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Erfassung, Modellierung und Reduzierung der Methanemissionen für einen nachhaltigen Klimaschutz in urbanen Entwässerungssystemen, Teilprojekt 1: Kanalnetzanalyse, Modellentwicklung und Bewertung

Dissolved methane concentrations, diffusive methane flux and EOVs in the German Bight in September 2024 (Sternfahrt 12)

In continuation of the previous cruises (Sternfahrten) we covered a similar area with the RVs Ludwig Prandtl and Mya II. All instruments were set up in the MOSES laboratory container. Standard hydrographic parameters were determined with a pocket ferrybox running with ship's surface water supply. In addition, dissolved methane was determined continuously. We used a degassing unit which was using surface water from the ship's water supply. The gas mixture was subsequently analysed with a Greenhouse Gas Analyzer from LosGatos. Conversion to methane concentration was performed with water samples, from which the methane content was determined with gas chromatography. Atmospheric methane concentrations were obtained from the ICOS-station Helgoland. Wind speed was obtained from the ships meteorological systems. The diffusive flux was calculated as outlined in the additional meta data description.

Moisture, temperature and light modualte methane oxidation from dry riverbeds - A mesocosms experiment

In this study, under lab conditions (Jan-Apr 2022) in we examined how three key drivers of methane oxidation in soils also modulate methane oxidation (i.e. methanotrophy) in dry riverbed sediments: gravimetric water content (GWC, as proxy of moisture), temperature, and light quality and intensity. We measured potential methane oxidation rates (PMO) as proxy of methanotrophy across a gradient of GWC, temperature (10, 20 and 30ºC), and under different light conditions (green and growth light) from dry (8% GWC) and wet (100%GWC) sediments collected in early Spring 2022 in the Queich River in Offenbach an der Queich (Germany). We used incubation vials (125mL) with about 10 mL sediment and spiked it with 120uL of pure methane gas following Bodmer et al. (2020). Incubations lasted for a week (until methane concentrations were below detection limit) and we replicated each treatment level four times (except for 10ºC that had just three).

Methan-Hintergrundwerte im Grundwasser von Niedersachsen 1 : 500.000

Im Rahmen eines Verbundvorhabens (LBEG, BGR) wurden für die Hydrogeologischen Teilräume Niedersachsens Hintergrundwerte für gelöstes Methan im Grundwasser von Niedersachsen ermittelt. Die Hintergrundwerte von gelöstem Methan umfassen die Gehalte, welche sich unter natürlichen Bedingungen im Grundwasser einstellen. Methan wird im Grundwasser hauptsächlich in-situ durch Mikroorganismen gebildet und abgebaut. Die Karte zeigt farblich differenziert die Methan-Hintergrundwerte (90%-Perzentile) der unterschiedlichen Teilräume bzw. Teilraumgruppen. Detaillierte Informationen sind im GeoBericht 35 zu finden.

Führt eine gesteigerte Siliziumverfügbarkeit zu eine Erhöhung der Mineralisierung von organischem Material in Niedermooren?

Silizium (Si) spielt eine wichtige Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf. Die Si-Verfügbarkeit in Ökosystemen ist dabei sehr unterschiedlich, abhängig von Ökosystemtyp, Ausgangsgestein, Vegetation und weiteren Faktoren. Aktuelle Forschung hat gezeigt, dass die Si-Verfügbarkeit entscheidend für Nährstoffgehalt und Nährstoffstöchiometrie von pflanzlicher Streu ist; besonders deutlich ist dieser Zusammenhang in Gräser-dominierten Systemen. Bedeutend in dem Zusammenhang ist eine gesteigerte Abbaurate von organischem Material bei gesteigerter Si-Verfügbarkeit. Pflanzenstreu mit geringen Nährstoffgehalten wird bekanntermaßen langsamer abgebaut als nährstoffreiche Streu. Allerdings konnte kürzlich gezeigt werden, dass nährstoffarme Streu mit hohen Si-Gehalten schneller abgebaut wird als nährstoffreiche Streu mit wenig Si. Dabei wurde gleichzeitig durch die Erhöhung des Si-Gehaltes der Streu die Biomasse der abbauenden Pilze stark reduziert. Dies beweist die Bedeutung von Si für den Kohlenstoffkreislauf und die mikrobielle Abbaugemeinschaft in von Gräsern dominierten Ökosystemen. Niedermore, als wichtige Kohlenstoffspeicher und bedeutende Treibhausgas-emittenden, sind solche von Gräsern dominierten Ökosysteme mit einem potentiell hohen Einfluss von Si auf den Kohlenstoffkreislauf. Eine Vorabstudie, welche den Einfluss von Si auf den Kohlenstoffkreislauf in einem Niedermoor untersuchte, zeigte eine verstärkte Respiration mit einer Vordopplung der Methangehalte im Torfkörper auf Si gedüngten Flächen. Allerdings wurde gleichzeitig zu den erhöhten Respirationsraten auch ein Anstieg der Phosphorgehalte (P) in der Bodenlösung gemessen. Eine Erhöhung des verfügbaren P führt bekanntermaßen ebenfalls zu einer Erhöhung der Respiration. Das Ziel des beantragten Projektes ist die direkten Effekte von Si auf den Kohlenstoffkreislauf von den indirekten Effekten (durch die Si bedingte P-Mobilisierung) zu trennen und eine Quantifizierung beider Prozesse vorzunehmen. Unsere Hypothesen sind (i) eine höhere Si Verfügbarkeit führt zu einer Steigerung der Respiration organischer Substanz (Torf), durch (ii) direkte Si-Effekte und indirekte Si-Effekte durch eine Steigerung der P-Verfügbarkeit, (iii) die Steigerung der Respiration durch Si wird vorrangig durch Bakterien als durch Pilze erzielt und (iv) eine Steigerung der Si Verfügbarkeit führt zu einer Steigerung von P und N Verfügbarkeit, Umsatz und Aufnahme durch Pflanzen und damit zu labilerer Streu. Die Mechanismen zu verstehen auf welche Weise Si den Kohlenstoffkreislauf in Niedermooren beeinflusst ist ein wichtiger Teil eines verbesserten Verständnisses des terrestrischen Kohlenstoffkreislaufs.

Methanproduktion durch Mikrophytobenthos und dessen Beitrag am benthischen Methanfluss in der Küstenzone der Ostsee

Der Anstieg natürlicher Emissionen des Treibhausgases Methan haben einen bedeutenden Einfluss auf das Klima der Erde. Als Methanquelle nehmen küstennahe Gewässer eine besondere Stellung ein, da die Methankonzentration im Wasser hier wesentlich höher ist als im offenen Ozean. Trotz der Bedeutung der Küstengebiete ist bisher nur wenig bekannt über die hier zu findenden Methanemittenten und ihr jeweiliger Beitrag am atmosphärischen Methanfluss. Zudem zeigen eine Reihe aktueller Untersuchungen, dass Methan nicht nur unter anoxischen Bedingungen mikrobiell gebildet werden kann, sondern dass dies auch in einer oxischen Umgebung möglich ist. Eine solche Methanproduktion nahe der Meeresoberfläche würde den Weg zwischen Methanquelle und Atmosphäre wesentlich verkürzen und damit den Methanfluss in die Atmosphäre verstärken. Aufgrund einiger Untersuchungen, die eine Verknüpfung zwischen Primär- und Methanproduktion aufzeigen, stellen wir die Hypothese auf, dass Mikrophytobenthos (MPB)-Gemeinschaften eine wichtige, aber bisher nicht bearbeitete Stellung in der Flachwasser-Methandynamik zukommen. MPB-Gemeinschaften nehmen eine herausragende Rolle in der Primärproduktion von Küstensedimenten ein. Um die Bedeutung der MPB-assoziierten Methanproduktion besser einordnen zu können, werden wir das Potential dieser Methanquelle in Inkubationsexperimenten detailliert untersuchen. Zur Bestimmung der hierbei wichtigen Effektoren und Mikrophytobenthosarten werden wir an verschiedenen axenischen und xenischen klonalen Kulturen benthischer Diatomeen-Spezies die Primär- und Methanproduktion unter kontrollierten Temperatur- und Lichtbedingungen bestimmen. Mit Hilfe einer neuen Cavity-Ring-Down-Spektroskopie basierten Methode planen wir an geschlossenen Inkubationen die Methankonzentrationsentwicklung in hoher zeitlicher Auflösung über Tag/Nacht Zyklen zu erfassen. Zusätzliche Inkubationen mit 13C-markierten Substraten werden es uns erlauben, den Weg der Methanproduktion in den Diatomeen einzugrenzen. Bisher wurde der Prozess der oxischen Methanproduktion nur in Kulturexperimenten untersucht. Ob die hier ermittelten Raten auch in die natürliche Umgebung übertragbar sind, wurde hingegen nicht geprüft. Um diese Wissenslücke zu schließen, planen wir neben den Experimenten an klonalen Kulturen auch Studien an natürlichen MPB-Gemeinschaften durchzuführen. Diese Gemeinschaften werden wir im Flachwasser vor der Insel Askö (schwedische Ostseeküste) und dem inneren Küstengewässer vor Zingst (Darßer-Zingst-Bodden, deutsche Ostseeküste) beproben, um ein möglichst breites Spektrum an Sedimenten, hydrodynamischen Bedingungen und MPB-Gemeinschaften abzudecken. Um die in unseren Experimenten ermittelten Methanproduktionsraten in die benthischen und atmosphärischen Methanflüsse besser einordnen zu können, werden wir in beiden Untersuchungsgebieten die Methanflüsse zwischen Sediment, dem Wasser und der Atmosphäre bestimmen.

Erfassung, Modellierung und Reduzierung der Methanemissionen für einen nachhaltigen Klimaschutz in urbanen Entwässerungssystemen, Teilprojekt 2: Entwicklung der Sensorik

Erfassung, Modellierung und Reduzierung der Methanemissionen für einen nachhaltigen Klimaschutz in urbanen Entwässerungssystemen, Teilprojekt 3: Grundlagen, Messungen und Datenanalyse

Integriertes ökologisches Monitoring der Auswirkungen von Klimaveränderungen in Hessen

Die Konzentrationen vieler natürlicherweise in der bodennahen Atmosphäre vorhandener Luftinhaltsstoffe sind aufgrund vielfältiger menschlicher Aktivitäten wie Einsatz fossiler Energieträger, industrielle Produktion und Intensivierung der Landwirtschaft in den letzten Jahrzehnten beträchtlich angestiegen. Der globale Anstieg klimawirksamer Spurengase wie Kohlenstoffdioxid (CO2), Methan (CH4), Distickstoffoxid (N2O), FCKW und Ozon (O3) soll nach Modellrechnungen bei anhaltenden bzw. weiter steigenden Emissionen im Verlauf des nächsten Jahrhunderts zu Veränderungen des globalen und regionalen Klimas führen. Weiterhin ist auch ein Anstieg der bodennahen UV-B-Strahlung nicht auszuschließen, sofern sich der Abbau der stratosphärischen Ozonschicht weiter fortsetzt. Gleichzeitig können Organismen und Ökosysteme unmittelbar durch die steigenden CO2- und O3-Konzentrationen beeinflusst werden. Ziel dieses Projektes ist es deshalb, die Auswirkungen des sich ändernden chemischen (insbesondere steigende CO2- und O3-Konzentrationen) und physikalischen (steigende globale Lufttemperaturen) Klimas auf Flora, Fauna und Boden eines extensiv genutzten Grünland-Ökosystems beispielhaft zu erfassen. Aufgrund der relativ geringen Häufigkeit und Intensität der Bewirtschaftungsmaßnahmen und der langen Lebensdauer bietet sich das Dauergrünland unter Wiesennutzung als besonders geeignetes System zur Abschätzung der langfristigen Auswirkungen von Klimaveränderungen im Ökosystem an. Das Vorhaben lässt sich in folgende Schwerpunkte gliedern: - Kontinuierliche Bestimmung der Konzentrationen von Luftinhaltsstoffen in der Umgebungsluft (insbesondere Ozon, CO2 und Stickstoffoxide) - Kontinuierliche Bestimmung des Austausches klimarelevanter Spurengase in der Grenzschicht Biosphäre/Atmosphäre (insbesondere CO2, H2O, Ozon, N2O, Methan) - Zeitreihenuntersuchungen auf Dauerbeobachtungsflächen - Experimentelle Manipulation der Konzentration von Luftinhaltsstoffen ( CO2, Ozon) in der Umgebungsluft zur Abschätzung ihrer langfristigen Auswirkungen auf Flora, Fauna und Boden des Ökosystems.

Oligotrophische Adaptationen methanotropher Bakterien: Messung von relevanten Wachstumsparametern verschiedener Stämme und Nachweis der dominanten Methanotrophen in methanlimitierten Systemen

Methanoxidierende Bakterien existieren vor allem in den (mikro)oxischen Grenzflächen anoxischer methanogener Standorte. Sie sind aber auch in nicht gefluteten Böden gegenwärtig, welche nur selten als methanogene Quelle fungieren. Solche Böden wirken oft als mikrobielle Senke für atmosphärisches Methan (Konzentration ca. 1.7 ppmv). Bisher ist nicht bekannt, wie sich methanotrophe Bakterien an solche substratarmen Bedingungen anpassen bzw. diese überdauern. Wir beabsichtigen daher zu untersuchen, welche methanotrophen Bakterien unter oligotrophen Bedingungen fähig sind zu überleben oder gar zu wachsen. Ausgangspunkt dieser Analysen wird eine Sammlung von über 100 Stämmen sein, welche von Mitarbeitern des Instituts aufgebaut worden ist. Es soll die spezifische Affinität zum Methan, die Minimalkonzentration an Methan notwendig zum Wachstum und die Fähigkeit dieser Stämme die Nichtverfügbarkeit von Methan zu überdauern bestimmt werden. Ferner wird untersucht, ob zwischen den physiologischen Eigenschaften und der Phylogenie der untersuchten Stämme eine Korrelation besteht. Im zweiten Forschungsschwerpunkt soll die Übertragbarkeit der im Labormaßstab erzielten Ergebnisse auf die Freilandsituation überprüft werden. Dabei soll unter Anwendung molekularökologischer Techniken der Frage nachgegangen werden, ob in solchen Böden, welche eine Senke für atmosphärisches Methan darstellen, nur definierte Species bzw. phylogenetisch koherente Gruppen an methanoxidierenden Bakterien nachweisbar sind. Gensonden und PCR-gestützte Nachweissysteme für methanotrophe Gruppen werden in definierten Mischungen methanotropher Bakterien gewachsen unter methanlimitierten Bedingungen die dominanten Methanotrophen zu identifizieren.

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