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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.

Übertrittsstellen und Akkumulationen

Die markierten Standorte sind Schwerpunkte des Sedimenttransportes und der Bodenakkumulation bei Erosionsereignissen infolge von Starkniederschlägen. Übertrittsstellen befinden sich vor allem an Gewässern, Biotopen, baulichen Anlagen etc. Akkumulationsflächen sind häufig am Ende von Abflussbahnen lokaliosiert. Die Übertrittsstellen und Akkumulationsflächen wurden aktenkundig aufgenommen. Orientierende Untersuchungen wurden durchgeführt, um geeignete Maßnahmen zur Gefahrenabwehr, zur Schadensminimierung und Verhinderung vorzuschlagen. Diese Informationen dienen als Grundlage für die Umsetzung von Erosionsschutzmaßnahmen zur Gefahrenabwehr und zur Vermittlung von Vorsorgepflichten zur Vermeidung von Bodenerosionen auf landwirtschaftlich genutzten Flächen.

Erosionsabtragsflächen

Darstellung von konkreten Flächen mit beobachteten Erosionsereignissen, die zu Bodenabtrag aus landwirtschaftlich genutzten Flächen mit Oberflächenabfluss und Sedimenttransport geführt haben. Die Flächen sind i.d.R. anhand von Schlaggrenzen oder Feldblöcken abgregrenzt und wurden zum Teil orientierend untersucht.

Numerische Simulation von hydraulisch induziertem Feststofftransport im Übergangsbereich zwischen Boden und Wasser

Die Wechselwirkung zwischen Oberflächenwasser, Porenwasser und Korngerüst bedingen die Lagestabilität bzw. den Bewegungsbeginn von Bodenpartikeln. Dieser Prozess soll numerisch simuliert werden.

Zukunftsszenarien zur Förderung einer nachhaltigen Nutzung mariner Räume, Vorhaben: Offshore-Wind und Sedimentpfade

Schwerpunktprogramm (SPP) 1803: EarthShape: Earth Surface Shaping by Biota, Lang- und kurzfristiger Einfluss der Vegetation auf die Landschaftsentwicklung abgeleitet aus Thermochronologie und Fernerkundung

Dieser Antrag skizziert ein Projekt, das den Zielen des SPP 'EarthShape' folgt, indem es die Rolle von Biota für die Formungsprozesse der Erde untersucht. Diese Studie zielt darauf ab, (i) die ursprüngliche Annahme von EarthShape zu testen, dass alle primären Arbeitsgebiete eine ähnliche langfristige tektonische (Gesteinshebungs-) Geschichte aufweisen und (ii) den Einfluss von Biota auf Landschaften entlang eines ausgeprägten klimatischen und ökologischen Gradienten in der chilenischen Küstenregion über Jahrtausende zu quantifizieren. Die Annahme einer identischen tektonischen (Gesteinshebungs-) Geschichte aller vier primären Arbeitsgebiete impliziert, dass laterale Variationen der Topographie und der stattfindenden Erdoberflächenprozesse ausschließlich durch Klima und Biota gesteuert werden/wurden. Tektonische Studien und thermochronologische Pilotdaten, legen nahe, dass dies möglicherweise nicht der Fall ist, und somit jedwede Schlussfolgerung über Biota- Topographie-Erosionsbeziehungen unvollkommen ist. Wir werden Festgesteins- Niedrigtemperatur-Thermochronologie (Apatit (U-Th)/He- und Fission-Track-Methode) und thermisch-kinematische Modellierung (PECUBE) anwenden, um die tektonische (Gesteinshebungs-) Geschichte aller vier primären Arbeitsgebiete in EarthShape über Millionen Jahre zu rekonstruieren. Die Ergebnisse sind sowohl für Beobachtungs- als auch für Modellierungsstudien, die großskalige Tektonik-Klima-Biota-Interaktionen und Landschaftsentwicklungen untersuchen (vgl. Phase-II-EarthShape-Anträge: PIs Ehlers und Hickler, Schaller und van der Kruk, Mutz und Niedermeyer), von großer Bedeutung. Detritische (Tracer) Thermochronologie wird in allen primären Arbeitsgebiete von EarthShape angewendet, um die antreibenden Kräfte von Erdoberflächenprozessen über Jahrtausende zu identifizieren. Von besonderem Interesse ist hierbei die Untersuchung der Beziehungen zwischen Vegetationsbedeckung, Geomorphologie, Erosion und Sedimenttransport. Dies geschieht durch statistische Zuordnung der detritischen Altersverteilungen zu den Herkunftsgebieten in den untersuchten Einzugsgebieten. Geomorphologische und biotische Einflussfaktoren werden aus verschiedenen Fernerkundungsdaten abgeleitet. Geomorphologische Erosionsfaktoren werden aus digitalen Höhenmodellen (ASTER, LiDAR) berechnet, während Vegetations-Erosionsfaktoren aus der Analyse multispektraler Satellitendaten (Sentinel, Landsat) in Verbindung mit Feldarbeit abgeleitet werden. Hieraus resultierende relative Erosionskarten können mit kosmogenen Nuklid-Erosionsraten kombiniert werden (z. B. EarthShape Phase I + II, PIs Schereler et al., Schaller und van der Kruk), um hochaufgelöste Erosionsraten-Karten für alle primären Arbeitsgebiet von EarthShape abzuleiten. Wir erwarten, dass dieser innovative multidisziplinäre Ansatz (Kombination von Thermochronologie und Fernerkundungsdaten) unser Verständnis der tektonischen, klimatischen und biologischen Landschaftsdynamik verbessern wird.

Gefahrenhinweiskarte Sachsen (Atlas der Hochwassergefährdung in Sachsen)

Die Gefahrenhinweiskarte zeigt Überschwemmungsflächen und Intensitäten (Wassertiefe bzw. spezifischer Abfluss) bei Extremhochwasser für den Elbestrom und die Gewässer I. Ordnung in Sachsen in einem Überblicksmaßstab (1:100.000) mit einem Datenstand von 2004. Als Extremhochwasser (EHQ) wird dabei ein Ereignis, das bedeutend größer als HQ(100) ist, mindestens das höchste beobachtete Ereignis, im Allgemeinen jedoch HQ(300), angesetzt. Die Berechnung der Überschwemmungsflächen erfolgte ohne die Berücksichtigung der Wirkung vorhandener Hochwasserschutzeinrichtungen, wie Talsperren, Deiche oder Polder. Die dargestellten Intensitäten und Ausdehnungen stellen eine Umhüllende aller möglichen Überschwemmungsszenarien dar, d.h., nicht alle dargestellten Flächen sind bei einem einzelnen Ereignis betroffen. Dies gilt auch bei einem Versagen von Schutzeinrichtungen. Darüber hinaus werden die Grenzen der überschwemmten Flächen bei HQ(20) und HQ(100) dargestellt, ebenfalls ohne die Berücksichtigung der Wirkung von Hochwasserschutzeinrichtungen. Aufgrund der verschiedenen Überflutungs- und damit Schadensprozesse wurde zwischen flachen Talbereichen (geschiebefrei, meist nicht Lauf verändernde Überflutung) und Steilbereichen (dynamische Überschwemmung mit Geschiebetransport, Erosion und zu erwartender Laufveränderung) unterschieden. Da an den steilen Gewässerabschnitten die Überschwemmungstiefe nur indirekt eine Aussage über die Intensität und damit über die Gefährdung geben kann, wurde zusätzlich die Fließgeschwindigkeit auf den Vorländern ermittelt. Das Produkt aus Überschwemmungstiefe und Fließgeschwindigkeit wird als spezifischer Abfluss (Abfluss pro Meter Gewässerbreite) für EHQ dargestellt.

Erosionsabtragsflächen (WFS Dienst)

Darstellung von konkreten Flächen mit beobachteten Erosionsereignissen, die zu Bodenabtrag aus landwirtschaftlich genutzten Flächen mit Oberflächenabfluss und Sedimenttransport geführt haben. Die Flächen sind i.d.R. anhand von Schlaggrenzen oder Feldblöcken abgregrenzt und wurden zum Teil orientierend untersucht.

Erosionsabtragsflächen (WMS Dienst)

Darstellung von konkreten Flächen mit beobachteten Erosionsereignissen, die zu Bodenabtrag aus landwirtschaftlich genutzten Flächen mit Oberflächenabfluss und Sedimenttransport geführt haben. Die Flächen sind i.d.R. anhand von Schlaggrenzen oder Feldblöcken abgregrenzt und wurden zum Teil orientierend untersucht.

Übertrittsstellen und Akkumulationen (WFS Dienst)

Die markierten Standorte sind Schwerpunkte des Sedimenttransportes und der Bodenakkumulation bei Erosionsereignissen infolge von Starkniederschlägen. Übertrittsstellen befinden sich vor allem an Gewässern, Biotopen, baulichen Anlagen etc. Akkumulationsflächen sind häufig am Ende von Abflussbahnen lokaliosiert. Die Übertrittsstellen und Akkumulationsflächen wurden aktenkundig aufgenommen. Orientierende Untersuchungen wurden durchgeführt, um geeignete Maßnahmen zur Gefahrenabwehr, zur Schadensminimierung und Verhinderung vorzuschlagen.

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