler Hg-Isotope wird dabei in einem messbaren Ausmaß durch Speziestransformationsprozesse (z.B. Reduktion/Oxidation, Sorption, Fällung und Verflüchtigung) verändert, womit die Bestimmung des Hg-Umweltverhaltens durch Hg-Isotopenverhältnisse ein neues analytisches Werkzeug bietet. Verschiedene Spezies-Umwandlungsprozesse resultieren dabei in unterschiedlichen massenabhängigen und massenunabhängigen Fraktionierungs-Signaturen, die zum einen ein weiterreichendes Verständnis, zum anderen eine Quantifizierung der verschiedenen biogeochemischen Kontrollfaktoren ermöglichen. Zur Untersuchung der Isotopenfraktionierung durch Speziestransformationsprozesse in Boden-Grundwassersystemen wurden als natürliche Labore zwei Standorte ausgewählt, die durch die Anwendung von hochgiftigem HgCl2 zur Holzimprägnierung stark kontaminiert wurden und somit nur eine einzige Hg-Kontaminationsquelle aufweisen. Vorstudien belegen bereits das Auftreten verschiedener Speziestransformationsprozesse im Boden und Grundwasser und einer damit verbundenen Variation der Hg-Isotopie. Wir postulieren, dass die Hg-Isotopensignaturen im Boden und Grundwasser Hg-Speziestransformationsprozesse abbilden und somit eine Bestimmung dieser Prozesse an Fest-/Flüssigphasengrenzen sowie zwischen verschiedenen Hg-Festphasen-Pools möglich ist. Neben der Untersuchung umfangreicher Grundwasser - und Bodenproben sollen Labor-versuche zur Bestimmung der Hg-Fraktionierung während einzelnen Speziesumwandlungs-prozessen durchgeführt werden. Für ein tieferes Verständnis der biogeochemischen Prozesse der Hg-Speziesumwandlung im Grundwasser soll, basierend auf den gewonnenen Daten, darüber hinaus ein Modell zum reaktiven Hg-Transport im Grundwasser entwickelt werden, das auch die Implementierung der Isotopenfraktionierung beinhaltet. Die erstmalige Kombination von Hg-Speziationsverfahren (Pyrolyse-Thermodesorption) und der Hg-Isotopenbestimmung (Kaltdampf-MC-ICP-MS) in Flüssig-, Fest-, und Gasproben wird unsere Möglichkeiten die Mobilität und Speziation von Hg, nicht nur in den untersuchten kontaminierten Systemen, sondern auch in unbelasteten Boden-Grundwassersystemen signifikant verbessern. Im Gegensatz zur Anwendung von Hg-Isotopendaten zur Ermittlung von Kontaminationsquellen ist die Verwendung als Prozessanzeiger bisher nicht beschrieben. Zudem liegen in der Fachliteratur keine Daten zur Hg-Isotopie in Grundwässern vor.

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