Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung von innovativen Indikatoren, die eine räumlich strukturierte Beschreibung und Bewertung der Belastungssituation und des Risikopotenzials von sedimentgebundenen Schadstoffen in marinen Systemen ermöglichen. Dieses Projekt wird es zum ersten Mal ermöglichen, Daten zur Toxizität der Porenwasserkonzentration von hydrophoben organischen Schadstoffen mit sehr geringer Unsicherheit zu erheben, direkt mit einer chemischen Analyse zu korrelieren und schließlich über entsprechende künstliche Mischungen zu verifizieren. Um dies zu erreichen, wird in diesem Projekt ein in situ Gleichgewichtssammlers (Passivsammlers) auf Basis der Festphasenmikroextraktion (passive sampling) für die Untersuchung von hydrophoben organischen Schadstoffen im marinen Bereich adaptiert. Anschließend werden die mittels Silikon Hohlfasern gesammelten Schadstoffmischungen direkt durch passive dosing in kleinskalige Biotestsysteme eingebracht. Durch Verzicht auf die vorherige Extraktion der Fasern wird das Risiko, die ursprüngliche Probenzusammensetzung zu verändern, deutlich reduziert. Erhobene Daten sind daher in hohem Maße repräsentativ für die tatsächliche Belastungssituation vor Ort. Des Weiteren werden die analysierten Schadstoffmischungen künstlich wiederhergestellt, um sie mittels passive dosing in unterschiedlichen Konzentrationen in Biotests zu untersuchen. Damit sollen Konzentrations-Wirkungskurven erstellt werden, die es erlauben, das von den sedimentgebundenen Schadstoffen ausgehende Risiko abzuschätzen (Mischtoxizität).
Mikroplastik (MP, Plastikteile kleiner als 5 mm) werden als neu aufkommende Schadstoffe betrachtet und neuste Studien belegen die potentielle Gefahr von MP für die menschliche Gesundheit und die Umwelt. Die Forschung hat sich bisher mehrheitlich auf die Untersuchung von MP in der marinen Umgebung konzentriert. Allerdings konnte MP auch vermehrt Süßwasser und -sedimenten weltweit nachgewiesen werden. Als Primärpartikel oder Sekundärprodukte aus dem Abbau von Makroplastik kann MP entweder direkt toxisch wirken oder als Überträger von sorbierten Schadstoffen fungieren. Neuste Studien belegen außerdem, dass MP in die menschliche Nahrungskette eindringen kann. Weiterhin können die dem MP beigefügten endokrinen Disruptoren wie Bisphenol A (BPA) and Nonylphenol (NP) während der Transportprozesse an das Süßwasser abgegeben werden. Dabei können Flussbettsedimente potentielle Hotspots für die Akkumulation von MP und deren Additive darstellen.Das Hauptziel dieses Projektes ist, die Akkumulation und den Transport von MP in Süßwasser und -sedimenten näher zu untersuchen. Dabei soll den folgenden beiden grundsätzlichen Fragen nachgegangen werden:(i) Welche Prozesse kontrollieren Transport und Akkumulation von MP verschiedener Größe, Dichte und Zusammensetzung und wie bilden sich sogenannte Mikroplastik-Hotspots in der hyporheischen Zone?(ii) Wie können Transport und Akkumulation von MP sowie die Freisetzung von Additiven wie BPA und NP unter variablen Umweltbedingungen beschrieben und vorhergesagt werden? Zwei Arbeitspakete (WP) sollen helfen, diese Fragen zu beantworten:WP1 befasst sich mit den Auswirkungen der grundlegenden Eigenschaften von MP wie Größe, Form, Zusammensetzung, Dichte, Auftrieb auf deren Transport und untersucht systematisch, wie verschiedene Arten von MP in der hyporheischen Zone (hier Flussbettsedimente) unter diversen hydrodynamischen und morphologischen Bedingungen akkumulieren. Dafür sollen Versuche in künstlichen Abflusskanälen (artificial flumes) durchgeführt werden. In diesen Versuchen werden repräsentative hydrodynamische und morphologische Bedingungen geschaffen, um eine Spannbreite an primären und sekundären MP zu testen, ihr Transportverhalten zu beschrieben und die Freisetzung von Additiven näher zu untersuchen. MP wird mit verschiedensten Methoden charakterisiert, z.B. mit single particle ICP-MS zur Bestimmung der Größe oder FT-IR zur Bestimmung des vorherrschenden Polymers. Während der Flume-Experimente werden die Eigenschaften der Sedimente, des Porenwassers und der Biofilme, sowie die Konzentration an BPA und NP gemessen und später analysiert, um die Reaktivität der Akkumulationshotspots zu bestimmen.WP2 beinhaltet die Entwicklung und Anwendung eines Models, um MP-Transport sowie die Freisetzung von Additiven in der hyporheischen Zone vorherzusagen. Da Modelle, die momentan im Bereich Stofftransport verwendet werden nicht für MP ausgelegt sind, soll die Lattice-Boltzmann Methode als neuer Modellansatz verfolgt werden.
Die Flusssysteme Amazonas und Rio Pará tragen das größte Volumen an Süßwasser in den Ozean ein und bilden eine wichtige Schnittstelle für den Eintrag von Spurenmetallen und gelösten organischen Stoffen (DOM) vom Land in den Ozean. Neben der Bedeutung des Amazonas für den globalen Spurenmetallhaushalt des Ozeans hat sein Mikronährstoff-Eintrag auch einen großen Einfluss auf die biologische Produktivität der Küsten- und Schelfregion und darüber hinaus. Das Hauptziel des vorgeschlagenen Projekts ist es, die Rolle der chemischen Speziation und der physiko-chemischen Größenfraktionierung von Spurenmetallen im Mischungskontinuum dieser Flüsse zum Atlantik zu verstehen. Wir werden die Wechselwirkungen von Spurenmetallen mit DOM und Kolloiden in der Wassersäule und den Oberflächensedimenten der Amazonas- und Pará-Mündung und der damit verbundenen Mischungsfahne sowie des Mangrovengürtels mit Grundwassereintrag südöstlich des Rio Pará untersuchen. Basierend auf Proben, die während der Forschungsfahrt M147 in der Hochwasserperiode 2018 genommen wurden, und vorläufigen Daten, die in unserem Labor erzeugt wurden, werden wir Veränderungen der Spurenmetallverteilungen und -speziationen in der Amazonas-Region entlang der Salzgradienten untersuchen. Um zu beurteilen, was die chemische und physikalische Speziation und den Transport von Spurenmetallen im Ästuar und in der Abflussfahne kontrolliert, werden wir uns auf drei verschiedene Prozesse konzentrieren: • Größenfraktionierung, Sorption und Entfernung von Spurenmetallen: Sorption von Spurenmetallen an Flusspartikeln und Ausfällung durch Koagulation von Kolloiden und Größenfraktionierung; wie verändert sich die Assoziation von Spurenmetallen mit verschiedenen löslichen, kolloidalen und partikulären Fraktionen entlang des Salzgehaltsgradienten?• Lösungskomplexierung: Bildung von löslichen metall-organischen Komplexen; wie verstärkt dieser Prozess den Metalltransport durch Konkurrenz mit Sorption an Kolloiden und Ausfällung? • Akkumulation von Spurenmetallen in Sedimenten: wie wirken die Sedimente als Senke und Quelle von Spurenmetallen, und können Oberflächensediment und Porenwasser zu den Spurenmetallflüssen in der Region beitragen? Zusätzlich zu den voltammetrischen und ICP-MS-Analysen der M147-Proben werden wir eine systematische Untersuchung des Mischungsverhaltens verschiedener Elementgruppen (konservativ, partikel-reaktiv und organisch-komplexiert) durchführen, indem wir Labor-Mischungsexperimente mit Meer- und Flusswasser-Endgliedern durchführen, die während der anstehenden Fahrt M174 im Amazonasgebiet genommen werden. Damit erwarten wir, ein ganzheitliches Bild der komplexen Prozesse der Spurenmetall-Biogeochemie und der Elementflüsse in diesem größten Mündungssystem der Welt zu erhalten. Dieses Wissen wird auch wichtig sein, um mögliche Auswirkungen in diesem Gebiet aufgrund der anhaltenden anthropogenen Einflüsse in dieser Region und der sich ändernden klimatischen Bedingungen vorherzusehen.
Gebietsbeschreibung Das LSG liegt in der Landschaftseinheit Nördliches Harzvorland nördlich von Osterwieck. Nach Norden schließt sich das LSG „Großes Bruch“ an. Der Große Fallstein stellt einen fast vollständig bewaldeten sanft aufragenden Muschelkalkrücken eines von Norwest nach Südost streichenden salztektonischen Breitsattels dar, der sich über den Huy fortsetzt. Der Kleine Fallstein ist ein westlich des LSG gelegener Höhenzug. Die Wälder des Großen Fallsteins sind nahezu vollständig von Ackerflächen umgeben. Lediglich am südwestlichen Rand und östlich vom Waldhaus grenzen Grünlandflächen an, teilweise umgeben von Wald. Vorwiegend am südlichen Rand des Fallsteins bilden zumeist kleinflächige Streuobstwiesen den Übergang zur offenen Landschaft. Das sehr abwechlungsreiche Relief und eine Vielzahl von Erdfällen beleben das Gebiet. Die höchste Erhebung auf dem Kamm des Fallsteins liegt bei 288 m über NN, der Hohe Fallstein erreicht 286,7 m über NN. Landschafts- und Nutzungsgeschichte Das nördliche Harzvorland wurde bereits vor zirka 7500 Jahren von den Bandkeramikern besiedelt, die aus den Donaugebieten einwanderten und als Pflanzenbauer und Viehhalter seßhaft wurden. Um Flächen für den Ackerbau zu gewinnen, wurden Wälder gerodet. Der heranwachsene nacheiszeitliche Waldbestand konnte sich somit nur in Räumen entwickeln, in denen die Besiedlung aufgrund der ungünstigen naturräumlichen Gegebenheiten erschwert wurde. Ein derartiges zusammenhängendes Waldgebiet erstreckte sich, den Fallstein einschließend, zwischen Oker und Ilse und setzte sich weiter im Harz fort. Diese Waldgebiete waren von Siedlungen umgeben, so auch der Fallstein. Dies trifft bereits für die Linienbandkeramikkultur zu, wie Siedlungen bei Veltheim, Hessen, Deersheim und Osterwieck belegen, Gebiete, die auch später immer besiedelt blieben. Die Schnurkeramikkultur dagegen drang erstmals auch nach Osterode und Rhoden vor, in Gegenden, die im Rahmen des herrschaftlichen Landesausbaus entwaldet wurden, wie ihre Namen besagen. Die letzte und einschneidenste Rodungsperiode zu Beginn des 11. Jahrhunderts ließ den Fallstein als eine der wenigen ”Waldinseln” verschont. Die Ortsnamen mit der Endung ”-rode”, zum Beispiel Göddeckenrode, Wülperode, Suderode und Lüttgenrode entstanden zu dieser Zeit. Im Mittelalter wurden die Wälder zunehmend zur Streugewinnung und als Waldweide genutzt, so daß Niederwaldbetrieb vorherrschte. Die am Nordwestrand des Mitteldeutschen Trockengebietes gelegenen Lößböden galten als Vorzugsgebiete für Siedlungs- und Wirtschaftsstandorte. Hier wurde der Ackerbau zur Haupterwerbsquelle, auf deren Grundlage sich viele agrarorientierte Wirtschaftszweige entwickelten. Zur Zeit der Industrialisierung, in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts, entwickelte sich neben dem zentralen Wirtschafts- und Kulturzentrum Halberstadt auch die Stadt Osterwieck zu einem Handelszentrum. Geologische Entstehung, Boden, Hydrographie, Klima Geologisch liegt das LSG in der Struktur des Subhercynen Beckens, das aus mesozoischen Sedimentgesteinen und Salzgesteinen im Untergrund, das heißt Zechstein, aufgebaut ist. Im Norden wird das Becken vom paläozoischen Grundgebirge der Flechtingen-Roßlauer Scholle und im Süden vom Harz begrenzt. Der oberflächennahe Strukturbau wird durch Fließprozesse der Salzgesteine und durch dadurch verursachte Verformungen und Brüche in den Deckschichten der Salzgesteine, also durch Salztektonik, bestimmt. Tertiäre Sedimente sind an lokale Senkungsbereiche gebunden. Die quartäre Schichtenfolge beinhaltet sowohl voreiszeitliche Schotter als auch durch die Vereisung gebildete Geschiebelehme beziehungsweise -mergel und Schmelzwassersande. Zu den jüngsten Ablagerungen gehören Fließerden, seltener Schutte und Löß. Sie sind zwar relativ geringmächtig, aber überall verbreitet. Der Große Fallstein ist eine durch salztektonische Hebung gebildete, uhrglasförmige Aufwölbung der Schichten des Muschelkalkes mit herzynischer Streichrichtung seiner Kammlinie. Der Große Fallstein erhielt seine Form durch den bevorzugten Abtrag der ihn verhüllenden weicheren Ton- und Schluffsteine des Keupers. Neben der mechanischen Erosion unterliegt der Kalkstein in stärkerem Maße der Lösung durch Wasser, das heißt der Verkarstung. Die Stärke der Verkarstung ist von der Wasserwegsamkeit des Gesteins wie Porosität, Klüftigkeit und Bankung abhängig. Erdfälle gaben dem Fallstein seinen Namen. Sie kommen im gesamten LSG vor, häufen sich aber auf den niederschlagsreichen Kuppenlagen zwischen Stüh und Breitem Stein. Die Erdfälle und die Kalksinterbildungen am nördlichen Fuße des Fallsteins sind Erscheinungen des Kalkkarstes. Die rezenten Quellkalkbildungen der Karstquelle an der Steinmühle am Nordhang des Fallsteins zeigen das Andauern dieses Prozesses bis heute. Bodengeographisch gehört der Große Fallstein zu den Muschelkalkaufwölbungen des Ostbraunschweigischen Löß-Hügellandes. Aufgrund seiner Höhenlage empfängt er einen Jahresdurchschnittsniederschlag von 600-700 mm. Die Niederschläge und die damit verbundene Bewaldung sind die Ursachen für die Vormacht der Lessivé-Böden, die im Kontrast zu den Pararendzinen und Tschernosemen der umgebenden Landschaften stehen. Auf den Hanglagen des bewaldeten Großen Fallsteins sind schwach stauvernässte Fahlerden und erodierte Fahlerden aus Löß über schuttführendem, schluffigem, olivgrünem Ton weit verbreitet. Darunter folgen Kalksteine und Kalkstein-Mergel-Wechsellagerungen des Mittleren und Unteren Muschelkalkes. In Mulden und Rinnen sind Pseudogley-Fahlerden bis Pseudogleye ausgebildet. Die höhere Lößmächtigkeit auf den nordöstlichen Hanglagen ist dabei bemerkenswert. Im Kuppenbereich ist der Löß geringmächtig und durch Umlagerungs- und pedogenetische Prozesse schutthaltig und tonig. Hier sind flach entwickelte Fahlerden, erodierte Fahlerden und Braunerden bis Kalkbraunerden vorhanden. Im Osteroder Holz wird Kalkstein und Mergel des Mittleren Muschelkalkes durch drenthestadiale Ablagerungen, das heißt Schmelzwassersande und selten Geschiebelehm, überlagert. Diese Ablagerungen sind von einer Lößdecke verhüllt, die in den Rinnenbereichen über 2 m mächtig sein kann. Im Löß und sandunterlagerten Löß sind Fahlerden entwickelt. Lokal kommen Parabraunerde-Braunerden aus Sandlöß über Schmelzwassersand und umgelagertem Sandlöß vor. Über Geschiebelehm sind Pseudogleye und Pseudogley-Fahlerden entwickelt. Am Waldhaus, auf dem südlichen Hangfuß des Großen Fallsteins, besteht der geologische Untergrund aus Schiefertonen und Schluffsteinen mit Mergelsteinbänken des Mittleren Keupers, der im Südteil transgressiv von Ablagerungen der Unteren Kreide, Tonen mit einzelnen Lagen aus Brauneisenstein-Konglomerat, überlagert ist. Darüber lagern im Norden dieses Gebietes Geschiebelehme und Schmelzwassersande. Die Lößdecke erreicht teilweise eine Mächtigkeit von einem Meter. Die größte Fläche nehmen Fahlerden und erodierte Fahlerden ein. In geringmächtigen Lößdecken sind Braunerden bis Braunerde-Rendzinen und Pelosole entwickelt. Selten sind die Täler beständig wasserführend. Hier kommen Gleye und Anmoorgleye vor. Das Grundwasser liegt als Kluftwasser oder Porenwasser im karbonathaltigen Festgestein des Fallsteins vor. Eine Grundwasserscheide erstreckt sich entlang des Kammes, so daß das Grundwasser in südwestliche Richtung zur Ilse und in nordöstliche Richtung zum Großen Bruch hin fließt. Während die Grundwasserflurabstände südlich der Grundwasserscheide 100 m betragen, nehmen sie nordöstlich davon auf weniger als 20 m ab. Trinkwasserschutzgebiete befinden sich im westlichen und nordöstlichen Bereich des LSG. Vor allem an den westlichen bis südlichen Hängen führen die Täler Wasser, das sich am Rande des Fallsteins in Bächen, zum Beispiel im Mühlgraben, ansammelt, die in Richtung Ilse entwässern. In nördliche Richtung, zum Großen Bruch hin, entwässern beipielsweise der Steinbach und der Zieselbach. Die jährlichen Niederschläge liegen am Großen Fallstein bei über 600 mm, das Mittel der Lufttemperatur beträgt 8,5°C. Teilweise flächenhafte Kaltluftströmungen fließen überwiegend vom Fallstein in südwestliche Richtung ab. Pflanzen- und Tierwelt Die potentiell natürliche Vegetation des Fallsteins ist der Haargersten-Buchenwald, der in Teilen des LSG noch in seiner natürlichen Ausprägung vorhanden ist. Das LSG ist nahezu vollständig bewaldet und wird von großflächigen Laubmisch- und Laub-Nadelwäldern eingenommen. Die Übergangsstellung des Gebietes zwischen dem östlichen und dem westlichen subherzynen Harzvorland kommt durch Arealüberschneidungen von subkontinental verbreiteten Arten, zum Beispiel Frühlings-Adonisröschen, Diptam oder Weißes Fingerkraut, und subatlantisch orientierten Buchenwaldpflanzen wie Erdbeer-Fingerkraut, Waldgerste oder Wald-Schwingel zum Ausdruck. Neben verschiedenen Buchenwaldformen tritt besonders an den südexponierten Hängen ein Traubeneichen-Hainbuchenwald auf. Hier sind der Baumschicht Feld-Ahorn und Elsbeere beigemischt, und in der Bodenflora treten eindrucksvoll Türkenbund-Lilie und Vielblütige Weißwurz in Erscheinung. Weit verbreitet in der Strauchschicht des Gebietes ist der Seidelbast. Im Süden des LSG befindet sich ein Ahorn-Eschen-Gründchenwald, der einen besonders schönen Frühjahrsaspekt aufweist. Hohe Schlüsselblume, Hohler Lerchensporn, Märzbecher, Bären-Lauch und Aronstab bilden dann einen dichten Blütenteppich. Zahlreiche weitere bemerkenswerte Pflanzen, viele davon zählen in Sachsen-Anhalt zu den gefährdeten Arten, sind am Fallstein zu betrachten. So kommen Geflecktes, Stattliches und Purpur-Knabenkraut, Fliegen-Ragwurz, Gemeine Akelei, Weiße Waldhyazinthe und Fransen-Enzian vor. Die Wälder des Fallsteins werden von einer artenreichen Kleinvogelwelt bewohnt und zeichnen sich durch eine hohe Greifvogeldichte aus. Hier ist besonders der Rotmilan zu erwähnen, der im nördlichen Harzvorland weltweit seinen Verbreitungsschwerpunkt hat. In den Abendstunden kann man bei etwas Geduld auch den "Schnepfenstrich" beobachten, den Balzflug der Waldschnepfe. An den wenigen feuchten Stellen des Gebietes kommen Erdkröte, Gras- und Teichfrosch vor. Auch Blindschleiche und Zauneidechse gehören zu den Bewohnern des LSG. Entwicklungsziele Besonders die oberen Lagen des Fallstein-Höhenzuges sind durch forstliche Nutzungen sehr eintönig geworden. An anderen Stellen setzten bereits umfangreiche Maßnahmen zur Förderung der Buchenverjüngung ein. Die bestehenden Laub-Nadelmischbestände sowie die kleinflächigen Nadelforste sind langfristig in naturnahe Laubwälder umzuwandeln. Die Waldgebiete des Fallsteins sind besonders für die Naturbeobachtung geeignet. Erforderliche infrastrukturelle Maßnahmen verlangen eine besondere Rücksichtnahme. Sie bedürfen vor allem einer Abstimmung mit dem erforderlichen Ausbau von Wander- und Radwanderwegen. Exkursionsvorschläge Durch das Waldgebiet des Fallstein führen Wanderwege, die auch mit dem Fahrrad befahren werden können. Der Verbindungsweg der Ortschaften Hessen und Rhoden durchquert das LSG im nördlichen Bereich. Den höchsten Abschnitt des Weges legt man durch das NSG „Großer Fallstein“ zurück, wo man am Fuß des Hohen Fallsteins vorbei bis auf 278 m über NN gelangt. Je nach Fahrtrichtung verläßt man bei zirka 210 m über NN am östlichen Rand beziehungsweise bei 220 m über NN am westlichen Rand das Waldgebiet und damit das Landschaftsschutzgebiet. Eine andere Möglichkeit, das LSG zu durchwandern oder mit dem Fahrrad zu erkunden, bietet sich in Nord-Süd Richtung von Veltheim nach Osterwieck. Vorbei am Veltheimer Friedhof erreicht man auf diesem Weg die Wald- und gleichzeitig LSG-Grenze, überquert bei 278 m über NN den Kamm des Fallsteins, der gleichzeitig Kreuzungspunkt mit dem Fahrradweg Hessen-Rhoden ist, und benutzt diesen in westliche Richtung, bis nach etwa 30 m ein Weg in südliche Richtung nach rechts abzweigt. Nach zirka 150 m verläßt man den Weg und begibt sich in südliche Richtung. Jetzt führen mehrere Wege deutlich abwärts, bis man schließlich Osterwieck erreicht, eine Stadt, in welcher sich ein Spaziergang durch den Stadtkern lohnt. Osterwieck Neben Goslar und Halberstadt liegt Osterwieck als eine der bedeutendsten Städte dieser Region zirka 2 km südlich des LSG an der Ilse. Vermutlich ist die Stadt, an der alten Handelstraße zwischen Halberstadt, Braunschweig und Hildesheim liegend, identisch mit dem um 780 unter Karl des Großen eingerichteten Missionsbistum Seligenstadt. Der Name Osterwieck wurde erstmals im Jahr 1073 urkundlich erwähnt. Obwohl das Bistum kurz nach 800 nach Halberstadt verlegt wurde, spielte Osterwieck wirtschaftlich weiter eine wichtige Rolle. Anfang des 13. Jahrhunderts gab es in der Stadt zwei Kirchen, die Stephanikirche und die Nikolaikirche, um welche sich jeweils eine Siedlung etablierte. Ende des 15. Jahrhunderts wurde eine Mauer um diesen Stadtkern errichtet, die heute nur noch in kleinen Resten erhalten ist. Neben Goslar oder Quedlinburg gehört Osterwieck zu den Städten, in denen das niedersächsische Fachwerk des 16. und 17. Jahrhunderts noch an vielen Gebäuden erhalten ist. Anlaß für den Bau dieser Fachwerkhäuser war im Jahr 1511ein Brand. Der gesamte Stadkern steht unter Denkmalschutz. Von den 328 Gebäuden gelten 118 als Einzeldenkmal. Besucht man zum Beispiel Eulenspiegels Osterwiecker Adresse, Schulzenstraße Nr. 8, steht man vor einem Fachwerkhaus des Jahres 1534. Die närrische Bilderschrift vor dem Eingang versetzt den Besucher in die sagenhafte Welt des Till Eulenspiegel, der von der Magdeburger Ratslaube fliegen wollte, in Bernburg ein querulanter Turmwächter war und vor dem Halberstädter Dom mit Brot und in Quedlinburg mit Hühnern handelte. In der sachlichen Deutung der geschnitzten Bilder kann man auf dem Wappen eine Schere erkennnen, die auf die Schneiderherberge im Eulenspiegelhaus hindeutet. Ein weiteres Zeichen in Osterwieck nahe des Marktes zeigt Zweige, einen Warenballen, ein Faß, einen Ankter und den geflügelten Merkurstab, das Symbol der Kaufleute. In der heutigen Rössingstraße erbaute im Jahre 1579 Ludolph von Rössing den ”Bunten Hof”, von dem leider nur noch ein Flügel mit einem Treppentürmchen erhalten geblieben ist. Der Name erinnert an den Brauch, Fachwerkfelder ursprünglich mit Malereien zu verzieren. Die Wendeltreppe im Turm führt hinauf zum ”Rittersaal”, der nicht nur die Wohlhabenheit des Besitzers, sondern auch die Meisterschaft der Zimmerer zeigte. Doch darf der Besucher von den Fachwerkhäusern Osterwiecks keine allzubunten Farben erwarten, da damals Erdfarben wie dunkles Balkenbraun oder Schwarz, Lehmgelb und verhalten wirkendes Blau und Rot verwendet wurden. veröffentlicht in: Die Landschaftsschutzgebiete Sachsen-Anhalts; © 2000; Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt; ISSN 3-00-006057-X Die Natur- und Landschaftsschutzgebiete Sachsen-Anhalts - Ergänzungsband; © 2003; Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt; ISBN 3-00-012241-9; LSG "Waldgebiet Fallstein" Letzte Aktualisierung: 29.07.2019
Binnengewässer sind ein wichtiger Bestandteil des globalen Kohlenstoffkreislaufs und vor allem Emissionen des Treibhausgases Methan (CH4) aus Gewässern sind von zunehmendem globalen Interesse. Jüngste wissenschaftliche Untersuchungen zielen darauf ab, das prozessbasierte Verständnis der räumlichen und zeitlichen Dynamik der CH4-Emissionen aus Gewässern und ihrer treibenden Faktoren zu verbessern. Prognosen dazu, wie sich Methanemissionen aus Gewässern durch anthropogenen Einflüsse oder durch den Klimawandel bedingt verändern, sind auf Basis bisheriger Modelle nicht zuverlässig möglich. Viele der Faktoren, welche die Raten der Methanproduktion, -Oxidation und Emission in aquatischen Sedimenten beeinflussen, stehen in direkter oder indirekter Beziehung zur Strömungsgeschwindigkeit. Die Strömungsabhängigkeit der Methanproduktion und Methanemissionen von aquatischen Ökosystemen wurde jedoch bisher nicht explizit untersucht. In diesem Projekt werden wir neuartige experimentelle Mesokosmensysteme einsetzen, um die Strömungsabhängigkeit dieser Prozesse in einer Reihe von gezielten Laborexperimenten zu untersuchen. Der experimentelle Aufbau simuliert die Bedingungen, denen aquatische Sedimente in einem hydraulischen Gradienten von schnell fließenden (lotischen) hin zu schwach strömenden (lentischen) Systemen ausgesetzt sind. Solche Übergänge treten beispielsweise entlang von Längsgradienten in Flussstauhaltungen auf. Unsere Experimente zielen darauf ab, den Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf diejenigen Prozesse zu untersuchen, die zur Bilanz von Methan im Sediment und an der Sediment-Wasser-Grenzfläche beitragen. Die Ergebnisse werden wir in ein prozessbasiertes Modell implementieren, welches neben relevanten biogeochemischen Parametern auch die Strömungsgeschwindigkeit als explizite Randbedingung berücksichtigt. Mit dem validierten Modell werden wir die Relevanz der Strömungsgeschwindigkeit für die Emissionen von Methan aus unterschiedlichen Gewässern mit Hilfe eines systemanalytischen Ansatzes untersuchen.
Es sollen Versuche am Gewässerbett-Simulator durchgeführt werden, um die Erosionsrate und die Verflüssigung während Wellenbelastung quantitativ zu untersuchen. Außerdem wird der Einfluss von Sickerströmungen in und aus dem Boden auf das Strömungsprofil oberhalb der Bodenprobe untersucht. Aufgabenstellung und Ziel Uferböschungen und die Sohle von Binnenwasserstraßen unterliegen hydraulischen Einwirkungen. Dazu gehören natürliche und schiffserzeugte Wellen und Strömungen sowie Sickerströmungen im Boden. Das Forschungsprojekt behandelt Prozesse und Wechselwirkungen, die durch diese Einwirkungen am und im Gewässerbett auftreten. Der Begriff Gewässerbett bezeichnet hier den dreiphasigen Bodenkörper, bestehend aus Korngerüst, Porenwasser und im Porenraum eingeschlossenen Gasblasen, an dessen Oberfläche frei fließendes Wasser angrenzt. Dieser Bodenkörper ist durchlässig und verformbar und interagiert mit der freien Strömung. Durch die hydraulischen Einwirkungen kann es am Gewässerbett zu Erosionsprozessen kommen. Gleichzeitig treten im Gewässerbett Porenströmungen auf, die den Spannungszustand im Boden ändern. Wie sich diese Mechanismen gegenseitig beeinflussen, wird im Rahmen des Forschungsprojektes mit experimentellen Methoden analysiert. Zunächst werden Bodenprozesse, die durch Welleneinwirkung hervorgerufen werden, untersucht. Vor allem bei feinsandigen Böden mit einem geringen Anteil an Luft im Porenraum kann es zur Verflüssigung einer oberflächennahen Schicht und damit zum vollständigen Verlust der Scherfestigkeit und der effektiven Spannungen kommen. Bei Überströmung treten Wechselwirkungen zwischen Porenströmung, freier Strömung und Verflüssigungsprozessen auf, die sich auf den Erosionsprozess auswirken können. In Modellversuchen im Gewässerbettsimulator können die hydraulischen Randbedingungen gezielt und reproduzierbar erzeugt und die Bodenreaktionen beobachtet werden. Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) In den Bemessungsgrundlagen für Böschungs- und Sohlensicherungen (GBB2010) werden durch Schiffswellen induzierte Porenwasserüberdrücke im Gewässerbett im Hinblick auf die Böschungsstabilität berücksichtigt. Die geotechnische Bemessung basiert auf halbempirischen Ansätzen, deren Genauigkeit mit den Laborversuchen überprüft wird. Bei 7.300 km Binnenwasserstraßen in Deutschland kann eine Optimierung der Bemessung einen deutlichen Beitrag zur Sicherheit und Wirtschaftlichkeit der Binnenwasserstraßen leisten, was in diesem FuE-Vorhaben in Verbindung mit weiteren laufenden Forschungsprojekten der BAW angestrebt wird. An technisch-biologischen Ufersicherungen wurde z. B. beobachtet, dass trotz geringer Strömungsgeschwindigkeiten Erosion auftritt. Ob entstehende Porenwasserüberdrücke oder Verflüssigung sich auf den Erosionsprozess auswirken, ist bisher nicht eindeutig geklärt. Ein vertieftes Prozessverständnis kann somit zu verbesserten Lösungsansätzen und einer technisch zuverlässigen Ausführung der naturnahen Ufersicherungen beitragen. Untersuchungsmethoden Im Jahr 2018 wurde der in der BAW entwickelte Gewässerbett-Simulator (GeSi) fertiggestellt. Mit dieser Versuchsanlage werden Bodenproben überströmt, während gleichzeitig fluktuierende Wasserdrücke zur Simulation von Wellen auf die Probe aufgebracht werden können. Damit können bei definierten hydraulischen Randbedingungen im Naturmaßstab die bodenmechanischen Reaktionen, die Mobilität der Sedimentoberfläche und die mittlere Strömungsgeschwindigkeit analysiert werden. Der Erosionsprozess an der Sedimentoberfläche wird während der Experimente von oben gefilmt. Die Analyse der Videodaten wurde bisher durch Auswertung von Bilddifferenzen durchgeführt, um die Annahme, dass eine erhöhte Sedimentmobilität eine erhöhte Bildänderung hervorruft, qualitativ zu überprüfen (Ewers 2020). (Text gekürzt)
Dieses Projekt trägt zu Forschungsfragen der IODP Expedition 370: T-Limit of the Deep Biosphere off Muroto bei. Die Temperatur an Site C0023 (Nankai Trog, Japan) steigt bis 1.2 km Tiefe auf ca. 120 Grad C an - das Maximum dessen, was potentiell von Mikroorganismen toleriert werden kann. Nährstoffarme tiefe Sedimente werden wahrscheinlich bei 80-90 Grad C sterilisiert. Ziel der Expedition war es, herauszufinden, wie und gesteuert durch welche Faktoren sich die Mikroorganismen-Vergesellschaftung mit der Tiefe ändert und wo Leben erlischt. Teil des wissenschaftlichen Programms ist die Untersuchung mikrobiell nutzbarer Substrate und eindeutiger geochemischer und mikrobieller Signaturen, die eine Identifizierung von biotischem und abiotischem Bereich bzw. dessen Übergang ermöglichen. Es wurden hochauflösende und präzise Porenwasserdaten gewonnen, die Reaktionsfronten, potentielle mikrobielle Aktivität und hydrothermale Überprägung anzeigen. Ein Teil der Sedimente ist Methan- und Sulfat-frei. Mikrobielle Aktivität hängt also von anderen Elektonenakzeptoren als Sulfat ab. Aktuelle Studien zeigen, dass die klassische Redoxkaskade durch Fe- und Mn-Reduktion in methanführenden Sedimenten ergänzt werden muss und, dass biogeochemische Prozesse in natürlichen Systemen stärker durch Mineralogie als durch eine strikte Abfolge von Reaktionen, die sich aus theoretischen Berechnungen ergibt, bestimmt sind. Fe(III)-Reduktion ist eine der ältesten Formen der mikrobiellen Respiration. Eisenreduzierer können unter hohen T- und Druckbedingungen wachsen, was nahelegt, dass diese einen Großteil der tiefen Biosphäre ausmachen. Fe- und Mn wird in Sedimenten von Lokation C0023 freigesetzt. Durch sequentielle Extraktionen soll aufgezeigt werden, welche Fe- und Mn-Phasen als Elektronenakzeptoren verfügbar sind und wie stark primäre Minerale diagenetisch überprägt wurden. Von besonderem Interesse sind Aschelagen, die an anderer Stelle bereits als Hotspots für mikrobielles Leben identifiziert wurden. Diese sind zahlreich in C0023 Sedimenten und typischerweise reich an Fe und Mn. Mikrobielle Fe-Reduktion führt zu einer Anreicherung von 54Fe im Porenwasser und sich daraus bildenden authigenen Mineralen (z.B. Siderit, Magnetit). Dementgegen führen abiotische Reaktionen mit Sulfid zu einer Anreicherung von 56Fe in der gelösten Phase. Stabile Fe-Isotope von gelöstem Fe2+ und reaktivem Fe in der Festphase sollen genutzt werden, um biologische und abiotische Fe-Reduktion zu unterscheiden. Die d56Fe Signatur wird an Karbonat-gebundenem Fe, der Ferrihydrit+Lepidkrokit-Fraktion, Goethit+Hämatit sowie Magnetit gemessen. Weiterhin soll das Ausmaß der Sulfidisierung, die Auswirkungen auf die Interpretation von Daten zu magnetischen Eigenschaften hat, durch sequentielle Extraktion von Fe-Monosulfiden und Pyrit erfasst werden. Ziel des Projekts ist es, die Rolle von Eisenoxiden für mikrobielle Respiration und entsprechende diagenetische Alterationen in tiefen Sedimenten von Site C0023 zu erfa
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.
Die Prozesse der Wasser- und Stoffbewegung sowie des Gasaustausches in Böden werdenmaßgeblich durch das an die Bodenstruktur gebundene Porensystem gesteuert. Die Funktionalität des Porensystems beruht hierbei sowohl auf den Anteilen unterschiedlicher Porengrößen als auch auf der Geometrie des Porenraumes. Während die Porengrößenverteilung mit bodenphysikalischen Standardmethoden unter der Annahme von Kapillarität quantifizierbar ist, lassen sich die realen Porenformen in ihrer räumlichen Anordnung (u.a. Kontinuität, Bottlenecks, Konnektivität, Tortuosität) nur durch optische Verfahren erschließen. Die präferentiellen Fließwege der Makro- und Grobporen (größer als 50 mym) wurden bereits in zahlreichen Studien in 2D und 3D analysiert. Für die mittleren Porengrößen (0,2 - 50 mym) mit hoher ökologischer Wirksamkeit in ungesättigten Böden liegen jedoch kaum morphologische Informationen vor. In diesem Projekt sollen die Verfahren der Kunstharzeinbettung und der Mikrofokus- Computertomographie (myCT) für eine qualitative und quantitative räumliche Analyse des Porensystems in verbesserter hoher Auflösung (bis zu 1 mym) eingesetzt werden. Die Darstellung der mittleren Porengrößen wird mit der neuesten hochauflösenden Technik der myCT bei gleichzeitiger Differenzierung von Matrix, Wasser und Luft realisiert. Die zu analysierenden Geometrieparameter unterschiedlicher Porengrößen werden mit den Funktionen der Wasser- und Luftleitfähigkeit korreliert. Die Darstellung der Wasserverteilung in realen Poren bei unterschiedlichem Entwässerungsgrad ermöglicht zudem eine Überprüfung der Kapillartheorie, die als allgemeine Grundlage für Wasserverteilung und Wasserfluss vorausgesetzt wird.
Wasserbauliche Massnahmen, die zur Sicherung der Gewaesserufer gegen Erosion dienen, stellen Eingriffe in die Oekologie und die wasserwirtschaftliche Funktion der Gewaesser dar. Die in ihren hydrologischen, -dynamischen und morphologischen Eigenschaften veraenderten Gewaesser bewirken qualitative und quantitative Aenderungen in der Zusammensetzung der von ihnen beherbergten Lebensgemeinschaften. Eine Reduktion der Artenvielfalt, verbunden mit geringeren fischereilichen Ertraegen und Verringerung des Selbstreinigungsvermoegens der Gewaesser sind oft die unerwuenschten Folgen. Untersuchungen zum oekologischen Verhalten von Uferdeckwerken sollen daher die Eignung verschiedener Uferbefestigungsverfahren fuer die wasserbauliche Praxis pruefen. Durch Untersuchungen im Freiland und Versuche im Laboratorium sollte geprueft werden, on sich das zur Kolkverfuellung im Rhein verwendete Bergematerial nachteilig auf die Lebensgemeinschaft des Rheins auswirkt. Die faunistichen Erhebungen an der Rheinsohle zeigten, dass zwischen der Besiedlung von Bergematerial und den anderen an der Rheinsohle vorkommenden Besiedlungssubstraten (Naturstein) keine qualitativen und /oder quantitativen Unterschiede bestehen. Auch konnte keine vom Bergematerial ausgehende Qualitaetsaenderung des Porenwassers festgestellt werden. Eine Beeintraechtigung der Lebensgemeinschaft des Rheins durch das Bergematerial war nicht erkennbar.
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