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.
Chlorinated ethylenes are prevalent groundwater contaminants. Numerous studies have addressed the mechanism of their reductive dehalogenation during biodegradation and reaction with zero-valent iron. However, despite insight with purified enzymes and well-characterized chemical model systems, conclusive evidence has been missing that the same mechanisms do indeed prevail in real-world transformations. While dual kinetic isotope effect measurements can provide such lines of evidence, until now this approach has not been possible for chlorinated ethylenes because an adequate method for continuous flow compound specific chlorine isotope analysis has been missing. This study attempts to close this prevalent research gap by a combination of two complementary approaches. (1) A novel analytical method to measure isotope effects for carbon and chlorine. (2) A carefully chosen set of well-defined model reactants representing distinct dehalogenation mechanisms believed to be important in real-world systems. Isotope trends observed in biotic and abiotic environmental dehalogenation will be compared to these model reactions, and the respective mechanistic hypotheses will be confirmed or discarded. With this hypothesis-driven approach it is our goal to elucidate for the first timdehalogenation reactions.
The relevance of biogeochemical gradients for turnover of organic matter and contaminants is yet poorly understood. This study aims at the identification and quantification of the interaction of different redox processes along gradients. The interaction of iron-, and sulfate reduction and methanogenesis will be studied in controlled batch and column experiments. Factors constraining the accessibility and the energy yield from the use of these electron acceptors will be evaluated, such as passivation of iron oxides, re-oxidation of hydrogen sulfide on iron oxides. The impact of these constraints on the competitiveness of the particular process will then be described. Special focus will be put on the evolution of methanogenic conditions in systems formerly characterized by iron and sulfate reducing condition. As methanogenic conditions mostly evolve from micro-niches, methods to study the existence, evolution and stability of such micro-niches will be established. To this end, a combination of Gibbs free energy calculations, isotope fractionation and tracer measurements, and mass balances of metabolic intermediates (small pool sizes) and end products (large pool sizes) will be used. Measurements of these parameters on different scales using microelectrodes (mm scale), micro sampling devices for solutes and gases (cm scale) and mass flow balancing (column/reactor scale) will be compared to characterize unit volumes for organic matter degradation pathways and electron flow. Of particular interest will be the impact of redox active humic substances on the competitiveness of involved terminal electron accepting processes, either acting as electron shuttles or directly providing electron accepting capacity. This will be studied using fluorescence spectroscopy and parallel factor analysis (PARAFAC) of the gained spectra. We expect that the results will provide a basis for improving reactive transport models of anaerobic processes in aquifers and sediments.
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.
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.
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.
Es ist dringend erforderlich, die relevanten hydrologischen Prozesse in montanen mediterranen Einzugsgebieten zu verstehen, um deren potentielle Änderungen in ihren Funktionen für die Wasserversorgung durch den Klimawandel und Landnutzungsänderungen zu kennen. Daher möchte ich zusammen mit meiner Gastinstitution, dem IDAEA-CSIC in Barcelona, untersuchen, wie die Vegetation, die Böden und das Grundwasser das Speichern, die Mischung, die Abflussbildung, sowie die Evapotranspiration in dem Einzugsgebiet Vallcebre im Nordosten Spaniens beeinflussen. Die Forscher des IDAEA -CSIC haben hydrometrische Daten und stabile Isotope (d2H, d18O) der verschiedenen hydrologischen Kompartimente des Einzugsgebiets gesammelt. Somit liegen Informationen über den Freiland- und Bestandniederschlag, Stammabfluss, Bach- und Grundwasser, sowie Wasser im Boden und der Vegetation vor. Ich plane, diesen umfangreichen Datensatz zur Bestimmung der Verweilzeiten mit neue Methoden anzuwenden, damit sich unser Verständnis von Wasserfluss und Stofftransport in Einzugsgebieten verbessert. Ich werde zunächst testen, wie mittels 'StorAge Selection functions' (Rinaldo et al. 2015) die Dynamik der Verweilzeiten des Abflusses und der Evapotranspiration beschrieben werden können. Des Weiteren habe ich als Ziel die neuen Konzepte der 'young water fraction' (Kirchner 2016) and 'new water fraction' (Kirchner 2017) anzuwenden, um besser die kurzfristige Komponente der Verweilzeiten beschreiben zu können. Diese Methoden sind noch nicht für Mediterrane Einzugsgebiete getestet worden, aber der umfangreiche Datensatz für die Vallcebre Einzugsgebiete ermöglicht die Untersuchung aktueller Fragen der Einzugshydrologie: Können Studien zur Verweilzeit verbessert werden mit höherer Rate der Probennahme von Niederschlag und Abfluss? Wie wirken sich neu erschlossene Daten über Bestandsniederschlag, Stammabfluss, Wurzelwasseraufnahme oder Bodenwasserfluss auf die Analysen aus? Zuletzt werde ich die Information von Tiefenprofilen der Isotopenzusammensetzung von Porenwasser einbeziehen, um hydrologische Modelle zu testen und die Verweilzeiten im Boden mit der Verweilzeit des Einzugsgebietsabflusses in Bezug zu setzen. Letzteres baut auf meine Dissertation und derzeitiger Postdoc-Studien auf.
Die vorgeschlagene Arbeit zielt darauf ab, das Ozeanographen-Toolkit zur Quantifizierung der Skelettniederschlagsraten in Meeresumgebungen zu verbessern und Veränderungen in der Ökosystemstruktur und -funktion über sehr große räumliche Skalen zu bewerten. Dies basiert auf der Analyse von Veränderungen in der Meerwasserchemie, die durch die Aufnahme von wichtigen Elementen durch verschiedene Meeresorganismen während des Biomineralisierungsprozesses hervorgerufen werden, und der Freisetzung dieser Elemente bei der Auflösung von Skeletten. Der Ansatz nutzt die unterschiedlichen Tendenzen verschiedener Skelettbildungsorganismen, um kleinere Bestandteile in ihre Skelette aufzunehmen. Die Analyse der Konzentrationen der Hauptelemente Kalzium, Strontium, Lithium und Fluor erfolgt entlang von vier langen Ozeantransekten im Atlantik und im Pazifischen Ozean, die auf die Konzentrationen und Isotopenverhältnisse einer großen Anzahl von Spurenelementen, Nährstoffen, Karbonatsystemparametern und Hydrographie analysiert wurden oder werden. Das Vorhandensein der Spurenelementdaten neben den Hauptelementdaten ermöglicht die Quantifizierung der wichtigsten Elementeinräge und den Austrag durch Grenzquellen und Senken (wie Flüsse, hydrothermale, Staub und Sedimente), wodurch Korrekturen der Major-Elementdaten zur Berücksichtigung von Flüssen aus dem Ökosystem ermöglicht werden. Dieses Wissen wird zur Beurteilung des Zustands der marinen Ökosysteme genutzt und kann als Grundlage für Veränderungen dienen, die bei zukünftigen Bewertungen beobachtet werden. Die Anwendung dieses Instruments auf wiederholte räumliche oder zeitliche Untersuchungen wird eine groß angelegte Bewertung des Fortschritts der Auswirkungen der Versauerung der Ozeane auf die Häufigkeit von Kalkbildungsorganismen ermöglichen.
Im Rahmen des hier beantragten 12-monatigen Aufenthalt bei Prof. Dr. T. Dawson werde ich verschiedene Einsatzmöglichkeiten von stabilen Isotopen zum mechanistischen Verständnis von Prozessen in der Ökophysiologie/Baumphysiologie erlernen. Besonderer Schwerpunkt wird hierbei auf dem Studium biotischer Interaktionen und Stoffumsätze im Boden liegen. Anhand von eigenem Probenmaterial aus bereits abgeschlossenen Experimenten werde ich mir zunächst die Probenaufarbeitung, Verwendung der Massenspektrometer und Dateninterpretation von Grund auf aneignen. Während eines etwa vierwöchigen Aufenthalts bei Dr. C. Andersen werde ich in die Handhabung einer Messvorrichtung für unterirdische Untersuchungen an jungen Bäumen eingeführt. Diese 'mycocosms' werden anschließend für die in Berkeley geplanten Versuche eingesetzt. Mit Hilfe der stabilen Isotope 13C und 15N und Messungen der Bodenatmungsraten werden der Fluss an neu fixiertem C von den Blättern in den Boden, der C-Umsatz dort quantifiziert sowie die N- und C-Allokation erfaßt. Die Experimente dienen dem mechanistischem Verständnis qualitativer und quantitativer Änderungen dieser Allokations- und Umsatzprozesse durch Mykorrhizapilze und Konkurrenzinteraktionen. Die erlernten Methoden werden nach Beendigung des Auslandsstipendiums in Deutschland im Rahmen von Projekten eingesetzt, die sich mit der Konkurrenz zwischen Buche und Fichte beschäftigen.
Als Teil der globalen thermohalinen Zirkulation transportiert das Antarktische Zwischenwasser (AAIW) Wärme und Salz, es belüftet die intermediären Tiefen des Ozeans, und verteilt Nährstoffe aus dem Südozean (SO) in die nährstoffarmen Tropen. AAIW ist daher von globaler Bedeutung für die marine Biogeochemie und den Kohlenstoffkreislauf. Die Bildung des AAIW ist direkt an die Intensität des Auftriebs von Zirkumpolarem Tiefenwasser im SO gekoppelt und wird moduliert von den Westwinden und saisonaler Aussüßung durch Meereisexport und -abschmelzen. Obwohl es unbestritten ist, dass Transport und Zusammensetzung von AAIW eine wichtige Rolle für die ozeanischen und klimatischen Änderungen der letzten Deglaziation spielten, gibt es bisher nur wenige längere Aufzeichnungen der AAIW-Variabilität. Obwohl noch immer kontrovers, gibt es basierend auf Proxy-Daten zunehmende Einigkeit über einen anhaltenden oder nur leicht abgeschwächten AAIW-Export im Atlantik während des letzten glazialen Maximums. Neodym(Nd)-Isotopendaten, die eine größere und schnelle Variabilität nahelegten, wurden inzwischen sedimentären Überprägungen identifiziert, ein Problem, das auf den kontinentalen Schelfen, von denen diese Daten überwiegend stammen, kaum vermeidbar ist. Um diese Effekte zu umgehen und ein Verständnis der AAIW-Variabilität auf langen Zeitskalen zu erlangen, schlagen wir eine neue Studie vor, die nur Bohrkerne von Lokationen im offenen Ozean im Südatlantik (DSDP Site 516), dem Südostpazifik (ODP Site 1236) und der Tasmansee (DSDP Site 592 und IODP Site U1510) nutzt. Diese Sedimente weisen zwar niedrige Sedimentationsraten auf, vorläufige Daten zeigen aber die erwartete Amplitude benthischer O- und C-Isotopen im Zwischenwasser. Die Sedimente waren durchweg oxisch, was die verlässliche Anwendung von Nd-Isotopen und Seltenerdelement-Proxies für die Wassermassenrekonstruktion erlaubt. Diese Daten werden O- und C- Isotopendate benthischer Foraminiferen und von Spurenmetallproxies für Temperatur (Mg/Ca, Li/Mg) und Nährstoffgehalt (Cd/Ca) vervollständigen. Nach Etablierung einer benthischen Isotopenstratigraphie für jeden Bohrkern sollen glazial-interglaziale Schlüsselintervalle vor, während und nach dem Mittelpleistozänen Übergang (MPT) auf alle Proxies analysiert werden. Diese Aufzeichnungen der Variabilität der Quellen des AAIW, des Nährstoffgehalts und der Temperatur werden die letzten 1,5 Millionen Jahre in verschiedenen Becken abdecken. Dies wird neue Einsichten in die Rolle liefern, die die AAIW-Variabilität für die globale Umwälzzirkulation gespielt hat, die den SO mit den niedrigen Breiten verbindet, wie die Ozeanzirkulation auf Änderungen orbitaler Parameter der Eisschilde reagierte, und welchen Einfluss dies auf den Kohlenstoffkreislauf an glazialen Terminationen des Pleistozäns hatte.
| Origin | Count |
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