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Ecosystem Engineering: Sediment entrainment and flocculation mediated by microbial produced extracellular polymeric substances (EPS)

Sediment erosion and transport is critical to the ecological and commercial health of aquatic habitats from watershed to sea. There is now a consensus that microorganisms inhabiting the system mediate the erosive response of natural sediments ('ecosystem engineers') along with physicochemical properties. The biological mechanism is through secretion of a microbial organic glue (EPS: extracellular polymeric substances) that enhances binding forces between sediment grains to impact sediment stability and post-entrainment flocculation. The proposed work will elucidate the functional capability of heterotrophic bacteria, cyanobacteria and eukaryotic microalgae for mediating freshwater sediments to influence sediment erosion and transport. The potential and relevance of natural biofilms to provide this important 'ecosystem service' will be investigated for different niches in a freshwater habitat. Thereby, variations of the EPS 'quality' and 'quantity' to influence cohesion within sediments and flocs will be related to shifts in biofilm composition, sediment characteristics (e.g. organic background) and varying abiotic conditions (e.g. light, hydrodynamic regime) in the water body. Thus, the proposed interdisciplinary work will contribute to a conceptual understanding of microbial sediment engineering that represents an important ecosystem function in freshwater habitats. The research has wide implications for the water framework directive and sediment management strategies.

Die Biogeochemie der Ozean-Eis-Interaktion in Grönland

In diesem Projekt werden wir die grönländische Küste als ideales Ziel für eine Prozessstudie nutzen, um zu untersuchen, wie sich Veränderungen des Wasserkreislaufs auf die Biogeochemie und Produktivität des Ozeans auswirken.Mit zunehmender jährlicher Abflussmenge aus dem Grönländischen Eisschild (GrIS) stellt sich die Frage, wie sich dieser Süßwasserabfluss auf die Produktivität der Schelfmeere in Grönland auswirkt. Der GrIS ist das zweitgrößte Eisschild der Erde. Wenn Süßwasser vom GrIS in den Ozean gelangt, entstehen in den Küstengewässern der Insel starke physikalische und biogeochemische Gradienten. Diese Gradienten sind am ausgeprägtesten in den Fjorden Grönlands, die flächenmäßig zu den größten maritimen Kohlenstoffsenken gehören. Grönlands Fjorde und Schelfmeere beherbergen auch national wichtige Fischereien, deren Zukunft für die grönländische Wirtschaft von entscheidender Bedeutung ist.Obwohl allgemein anerkannt ist, dass Süßwasser-Gletscher-Inputs die regionale Ozeanzirkulation beeinflussen, steht unser Verständnis von Verbindungen zwischen der Physik der Schmelzwasser-Freisetzung und langfristigen Veränderungen in der marinen Biogeochemie noch in den Anfängen. Ein Thema von aktuellem Interesse für der Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) ist, wie Kryosphäre und Ozean biogeochemisch in einem sich erwärmenden Klima interagieren werden. Das Hauptziel hier wird sein, zu bestimmen, wie die physikalischen und chemischen Veränderungen, die durch erhöhte Süßwassereinträge in den Ozean um Grönland verursacht werden, die Verfügbarkeit von Nährstoffen (Makronährstoffe und Mikronährstoffe) für Phytoplankton und somit die Primärproduktion beeinflussen.Durch die Kombination von Feldforschung mit idealisierten Modellen werden die Auswirkungen der drei wichtigsten unterschiedlichen Süßwasserquellen (Oberflächenabfluss, Untergrundabfluss und Eisbergschmelze) bestimmt. Die Chemie des Mündungs-Mischprozesses, welcher häufig schnelle Veränderungen der chemischen Form und damit der Bioverfügbarkeit von Nährstoffen induziert wenn sich Süß- und Salzwasser mischen, wird untersucht. Der Nährstofflimitierungsstatus von Phytoplanktongemeinschaften in von Süßwasser beeinflussten Gebieten in Grönland wird bestimmt und somit der Nettoeffekt gleichzeitiger Veränderungen der physikalischen und chemischen Zusammensetzung der Wassersäule bewertet.Dadurch wird es möglich sein, die Auswirkungen der Zunahme von Süßwassereintrag in den polaren Ozean, im Hinblick auf Änderungen der Primärproduktion im Meer zu verstehen.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1006: Bereich Infrastruktur - Internationales Kontinentales Bohrprogramm, Teilprojekt: Die Verknüpfung von terrestrischen und marinen Ökosystemreaktionen auf Klimaschwankungen seit der letzten Zwischeneiszeit in südosteuropäischen Refugien (Ohridsee und Golf von Korinth)

Dieses hybride ICDP/IODP-Projekt hat zum Ziel: (a) die empfindliche Vegetationsreaktion von zwei Zufluchtsorten auf der Balkanhalbinsel (Ohrid/ICDP im Norden und Korinth/IODP im Süden) im letzten Klimazyklus auf hundertjähriger Skala zu verbinden, (b) die Lead-Lag-Beziehungen zwischen terrestrischen und marinen Ökosystemen auf globale Klimaschwankungen auf lokaler und regionaler Ebene in bestimmten stratigraphischen Horizonten seit der letzten Zwischeneiszeit zu untersuchen. Die beiden Untersuchungsgebiete liegen in Schlüsselpositionenen im östlichen Mittelmeerraum, der sehr empfindlich auf abrupte Klimaschwankungen reagiert und es erlaubt, Einflüsse sowohl aus höheren (z. B. Nordatlantik) als auch aus niedrigeren Breitengraden (z. B. afrikanischer Monsun) nachzuweisen. Die Bestimmung der Zusammensetzung, Fülle und der Abfolge der Vegetation in den nördlichsten und südlichsten Refugialstandorten des Pindus-Gebirges wird es uns ermöglichen, bioklimatische Schwellenwerte und die Vegetationsdynamik während einer Zeit abrupter Klimaschwankungen mit hoher Amplitude zu rekonstruieren. Neben Vegetationsverschiebungen erfassen Sedimente aus dem Golf von Korinth auch Veränderungen in marinen Ökosystemen. Somit können Lead-Lag-Beziehungen im lokalen Ausdruck der Klimaschwankungen zwischen dem terrestrischen und dem marinen Bereich unter Umgehung chronologischer Unsicherheiten bestimmt werden. Das Verständnis des Zusammenspiels zwischen klimatischen, ökologischen und tektonischen Faktoren auf suborbitaler Ebene innerhalb des Grabensystems wird es uns folglich ermöglichen, das Hauptziel der IODP Exp. 381 zu erreichen. Durch die Untersuchung der Vielfalt und Fülle der gemäßigten Baumarten während der letzten Eiszeit greift dieses Projekt eines der wichtigsten wissenschaftlichen Ziele des SCOPSCO ICDP-Projekts auf, das sich mit Pflanzenresilienz und Schutzstrategien in Südosteuropa befasst.

Nahrungsketten, Biomasse und Produktion des Benthos in der Nord- und Ostsee

Nord- und Ostsee sind besonders hohen Belastungen durch Abwaesser, eingebrachte Industrieprodukte und starke Schiffahrt ausgesetzt. Generelles Verstaendnis zum Aufbau der Lebensgemeinschaften und der Produktion sollen dazu beitragen, die Rolle des Benthos im Energiekreislauf des Meeres und die Veraenderungen des Systems durch menschliche Eingriffe zu verstehen. Stoff- und Energieumsatz durch einzelne Arten (besonders Sedimentfresser) sollen ihre Funktion in den Lebensgemeinschaften klaeren.

Einfluss von Schall auf Meeresökosysteme durch Offshore-Windenergieerzeugung

Analyse der physiologischen Grundlagen interspezifischer Tiervergesellschaftungen und strukturelle und physiologische Mechanismen der Umweltanpassung von Tieren

Es wird untersucht, welche physiologischen, ethologischen und oekologischen Voraussetzungen erfuellt sind, damit es zum Zusammenleben artverschiedener Tiere im marinen Bereich kommt. Es werden die Signale bzw. Kommunikationsmoeglichkeiten, die haeufig chemischer Natur sind, analysiert.

Hypothermie als Anpassung zur Energieeinsparung in Zeiten der Unterernährung

In marinen Ökosystemen kann der Klimawandel zu einem geringeren Nahrungsangebot und einer Zunahme von Extremwettern führen. Tiere, die unter diesen Bedingungen leben, müssen die physiologischen Prozesse anpassen, die für das Wachstum, das Überleben und die Fortpflanzungsfähigkeit entscheidend sind. Ein grundlegender Prozess in der ökologischen Energetik ist die Thermoregulation, und Sturmvögel reagieren mit Hypothermie auf Mangelernährung. Ziel der geplanten Studie ist es, Anpassung von Seevögeln an vorhersehbare und unvorhersehbare Schwankungen in der Versorgung besser zu verstehen. Dafür werden wir Thermoregulationsmuster untersuchen, einerseits von brütenden (fastenden) Altvögeln in Reaktion auf die vorhersehbare Abnahme der Körperreserven und andererseits von Nestlingen, die von der elterlichen Versorgung abhängig sind, und damit unvorhersehbare Schwankungen in der Versorgung erfahren. Wir werden die thermoregulatorischen Anpassungen identifizieren, die Nestlingen helfen, eine positive Energiebilanz zu erreichen, wenn sie unregelmäßigen Fütterungen erfahren. Bei Altvögeln untersuchen wir Schlüsselereignisse im Jahreszyklus, nämlich das Fasten während der Brutzeit und die Schlupfzeit der Küken. Mithilfe von RFID-Temperaturaufzeichnungen und CaloBox-Stoffwechselmessungen werden wir ermitteln, wie viel Energie durch eine Absenkung der Körpertemperatur eingespart werden kann. Wir werden auch feststellen, welche Folgen dies für die Entwicklung des Nestlings hat. Als Modellart für die Untersuchung von Hypothermie werden wir Dünnschnabel-Walvögel untersuchen, eine kleine Seevogelart, die in kalten Wetterbedingungen brütet und in der subantarktischen Meeresumwelt einem schwankenden Nahrungsangebot ausgesetzt ist.

Funktion und Struktur subsystemspezifischer mikrobieller Gemeinschaften im Benthos der südlichen und zentralen Nordsee und deren Rolle in Stoff- und Energieaustauschprozessen

Aktuelle Modelle zur Beschreibung benthischer Prozesse in der Nordsee behandeln nur unvollständige Ausschnitte aus dem Gesamtsystem. Dies ist auf eine nur lückenhafte Kenntnis über die im Benthos ablaufenden Prozesse zurückzuführen. Im beantragten Forschungsvorhaben soll die strukturelle und funktionelle Charakterisierung benthischer mikrobieller Gemeinschaften in verschiedenen durch die Markofauna definierten Subsysteme der südlichen und zentralen Nordsee (Deutsche Bucht, Niederländische Küste, Oyster Ground, Doggerbank, östliche Nordsee, Skagerrak und Kattegat) untersucht werden. Zum Verständnis benthischer Prozesse soll zusätzlich der qualitative und quantitative Eintrag von organischem Material sowie dessen Umsetzung im System betrachtet werden. Durch parallele Untersuchungen der Makrofaunastruktur (Dr. I. Kröncke, Forschungsinstitut Senckenberg) werden Aufschlüsse über die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Größenklassen und deren Rolle am Transfer von organischem Material in den einzelnen Subsystemen erwartet. Aus dem Zusammenhang von Struktur und Funktion komplexer Gemeinschaften, die in diesem Umfang bislang noch nicht in der Nordsee untersucht wurden, werden Hinweise auf die Bedeutung verschiedenen benthischer Systeme für den Stoff- und Energieaustausch erwartet. Daher können die aus dem beantragten Forschungsvorhaben erwarteten Ergebnisse maßgeblich zum Verständnis benthischer Prozesse beitragen und der Modellierung zugeführt werden. Hauptauftragnehmer im Ausland: University Northeastern Boston; Boston.

Konzepte zur Sanierung konventioneller Munitionsaltlasten in Nord- und Ostsee, Vorhaben: Risikobewertung von Mischungen von Sprengstoff-typischen Verbindungen in der deutschen Nord- und Ostsee

Sklerochronologie und Isotopie von Korallen in Belize, Zentralamerika

Vom größten Riffkomplex des Atlantischen Ozeans vor der Küste von Belize (Zentralamerika) liegen bislang keine historischen Klimadaten aus Korallen vor. In dem hier beantragten Projekt sollen 18 bereits vorliegende Bohrkerne aus massiven Korallen von Belize sklerochronologisch und geochemisch untersucht werden. Variationen der Wachstumsraten und Schwankungen in der isotopischen Zusammensetzung von Kohlenstoff und Sauerstoff in den Korallenskeletten sollen ermittelt werden, um eine Klimageschichte der letzten 150-200 Jahre für die Region aufzustellen. Da die Kerne in unterschiedlichen Rahmenbedingungen (offenmarine, lagunäre und landnahe Position; unterschiedliche Wassertiefen) genommen wurden, sollte es weiterhin möglich sein, Einflüsse lokaler Variationen von Umweltparametern wie Temperatur, Salinität, Nährstoffgehalten und Licht zu entziffern. Die Ergebnisse dieser Studie sollen mit publizierten historischen Klimadaten des COADS (comprehensive ocean-atmosphere data set) Datensatzes verglichen werden. Weiterhin ist geplant, die Daten mit anderen im Atlantik im Bereich der Sklerochronologie tätigen Arbeitsgruppen auszutauschen, um einen Beitrag zur Rekonstruktion der Veränderlichkeiten von Meeresströmungen und Klima im karibisch-atlantischen Raum zu leisten.

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