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Stickstofffixierung in der monsunbeeinflussten Flussfahne des Mekong

Das Südchinesische Meer ist das größte Randmeer der Erde und ausschließlich von stark besiedelten Ländern wie China, Indonesien, Philippinen oder Vietnam umgeben. Klimaänderung und menschliche Einflüsse im Einzugsgebiet des Mekong (18 geplante Stauseen zu Stromgewinnung und Intensivierung der Aquakultur) werden die Flusseinträge drastisch verändern und in der Folge die Biogeochemie der Küstengewässer. Die Geschwindigkeit und Größenordnung dieser Veränderungen lassen es wahrscheinlich erscheinen, dass das hier geplante Feldprogramm eine der wenigen Gelegenheiten sein wird, dieses Meeresgebiet zu erfassen, bevor es sich grundlegend verändert hat. Die gegenwärtige Rolle der Nährstoffeinträge des Mekong für die Produktivität des Südchinesischen Meeres soll im Vergleich zu den Nährstoffeinträgen durch den Auftrieb während des SW Monsuns untersucht werden. Ergebnisse früherer Arbeiten von uns lassen vermuten, dass die Stickstofffixierung von Cyanobakterien, die in Symbiose mit Diatomeen vorkommen, eine zentrale Rolle spielt. Zudem gibt es einzellige und koloniebildende N-Fixierer wie Trichodesmium in der Flussfahne. Die Interaktion von stickstofffixierenden Organismen, die von den Einträgen des Mekong abzuhängen scheinen, ist bislang nicht verstanden und steht im Fokus dieses Projektes. Die Nährstoffzusammensetzung in Wasser und die Aufnahme von markierten Kohlenstoff und Stickstoffverbindungen wird in der Flussfahne und im Auftriebsgebiet quantifiziert. Zudem wird auf Zellebene der Austausch von Stickstoff und Kohlenstoff zwischen Diatomeen und ihren stickstofffixierenden Symbionten mittels NanoSIMS analysiert. Zeitgleich wird die Gemeinschaft der Stickstofffixierer entlang der Flussfahne und im offenen südchinesischen Meer von amerikanischen und vietnamesischen Kollegen durch genomische, molekularbiologische und taxonomische Methoden erfasst. In der Synthesephase des Projektes soll durch die Zusammenführung aller Ergebnisse ein tiefgreifendes Verständnis des menschlichen Einflusses auf die Biogeochemie des Küstenmeeres vor Vietnam erreicht werden. Zwei Expeditionen in das Gebiet des Mekongausstroms sind bereits durch einen genehmigten Antrag des Schmidts Oceanographic Institute aus den USA abgesichert, so dass Probennahmen und Experimente an Board geplant werden können. Aufgrund des früheren, sehr erfolgreichen DFG finanzierten Vorhabens bestehen enge Kontakte zum Institute of Oceanography in Nha Trang, Vietnam, auf die hier aufgebaut wird.

Linking nutrient cycles, land use and biodiversity along an elevation gradient on Mt. Kilimanjaro

To understand impacts of climate and land use changes on biodiversity and accompanying ecosystem stability and services at the Mt. Kilimanjaro, detailed understanding and description of the current biotic and abiotic controls on ecosystem C and nutrient fluxes are needed. Therefore, cycles of main nutrients and typomorph elements (C, N, P, K, Ca, Mg, S, Si) will be quantitatively described on pedon and stand level scale depending on climate (altitude gradient) and land use (natural vs. agricultural ecosystems). Total and available pools of the elements will be quantified in litter and soils for 6 dominant (agro)ecosystems and related to soil greenhouse gas emissions (CO2, N2O, CH4). 13C and 15N tracers will be used at small plots for exact quantification of C and N fluxes by decomposition of plant residues (SP7), mineralization, nitrification, denitrification and incorporation into soil organic matter pools with various stability. 13C compound-specific isotope analyses in microbial biomarkers (13C-PLFA) will evaluate the changes of key biota as dependent on climate and land use. Greenhouse gas (GHG) emissions and leaching losses of nutrients from the (agro)ecosystems and the increase of the losses by conversion of natural ecosystems to agriculture will be evaluated and linked with changing vegetation diversity (SP4), vegetation biomass (SP2), decomposers community (SP7) and plant functional traits (SP5). Nutrient pools, turnover and fluxes will be linked with water cycle (SP2), CO2 and H2O vegetation exchange (SP2) allowing to describe ecosystem specific nutrient and water characteristics including the derivation of full GHG balances. Based on 60 plots screening stand level scale biogeochemical models will be tested, adapted and applied for simulation of key ecosystem processes along climate (SP1) and land use gradients.

Bilanzierung des Beitrags mikrobieller Biomasse zur Bildung refraktärer organischer Substanz im Boden mittels Isotopentracertechniken (Zellen, Zellbestandteile, CO2 und NH4)

Beim mikrobiellen Umsatz von organischen Verbindungen wird ein beträchtlicher Anteil des Kohlenstoffs zunächst zum Aufbau von Biomasse durch Bakterien genutzt. Diese Biomasse unterliegt nach ihrem Absterben wieder einem Abbau durch andere Mikroorganismen. In diesem Prozess werden Fragmente der abgestorbenen Zellen entweder selbst wieder zum Substrat für andere Organismen oder direkt in der Bodenmatrix festgelegt. Damit tragen sie substanziell zur Bildung der organischen Bodensubstanz (SOM) bei. Im Rahmen der geplanten Arbeiten sollen vorwiegend durch Markierungsexperimente mit stabilen und radioaktiven Isotopen die mikrobiellen Umsatzraten und die Bildung von Huminstoffen aus bakterieller Biomasse und fraktionierten Zellbestandteilen wie auch aus mikrobiellen Mineralisationsprodukten wie CO2 und NH4 in Modellböden des Schwerpunktprogrammes detailliert untersucht werden. Dazu wird die Transformation isotopisch markierter Biomassebestandteile (14C; 13C; 15N) in Bodenbioreaktoren untersucht. Die festgelegten und umgewandelten Produkte der markierten Biomasse sollen in den verschiedenen Partikel- und Huminstofffraktionen des Bodens bilanziert und mit isotopenchemischen und strukturchemischen Methoden charakterisiert werden. Damit können der stoffliche Beitrag der Biomasse an der Bildung von Huminstoffen im Boden bilanziert und Konversionsfaktoren sowie Raten für die Stoffverteilung abgeschätzt werden. Ergebnisse aus ersten Versuchen lassen zudem auf einen signifikanten Einbau von Kohlenstoff aus CO2 in die SOM schließen. Daraus könnte sich eine Neubewertung von Tracerexperimenten zur Bildung von gebundene Resten aus Xenobiotika ergeben. Im zweiten Schritt sollen Methoden zur Ermittlung der Struktur und Funktionalität der festgelegten Biopolymere entwickelt werden. Besonderes Augenmerk wird auf die Festlegung von Zellwandbestandteilen, Strukturproteinen und Nukleinsäuren gelegt.

Transformation of organic carbon in the terrestrial-aquatic interface

The overarching goal of our proposal is to understand the regulation of organic carbon (OC) transfor-mation across terrestrial-aquatic interfaces from soil, to lotic and lentic waters, with emphasis on ephemeral streams. These systems considerably expand the terrestrial-aquatic interface and are thus potential sites for intensive OC-transformation. Despite the different environmental conditions of ter-restrial, semi-aquatic and aquatic sites, likely major factors for the transformation of OC at all sites are the quality of the organic matter, the supply with oxygen and nutrients and the water regime. We will target the effects of (1) OC quality and priming, (2) stream sediment properties that control the advective supply of hyporheic sediments with oxygen and nutrients, and (3) the water regime. The responses of sediment associated metabolic activities, C turn-over, C-flow in the microbial food web, and the combined transformations of terrestrial and aquatic OC will be quantified and characterized in complementary laboratory and field experiments. Analogous mesocosm experiments in terrestrial soil, ephemeral and perennial streams and pond shore will be conducted in the experimental Chicken Creek catchment. This research site is ideal due to a wide but well-defined terrestrial-aquatic transition zone and due to low background concentrations of labile organic carbon. The studies will benefit from new methodologies and techniques, including development of hyporheic flow path tubes and comparative assessment of soil and stream sediment respiration with methods from soil and aquatic sciences. We will combine tracer techniques to assess advective supply of sediments, respiration measurements, greenhouse gas flux measurements, isotope labeling, and isotope natural abundance studies. Our studies will contribute to the understanding of OC mineralization and thus CO2 emissions across terrestrial and aquatic systems. A deeper knowledge of OC-transformation in the terrestrial-aquatic interface is of high relevance for the modelling of carbon flow through landscapes and for the understanding of the global C cycle.

Sedimentpetrographische und geochemische Untersuchungen an limnischen Sedimenten der Rhoen (Sieblos, Oligozaen)

Die Lokalitaet Sieblos an der Wasserkuppe/Rhoen ist ein altes Bergbaugebiet, wo seit Mitte des 19. Jahrhunderts nach 'Braunkohlen' gegraben wurde. Die jetzt verstuerzten Stollen sind nicht mehr zugaenglich, so dass die bisherigen Untersuchungen am Material der bewachsenen Halden erfolgten. 1994 wurden dort 2 Kernbohrungen niedergebracht, die erstmals ein brauchbares Profil der Schichtenfolge geliefert haben. Dieses Material wird zur Zeit in Zusammenarbeit mit Palaeontologen untersucht. Dabei zeichnet sich ab, dass das Haldenmaterial wenigstens teilweise in die Bohrprofile eingehaengt werden kann. Deren zeitliche Abfolge gestattet die Rekonstruktion eines Gewaessers, das durch Eindunstung und/oder einen - bisher ungeklaerten - Zustrom von Meerwasser episodisch hoehere Salzgehalte aufwies.

Zeitlich hochauflösende Klimarekonstruktion für das Spätquartär mittels Sedimentologie und Isotopengeochemie - vergleichende Untersuchungen in der Arktis und Antarktis

Ziel dieses Projektes ist eine vergleichende, zeitlich hochauflösende Rekonstruktion der Klimaentwicklung im Spätquartär im Bereich der Framstraße (Arktis) und des Riiser-Larsen Meeres (Antarktis). Mit Hilfe von Korngrößenanalysen und Sm-Nd-Isotopendaten, sollen klimagesteuerte Veränderungen in der Geschwindigkeit von Bodenströmungen, sowie der Provenienzen, Transportwege und -mechanismen der Sedimente ermittelt werden. Von großer Bedeutung ist die Unterscheidung zwischen strömungs- und eistransportiertem Sediment. Darauf aufbauend untersuchen wir die Kopplung zwischen thermohalinen Prozessen im Nordatlantik/Europäischen Nordmeer und dem Arktischem Ozean. Im RiiserLarsen Meer soll untersucht werden, ob ein Rinnensystem auf dem Kontinentalhang dem klimagesteuerten Abfluss von auf dem Schelf gebildetem Bodenwasser dient. In diesem Zusammenhang wird auch eine mögliche Verschiebung des Weddellwirbels infolge klimatischer Einflüsse untersucht. Im Vordergrund der Arbeiten stehen die Untersuchung von kontemporären Klimaphasen in der Nord- und Südhemisphäre und die Reaktion des Atmoshäre-Eis-Meer Systems im bipolaren Vergleich.

Forschergruppe (FOR) 861: Cross-scale Monitoring: Biodiversity and Ecosystem Functions, Quantification of functional hydro-biogeochemical indicators in Ecuadorian ecosystems and their reaction on global change

Water is an intrinsic component of ecosystems acting as a key agent of lateral transport for particulate and dissolved nutrients, forcing energy transfers, triggering erosion, and driving biodiversity patterns. Given the drastic impact of land use and climate change on any of these components and the vulnerability of Ecuadorian ecosystems with regard to this global change, indicators are required that not merely describe the structural condition of ecosystems, but rather capture the functional relations and processes. This project aims at investigating a set of such functional indicators from the fields of hydrology and biogeochemistry. In particular we will investigate (1) flow regime and timing, (2) nutrient cycling and flux rates, and (3) sediment fluxes as likely indicators. For assessing flow regime and timing we will concentrate on studying stable water isotopes to estimate mean transit time distributions that are likely to be impacted by changes in rainfall patterns and land use. Hysteresis loops of nitrate concentrations and calculated flux rates will be used as functional indicators for nutrient fluxes, most likely to be altered by changes in temperature as well as by land use and management. Finally, sediment fluxes will be measured to indicate surface runoff contribution to total discharge, mainly influenced by intensity of rainfall as well as land use. Monitoring of (1) will be based on intensive sampling campaigns of stable water isotopes in stream water and precipitation, while for (2) and (3) we plan to install automatic, high temporal-resolution field analytical instruments. Based on the data obtained by this intensive, bust cost effective monitoring, we will develop the functional indicators. This also provides a solid database for process-based model development. Models that are able to simulate these indicators are needed to enable projections into the future and to investigate the resilience of Ecuadorian landscape to global change. For the intended model set up we will couple the Catchment Modeling Framework, the biogeochemical LandscapeDNDC model and semi-empirical models for aquatic diversity. Global change scenarios will then be analyzed to capture the likely reaction of functional indicators. Finally, we will contribute to the written guidelines for developing a comprehensive monitoring program for biodiversity and ecosystem functions. Right from the beginning we will cooperate with four SENESCYT companion projects and three local non-university partners to ensure that the developed monitoring program will be appreciated by locals and stakeholders. Monitoring and modelling will focus on all three research areas in the Páramo (Cajas National Park), the dry forest (Reserva Laipuna) and the tropical montane cloud forest (Reserva Biologica San Francisco).

Paläoklima und -Produktivität im küstennahen Auftriebsgebiet vor Namibia in den letzten 4000 Jahren

Die Arbeiten an anaeroben Sedimenten aus dem küstennahen Auftriebsgebiet vor Namibia haben zum Ziel, einen hochauflösenden Klimaproxyrekord für die letzten 4000 Jahre zu erstellen. Isotopengeochemische, organisch und anorganisch geochemische sowie floristische (Diatomeen) und faunistische (Fischschuppen) Datensätze mit einer durchschnittlichen Probenauflösung weniger als 10 Jahre werden erhoben, um die klimabedingten Variationen des Auftriebsgeschehens und die daraus abgeleiteten Schwankungen im Ökosystem (Diatomeen, Fischpopulationen) zu rekonstruieren. Die angewendeten Variablen wie Tonmineralogie und Elementzusammensetzung der Sedimente stehen hier für Fluktuationen in den Einträgen von windtransportiertem Material. Als Proxies für Variationen des physikalischen Auftriebs werden AlkenonSST und d13C/d18O von planktischen Foraminiferen untersucht. Anhand von Oberflächensedimenten und datierten Kurzkernen, die auf der Meteorexpedition M48 gewonnen wurden, soll mit denselben Proxies die Eichung der Kerndaten anhand der heutigen Bedingungen und historisch überlieferten Variationen von Fischfängen und Klimadaten erfolgen. Als Ziel der Arbeiten stehen neue Erkenntnisse zu dekadischen klimabedingten Variationen des Auftriebsgeschehens und deren Auswirkungen auf das marine Ökosystem. Es werden neue Erkenntnisse erwartet, die ein besseres Verständnis für das Zusammenwirken von physikalischer und biologischer Umwelt in Hinblick auf dekadische Klimavariabilität ermöglichen.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1374: Biodiversitäts-Exploratorien; Exploratories for Long-Term and Large-Scale Biodiversity Research (Biodiversity Exploratories), Teilprojekt: Funktionale Partitionierung der prokaryotischen Diversität unter verschiedenen Landnutzungsregimes

Die Kopplung zwischen drei dominanten Gruppen von Bodenbakterien (Acidobacteria, Actinobacteria, Alphaproteobacteria), Pflanzen, Bodenbedingungen und Landnutzung soll aufgeklärt werden. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf (1) die Dynamik der funktionellen Kopplung zwischen aktiven Rhizosphärenbakterien und Pflanzen, (2) die spezifischen Funktionen von individuellen Bakterien beim Abbau von Wurzelexsudaten, Pflanzenstreu und Tierkadavern/Dung sowie (3) der zeitlichen Stabilität von mikrobiellen Gemeinschaften in der Rhizosphäre und nicht-durchwurzeltem Boden der Exploratorien. Die funktionelle Koppelung der Bakterien über den Kohlenstofffluss soll zeitlich hochaufgelöst mittels 13C-Pulsmarkierung von Wurzelexsudaten durch Captured RNA Isotope Probing (CARIP), sowie durch den Vergleich der Exsudatprofile mit der Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaften mittels Hochdurchsatzsequenzierung aufgeklärt werden. Die individuelle funktionelle Rolle der Bakterien wird anhand der Aufnahme 13C-markierter Substrate mit nachfolgender Identifizierung der aktiven Phylotypen durch Stabile Isotopenbeprobung von RNA (SIP) sowie metagenomische und metatranskriptomische Ansätze untersucht. Die kurzfristigen Veränderung in der Zusammensetzung der Rhizosphärenbakterien und die jeweiligen Einflussgrößen werden analysiert. Langfristigere Effekte werden anhand von Hochdurchsatzsequenzierungen von 3 Probensätzen, die einen Zeitraum von 6 Jahren abdecken, ermittelt. Dies bietet die Gelegenheit, langfristigere Trends mit Änderungen in den Umweltparametern und in der Landnutzung zu analysieren.

Hochaufgelöstes Paläoklima am Alpensüdrand

Höhlensinter, so genannte Speläotheme, stellen ein im Vergleich zu See-Ablagerungen, Tiefsee-Sedimenten oder Baumringen relativ neues Paläoklima-Archiv dar, an dem unsere Arbeitsgruppe an der Leopold-Franzens-Universität Innsbruck seit einigen Jahren mit Erfolg forscht. Mit dem vorliegenden Antrag soll eine Teiluntersuchung im Rahmen einer bereits seit Jänner 2005 laufenden Dissertation an einer steirischen Höhle, dem Katerloch bei Weiz, erfolgreich zu Ende geführt werden können. Diese Höhle - viele Jahre lang nicht zugänglich - ist vermutlich die tropfsteinreichste Höhle Österreichs. Interessanterweise sind die allermeisten dieser eindrucksvollen, bis 6 m hohen Formationen aber heute nicht mehr aktiv, d.h. ihr Wachstum steht still. Die Ausscheidung von Kalzit - das in-die-Höhe-Wachsen eines Stalagmiten - ist ursächlich an die Menge an Grundwasser gebunden ist, das durch feine Risse in den Höhlenraum tropft und seinen Ursprung im Niederschlag hat, der auf dem Gebiet oberhalb der Höhle fällt. So gesehen können Tropfsteine bzw. deren Wachstumsabschnitte als Maß für die Änderungen der Niederschlagsmenge verwendet werden. Das Katerloch bietet die Möglichkeit, diese Rekonstruktion des Niederschlages vergangener Jahrtausende und Jahrzehntausende in sehr hoher Auflösung zu erforschen, da die Stalagmite aus dieser Höhle eine feine regelmäßige Schichtung aufweisen, die nach bislang vorliegenden absoluten Altersbestimmungen jährlichen Ursprungs ist. Mit diesen Untersuchungen können somit wertvolle Beiträge zur Frage der natürlichen Klima-Änderungen am Alpensüdrand gemacht werden, die mit anderen Archiven kaum bzw. überhaupt nicht erzielt werden können.

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