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Aquatisches Pestizidmonitoring – das bundesweite Kleingewässer-Monitoring (KgM)

Pflanzenschutzmittel (PSM) sind weltweit in aquatischen und terrestrischen Ökosystemen nachweisbar – selbst in abgelegenen Regionen ohne landwirtschaftliche Nutzung. Neben direktem Eintrag über Oberflächenabfluss tragen atmosphärische Prozesse wie Windverfrachtung und Deposition zu ihrer weiträumigen Verbreitung bei. Auch in sehr niedrigen, oft unterhalb analytischer Nachweisgrenzen liegenden Konzentrationen können PSM erhebliche ökologische Effekte auslösen, darunter eine verzögerte Erhöhung der Mortalität, negative Wechselwirkungen mit Umweltstressoren und eine daraus resultierende Verschiebung der Artenzusammensetzung. Das bundesweite Kleingewässermonitoring (KgM) 2018/2019 in 101 Tieflandbächen zeigte, dass ereignisgesteuerte Probenahmen während Niederschlägen deutlich höhere Belastungsspitzen erfassen als Standardproben. In landwirtschaftlich geprägten Einzugsgebieten dominierten Wirkstoffe wie Neonicotinoide, Fipronil und Carbamate die Toxizität. Regulatorisch akzeptable Konzentrationen (RAK) wurden in bis zu 81 % der Gewässer in landwirtschaftlich geprägten Einzugsgebieten überschritten – teils auch in Schutzgebieten. Die Stärke der PSM-Belastung war eng assoziiert mit dem Rückgang insektizidvulnerabler Arten, gemessen mit dem SPEARpesticides-Indikator. Der für Freilandpopulationen protektive Grenzwert (feldbasierte akzeptable Konzentration [ACfield]) lag meist deutlich unter den behördlichen Grenzwerten. Die Ergebnisse belegen erhebliche Defizite der derzeitigen Risikobewertung und unterstreichen den Bedarf für monitoringbasierte Grenzwerte, effektive Minderungsmaßnahmen (z. B. Gewässerrandstreifen, Biolandbau) sowie ein verstetigtes, pestizidspezifisches Monitoring. Nur so lassen sich ökologische Schäden durch PSM realistisch erfassen und Biodiversitätsverluste wirksam begrenzen.

Die Rolle von Viren beim mikrobiellen Schadstoffabbau

Die Verunreinigung unserer Wasserressourcen mit organischen Schadstoffen, wie etwa Öl-bürtigen Kohlenwasserstoffen, ist ein ernstzunehmendes Problem und hat vielerorts bereits zu einer chronischen Belastung des Grundwassers geführt. Der biologische Abbau ist der einzige natürliche Prozess, der im Untergrund zu einer Schadstoffreduktion führt. Als Steuergrößen gelten hier die Anwesenheit von Abbauern (Mikroorganismen) und die Verfügbarkeit von Elektronenakzeptoren und Nährstoffen. In den letzten Jahren wurde zudem die Bedeutung dynamischer Umweltbedingungen (z.B. Hydrologie) als wichtige Einflussgröße erkannt. Ein wichtiger Aspekt wurde jedoch bisher nicht in Betracht gezogen, nämlich die Rolle der Viren bzw. Phagen. Viren sind zahlenmäßig häufiger als Mikroorganismen und ebenso ubiquitär vorhanden. Mittels verschiedener Mechanismen können sie einen enormen Einfluss auf die mikrobiellen Gemeinschaften ausüben. Einerseits verursachen sie Mortalität bei ihren Wirten. Andererseits können sie über horizontalen Gentransfer den Wirtsstoffwechsel sowohl zu dessen Vorteil als auch Nachteil modifizieren. In den vergangenen Jahren konnten verschiedene mikrobielle Phänomene der Aktivität von Viren zugeschrieben werden. Die klassische Ansicht, dass Viren ausschließlich Parasiten sind, ist nicht mehr zutreffend. Als Speicher und Überträger von genetischer Information ihrer Wirte nehmen sie direkten Einfluss auf biogeochemische Stoffkreisläufe sowie auf die Entstehung neuer Schadstoffabbauwege. Biogeochemische Prozesse in mikrobiell gesteuerten Ökosystemen wie dem Grundwasser und die dynamische Entstehung und Anpassung an neue Nischen als Folge von Veränderungen der Umweltbedingungen kann nur verstanden werden, wenn der Genpool in lytischen und lysogenen Viren entsprechend mit berücksichtigt wird. Das Projekt ViralDegrade stellt Paradigmen in Frage und möchte eine völlig neue Perspektive hinsichtlich der Rolle der Viren beim mikrobiellen Schadstoffabbau eröffnen, welche zur Zeit noch als Black Box behandelt werden. ViralDegrade postuliert, dass Viren (i) durch horizontalen Gentransfer und den Einsatz von metabolischen Genen den Wirtsstoffwechsel modulieren (Arbeitshypothese 1) und (ii) für den temporären Zusammenbruch von dominanten Abbauerpopulationen und, damit verbunden, für den Wechsel zwischen funktionell redundanten Schlüsselorganismen verantwortlich sind (Arbeitshypothese 2). Sorgfältig geplante Labor- und Felduntersuchungen und vor allem der kombinierte Einsatz von (i) neu entwickelten kultivierungsunabhängigen Methoden, wie etwa dem Viral-Tagging, und (ii) ausgewählten schadstoffabbauenden aeroben und anaeroben Bakterienstämmen, garantieren neue Erkenntnisse zur Rolle der Viren beim mikrobiellen Schadstoffabbau sowie ähnlichen mikrobiell gesteuerten Prozessen. Ein generisches Verständnis der Vireneinflüsse wird zudem zukünftig neue Optionen für die biologische Sanierung eröffnen.

A multi-biomarker approach using caged blue mussel, Mytilus edulis, on three World War shipwrecks in the North Sea

This dataset contains results from a field-based exposure study assessing the biological effects of submerged munitions on the marine bivalve Mytilus spp.. Mussels were collected from Sylt Island (North Sea) and exposed at three historic munition wrecks: SMS Mainz (Germany), KW58 Hendericus (Belgium), and UC30 (Denmark). At each site, mussel cages were deployed directly on or near the wreck structures for several weeks. After recovery, mussels were assessed for mortality and dissected for histochemical and biochemical analyses. Tissues (gills, mantle, and digestive gland) were examined for histological biomarkers including lipofuscin, glycogen, neutral lipids, as well as sex and gonadal maturity. Enzymatic activities of catalase (CAT) and glutathione S-transferase (GST) were measured spectrophotometrically and normalized to protein content.

Forschergruppe (FOR) 2936: Klimawandel und Gesundheit in Afrika südlich der Sahara, Teilprojekt: Gesamtwirtschaftliche Effekte von Gesundheitsauswirkungen des Klimawandels sowie Anpassungsstrategien - eine allgemeine Gleichgewichtsanalyse

Klimawandel kann die menschliche Gesundheit auf verschiedenen Wegen beeinflussen: Typische Wirkungspfade in Sub-Sahara Afrika sind verringerte Erträge in der Landwirtschaft, Hitzestress und Änderungen in der Malariaprävalenz. Diese biophysikalischen und Gesundheitseffekte haben wiederum Auswirkungen auf ökonomische Systeme, z. B. über Nahrungsmittelmärkte oder Änderungen des Umfangs der Erwerbsbevölkerung oder der Arbeitsproduktivität sowie der Bevölkerungsgröße und -zusammensetzung. Das übergeordnete Ziel dieses Projekts ist die Analyse verschiedener, simultan auftretender Auswirkungen des Klimawandels auf die Gesundheit und damit die Volkswirtschaft sowie entsprechende Anpassungsstrategien im Rahmen eines dynamischen allgemeinen Gleichgewichtsmodells mit einer hohen räumlichen Auflösung sowie differenzierter Darstellung von Haushalten und Produktionsfaktoren. Dieses Ziel basiert auf zwei Beobachtungen bzgl. des Standes der Forschung sowie der Ergebnisse aus der ersten Phase der Forschergruppe: i) Die Zeitdimension ist relevant, weil Anpassungsstrategien häufig frühe Investitionen erfordern, die erst später zu Wohlfahrtsgewinnen führen. ii) Die Auswirkungen von Hitzestress und Malaria sowie die Änderungen der Produktivität von Nutzpflanzen sind sowohl in Bezug auf die Region wie auch auf Haushaltsgruppen differenziert und haben starke Implikationen für die Verteilung der Wohlfahrtswirkungen und damit politische Umsetzbarkeit von Anpassungsstrategien. Eine dynamische Modellspezifikation, die Entwicklungen über die Zeit explizit abbildet, ermöglicht relevante Analysen. So können kurzfristig hohe Investitionen in Anpassungsmaßnahmen langfristig starke Wohlfahrtsvorteile erbringen. Um Ihre Umsetzung zu ermöglichen, müssen allerdings Maßnahmenmixe umgesetzt werden, die auch hinreichend kurzfristige Vorteile beinhalten. Außerdem kann in einem dynamischen Modellrahmen die Veränderung der demographischen Struktur der Bevölkerung abgebildet werden, die sich durch klimainduzierte Veränderungen der Mortalität ergibt. Aus dem übergeordneten Ziel werden zwei Teilziele abgeleitet: 1) Eine Weiterentwicklung des komparativ-statischen Einzelland-CGE-Rahmens zu einem dynamischen Modellansatz, 2) eine verbesserte Analyse der Effektivität und Effizienz ausgewählter Anpassungsstrategien. Das Arbeitsprogramm umfasst vier Projektphasen: 1) Entwicklung eines dynamischen Modellrahmens, 2) Analyse verschiedener Anpassungsstrategien in der komparativ-statischen Modellspezifikation, 3) Analyse verschiedener Anpassungsstrategien in der dynamischen Modellspezifikation, 4) Analyse integrierter Szenarien, die die verschiedenen Wirkungspfade und ausgewählte Anpassungsstrategien simultan umfassen.

Dynamik des Feinwurzelsystems von Buche und Fichte bei unterschiedlicher Ozonbelastung

Wachstum und Mortalität des Feinwurzelsystems hängen von vielen abiotischen Faktoren wie Nährstoff-, Wasser- und Sauerstoffversorgung ab. Neben diesen Faktoren kann die Ozonbelastung der oberirdischen Pflanzenteile zur Verringerung des Wurzelwachstums führen. Im Zusammenhang mit der zentralen Hypothese des SFB 607, dass 'Steigerung der Stresstoleranz zu Einschränkungen im Wachstum und Konkurrenzverhalten führt', sollen folgende Fragen beantwortet werden: 1. Wie eng ist der Zusammenhang zwischen Dynamik des Feinwurzelsystems und den abiotischen Faktoren im Wurzelraum? 2. Welchen Einfluss hat darüber hinaus doppelt ambiente Ozonkonzentration im Kronenraum auf die Dynamik des Feinwurzelsystems? 3. Wie verändert sich die Feinwurzeldynamik der Jungbäume unter interspezifischer Konkurrenz und bei zusätzlichem Phytophthora-Befall? Die Dynamik des Feinwurzelsystems wird mit Hilfe von Minirhizotronen mit gekoppelter TDR-, Sauerstoff- und Temperatursensoren und Minisaugkerzen erfasst. Die Auswertung der Feinwurzelaufnahmen erfolgt lagegenau anhand der entzerrten digitalen Bilder mit einem geographischen Informationssystem. Die so analysierten Daten gewinnen aufgrund ihres Raumbezuges eine höhere Aussagekraft gegenüber bisherigen Rhizotronuntersuchungen. Neben der Beantwortung der obigen Fragen liefert das Vorhaben auch eine wichtige Datengrundlage für mehrere Teilprojekte des SFB 607 'Wachstum und Parasitenabwehr'.

Auswirkungen des Klimawandels auf die Waldverjüngung und die Folgen für die Wälder der Zukunft

Anwendung Künstlicher Intelligenz für die Kausalanalyse der Vitalität und Herleitung zukünftiger Anpassungsstrategien von Wirtschaftswäldern, Teilvorhaben 1: KI-basierte Kausalanalysen zur Identifikation von komplexen Wirkzusammenhängen aus heterogenen, forst- und klimabezogenen Datenquellen

Daily HUME: Daily Homogenization, Uncertainty Measures and Extremes (Homogenisierung täglicher Daten, Fehlermaße und Extreme)

Global change not only affects the long-term mean temperature, but may also lead to further changes in the frequency distribution and especially in their tails. The study of the whole frequency distribution is important as, e.g., heat and cold waves are responsible for a considerable part of morbidity and mortality due to meteorological events. Daily datasets are essential for studying such extremes of weather and climate and therefore the basis for political decisions with enormous socio-economic consequences. Reliably assessing such changes requires homogeneous observational data of high quality. Unfortunately, however, the measurement record contains many non-climatic changes, e.g. homogeneities due to relocations, new weather screens or instruments. Such changes affect not only the means, but the whole frequency distribution. To increase the quality and reliability of global daily temperature records, we propose to develop an automatic homogenisation method for daily temperature data that corrects the frequency distribution. We propose to describe homogenisation as an optimisation problem and solve it using a genetic algorithm. In this way, entire temperature networks can be homogenised simultaneously leading to an increase in sensitivity, while avoiding setting false (spurious) breaks. By not homogenising the daily data directly, but by homogenising monthly indices (probably the monthly moments), the full power and understanding of monthly homogenization methods can be carried over to the homogenisation of daily data. Furthermore, in an optimisation framework, the optimal temporal correction scale can be determined objectively and straightforwardly, that is whether the corrections are best applied annually (all twelve months get the same correction), semi-annually, seasonally or monthly. All three aspects are new: the simultaneous homogenisation of an entire network, the objective selection of the degrees of freedom of the adjustments and of the temporal averaging scale of the correction model. This new method will be applied to homogenise the temperature datasets of the International Surface Temperature Initiative. This large dataset necessitates an automatic homogenisation method. To validate the method, we will generate an artificial climate dataset with known inhomogeneities. To be able to generate such a validation dataset with realistic inhomogeneities, we need to understand the nature of inhomogeneities in daily data much better. Therefore, we intend to collect and study parallel measurements (two set-ups at one location), which allow us to study the changes in the frequency distribution if one set-up is replaced by the other. Finally, we will study and quantify the uncertainties due to persistent errors remaining in the dataset after homogenisation and utilise this to improve the accuracy of the homogenisation algorithm. The knowledge of uncertainties is also indispensable for climatologists using the homogenised data.

Trockenheitsrisiken im Wald unter Klimawandel, Teilvorhaben 2: Ableitung von trockenstress-bedingten abiotischen und baumartenspezifischen Schadpotentialen (Vitalität, Wachstum und Mortalität) auf Basis von Wasserhaushaltsindikatoren und deutschlandweiter Monitoring- und Inventurdaten

Die Sommertrockenheit in den Jahren 2003, 2013, 2015, 2018 und 2019 verdeutlichen, dass die Häufung und Intensität katastrophaler Trockenheitsereignisse durch den Klimawandel wahrscheinlich deutlich ansteigen werden. Zur deutschlandweiten Echtzeitbewertung der Wasserverfügbarkeit und von Dürrerisiken in Waldflächen soll im Rahmen des Projektes TroWaK ein hochaufgelöstes Wasserhaushaltsmodell entwickelt werden. Die Ergebnisse des Wasserhaushaltsmodells bilden die Grundlage für neue Methoden zur Abschätzung des Risikos für abiotische und biotische Folgeschäden in trockenheitsbeeinflussten Wäldern. Das Thünen-Institut arbeitet gemeinsam mit der NW-FVA und dem DWD an der Weiterentwicklung und Parametrisierung des Modells LWF-Brook90 (Wasserhaushaltsmodell) für verschiedene Baumarten. Hierfür werden Forstliche Monitoring- und Inventurdaten genutzt. Mit den Wasserhaushaltsmodellierungen werden baumspezifische abiotische Stressfaktoren abgeleitet. Diese reichen von Wachstums- über Vitalitätseinbußen, bis zur Mortalität. Damit wird zur Erstellung routinemäßiger Karten zur aktuellen Bodenfeuchtesituation und zum aktuellem Schadensrisiko von Waldbeständen beigetragen. Deutschlandweit kann so eine einheitliche Bewertung der Risiken für Waldbestände in Abhängigkeit von Klima, Baumartenzusammensetzung und Boden erfolgen. Aus den Ergebnissen sollen deutschlandweit einheitliche forstliche Standortskarten abgeleitet werden.

Bewertung der physiologischen Plastizität und genetischen Variabilität der Kiefer (Pinus sylvestris L.) an ihrer westlichen Verbreitungsgrenze unter den Bedingungen des Klimawandels, Teilvorhaben 1: Bewertung der physiologischen Variabilität auf der Grundlage von Biomarkern

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