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Analyse raumzeitlicher Veränderungen submerser Makrophytenstrukturen, ihrer Interaktionen mit Ökosystemprozessen und -funktionen mittels Integration wissensbasierter, multisensoraler Fernerkundungs- und GIS-Techniken

Die Litoralvegetation des Bodensees unterlag in den letzten Jahrzehnten infolge von Trophie-schwankungen massiven Veränderungen. Obwohl die resultierenden Änderungen in der Artenzusammensetzung gut dokumentiert sind existieren große Wissenslücken hinsichtlich der Auswirkungen auf abhängige Biozönosen, Ökosystemprozesse und -funktionen. Gleichermaßenfehlen Langzeitstudien zur Überprüfung theoretischer Konzepte in aquatischen Ökosystemen. Ziel des Verbundvorhabens ist daher die räumlich explizite Erfassung und Analyse der Heterogenität der Makrophytenstrukturen. Aus LiDAR- und Hyperspektraldaten extrahierte Makrophyten-3D-Bestände werden mit GIS-Techniken analysiert, räumliche Muster und Veränderungen der strukturellen Heterogenität und Biomasse quantifiziert. Hieraus werden räumlich explizite Modelle funktionaler Aspekte abgeleitet und die langfristige Resilienzdynamik durch Übertragung der Modelle auf GIS-Daten der Kartierungen von 1993, 1978, 1967 analysiert. Die Integration von Langzeitdaten mit modernen Fernerkundungs- und GIS-Techniken bietet somit die einzigartige Möglichkeit, ein fundiertes Verständnis der Auswirkungen der Eutro-phierung und Oligotrophierung auf die räumliche Heterogenität der submersen Makrophytenbestände und das Resilienzvermögen der Litoralzone hinsichtlich schwerer Störungen. Darüber hinaus werden theoretische Konzepte in Litoralökosystemen geprüft, weiterentwickelt und das junge Forschungsgebiet der landschaftsökologischen Limnologie vorangebracht.

Langfristige Bestandsveraenderungen der Wattenfauna in der Wesermuendung zur Kontrolle des Einflusses von Abwassereinleitungen

An sieben Stationen auf den Watten der Wesermuendung werden alle zwei Monate bodenkundliche Parameter sowie Zusammensetzung, Dichte und Biomasse der Bodenfauna untersucht.

Königshafen Submariner Grundwasserzufluss Netzwerk (KiSNet)

Submariner Grundwasserzustrom (SGD) als Eintragspfad für Wasser und chemische Inhaltsstoffe von Land zum Meer ist ein junges Thema, obwohl seine Bedeutung für Stoffkreisläufe auf globaler Skala mit der von Flüssen gleichzusetzen ist. Trotz dieser Bedeutung beinhalten bisher beschriebene SGD Mengen große Unsicherheiten, entweder weil lokale Punktmessungen auf regionale Skalen extrapoliert wurden oder weil sie auf Modellierungansätzen von regionalen/globalen Stoffflüssen beruhen. Die Unsicherheiten stammen dabei von drei Aspekten: 1) Methoden zur Bestimmung von SGD Mengen unterscheiden sich ohne ihre Relation untereinander zu kennen. Dadurch ist ein methodenübergreifender SGD Mengen Vergleich kaum möglich. 2) SGD Messungen sind zeitlich begrenzte Punktmessungen sind daher nicht generell repräsentativ für Zeit und Raum. 3) SGD Untersuchungen sind meistens disziplinär (entweder marin oder terrestrisch) obwohl weitere Methoden mit gleichen Zielgrößen in anderen Disziplinen existieren. Mit interdisziplinären Untersuchungen würden methodenbezogene Unsicherheiten reduziert. Vor dem Hintergrund des Globalen Wandels, der speziell Küstenregionen betrifft, ist dies essentiell. Das Netzwerk zielt darauf ab, eine Plattform für eine Gruppe von SGD Experten bereit zu stellen, um eine disziplinübergreifende Zusammenarbeit zu initiieren und intensivieren. Durch eine interdisziplinäre Validierung strebt das Netzwerk ebenfalls die Verbesserung individueller Methoden an und einen direkten Vergleich zwischen terrestrischen und marinen Methoden. Letztendlich wird das Netzwerk einen interdisziplinären Methodenkatalog erstellen, der optimale Methodenkombinationen beider Disziplinen für qualitative und quantitative SGD Untersuchungen herausstellt und der die Basis für zukünftige SGD Forschung darstellt. Um diese Ziele zu erreichen wird das Netzwerk um regelmäßige Treffen aufgebaut, von denen vier vis-a-vis Treffen sind. Das erste und letzte sind ein Kick-off und Ergebnis Treffen. Das zweite und dritte dienen dazu ein Methodenvergleichsexperiment in der litoralen Bucht von Königshafen, Sylt durchzuführen. Während des Experimentes wird das interdisziplinäre Netzwerk alle verfügbaren quantitativen und qualitativen Methoden aus beiden Disziplinen zum ersten Man an einem Ort und zur gleichen Zeit anwenden. Im Ergebnis wird das Vorgehen junge und erfahrene Wissenschaftler von allen SGD-relevanten marinen und terrestrischen Disziplinen zusammenbringen. Es wird zudem dazu beitragen, den SGD-Wissensstand aller Teilnehmer zu erweitern, und verleiht der nächsten Generation von SGD Wissenschaftlern einen interdisziplinären Blick auf ihre Forschung. Zudem wird der Methodenvergleich Datensätze erzeugen, die in ihrem Umfang und interdisziplinären Natur einmalig sind und die in internationalen peer-reviewed und Open-Access Journalen veröffentlicht werden. Zudem werden wir den detaillierten SGD Methodenkatalog als Buch analog zu dem GEOTRACES CookBook erstellen und veröffentlichen.

Kausale Beziehungen in der Besiedlungsstruktur der Weichbodenfauna im Litoral der Nordsee

Das Zusammenwirken physiographischer und biotischer Faktoren bedingt Anzahl und Verteilung von Organismen im Watt der Nordsee. Ueber die Bedeutung der biotischen Wechselbeziehungen wie Raeuber-Beute-Beziehungen, Konkurrenzverhaeltnisse oder mutualistische Gemeinschaften ist noch wenig bekannt. Freilandexperimente, die spezifische Wechselwirkungen unterbinden oder verstaerken, sollen zur Klaerung beitragen. Bisherige Versuche ergaben, dass biotische Faktoren entscheidenden Einfluss auf das Siedlungsbild der Bodenfauna im Wattenmeer haben.

Die Eisendüngung vor Inseln im Südozean: Fe-Isotopenaustausch zwischen reaktiven Partikeln und Meerwasser

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.

Teilprojekt C 01 : Populationsdynamik von Fischarten in reoligotrophierenden Seen (Habitatwahl und Ressourcennutzung von Fluss- und Kaulbarsch im reoligotrophierten Bodensee), Habitatwahl und Ressourcennutzung von Fluss- und Kaulbarsch im reoligotrophierten Bodensee

In den Untersuchungen sollen die Auswirkungen der tages- und jahreszeitlichen Habitatwechsel von Fluss- und Kaulbarsch auf die Interaktionen zwischen diesen beiden Arten sowie auf andere trophische Ebenen der litoralen, pelagischen und benthalen Biozoenosen analysiert werden. Dazu werden zwei Themenbereiche bearbeitet: a) Flussbarsche leben nach dem Schluepfen im Pelagial und kehren nach einigen Wochen wieder zum Litoral zurueck. Es soll in einer Orientierungsarena untersucht werden, ob die Tiere dabei gerichtete Wanderungen durchfuehren und an welchen Reizen sie sich orientieren. Waehrend der Vegetationsperiode scheinen Flussbarsche sehr standorttreu zu sein, was durch ultraschalltelemetrische Verfolgung von adulten Einzeltieren im See ueberprueft werden soll. b) der Flussbarschbestand des Bodensees ist in den 90er Jahren zwei grundlegenden Veraenderungen in seinem Lebensraum ausgesetzt, der Oligotrophierung, die zu einer Abnahme des Zooplanktons und einem Rueckgang der strukturbildenden submersen Makrophyten fuehrt, und gleichzeitig einem stark wachsenden Bestand des Kaulbarsches, eines potentiellen Konkurrenten. Diese Fischart trat 1987 erstmals im Bodensee auf und ist heute in vielen Regionen des Sees die haeufigste Fischart im Litoral. Wir wollen untersuchen, wie sich diese Veraenderungen auf Habitat- und Nahrungswahl des Flussbarsches auswirken und wie Fluss- und Kaulbarsch um Raum und Nahrung konkurrieren. Weiterhin sollen die in-situ Praedationsraten beider Arten abgeschaetzt und die verhaltensphysiologischen Grundlagen ihrer Raeubervermeidungsstrategien untersucht werden. Hierzu werden intensive Befischungen im Freiland durchgefuehrt und es sind Experimente in Mesokosmen geplant, in denen die Bedeutung einzelner Faktoren analysiert wird.

Litorale und pelagische Methanquellen: eine umfassende Untersuchung zur Produktion, Oxidation und dem Transport von Methan in Seen

Seen gelten als Hauptverursacher von atmosphärischem Methan (CH4). CH4-Emmissionen entstehen durch Blasenbildung und diffusiven Transport von CH4 über die Wasser-Atmosphären-Grenzfläche. Letzteres beruht auf einer Übersättigung von gelöstem CH4 im Oberflächenwasser. Während der geschichteten Periode kann die CH4 Konzentration im oxischen Epilimnion die Konzentration des oxischen Hypolimnios übersteigen. Diese Anreicherung von CH4 im Epilimnion ist bisher noch nicht gänzlich verstanden und wird häufig als „Methanparadox“ bezeichnet, da: (i) die vertikale CH4 Diffusion diese Anreicherung nicht verursachen kann, da die CH4 Konzentration niedriger in tieferen Wasserschichten als im Epilimnion ist, und (ii) die CH4 Produktion (Methanogenese) in oxischen Umgebungen normalerweise nicht vermutet wird. Daher gibt es zwei Haupthypothesen bezüglich des Methanparadox, die darauf hindeuten, dass die Hauptquelle für das angereicherte CH4 in den oxischen Schichten entweder (i) der laterale Transport von CH4 aus hochproduktiven Uferzonen ist oder (ii) die Methanogenese, die im oxischen Wasser des Epilimnions stattfindet. Trotz der Bemühungen, die in den letzten Jahren unternommen wurden, um die Hauptquelle(n) und Pfade des angereicherten CH4 im Epilimnion von Seen aufzuklären, fehlt beide Hypothesen immer noch starke Unterstützung durch experimentelle Beweise. Für das beantragte Projekt, werden wir detaillierte Feld- und Labormessungen durchführen, um beide dieser Hypothesen zu testen. Räumliche Verteilungen von CH4konzentrationen, CH4 flüsse, oxische CH4 Produktion sowie Oxidationsraten werden verwendet, um unbekannte CH4 Quellen im Epilimnion zu quantifizieren. Transekte von Vertikalprofilen von gelöstem CH4 die Bestimmung des CH4 Transports innerhalb der litoralen Zone sowie aus der litoralen Zone in die pelagische Zone hinein. Die Erhebung solcher detaillierten Daten, welche für diese Analyse erforderlich sind, wird durch die Verwendung eines hochsensitiven Messystems gewährleistet, welches eine schnelle Erfassung von räumlich hochaufgelösten Verteilungen von gelöstem CH4 ermöglicht. Die CH4 Flüsse sowie Produktions- und Oxidationsraten werden mit Hilfe der Flusskammer Methode und Respirationsassays bestimmt. Unterstützend werden stabile Isotopenanalysen und molekularbiologische Werkzeuge verwendet um die wichtigsten biochemischen Wege und Aktanten zu identifizieren. Die Untersuchungen werden im Untersee (Bodensee) und im Überlingersee durchgeführt. Beide dieser Seen besitzen eine ähnliche Wasserchemie, unterscheiden sich jedoch hinsichtlich ihrer CH4 Konzentrationen, was eine vergleichende Bewertung der CH4 Dynamiken ermöglicht. Insgesamt zielt dieses Projekt darauf ab, das „Methanparadox“ zu enthüllen, indem es nicht nur die Hauptquelle(n) des CH4 im übersättigten Epilimnion entschlüsselt, sondern ebenfalls die Massenbilanz des CH4 in Seen mit ähnlichen Eigenschaften schließt.

Untersuchung der litoralen Zoozoenosen des Bodensees; Beschreibung und Vergleich mit der Zusammensetzung in den Jahren 1936/37

Cyanobakterielle Lebensgemeinschaften im Litoral und Pelagial des Bodensees

Das Projekt soll unsere Kenntnis zur Biologie der Suesswassercyanobakterien des Bodensees erweitern. Cyanobakterien (=Blaualgen) erbringen als Bestandteil des autotrophen Picoplanktons einen wesentlichen Beitrag zur Primaerproduktion (Biomasse) und sind Teil des 'microbial loop' bzw. des Nahrungsnetzes. Erfasst werden sollen Bedingungen der Vermehrung und Ausbreitung einzelner Arten und Populationen im Litoral und Pelagial. Dabei sollen folgende Themen bearbeitet werden: 1. Trophische Abhaengigkeiten von Cyanobakterien und Purpurbakterien. Induktionsbedingungen fuer organische Ausscheidungsprodukte (Stress durch Starklicht und/oder Mineralsalzmangel). Exsudate von cyanobakteriellen Vertretern des Picoplanktons sollen charakterisiert und in ihrer Wirkung auf die N2-Bindung bzw. Nitrogenaseaktivitaet von Picoplanktonvertretern untersucht werden. 2. Isolation cyanobakterieller (einzelliger) Formen aus dem Bodensee und vergleichend Charakterisierung mit genetischen Sonden. Studien zur Populationsdynamik, Sukzession von Picoplanktonpopulationen im Litoral und Pelagial.

Struktur, Dynamik und Stabilitaet litoraler Fischgemeinschaften in grossen Seen

Aufbauend auf bekannten saisonalen und grossskaligen Verteilungsmustern der litoralen Fischzonoese des Bodensees zwischen verschiedenen Uferbereichen, sollen im Rahmen dieses Projekts kleinskalige zeitliche und raeumliche Verteilungsmuster (sog. Mikrohabitate) innerhalb einzelner Uferabschnitte untersucht werden. Im Mittelpunkt des Interesses stehen dabei Mechanismen der zeitlichen und raeumlichen Koexistenz und der Ressourcenteilung der litoralen Fischzoenose. Anhand von Freilanduntersuchungen, kombiniert mit Mesokosmos- und Laborexperimenten sollen zunaechst Proximat- und Ultimatfaktoren fuer in situ beobachtete Verteilungsmuster und Interaktionen einzelner Arten bestimmt und quantifiziert werden. Darauf aufbauend sollen Prinzipien der Habitat- und Ressourcenteilung innerhalb der litoralen Fischzoenose eines grossen Sees, am Beispiel des Bodensees, abgeleitet werden. Es sind Untersuchungen an den beiden benthischen Fischarten Truesche und Bachschmerle sowie an den drei Cyprinidenarten Doebel, Hasel und Brachse geplant. - Anhand kombinierter Mesokosmosexperimente und Freilanduntersuchungen soll die Habitatwahl von Trueschen und Bachschmerlen in verschiedenen Phasen ihrer ontogenetischen Entwicklung untersucht werden. Mittels Enclosureversuchen im Flachwasserbereich sollen art- und groessenspezifische Sustratpraeferenzen der beiden Arten bestimmt werden und Untersuchungen zur Ressourcenteilung und Konkurrenz im tageszeitlichen und saisonalen Verlauf durchgefuehrt werden. Parallel dazu sollen die tageszeitlichen Aktivitaetsmuster beider Arten mittels einem angepassten Passive-Integrated-Transponder System im Mesokosmos und in situ bestimmt werden. - In Freilanduntersuchungen und Mesokosmenexperimenten soll der Einfluss verschiedener Habitatvariablen (Licht, Temperatur, Stroemung, Turbulenz, Makrophyten und Raeuber) auf die Habitatwahl und die tageszeitliche Dynamik von Jungfischen der Altersklasse 0 und 1 der Arten Doebel, Hasel und Brachse untersucht werden. - Mittels einer neu entwickelten in situ optischen Messstation sollen Verteilungsmuster und tageszeitliche Aktivitaetsrhythmen litoraler Fischarten in ausgewaehlten Habitaten ueber einen laengeren Zeitraum in hoher zeitlicher Aufloesung untersucht werden. Der Schwerpunkt liegt dabei in der Analyse der zeitlichen und raeumlichen Stabilitaet von Verteilungsmustern und Aktivitaetsrhythmen der verschiedenen Fischarten in einzelnen Phasen ihrer ontogenetischen Entwicklung.

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