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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.

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.

Dynamik des Kohlenstoff- und Nährstofferwerbs ökologisch relevanter Phytoplankter

Das Verhalten von Mikroalgen unter verschiedenen Umgebungsbedingungen wird durch eine Vielzahl miteinander gekoppelter chemischer Stoffumwandlungen innerhalb der Algenzelle sowie durch zahlreiche Stoffflüsse in die Zelle hinein und aus der Zelle heraus bestimmt. Ein mechanistisches Verständnis der Effekte von CO2 und Nährstofflimitation auf Phytoplankton kann nur mit Hilfe mathematischer Modelle gewonnen werden, die die dynamischen Eigenschaften der untersuchten Prozesse zum Gegenstand haben. Im Mittelpunkt des vorliegenden Forschungsvorhabens steht die experimentelle Charakterisierung und die mathematische Modellierung solcher Prozesse, die für die Wachstumsraten und die isotopischen Zusammensetzung von Mikroalgen von hervorgehobener Bedeutung sind. Im Zusammenhang mit der isotopischen Zusammensetzung soll untersucht werden, ob und unter welchen Bedingungen sich das Isotopenverhältnis 13C/12C im Phytoplankton auf eine mögliche Rekonstruktion von PaläoCO2-Gehalten anwenden lässt

The effect of elevated atmospheric CO2 concentration on gross nitrogen dynamics, plant N-uptake and microbial community dynamics in a permanent grassland

To predict ecosystem reactions to elevated atmospheric CO2 (eCO2) it is essential to understandthe interactions between plant carbon input, microbial community composition and activity and associated nutrient dynamics. Long-term observations (greater than 13 years) within the Giessen Free Air Carbon dioxide Enrichment (Giessen FACE) study on permanent grassland showed next to an enhanced biomass production an unexpected strong positive feedback effect on ecosystem respiration and nitrous oxide (N2O) production. The overall goal of this study is to understand the long-term effects of eCO2 and carbon input on microbial community composition and activity as well as the associated nitrogen dynamics, N2O production and plant N uptake in the Giessen FACE study on permanent grassland. A combination of 13CO2 pulse labelling with 15N tracing of 15NH4+ and 15NO3- will be carried out in situ. Different fractions of soil organic matter (recalcitrant, labile SOM) and the various mineral N pools in the soil (NH4+, NO3-, NO2-), gross N transformation rates, pool size dependent N2O and N2 emissions as well as N species dependent plant N uptake rates and the origin of the CO2 respiration will be quantified. Microbial analyses will include exploring changes in the composition of microbial communities involved in the turnover of NH4+, NO3-, N2O and N2, i.e. ammonia oxidizing, denitrifying, and microbial communities involved in dissimilatory nitrate reduction to ammonia (DNRA). Stable Isotope Probing (SIP) and mRNA based analyses will be employed to comparably evaluate the long-term effects of eCO2 on the structure and abundance of these communities, while transcripts of these genes will be used to target the fractions of the communities which actively contribute to N transformations.

Schwerpunktprogramm (SPP) 527: Bereich Infrastruktur - International Ocean Discovery Program, Teilprojekt: Entwicklung eines 3,5 Millionen Jahre langen Index der Dipolvariabilität im Indischen Ozean

Der Indische Ozean Dipol (IOD) ist der bestimmende Modus der jährlichen Variabilität der Meeresoberflächentemperaturen (SST) im tropischen Indischen Ozean. Der IOD repräsentiert warme (positive) und kalte (negative) SST-Schwankungen zwischen dem westlichen und östlichen Teil des Indischen Ozeans. Vom IOD verursachte extreme Klimaereignisse (z.B: Dürren in Australien, Überschwemmungen in Ostafrika) werden, angetrieben durch die Zunahme von Treibhausgasen, voraussichtlich in Zukunft häufiger auftreten. Trotz potentiell tiefgreifender Auswirkungen auf die angrenzenden Regionen mit mehr als 2 Milliarden Einwohnern ist die die postulierte Sensitivität des IOD gegenüber CO2 Variationen unzureichend erforscht. Hier könnte die Erforschung der IOD-Variabilität während geologischer Zeitintervalle mit höheren CO2-Gehalten einen wichtigen Beitrag leisten. Bisher fehlen jedoch geeignete paläoklimatologische Datensätze aus der Kernregion des IOD im Indischen Ozean weitgehend.Das vorgeschlagene Projekt zielt darauf ab, IOD-Veränderungen während der letzten 3,5 Millionen Jahre mittels eines neuen IOD-Proxies zu entschlüsseln. Dieser Zeitraum war durch erhebliche Schwankungen im globalen CO2-Gehalt gekennzeichnet und umfasst die Spät-Pliozäne Warmphase, die als Analogon für den künftigen Klimawandel gilt. Im Zentrum dieses Projekts steht die Hypothese, dass IOD-bedingte Schwankungen der Oberflächenwinde die tiefe meridionale Umwälzungszirkulation im Indischen Ozean beeinflussen. Basierend auf rezenten Beobachtungsdaten verursacht die Schwächung (Verstärkung) des Ekman-Transports während positiver (negativer) IOD-Phasen eine geringere (verstärkte) Belüftung des Tiefwasserregimes und folglich ein Aufsteigen (Absinken) der Lysokline. Diese neuen hydrografischen Erkenntnisse eröffnen somit einen völlig neuen Weg für die Erforschung vergangener IOD-Veränderungen. Daher zielt dieses Projekt darauf ab, Änderungen der Tiefenwasserbelüftung im westlichen Indischen Ozean als Index für die IOD-Variabilität heranzuziehen. In diesem Projekt sollen daher speziell zwei Hypothesen getestet werden:1) Karbonatlösungsszyklen sind Indikatoren für Veränderungen der Tiefenwasserbelüftung im westlichen Indischen Ozean und repräsentieren ein Maß für die Intensität des IOD,2) Die Amplitude des IOD ist linear korreliert mit Änderungen des globalen CO2-Gehalts.Um die Variabilität der Tiefwasserventilation in hoher zeitlicher Auflösung zu entschlüsseln, wird der Sedimentkern ODP 709 aus dem westlichen äquatorialen Indischen Ozean, einer Schlüsselregion des IOD, untersucht. Dabei werden Daten aus zeitlich hochaufgelösten XRF-Messungen mit stabilen Isotopen und Mg/Ca-basierend Meeresoberflächentemperaturen anhand von benthischen und planktischen Foraminiferen kombiniert. Die Synthese der gesammelten Daten erlaubt die Entwicklung deines Vergleichsindex der IOD-Variabilität für die letzten 3,5 Millionen Jahre.

Raman-Mikroskop mit Laser-Tracking

Ziel unserer Arbeiten ist der Schutz der Wasserressource Grundwasser. Dazu wollen wir die ökologischen Prozesse aufklären, die zu Schadstoffabbau führen oder auch Abbau von organischen Schadstoffen limitieren. Das Ramanmikroskop wird benötigt um Stoffumsätze und metabolische Prozesse von Mikroorganismen auf der Einzelzellebene untersuchen und abbilden zu können. Damit soll eine neue Ebene von ökologischen Studien ermöglicht werden, bei der die phylogenetische Klassifizierung von Mikroorganismen mit Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) mit der Aktivitätsanalyse durch Einbau stabiler Isotope (13C, 2H) in Biomasse kombiniert werden kann. Mit diesen innovativen Methoden sollen Kohlenstoffflüsse durch mikrobielle Gemeinschaften auf der Einzelzellebene analysiert werden. Weiterhin kann allgemeine metabolische Aktivität gemessen werden. Damit sollen z.B. in Biofilmen oder sonstigen mikrobiellen Gemeinschaften aktive Zellen identifiziert werden. Dieses kann unspezifisch über den Einbau von deuteriertem Wasser oder spezifisch durch Einbau von 13C in die Biomasse nach Abbau von 13C-markierten Substanzen erfolgen. Bisher wurden Abbauprozesse hauptsächlich in größeren Skalen untersucht, wobei aber wichtige Schlüsselprozesse und Limitationen zwangsläufig übersehen wurden. Wir wollen diese Lücke mit neuen Einzelzelluntersuchungen füllen und Gesetzmäßigkeiten für den mikrobiellen Schadstoffabbau ableiten.

Dynamik der Verweilzeiten von Wasser in Mediterranen Einzugsgebieten und deren ökohydrologischen Auswirkungen in einer sich wandelndem Umwelt

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.

Wechselwirkungen zwischen saisonale arktische Meereisprozessen und Stabilität der Halokline – auf dem Weg zum Verständnis arktischer Gas- und Stoffflüsse

In Folge des globalen Klimawandels hat sich die Meereisdecke in der Arktis dramatisch verändert. Im derzeitigen Zustand spielt die arktische Eisdecke eine wichtige Rolle; so schirmt sie das Oberflächenwasser, die sogenannte arktische Halokline (Salzgehaltsschichtung), von der Erwärmung durch die sommerliche Sonneneinstrahlung ab. Zudem wird die Halokline durch die Salze, welches beim Gefrierprozess des Meerwassers aus der Kristallstruktur austritt, gebildet und stabilisiert. Gleichzeitig wirkt die Halokline als Barriere zwischen der Eisdecke und dem darunter liegenden warmen atlantischen Wasser und trägt so zum Erhalt der arktischen Meereisdecke bei. Dieses Gleichgewicht ist nun durch die insgesamt wesentlich dünnere arktische Meereisdecke und ihre verringerte sommerliche Ausdehnung gestört. Im Meerwasser sind zudem Gase und biogeochemisch wichtige Spurenstoffen enthalten. Diese werden durch die Gefrierprozesse eingeschlossen, beeinflusst und wieder ausgestoßen. So beeinflusst die Meereisdecke die Gas- und Stoffflüsse zwischen Atmosphäre, Eis und oberer Wasserschicht. Durch die Eisbewegung findet außerdem ein Transport statt z.B. in der sogenannten Transpolarendrift von den sibirischen Schelfgebieten, über den Nordpol, südwärts bis ins europäische Nordmeer. Nun wird mit den weitreichenden Veränderungen des globalen und arktischen Klimawandels bereits von der „neuen Arktis“ gesprochen, da angenommen wird, dass sich die Arktis bereits in einem neuen Funktionsmodus befindet. Dabei ist jedoch weitgehend unbekannt wie dieses neue System funktioniert, sich weiterentwickelt und wie sich dies auf die Eisbildungsprozesse und damit die Stabilität der Halokline und die damit verbundenen Gas- und Stoffflüsse auswirkt. Für solche Untersuchungen werden über den Jahresverlauf Proben der oberen Wassersäule und der Eisdecke benötigt. Ermöglicht wird dies durch die wissenschaftliche Initiative MOSAiC. Mithilfe der stabilen Isotope des Wassers (?18O und ?D) aus dem Eis und der Wassersäule kann Rückschlüsse auf die Herkunftswässer und den Gefrierprozess gezogen werden und diese Ergebnisse sollen in direkten Zusammenhang mit Gas- und biogeochemischen Stoffuntersuchungen (aus Partnerprojekten) gesetzt werden. Dabei können z.B. Stürme, Schmelzprozesse, Schneebedeckung, Teichbildung und Alterungseffekte des Eises eine Rolle spielen. Untersucht wird parallel die Veränderung der Wassersäule welche z.B. durch Wärmetransport, wiederum die Eisdecke beeinflussen kann.Diese prozessorientierten Untersuchungen der saisonalen Eisbildungsprozesse in Eis und Wassersäule der zentralen Arktis, werden einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Stabilität der arktischen Halokline und der arktischen Gas- und Stoffflüsse liefern. Da sich die Gase und Stoffe nicht-konservativ verhalten, während die Isotope im Gefrierprozess konservativ sind, erwarten wir aus der Diskrepanz wiederum wichtige Informationen z. B. über wiederholtes Einfrieren von Süßwasserbeimengungen ableiten zu können.

Biogeochemie von Spurenmetallen und deren Isotopen im äquatorialen pazifischen Ozean und deren Wechselwirkungen mit der Bioproduktivität

Sind permeable Sedimente in Küstengebieten Hotspots für die Bildung von nicht-flüchtigem gelöstem organischem Schwefel (DOS) im Meer?

Organische Schwefelkomponenten sind abundant in marinen Sedimenten. Diese Verbindungen werden v.a. durch die abiotische Reaktion anorganischer Schwefelverbindungen mit Biomolekülen gebildet. Wegen seiner Bedeutung für globale Stoffkreisläufe, für die Nutzung von Erdöllagerstätten und für die Erhaltung des Paleorecords, gibt es eine Vielzahl von Studien zum Thema. Sehr wenig Aufmerksamkeit wurde allerdings wasserlöslichen Komponenten geschenkt, die beim Prozess der Sulfurisierung entstehen und als gelöster organischer Schwefel (DOS) in die Meere gelangen können. Anhand der wenigen verfügbaren Informationen ist Schwefel vermutlich das dritthäufigste Heteroelement im gelösten organischen Material (DOM) der Meere, nach Sauerstoff und Stickstoff. Einige Schwefelverbindungen, insbesondere Thiole, sind für die Verbreitung von Schadstoffen aber auch essenzieller Spurenstoffe verantwortlich. Wichtige klimarelevante Schwefelverbindungen entstehen aus DOS. Daher spielt der marine DOS-Kreislauf eine Rolle für die Meere und Atmosphäre. Trotz seiner Bedeutung sind die Quellen marinen DOS, seine Umsetzung im Meer und Funktion für Meeresbewohner unbestimmt. Auch ist die molekulare Zusammensetzung von DOS unbekannt. In diesem Projekt werden wir Pionierarbeit in einem neuen Forschungsfeld der marinen Biogeochemie leisten. Wir wollen grundlegende Fragen bzgl. der Bildung und Verteilung von nicht-flüchtigem DOS im Meer beantworten. Unsere wichtigsten Hypothesen:* Bildung von DOS:(1) Sulfatreduzierende Sedimente sind wesentlich für die Bildung von DOS.(2) Reduzierte Schwefelverbindungen (v.a. Thiole) dominieren in Zonen der DOS-Entstehung.(3) DOS wird v.a. über abiotische Sulfurisierung in der Frühdiagenese gebildet.* Transport und Schicksal von DOS im Ozean:(4) DOS wird von sulfat-reduzierenden intertidalen Grundwässern an das Meer abgeben.(5) In der Wassersäule oxidiert DOS schnell (z.B. zu Sulfonsäuren).(6) DOS aus intertidalen Sedimenten ist in oxidierter Form auf den Kontintentalschelfen stabil.Neben dem wissenschaftlichen Ziel der Beantwortung dieser Hypothesen, wird das Projekt drei Promovierenden (eine in Deutschland und zwei in Brasilien) die außergewöhnliche Gelegenheit bieten, ihre Doktorarbeiten im Rahmen eines internationalen Projektes durchzuführen. Wir werden die Stärken beider Partner in Feld- und Laborstudien und Elementar-, Isotopen- und molekularen Analysen kombinieren. Wir werden unterschiedliche Regionen im deutschen Wattenmeer und in brasilianischen Mangroven (Rio de Janeiro and Amazonien) beproben, sowie die benachbarten Schelfmeere. Sulfurisierungsexperimente werden die Feldstudien ergänzen. Zur quantitativen Bestimmung und molekularen Charakterisierung von DOS werden wir neue Ansätze anwenden, die von den beiden Arbeitsgruppen entwickelt wurden. Dabei kommen u.a. ultrahochauflösende Massenspektrometrie (FT-ICR-MS), und andere massenspektrometrischen und chromatographischen Methoden zu Anwendung.

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