Atmospheric CO2 concentrations present a repetitive pattern of gradual decline and rapid increase during the last climate cycles, closely related to temperature and sea level change. During the Last Glacial Maximum (LGM; 23-19 kyr BP), when sea level was ca. 120 m below present, the ocean must have stored additionally about 750 Gt carbon. There is consensus that the Southern Ocean represents a key area governing past and present CO2 change. The latter is not only of high scientific but also of socio-economic and political concern since the Southern Ocean provides the potential for an efficient sink of anthropogenic carbon. However, the sensitivity of this carbon sink to climate-change induced reorganizations in wind patterns, ocean circulation, stratification, sea ice extent and biological production remains under debate. Models were not yet able to reproduce the necessary mechanisms involved, potentially due to a lack of the dynamic representation/resolution of atmospheric and oceanic circulation as well as missing carbon cycling. Data on past Southern Ocean hydrography and productivity are mainly from the Atlantic sector, thus do not adequately document conditions in the Pacific sector. This sector is not only the largest part of the Southern Ocean, but it also represents the main drainage area of the marine-based West Antarctic Ice Sheet (WAIS). In the proposed study we aim to generate paleo-data sets with a newly established proxy method from sediment core transects across the Pacific Southern Ocean. This will enhance the baselines for the understanding and modeling of the Southern Ocean's role in carbon cyling, i.e. ocean/atmosphere CO2 exchange and carbon sequestration. It will also allow insight into the response of the WAIS to past warmer than present conditions. Paired isotope measurements (oxygen, silicon) will be made on purified diatoms and radiolarians to describe glacial/interglacial contrasts in physical and nutrient properties at surface and subsurface water depth. This will be used to test (i) the impact of yet unconsidered dust-borne micronutrient deposition on the glacial South Pacific on shifts of primary productivity, Si-uptake rates and carbon export, (ii) the 'silicic-acid leakage' hypothesis (SALH) and (iii) the formation and extent of surface water stratification. Diatom and radiolarian oxygen isotopes will provide information on the timing of surface ocean salinity anomalies resulting from WAIS melt water. Climate model simulations using a complex coupled atmosphere ocean general circulation model (AOGCM) in combination with a sophisticated ocean biogeochemical model including Si-isotopes will be used for comparison with the paleo records. The analysis will cover spatial as well as temporal variability patterns of Southern Ocean hydrography, nutrient cycling and air-sea CO2-exchange. With the help of the climate model we aim to better separate and statistically analyse the individual impacts of ocean circulation and bio
Wir erforschen, wie Gase im Boden und im Grundwasser die Umweltbedingungen und die funktionelle Biodiversität der Critical Zone widerspiegeln. Hierzu (1) erforschen wir neue Konzepte für die verstärkte Raman-Gasspektroskopie, zur simultanen online-Quantifizierung einer ganzen Reihe von Gasen im Boden, (2) setzen Messkampanien zur Bestimmung zeitlicher Änderungen der Gaszusammensetzungen und der Isotopie vor Ort im Hainich-Transekt und den Sandstein-Probestellen fort und (3) führen kontrollierte Laborexperimente durch, um Einflüsse von mikrobieller Aktivität, Substratverfügbarkeit, etc. auf die Muster in der Freisetzung und Aufnahme einer Vielfalt von Gasen und Isotopen zu analysieren.
Signifikante Veränderungen hydrologischer Extremereignisse sind zentraler Bestandteil zukünftiger Klimawandelprognosen. Das Verständnis komplexer Wechselwirkungen zwischen Niederschlägen, Wasserspeicherung in Boden und Grundwasser sowie Wasserflüssen im Einzugsgebiet ist eine große Herausforderung in der Ökohydrologie. Die Vegetation spielt dabei eine zentrale Rolle in dem sie 50-70% der terrestrischen Evapotranspiration kontrolliert. Verschiedene Pflanzenarten unterscheiden sich signifikant in ihren Wassernutzungsstrategien. Die Integration solcher Informationen zu artspezifischen Einflüssen auf die Bodeninfiltration und Wurzelwasseraufnahmedynamiken liefern erste Hinweise darauf, wie Bäume Wasser in Richtung ihrer aktiven Wurzelzone leiten können. Dies wird unter zukünftigen klimatischen Bedingungen und bei der Entwicklung von Anpassungsstrategien für eine nachhaltige Waldökosystembewirtschaftung bedeutend. Das Konzept des Wasseralters mittels stabiler Wasserisotopen wird verwendet, um den Beitrag unterschiedlicher Wasserfließwege zum Abfluss und deren Änderungen zu bewerten. Das Wasseralter bietet dabei eine weitere Perspektive, um hydrologische Prozesse besser zu verstehen und Modelle zu optimieren. Jüngste Studien zur Bestimmung von Verweilzeit zeigen, dass besonders die Schnittstellen zwischen den Kompartimenten (z.B. Boden-Atmosphäre oder Boden-Wurzeln) besser berücksichtigt werden muss, um den ökohydrologischen Kreislauf ganzheitlicher zu verstehen. Artspezifische Unterschiede und die komplementäre Ressourcennutzung von Baum-Mischbeständen können dabei Wasserverweilzeiten und -alter im ökohydrologischen Kreislauf verändern. Unsere zentrale Hypothese lautet, dass Artidentität und Wasserkonkurrenz zwischen Baumarten ein Haupttreiber für ökohydrologische Rückkopplungsprozesse zwischen Boden und Bäumen sind. Wir werden unsere zentrale Hypothese in Rein- und Mischbeständen von Tannen und Buchen in einem kombinierten experimentellen (Arbeitspakete (WPs) 1-3) und Modellierungsansatz (WP 4) untersuchen, in dem räumlich hochaufgelöste Messungen von Isotopen sowie hydrometrische und ökophysiologische Messungen mit kontinuierlicher Langzeitüberwachung kombiniert werden, um alle Kompartimente des Wasserkreislaufs des Ökosystems zu quantifizieren. Isotopensignaturen von Wasserflüssen auf natürlichem Niveau werden zunächst über eine neuartige in-situ-Monitoringplattform (SWIP) für ein Jahr (WP 1) beobachtet, um das SWIP-System standortspezifisch zu validieren. In WP 2 werden wir ein Isotopenmarkierungsexperiment durchführen, um die standortspezifische zeitliche Heterogenität der Reaktionszeiten der Ökosystemkompartimente zu quantifizieren, während in WP 3 die Verweilzeiten und das Wasseralter der verschiedenen Kompartimente untersucht werden. WP 4 dient der Modellierung ökohydrologischer Prozesse mittels der erhobenen Daten. Der Fokus wird hier auf der Verbesserung der SWIS-Modellstruktur und der Anpassung an verschiedene Baumstände liegen.
Messungen der Verhältnisse stabiler Isotope in flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) in der Atmosphäre liefern wichtige Informationen über die Quellen, die photochemische Geschichte, die Aufenthaltszeiten und die Bilanzen dieser Verbindungen. Bisherige Studien haben sich ausschließlich mit den Verhältnissen stabiler Kohlenstoffisotope in diesen Verbindungen beschäftigt. Die Untersuchung der Isotopenverhältnisse anderer Elemente kann dazu beitragen, atmosphärische Prozesse noch besser zu verstehen und zu quantifizieren. Am vielversprechendsten sind dabei die Verhältnisse der stabilen Wasserstoffisotope, weil auf Grund des im Vergleich zu Kohlenstoff höheren Masseverhältnisses deutlich ausgeprägter Isotopeneffekte zu erwarten sind. Wir beabsichtigen, die Verhältnisse stabiler Wasserstoff-Isotope in atmosphärischen VOC mit einem Gaschromatograph-Pyrolyse-Isotopenverhältnis-Massenspektrometer (GC-P-IRMS) zu messen. Dazu haben wir eine Methode entwickelt, die auf einer Modifikation der bisherigen Messungen stabiler Kohlenstoff-Isotope in atmosphärischen VOC beruht. Um die für diese Messungen notwendigen Nachweisgrenzen und Reproduzierbarkeiten zu gewährleisten, ist die Anreicherung der VOC aus einer großen Probenmenge (je nach Konzentration der VOC bis zu 200 L Luft) notwendig. Dazu wurde das vorhandene Probenaufbereitungssystem modifiziert. Die Methode ist inzwischen gut charakterisiert. Wir konnten zeigen, dass die Nachweisgrenzen ausreichen, um die in der Atmosphäre erwarteten Änderungen der Isotopenverhältnisse durch chemische und physikalische Prozesse nachweisen zu können. Erste Messungen von VOC aus der Umgebungsluft ergaben vielversprechende Ergebnisse. Es ist geplant, basierend auf den bisherigen Erfahrungen das Anreicherungssystem umzubauen, um eine bessere Reduzierung von Wasser und Kohlendioxid aus der Luftprobe zu erreichen sowie durch die Wahl neuer Adsorbentien die Anreicherung zu optimieren und das Spektrum der messbaren VOC zu erweitern. Parallel dazu werden fehlende kinetische Isotopeneffekte gemessen sowie Quellstudien durchgeführt. Anschließend sollen in einer einjährigen Studie Tages- und Jahresgänge ausgewählter VOC untersucht werden. Parallel dazu sollen bestehende Interpretationsmethoden und Anwendungsmöglichkeiten weiterentwickelt werden. Die vorgeschlagene Methode ist ein empfindliches Werkzeug, um die Quellen von VOC zu identifizieren, photochemische Prozesse sowie den Einfluss von Chemie und Transport auf ihre Verteilung zu untersuchen und ihre Aufenthaltszeiten in der Atmosphäre zu bestimmen. Unseres Wissens gibt es bisher keine Messungen der Verhältnisse stabiler Wasserstoff-Isotope in VOC in der Umgebungsluft. Diese Messungen werden weitere Bausteine zum Verständnis chemischer und physikalischer Prozesse in der Atmosphäre liefern.
Wir planen die Nutzung eines U-Tube-KASMA Systems, welches von Prof. Tullis Onstott (Princeton University) in einem 600 m tiefen Bohrloch installiert wird, das eine aktive Störungszone im Roodepoort Quarzit in 3400 m Tiefe in der 'Moab Khotsong gold mine' antrifft. Das Bohrloch ist Teil des ICDP-finanzierten Projektes DSeis und dient der Beobachtung von seismisch ausgelösten in situ geochemischen und isotopischen Änderungen tiefer Fluide sowie mikrobiellen Aktivitäten. Die Kombination unsers Gas-Monitoring-Systems mit der U-Tube-KASMA Installation ergibt die einmalige Möglichkeit, minimal veränderte Geofluide aus einer tiefen aktiven Störungszone zu beproben.Während seismischer Ereignisse entlang der Verwerfungszone erwarten wir die Freisetzung von Geogasen, insbesondere H2, der als Energiequelle für tiefes mikrobielles Leben dienen kann. Das Geogas (inkl. H2 und O3) sollen kontinuierlich mit spezifischen Sensoren eines portablen gasanalytischen Systems detektiert werden, welches direkt an den Gasseparator des automatischen U-Tube-KASMA angeschlossen ist. Durch die chemische und isotopische Charakterisierung der Fluide vor und nach seismischer Aktivität hoffen wir die Herkunft und Genese von H2 aufklären zu können; letztere beruht auf Spaltung der O-H Bindungen von Wasser. In Kombination mit Daten zur Permeabilität und Porosität der Störungszone werden diese Ergebnisse helfen, verschiedene Migrationsmechanismen des Fluids, vom Entstehungsort bis zum Zielhorizont, zu verstehen. Dabei stellt sich die Frage, ob schwache seismische Ereignisse die Konnektivität isoliert bestehender Fluide durch Bildung neuer Wegsamkeiten erhöhen, oder ob frische Mineraloberflächen für Wasser-Gesteinsreaktionen erzeugt werden, die mechano-chemisch neu synthetisierten H2 freisetzen. Die Echtzeit-Analyse der U-Tube Proben vor Ort kann zeigen, wie schnell Änderungen in der Untergrund Gaschemie aufgrund seismischer Aktivität stattfinden. Ein weiteres Ziel ist die Identifizierung der seismischen Momente und der Abstand und die Orientierung des Erdbebenherdes zur Störungszone und dem Bohrloch. Die Probenahme und Analyse in Isotopen-Laboratorien ermöglicht die Abschätzung, in welchem Ausmaß sich die H/D-Isotopie von H2 und CH4, sowie 13CCO2 und 13CCH4 ändert. Es soll geprüft werden, ob sie aus der gleichen Quelle stammen und ob der Isotopenaustausch zwischen diesen Spezies im thermodynamischen Gleichgewicht ist.Edelgasisotopenmessungen erlauben es, die Residenzzeiten der Kluftfluide zu berechnen und könnten die Frage lösen, ob gemessene H2/He-Verhältnisse mit der berechneten radiolytisch/radiogenen Produktionsrate übereinstimmen. Die Daten der gaschemischen Messungen sind wichtige Eingangsparameter für physikalisch-chemische Modelle zur Beschreibung des geochemischen Verhaltens der Fluide. In Kombination mit seismischen Karten tragen sie zur genaueren Bestimmung des globalen Vorkommens von gas-chemischen Produktionsprozessen in Störungszonen bei.
Dieses Projekt trägt zu Forschungsfragen der IODP Expedition 370: T-Limit of the Deep Biosphere off Muroto bei. Die Temperatur an Site C0023 (Nankai Trog, Japan) steigt bis 1.2 km Tiefe auf ca. 120 Grad C an - das Maximum dessen, was potentiell von Mikroorganismen toleriert werden kann. Nährstoffarme tiefe Sedimente werden wahrscheinlich bei 80-90 Grad C sterilisiert. Ziel der Expedition war es, herauszufinden, wie und gesteuert durch welche Faktoren sich die Mikroorganismen-Vergesellschaftung mit der Tiefe ändert und wo Leben erlischt. Teil des wissenschaftlichen Programms ist die Untersuchung mikrobiell nutzbarer Substrate und eindeutiger geochemischer und mikrobieller Signaturen, die eine Identifizierung von biotischem und abiotischem Bereich bzw. dessen Übergang ermöglichen. Es wurden hochauflösende und präzise Porenwasserdaten gewonnen, die Reaktionsfronten, potentielle mikrobielle Aktivität und hydrothermale Überprägung anzeigen. Ein Teil der Sedimente ist Methan- und Sulfat-frei. Mikrobielle Aktivität hängt also von anderen Elektonenakzeptoren als Sulfat ab. Aktuelle Studien zeigen, dass die klassische Redoxkaskade durch Fe- und Mn-Reduktion in methanführenden Sedimenten ergänzt werden muss und, dass biogeochemische Prozesse in natürlichen Systemen stärker durch Mineralogie als durch eine strikte Abfolge von Reaktionen, die sich aus theoretischen Berechnungen ergibt, bestimmt sind. Fe(III)-Reduktion ist eine der ältesten Formen der mikrobiellen Respiration. Eisenreduzierer können unter hohen T- und Druckbedingungen wachsen, was nahelegt, dass diese einen Großteil der tiefen Biosphäre ausmachen. Fe- und Mn wird in Sedimenten von Lokation C0023 freigesetzt. Durch sequentielle Extraktionen soll aufgezeigt werden, welche Fe- und Mn-Phasen als Elektronenakzeptoren verfügbar sind und wie stark primäre Minerale diagenetisch überprägt wurden. Von besonderem Interesse sind Aschelagen, die an anderer Stelle bereits als Hotspots für mikrobielles Leben identifiziert wurden. Diese sind zahlreich in C0023 Sedimenten und typischerweise reich an Fe und Mn. Mikrobielle Fe-Reduktion führt zu einer Anreicherung von 54Fe im Porenwasser und sich daraus bildenden authigenen Mineralen (z.B. Siderit, Magnetit). Dementgegen führen abiotische Reaktionen mit Sulfid zu einer Anreicherung von 56Fe in der gelösten Phase. Stabile Fe-Isotope von gelöstem Fe2+ und reaktivem Fe in der Festphase sollen genutzt werden, um biologische und abiotische Fe-Reduktion zu unterscheiden. Die d56Fe Signatur wird an Karbonat-gebundenem Fe, der Ferrihydrit+Lepidkrokit-Fraktion, Goethit+Hämatit sowie Magnetit gemessen. Weiterhin soll das Ausmaß der Sulfidisierung, die Auswirkungen auf die Interpretation von Daten zu magnetischen Eigenschaften hat, durch sequentielle Extraktion von Fe-Monosulfiden und Pyrit erfasst werden. Ziel des Projekts ist es, die Rolle von Eisenoxiden für mikrobielle Respiration und entsprechende diagenetische Alterationen in tiefen Sedimenten von Site C0023 zu erfa
Die paläoklimatische und paläozeanographische Entwicklung des nordwestlichen Pazifik (ODP Leg 185) soll auf unterschiedlichen Zeitskalen untersucht und mit Daten aus dem Atlantik versehen werden. Anhand von sedimentologischen, mikropaläontologischen, geochemischen und stabilen Isotopen-Daten sollen Veränderungen der Akkumulationsraten klimatisch und ozeanographisch sensitiver Komponenten dokumentiert werden. Diese sollen mit biostratigraphischen und chemostratigraphischen Methoden sowohl im Hinblick auf die langfristigen zeitlich-räumlichen Trends, als auch mit frequenzanalytischen Methoden hochauflösend analysiert werden. Von besonderem Interesse sind die Intensitäten der atmosphärischen Zirkulation und die marine Produktivität sowie deren räumliche und zeitliche Variabilität. Diese Umwelt-Parameter sind vor allem in der Zusammensetzung der Feinfraktion und in den Akkumulationsraten von äolischem Staub, biogenem Opal und organischem Material überliefert. Der Vergleich mit ausgewählten DSDP/ODP-Sites im Atlantik soll Hinweise auf Zirkulationsregime und Wasseraustausch beider Ozeane geben.
Der Anstieg des Meeresspiegels im Zuge des anthropogenen Klimawandels ist ein aktuelles Thema mit hoher gesellschaftlicher Relevanz. Um den künftigen Meeresspiegelanstieg zuverlässig prognostizieren zu können, ist es erforderlich, kurzfristige Meeresspiegelschwankungen, die dem Tempo des anthropogenen Klimawandels entsprechen, im Detail zu verstehen. Ebenso wichtig ist es, die grundlegenden Mechanismen hinter den niedriger-frequenten Meeresspiegelschwankungen zu verstehen, die den kurzfristigen Schwankung unterliegen. Solche Informationen können aus Intervallen der Erdgeschichte gewonnen werden, die der nahen Zukunft vergleichbare klimatische Rahmenbedingungen aufweisen. Vor diesem Hintergrund befasst sich dieses Projekt mit der Rekonstruktion kurzfristiger (auch für den aktuellen Klimawandel relevanten) Meeresspiegelschwankungen unter erdgeschichtlich wärmeren klimatischen Rahmenbedingungen. Der Untersuchungszeitraum umfasst das späte Pliozän bis frühe Pleistozän (3.35 bis 2.05 Mio Jahre, Marine Isotopenstadien MG1 bis 78), da dieser Zeitabschnitt alle klimatischen Rahmenbedingungen abdeckt, die für das Verständnis des fortschreitenden Klimawandels von Bedeutung sind. Verlässliche, quantitative Rekonstruktionen des Meeresspiegels sollen durch einen neuen, innovativen geochemischen Ansatz basierend auf Sauerstoffisotopen, Mg/Ca Verhältnissen und 'clumped isotopes' erzeugt werden. Hierzu werden Proben benthischer Foraminiferen aus dem östlichen äquatorialen Pazifik untersucht (ODP Site 849). Im Vergleich zur eher konventionellen Sauerstoffisotopen- und Mg/Ca-Methode macht dieser neue integrierte Ansatz einen weiteren notwendigen Schritt hin zu einer möglichst zuverlässigen Meeresspiegelrekonstruktion. Der vorgeschlagene Ansatz wird es erlauben, die Diskrepanzen aktuell verfügbarer Paläo-Meeresspiegelrekonstruktionen, die mehr als 500.000 Jahre zurückreichen, zu erklären. Darüber hinaus wird es durch die hohe zeitliche Auflösung erstmals möglich, die interne Struktur eines Glazials aus dem späten Pliozän/frühen Pleistozän mit der vergleichsweise gut verstandenen internen Anatomie spätpleistozäner Glaziale zu vergleichen.
The biogeochemical interface (BGI) in this project is defined as the organo-mineral surface of soil particles colonized by microorganisms. In the preceding project it was demonstrated that the different soil particle size fractions were associated with specifically structured microbial communities, a characteristic amount of soil organic carbon, and a specific capacity for adsorption of the organic chemicals phenol and 2,4-dichlorophenol, respectively. While the diversity of the microbial community was responsive to fertilization-determined additional organic soil carbon in the larger particle size fractions, it was unaffected in clay. Stable isotope probing with 13C-labelled phenol and 2,4-dichlorophenol revealed that the soil organic carbon in the BGIs also affected the diversity of microorganisms involved in the degradation of these chemicals. All these results are yet only based on studying one soil with three organic carbon variants (Bad Lauchstädt) and only two organic compounds. The objective of this 2nd phase project is to apply the innovative technology developed in the 1st phase for studying the BGI processes with soil organic carbon variants from another soil (Ultuna, SPP 1315 site) and with the chiralic anilide Fungicide metalaxyl as an additional compound. This 2nd phase SPP 1315 project will also, in a collaborative effort with two other SPP 1315 partners, investigate (1) the importance of BGIs for the entantio-selective degradation of metalaxyl and (2) the role of soil microorganisms in the formation of bound residues, respectively. Furthermore, the project will utilize stable isotope probing and next-generation DNA sequencing to link the structural and functional diversity of the microbial communities responsible for metabolism of organic chemicals in the different BGIs determined by particle size fractions and soil organic carbon variants.
| Origin | Count |
|---|---|
| Bund | 881 |
| Land | 1 |
| Wissenschaft | 1 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 881 |
| unbekannt | 2 |
| License | Count |
|---|---|
| offen | 882 |
| unbekannt | 1 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 618 |
| Englisch | 401 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Keine | 533 |
| Webseite | 350 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 774 |
| Lebewesen und Lebensräume | 730 |
| Luft | 622 |
| Mensch und Umwelt | 883 |
| Wasser | 714 |
| Weitere | 883 |