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Chronosequenzielle Veränderungen von Eigenschaften sich selbst-restaurierender, post-agrarischer Albeluvisole der Taiga und Calcisole und Solonetze der trockenen Steppe Russlands, unter besonderer Berücksichtigung der Humusdynamik

In vielen Ländern war die Ackernutzung bis vor kurzem stark im Rückgang begriffen. Landwirtschaftlich genutzte Böden wurden ungenutzt oder sie wurden sich selbst überlassen (Selbst-Restaurierung). Diese Entwicklung kann bei bekanntem und unterschiedlichem Alter sich selbst-restaurierender Böden in Chronosequenzen untersucht werden, was für dieses Forschungsvorhaben vorgeschlagen wird. Da der Anteil sich selbst-restaurierender Böden gerade in Russland besonders groß ist, sollen in diesem Vorhaben die chronosequenziellen Veränderungen von Eigenschaften sich selbst-restaurierender Albeluvisole der Taiga und Calcisole und Solonetze der trockenen Steppe untersucht werden. Es werden Veränderungen der Vegetation und der Bodeneigenschaften in Richtung der natürlichen Ausprägungen erwartet sowie Veränderungen in der Quellen-Senkenfunktion für Kohlenstoff. Während wie bei Selbstrestaurierungen typisch eine Kohlenstoffsenke für die Albeluvisole angenommen werden kann, ist bei den Calcisolen und Solonetzen eher eine Kohlenstoffquelle zu erwarten. In diesem Vorhaben sollen die bei Selbst-Restaurierung erwarteten Veränderungen insbesondere in der Vegetation, Morphologie, im Gefüge, im Nährstoffhaushalt und in der organischen Substanz bezüglich Quantität, Qualität sowie verschiedener Pools bzw. Fraktionen und Assoziationen untersucht werden. Letzteres steht aufgrund der Relevanz hinsichtlich des globalen Kohlenstoffkreislaufs im besonderen Focus dieses Projekts. Um die Dauer der Selbstrestaurierungen bis zum endgültigen Erreichen des natürlichen Bodenzustands und die Verläufe der Selbst-Restaurierungen bei unterschiedlichen Faktorenkonstellationen zu erfassen sollen unterstützend Modellierungen vorgenommen werden.

Beurteilung der Bioabfallverwertung mit Hilfe der CO2-Äquivalenz unter Einbeziehung weiterer Dünger

Ziel des Projektes war die Ermittlung eines vereinfachten ökobilanziellen Ansatzes zum Emissionsvergleich verschiedener Verwertungs- und Entsorgungsoptionen von Bioabfall. Die Vereinfachung sollte über die CO2-Äquivalente erfolgen, da Kohlendioxid bezüglich der Masse die größten Emissionen darstellt und somit gut als maßgebendes Kriterium herangezogen werden kann. Trotz Reduktion, und der damit zwangsläufig verbundenen ungenaueren Emissionsaussage, sollte es möglich sein, verschiedene biologische Prozesse der Abfallbehandlung miteinander zu vergleichen und zu beurteilen. Ziel war es, ein Handwerkszeug zu schaffen, mit dem schnell, einfach und kostengünstig eine Entscheidungshilfe zum 'günstigsten' Weg des Bioabfalls gegeben werden kann. Bei der Verwertung des Bioabfalls zum Kompost wird, anders als bei der Behandlung zusammen mit Restmüll, die Möglichkeit einer längerfristigen Einbindung des enthaltenen Kohlenstoffs in Boden und Pflanzen gegeben. Dieser wird dem natürlichen Kohlenstoffkreislauf längerfristig entzogen, und trägt somit nicht zum Treibhauseffekt bei. Unter dem Aspekt des Treibhauseffektes ist die Bioabfallverwertung daher eine sinnvolle ökologische Verwertungsoption. So leistet Kompost auf Grund der Gehalte an organischer Substanz einen wichtigen Beitrag zur Bodenverbesserung. Weiterhin kann durch die im Kompost enthaltenen Nährstoffe mineralischer Dünger zum Teil substituiert werden. Das Projekt wird gemeinsam mit Fachgebiet Abfallwirtschaft/Abfalltechnik der Universität GH Essen bearbeitet.

Aktionsprogramm Natürlicher Klimaschutz (ANK), Innovatives Monitoring pelagischer Habitate zur Einschätzung ihrer Ökosystemfunktion im sich wandelnden Klima - Teilvorhaben 2

Marine pelagische Habitate haben eine Schlüsselfunktion im globalen Kohlenstoffkreislauf. Sie bilden die Grundlage des Nahrungsnetzes und unterstützen damit alle höheren trophischen Ebenen bei der Bindung von Kohlenstoff. Um den Zustand pelagischer Habitate zu bewerten und deren Rolle im Natürlichen Klimaschutz einzuschätzen, sind Monitoringdaten sowie adäquate Indikatoren essentiell. Nach Deskriptor 1 der Meeresstrategie-Rahmenrichtlinie (MSRL) ist der Zustand des Pelagials einschließlich seiner biotischen und abiotischen Struktur und seiner Funktionen (z.B. typische Zusammensetzung und relative Häufigkeit der Arten; Abwesenheit besonders anfälliger oder fragiler Arten oder von Arten, die eine Schlüsselfunktion wahrnehmen; Größenstruktur der Arten) als verpflichtendes Kriterium zu bewerten. Aufgrund der hohen Variabilität im Vorkommen der planktischen Organismen und des starken Salzgehaltsgradienten der Ostsee, ist es schwierig, einen geeigneten Indikator zur einheitlichen Anwendung für die gesamte Ostsee zu identifizieren und entwickeln. Der Indikator Diatomeen-Dinoflagellaten-Index basiert auf der Bewertung des rechnerischen Verhältnisses von Diatomeen zu Dinoflagellaten, wobei bisher ein überwiegender Anteil der Diatomeen gegenüber dem der Dinoflagellaten als positiv bewertet wird. Gleichzeitig bietet dieser Indikator auch eine Alternativ-Berechnung des Indexes über die Berechnung des Silikatverbrauches während der Frühjahresblüte an, mit der zu geringe Probenahmefrequenzen oder gemessene, aber zu geringe Biomassewerte, ausgeglichen werden können, um dennoch die Anwendung des Indikators zu ermöglichen. Da insgesamt für die Bewertung der pelagischen Habitate der Ostsee momentan nur wenige Indikatoren zur Verfügung stehen und es bei OSPAR auch einen Indikator gibt, der das Verhältnis von Diatomeen zu Dinoflagellaten bewertet, ist es erstrebenswert, [...]

Zyklische Redoxreaktionen organischer Kohlenstoffverbindungen in Binnengewässern

Das vorliegende Forschungsprojekt zielt auf die Verknüpfung zweier, bisher als unabhängig angesehener, aquatischer Transport- und Transformationsprozesse:(a) In tiefen Gewässern können sich Wasserkörper unterschiedlicher Dichte stabil übereinander schichten. Die dort ablaufenden Umsatzprozesse werden so räumlich entkoppelt und es kommt zur Bildung einer aquatischen Grenzzone. Bei deren Durchtritt können sich physikochemische Parameter, wie etwa die Sauerstoffverfügbarkeit, abrupt ändern.(b) Die Verfügbarkeit des Elektronen-Akzeptors Sauerstoff entscheidet über die Reaktionspfade, auf denen aquatische Mikroorganismen Energie gewinnen. Unter Ausschluss von Sauerstoff können sie gelöstes organisches Material als alternativen Elektronen-Akzeptor nutzen. Die Elektronen werden von redox-aktiven Verbindungen innerhalb des organischen Materials (Quinone) aufgenommen die daraufhin antioxidativ, also empfindlich auf Änderungen der Sauerstoffverfügbarkeit reagieren. Die hohe räumliche- und zeitliche Dynamik aquatischer Grenzzonen in Binnengewässern haben zur Folge, dass antioxidatives organisches Material vom sauerstoffarmen in sauerstoffreiche Wasserkörper transportiert werden kann. Die dort rasch ablaufende Re Oxidation macht gelöstes organisches Material daher zu einem vollständig regenerierbaren Elektronenakzeptorsystem. Mikrobielle Konsortien, die ihre Energiegewinnung an diesen zyklisch regenerierten organischen Elektronenakzeptor koppeln, könnten einen entscheidenden Beitrag zum Kohlenstoffumsatz in aquatischen Grenzzonen leisten. Mikroorganismen beeinflussen maßgeblich, zu welchem Anteil umgesetztes organisches Material als Kohlendioxid oder als Methan in die Atmosphäre entweicht oder stattdessen dem Kohlenstoffkreislauf durch Sedimentation entzogen wird. Da Grenzzonen durch überproportional hohe Reaktionsraten und Biodiversität gekennzeichnet sind, ist die Kenntnis der dort ablaufenden Material- und Energieflüsse von großer Bedeutung für das grundlegende Verständnis des Kohlenstoffumsatzes in Binnengewässern. Die Binnenseen der borealen Zone haben großen Anteil an den globalen Süßwasservorräten und sind durch zukünftig steigende Frachten terrestrischen organischen Kohlenstoffs gefährdet. Das beantragte Forschungsprojekt hat daher zum Ziel, durch Prozessstudien auf verschiedenen Skalen und mechanistische Modellierung einen wichtigen Beitrag zu einem besseren Verständnis der Rolle organischen Materials als Elektronendonor und -akzeptor in diesen dynamischen Ökosystemen zu leisten.

Forschergruppe (FOR) 2332: Temperature-related stresses as a unifying principle in ancient extinctions (TERSANE), Teilprojekt: Die Relevanz von pH-Werten im Meerwasser und der Ozeanversauerung für das Massensterben im Unteren Jura und an der Perm-Trias-Grenze

Extreme Änderungen im System der Erde zeigen sich durch das Zusammentreffen von Massensterben mit tiefgreifenden Störungen im globalen Kohlenstoffzyklus. Solche Ereignisse werden häufig durch drastische Veränderungen im Klima oder in der Chemie der Meere verursacht, d.h. durch eine schnelle Erderwärmung, die Ausbreitung anoxischer Bedingungen auf die Schelfmeere und die Versauerung der Ozeane. Diese Prozesse haben eine katastrophale Auswirkung auf die Ökosysteme aller trophischen Ebenen und bilden wichtige Rückkopplungsmechanismen für die Funktionsweise des globalen Kohlenstoffkreislaufes ab. Um die Rolle der Ozeanversauerung für das Massensterben zu dokumentieren, sollen hochauflösende Bor-Isotopenprofile von umfassend charakterisierten marinen Karbonatgesteinen erstellt werden, welche exemplarisch die Biogeochemie zum Zeitpunkt bedeutender Ereignisse dokumentieren. Gegenstand der angestrebten Untersuchungen sind das größte Massensterben im Phanerozoikum, das Permisch-Triassische Ereignis und das Massensterben 2. Ordnung zum Zeitpunkt des bedeutenden ozeanisch anoxischen Ereignisses im Mesozoikum, im Unteren Jura (Pliensbachium/Toarcium). Dieses ermöglicht uns den pH-Wert des Meerwassers zu Beginn und während eines Massensterbens zu rekonstruieren, dessen Ursache vermutlich auch Ozeanversauerung war. Parallel dazu werden diese Proben von unseren Kollegen hinsichtlich ergänzender Proxydaten und biologischer Auswirkungen untersucht, um biogeochemische Schlüsselinformationen zu generieren, die es uns ermöglichen Hypothesen zu testen, die Massensterben mit drastischen Änderungen im pH-Wert des Meerwassers und einer Versauerung der Ozeane verbinden.

Entwicklung einer Landkomponente für emissionsgetriebene ICON-seamless Simulationen in CMIP7

Quantifizierung der Rhizodeposition unter Grünland

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens sollen die Mengen der Wurzelexsudate in einem im Labor modellierten Grünlandökosystem quantifiziert werden. Die Untersuchungen sollen genaue Kenntnis über die Teilkomponenten der Rhizodeposition und der Bodenatmung erbringen. Zur präzisen Quantifizierung der Teilkomponenten der Rhizodeposition wird die Translokation von14C-Assimilaten in den Boden von einem für Grünlandökosystem typischen Vertreter - Lolium perenne - verfolgt. Dabei werden drei aus der Literatur bekannte Methoden mit eigenen Modifikationen und einer selbst entwickelten Methode verglichen. Diese Methoden stützen sich auf die Prinzipien: der Isotopenverdünnung, der Markierung verschiedener Pools in parallelen Varianten, der kurzfristigen Inhibierung der Mikroorganismenaktivität und der zeitlichen Trennung von Prozessen mit verschiedenen Geschwindigkeiten. Die anderen Kapitel der Habilitationsschrift werden folgenden Teilprozessen der Transformation der niedermolekularen organischen Substanzen im Boden anhand der Ergebnisse früherer Untersuchungen des Antragsstellers gewidmet: 1) den Geschwindigkeiten des mikrobiellen Abbaus der niedermolekularen organischen Substanzen 2) ihrer Verwertung durch die Bodenmikroorganismen 3) Dynamik des Einbaus in die Humusfraktionen und Rezyklierung der Humusfraktionen durch die niedermolekularen organischen Substanzen 4) Aufnahme von niedermolekularen organischen Substanzen durch die Pflanzen (kurz) 5) ihre Migration im Boden (kurz) Ein spezielles Kapitel wird der Transformation der Aminosäuren - den wichtigsten N-haltigen organischen Substanzen im boden - gewidmet. Die experimentellen Ergebnisse werden in der Habilitation zu einem Gesamtkonzept der Transformation der niedermolekularen organischen Substanzen im Boden zusammengefasst.

Demonstrating a Circular Carbon Economy in Transport along the Value Chain, Demonstrating a Circular Carbon Economy in Transport along the Value Chain (DeCarTrans)

Sedimentationsdynamik und mikrobieller Abbau von marinen Aggregaten: Strömungsphysikalische Grundlagen des partikulären Kohlenstofftransport im Ozean

Zur Charakterisierung des effektiven vertikalen Stofftransports durch marine Aggregate unter Berücksichtigung des mikrobiellen Stoffumsatzes in ihrem Inneren wird ein strömungsmechanisch-mikrobiologisches Verbundprojekt angestrebt. Durch die Kombination von Laborexperimenten und numerischer Simulation soll zunächst die Sedimentationsgeschwindigkeit hochporöser Aggregate als Funktion der Größe, Porosität, Zusammensetzung und der Dichteschichtung der Umgebungsflüssigkeit parametrisiert werden. Des Weiteren sollen der Stoffübergang zwischen interstitieller Flüssigkeit der Aggregate und der Umgebungsflüssigkeit sowie die mikrobiellen Umsatzraten im Inneren von Aggregaten als Funktion der Sedimentationsgeschwindigkeit bestimmt werden. Auf dieser Basis soll ein mathematisches Modell entwickelt werden, das sowohl die Sedimentationsdynamik als auch den Stofftransport zuverlässig abbildet. Ein solches Modell wird erstmals eine realistische Abschätzung der Effizienz der biologischen Kohlenstoffpumpe ermöglichen und darüber hinaus neue Ansätze zur Abbildung mariner Prozesse in globalen Klimamodellen liefern.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1158: Antarctic Research with Comparable Investigations in Arctic Sea Ice Areas; Bereich Infrastruktur - Antarktisforschung mit vergleichenden Untersuchungen in arktischen Eisgebieten, Einflusss von Umweltveränderungen auf antarktisches Phytoplankton untersucht mit Hilfe eines synergistischen multi- und hyper-spektralen Satellitendatenansatzes

Klimamodelle sagen voraus, dass sich in naher Zukunft im Antarktischen Ozean signifikant die Temperatur und der PH-Wert ändern werden, bedingt durch den Anstieg der Konzentrationen troposphärischer Treibhausgase und vor allem durch den erhöhten Kohlenstoffdioxidausstoß aus fossilen Brennstoffen. Solche Änderungen wirken sich auf die Zusammensetzung des Phytoplanktons aus und damit auch auf die Stoffkreisläufe wichtiger Elemente (Kohlenstoff, Stickstoff, usw.). Ziel dieses interdisziplinären Projektes ist die genauere Bestimmung der räumlichen und zeitlichen Variabilität der Biomasse von unterschiedlichen Phytoplanktontypen im Antarktischen Ozean. Einerseits wird hiermit das Verständnis der Rolle des antarktischen Phytoplanktons für das Ökosystem vertieft und andererseits deren Beitrag für den globalen Kohlenstoffzyklus genauer quantifiziert. Durch die einzigartige Kombination von Satellitendaten zweier unterschiedlicher Instrumententypen soll die Konzentration verschiedener Phytoplankton-Typen im Antarktischen Ozean zum ersten Mal mit umfassender zeitlicher und räumlicher Abdeckung bestimmt werden. Die Gesamtbiomasse wird durch eine an die Antarktis angepasste Prozessierung mit Hilfe multispektraler Satellitenmessdaten berechnet. Der Anteil wesentlicher Phytoplanktontypen an der Gesamtbiomasse wird anhand der Auswertung charakteristischer Absorptionsstrukturen von hyperspektralen Messdaten (PhytoDOAS-Methode) ermittelt. Somit soll ein synergetisches Produkt aus sich ergänzenden Informationen multi- und hyperspektraler Satelliteninstrumente entwickelt werden, das auf ähnliche Satelliteninstrumente, deren Messungen in naher Zukunft starten, übertragbar sein wird. Damit kann dann ein Datensatz über die Verteilung von Phytoplanktontypen über Dekaden erstellt werden. Mit dem im Projekt entstehenden Datensatz über die Verteilung der Phytoplanktontypen soll deren Variabilität und Korrelation mit sich ändernden Umweltfaktoren im Antarktischen Ozean in den vergangenen untersucht werden. Darüber hinaus soll unser Datensatz genutzt werden, zur Verbesserung und Evaluierung eines Ökosystem-Models, welches die Biogeographie verschiedener Phytoplanktontypen durch Parametrisierung physiologischer Eigenschaften an ein Ozeanzirkulatonsmodell errechnet. Mit Hilfe des Langzeitdatensatz und dem damit verbundenen Wissen über die Variabilität der Phytoplanktontypen, wird ein Fundament geschaffen, um den Einfluss der Klimaveränderungen im Antarktischen Ozean zu bemessen.

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