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Der Einfluss von bodennaher Turbulenz auf den Transport von Tracern in marinen Becken (ROBOTRACE)

Mit diesem Antrag sollen die physikalischen Prozesse identifiziert, analysiert und quantifiziert werden, die zu dem Austausch von gelösten Substanzen zwischen der Sediment-Wasser Grenzschicht, innerhalb der turbulenten Bodengrenzschicht (bottom boundary layer, BBL) und dem schwach turbulenten Inneren von geschichteten Becken beitragen. Im Fokus stehen dabei der Effekt von geneigten Hängen, an denen die Austauschprozesse durch das Zusammenwirken des Wiederaufbaus der Bodengrenzschichtschichtung , der Turbulenz innerhalb der BBL und sub-mesoskaligen Prozessen, von denen angenommen wird, dass sie den lateralen Austauschraten von Wasser bestimmen, verkompliziert werden. Diese Prozesse werden durch einen kombinierten Ansatz aus Feldmessungen und numerischer Modellierung untersucht. Insbesondere wird sich das Projekt dabei auf den Sediment-Wasser Austausch von Schwefelwasserstoff und Sauerstoff fokussieren, der in Situ mit Hilfe eines Eddy-Korrelationsmessgerätes als auch mit einem Mikroprofilsystem gemessen wird. Diese Messung wird durch ozeanographische Standardmessungen ergänzt, als auch durch Schiffs- und Verankerungsbasierte Turbulenzmessungen. Dieser Datensatz ist neuartig durch die Kombination von (A) der Sediment-Wasserflüsse von Sauerstoff und Schwefelwasserstoff und (B) der Turbulenzmessungen innerhalb der BBL und des Beckeninneren. Zusätzlich zu den Feldmessungen ist eine numerische Modellierung auf der Basis eines einfachen Sedimentmodells in Kombination mit einer Parametrisierung der Transportprozesse an der Sediment-Wassergrenzschicht geplant. Dieses Modell wird in idealisierten, eindimensionalen Parameterstudien, sowie in einem zweidimensionalen Setup verwendet, welches sich auf die Austauschprozesse der Bodengrenzschicht mit dem Beckeninneren konzentriert. Für die Untersuchung von dreidimensionalen Strukturen wie Eddies auf den Sauerstoff/Schwefelwasserstofftransport wird ein voll dreidimensionales realistisches Modell der zentralen Ostsee angewendet.

Modellierung von Wasser-Transportwegen und -Isotopen in der atmosphärischen Grenzschicht der Passatwindzone (MoWITrade)

Das Strahlungsbudget der Erde und die Sensitivität des Klimasystems gegenüber externen Antrieben werden stark durch den Wasserkreislauf und die Bildung von tiefliegenden Wolken in der marinen Grenzschicht der Passatwindzone beeinflusst. Die Darstellung dieser Prozesse in globalen Klimamodellen ist allerdings mit großen Unsicherheiten verbunden. Das Ziel dieses Projektes ist es, diese Unsicherheiten zu reduzieren und unser Verständnis von Wassertransport-Prozessen in der Passatwindzone zu verbessern. Dazu werden hoch entwickelte Transport-Diagnostiken in Klimasimulationen verwendet, die ein breites Spektrum an räumlichen Auflösungen abdecken (Gitterpunktsabstände von unter 1 km bis zu 100 km). Die Beiträge verschiedener Quellregionen und Transportwege zum Feuchtebudget in der marinen Grenzschicht werden mit Hilfe von numerischen Feuchte-Tracern quantifiziert. Diese passiven Tracer werden mit prognostischen Simulationen von Wasserisotopen kombiniert, um spezifische Fingerabdrücke der verschiedenen diagnostizierten Feuchte-Transportwege in der Isotopenzusammensetzung zu bestimmen. Schließlich wird die simulierte Isotopenzusammensetzung mit Messungen von der EUREC4A-Messkampagne im tropischen Nordatlantik verglichen. Auf diese Weise wird untersucht, inwiefern Beobachtungen von Wasserisotopen dazu dienen können, die simulierten Transportprozesse zu evaluieren. Durch diesen skalenübergreifenden Modellierungsansatz, in Kombination mit Beobachtungsdaten von der EUREC4A-Kampagne, werden wir in der Lage sein, die Darstellung des tropischen Wasserkreislaufs in Klimamodellen auf neuartige Art und Weise zu evaluieren und schlussendlich zu verbessern.

Untersuchung der Bildung und der Struktur gebundener Rückstände des Fungizids Cyprodinil in Pflanzen

Ziel des Projektes ist es, die gebundenen Rückstände des Fungizids Cyprodinil, die in Weizenstroh bis zu 45 Prozent und in Körnern bis zu 30 Prozent des applizierten Wirkstoffs betragen können, bezüglich ihrer Struktur und der Art der Bindung zu charakterisieren. Die in den unlöslichen Pflanzenfraktionen festgelegten Rückstände sollen durch klassische Aufschlüsse und, als zu entwickelnde neue Methode, durch Silylierung freigesetzt, in organische Lösungsmittel überführt und mit hochauflösender NMR-Spektroskopie sowie mit chromatographischen Methoden untersucht werden. Weiterhin sind Festkörper-NMR-Untersuchungen der Rückstände in festen Pflanzenproben und -fraktionen vorgesehen. Cyprodinil wird für die geplanten NMR-Untersuchungen vom Hersteller, Novartis, an geeigneten Molekülpositionen mit 13C markiert. Für die Lokalisation und quantitative Erfassung der Rückstände wird zusätzlich 14C-markierter Wirkstoff eingesetzt. Um größere Mengen von Metaboliten und gebundenen Rückständen für die geplanten Charakterisierungen herzustellen, soll Cyprodinil auch in Weizen-Zellkulturen inkubiert werden. Zur Verminderung der NMR-Untergrundsignale der Pflanzenmatrix ist vorgesehen, die Inkubation in Pflanzen bzw. Zellkulturen durchzuführen, deren natürlicher 13C-Gehalt abgereichert wurde. Für spektroskopische Vergleichsmessungen ist die Kopplung des Fungizids an synthetische Ligninpolymere geplant.

Durchlässigkeits- und Fluxmessungen in porösen Aquifern

Die Kenntnis von hydraulischen Durchlässigkeiten wie auch von Wasser- und Verunreinigungsfluxen in porösen Grundwasserleitern ist von großer Bedeutung in vielen hydrogeologischen Belangen wie z.B. Beregnung, Versickerung, quantitative und qualitative Wasserwirtschaft, Risikoabschätzung bei Verunreinigungen, usw. Derzeit ist keine theoretisch gut fundierte Methode zur Messung horizontaler und vertikaler Durchlässigkeiten in der gesättigten Zone verfügbar und Methoden zur Messung von gesättigten Durchlässigkeiten in der ungesättigten Zone sind beschränkt, zeitaufwendig und fallweise unzuverlässig. Außerdem ist gegenwärtig keine Methode zur direkten Messung vertikaler Wasser- und Verunreinigunsfluxe in porösen Grundwasserleitern oder am Übergang zwischen Grund- und Oberflächengewässern bekannt. Das dargelegte Projekt basiert auf der Entwicklung einer exakten Lösung des Strömungsfeldes für das Ein- oder Auspumpen von Wasser durch eine beliebige Anzahl von unterschiedlichen Filterabschnitten entlang eines ansonsten undurchlässigen Filterrohres bei verschiedenen Randbedingungen. Diese Lösung erlaubt die Ermittlung von Formfaktoren der Strömungsfelder, die zur Berechnung hydraulischer Durchlässigkeiten aus Einpressversuchen nötig sind. Die derzeit angewendeten Formeln können mit der genauen Lösung verglichen und der Einfluss anisotroper Durchlässigkeiten kann miteinbezogen werden. Eine doppelfiltrige Rammsonde wird zur bohrlochfreien Messung horizontaler und vertikaler Durchlässigkeiten in verschiedenen Tiefen unter dem Grundwasserspiegel vogeschlagen. Der Test besteht aus zwei Teilen: (1) Einpressen durch beide Filterabschnitte und (2) Zirkulation zwischen den Filtern. Die gleiche Sondenkonfiguration wird für die direkte und gleichzeitige Messung lokaler, kumulativer, vertikaler Wasser- und Verunreinigungsfluxe nach dem passiven Fluxmeter-Prinzip vorgeschlagen. Ohne zu pumpen werden die beiden Filterabschnitte hiebei durch eine mit Tracern geladene Filtersäule hydraulisch verbunden. Der vertikale Gradient im Testbereich treibt einen Fluss durch den Filter, der kontinuierlich Tracer auswäscht und Verunreinigungen im Filter hinterlässt. Aus der Analyse des Filtermaterials zur Bestimmung der Tracer- und Verunreinigungsmengen nach dem Test werden mit Kenntnis des Strömungsfeldes um die Sonde die Wasser- und Verunreinigungsfluxe bestimmt. Eine kegelförmige, doppelfiltrige Rammsonde wird weiters vorgeschlagen, um gesättigte Durchlässigkeiten sowohl über als auch unter dem Grundwasserspiegel direkt messen zu können. Die Methode basiert auf stationärer, gesättigt/ungesättigt gekoppelter Strömung aus kugelförmigen Hohlräumen. Die Möglichkeit einer transienten einfiltrigen Methode und einer Methode zur Messung anisotroper Durchlässigkeiten wird beurteilt. Die vorgeschlagenen theoretischen Konzepte werden ausgearbeitet und anhand von Laborversuchen überprüft.

Der Einfluss der Mykorrhizatypen und der Diversität der Bäume auf die Stabilisierung des Kohlenstoffs im Boden

Böden speichern große Mengen an Kohlenstoff (C) in der organischen Bodensubstanz (OBS), die durch Einschluss in Aggregate oder Bindung an Oberflächen von Mineralen vor mikrobieller Zersetzung geschützt ist. Je nachdem, welche Fraktion der OBS betrachtet wird, sind die Quellen sehr unterschiedlich. Während die partikuläre organische Substanz hauptsächlich aus Pflanzenresten besteht, stammt die mineralassoziierte organische Substanz größtenteils aus mikrobiellen Rückständen. In Wälder der gemäßigten Zonen spielt zudem die Symbiose zwischen Bäumen und Pilzen, die Mykorrhiza, eine wichtige Rolle für die C-Speicherung im Boden. Wälder, die von Bäumen mit Ektomykorrhiza (ECM) dominiert werden, weisen höhere C-Vorräte auf, verglichen mit Wäldern mit arbuskulärer Mykorrhiza (AM). Diese C-Vorräte sind jedoch weniger stabilisiert und das Verhältnis der partikulären zur mineralassoziierten OBS ist in ECM Wäldern höher als in AM Wäldern. Ein mechanistisches Verständnis der Faktoren und Prozesse, durch die die verschiedenen Mykorrhizatypen die partikuläre und die mineralassoziierte OBS beeinflussen, fehlt jedoch bislang. Wir nehmen an, dass der Mykorrhizatyp die Rhizodeposition beeinflusst, insbesondere die Vielfalt der Metabolite und die Dynamik des C-Eintrags, und dadurch ein Schlüsselfaktor für die C-Speicherung im Boden ist. Unsere Hypothese ist, dass in AM-dominierten Wäldern ein geringer, aber kontinuierlicher Eintrag von hochdiversen Rhizodepositen die mikrobiellen Gemeinschaften fördert, die dann zu einer erhöhten C-Stabilisierung in Form von mineralassoziierter OBS beitragen. Im Gegensatz dazu fördert ein unregelmäßiger und hoher C-Eintrag, bei gleichzeitiger Unterdrückung saprotropher Pilze (Gadgil Effekt), die Akkumulation der partikulären OBS in ECM Wäldern. Um die Hypothesen dieses Gemeinschaftsprojekts zu prüfen, werden wir auf ein etabliertes Experiment zur Diversität von Bäumen, bei dem die Häufigkeit von Mykorrhizatypen manipuliert wird, zurückgreifen. Dieses wird durch innovative Experimente im Labor und modernste Methoden, wie die Markierung mit stabilen Isotopen, die Identifizierung mittels Biomarkermolekülen und die Flüssigkeitschromatographie/Massenspektrometrie, kombiniert. Das vorgeschlagene Projekt wird zu einem umfassenden Verständnis der durch den Mykorrhizatyp bedingten Mechanismen des C-Umsatzes in Wäldern der gemäßigten Breiten beitragen. Dadurch wird es möglich, künftige Veränderungen der C-Vorräte in Waldökosystemen besser vorherzusagen und neue Waldbewirtschaftungsstrategien zu entwickeln, um die C-Speicherung im Boden zu erhalten oder sogar zu erhöhen.

Verteilung und Stabilität des Kohlenstoffs beim Abbau von 14C-markiertem Weizenstroh in den verschiedenen Kompartimenten eines Bodens mit unterschiedlicher landwirtschaftlicher Bewirtschaftung

Es ist die Hypothese aufgestellt worden, dass neben nicht abgebauten Pflanzenresten die organische Substanz des Bodens grob aus zwei Kompartimenten besteht. Bestimmt durch den Ton- und Feinschluffanteil entwickelte sich ein inerter C-Pool während der Genese von Böden. Dieser an die mineralischen Feinanteile gebundene Kohlenstoff nimmt nur über einen langen Zeitraum am Kohlenstoffumsatz von Böden teil. In Abhängigkeit von der landwirtschaftlichen Praxis entwickelt sich während des durch die metabolische Aktivität von Bodentieren und Mikroorganismen verursachten Abbaus von Pflanzenresten und organischen Düngern ein zweiter, labiler C-Pool. Dieser ist im wesentlich verantwortlich für die Nährstoffflüsse in Böden. Das Ziel des geplanten Forschungsprojektes ist es, in Laborexperimenten die Verteilung von frisch zugeführten 14C aus markiertem Weizenstroh zwischen inertem und labilem C-Pool über den Zeitraum eines Jahres zu verfolgen. Zusätzlich wird die Mineralisierung des Pflanzenmaterials zu 14CO2, die Bildung wasserlöslicher 14C-Metabolite und die anabolische Verwertung des markierten Kohlenstoffs durch die mikrobielle Biomasse des Bodens verfolgt. Nach einer physikalischen Fraktionierung der mineralisch-organischen Bodensubstanz in einzelne Größenfraktionen soll deren Gehalt an 14C/12C organischer Substanz über die Zeit bestimmt werden. In einem Inkubationsexperiment werden die isolierten Größenfraktionen mit der autochthonen Bodenflora beimpft werden, und die dabei durch die Aktivität der Mikroorganismen freigesetzten 14CO2 Mengen sind ein Indikator für die Stabilität der organischen Substanz in den einzelnen Fraktionen. Für diese Untersuchungen werden Proben eines landwirtschaftlichen Bodens ausgesucht, der für viele Jahrzehnte verschiedener Düngungspraxis (null, mineralisch, organisch) unterlag. Durch dieses Forschungsprojekt werden Informationen über die kausalen Zusammenhänge von Bodenprozessen bei der Bildung und Speicherung der organischen Substanz im Boden erwartet.

Redoxinduzierte Mobilisierung von DOC aus fließgewässerbegleitenden Feuchtgebieten

Fließgewässerbegleitende Feuchtgebiete sind wichtige Quellen für gelösten organischen Kohlenstoff (DOC) im Gebietsabfluss. Während der letzten Jahrzehnte stiegen in vielen nördlichen Einzugsgebieten die DOC Konzentrationen im Abfluss, mit Folgen für die Gewässergüte und Kohlenstoffspeicherung in den Gebieten. Mögliche Ursachen der DOC Trends werden derzeit intensiv diskutiert. In Böden ist organischer Kohlenstoff (C) häufig mit Oxiden/Hydroxiden des Eisens (Fe) assoziiert, was C unter oxischen Bedingungen immobilisiert. Unter anoxischen Bedingungen kann C durch reduktive Auflösung der Fe-Phasen und/oder eine redoxbedingte Erhöhung des pH remobilisiert werden. Diese Vorgänge wurden zwar im Labor - vor allem für Mineralböden - untersucht, jedoch ist die Bedeutung für organisch geprägte Böden sowie die DOC-Dynamik im Gebietsabfluss noch weitestgehend unklar. Wir führen dies auf mangelnde Untersuchungen zurück, welche diese Prozesse in Einzugsgebieten von der DOC-Quelle bis ins Gewässernetz mit geeigneten experimentellen und Modelltechniken verfolgen. Ziel des Projektes ist daher ein Prozessverständnis der Interaktionen von DOC, Fe und pH für Einzugsgebiete zu entwickeln, die durch einen wesentlichen Anteil gewässerbegleitender Feuchtgebiete geprägt sind. Die zentrale Hypothese ist, dass der mobilisierbare DOC-Pool in gewässerbegleitenden organischen Böden hauptsächlich durch Redoxprozesse beeinflusst wird, insbesondere durch Fe-Reduktion sowie durch redoxbedingte Änderungen des pH. Wir postulieren einen Zusammenhang der DOC-Dynamik im Gebietsabfluss und der Änderung der Grundwasserstände/Bodentemperaturen in den Feuchtgebieten, weil letztere die Redoxbedingungen maßgeblich beeinflussen. Im Projekt wird ein kombinierter Ansatz verfolgt, mit (A) experimentellen Untersuchungen entlang von Transekten aus den Feuchtgebieten bis ins Gewässer, wobei molekulare DOC Signaturen als Tracer für Mobilisierungsprozesse verwendet werden und (B) der Anwendung von neueren Methoden zur Detektion kausaler Wechselwirkungen aus Monitoringdaten. Das Projekt ist vorwiegend im Krycklan Einzugsgebiet in Nordschweden geplant, für das lange Zeitreihen sowie eine sehr gute Infrastruktur existieren. Das Prozesswissen aus Krycklan soll mit Hilfe von Bayes'schen Netzen auf deutsche Einzugsgebiete übertragen werden, wo komplementäre Studien durchgeführt werden und Kooperationen bestehen. Das 3-jährige Forschungsprojekt soll mit einem Doktorand*innen in einer Kooperation der Uni Münster, der Berliner Hochschule für Technik (BHT), des UFZ Leipzig/Magdeburg, der Schwedischen Uni für Agrarwissenschaften in Umeå und der Uni Bayreuth durchgeführt werden. Während die/er Doktorand*in für die experimentellen und die Laboruntersuchungen zuständig ist, obliegen PI Selle (BHT) die Modellierungsarbeiten und die Übertragung der Erkenntnisse aus Schweden auf deutsche Einzugsgebiete; gemeinsam wird schließlich eine Integration und Synthese von Projektergebnissen erreicht.

Unraveling the genetic architecture of winter hardiness and quality traits in durum by genome wide and canidate gene based association mapping

Durum wheat is mainly grown as a summer crop. An introduction of a winter form failed until now due to the difficulty to combine winter hardiness with required process quality. Winter hardiness is a complex trait, but in most regions the frost tolerance is decisive. Thereby a major QTL, which was found in T. monococcum, T.aestivum, H. vulgare and S.cereale on chromosome 5, seems especially important. With genotyping by sequencing it is now possible to make association mapping based on very high dense marker maps, which delivers new possibilities to detect main and epistatic effects. Furthermore, new sequencing techniques allow candidate gene based association mapping. The main aim of the project is to unravel the genetic architecture of frost tolerance and quality traits in durum. Thereby, the objectives are to (1) determine the genetic variance, heritability and correlations among frost tolerance and quality traits, (2) examine linkage disequilibrium and population structure, (3) investigate sequence polymorphism at candidate genes for frost tolerance, and (4) perform candidate gene based and genome wide association mapping.

Etablierung und Validierung einer Plattform für die miniaturisierte und schonende serologische Analyse von Blutproben in kleinen Versuchstieren, Erforschung und Parallelisierung eines serologischen PICO-Assays

Biopores in the subsoil: Formation, nutrient turnover and effects on crops with distinct rooting systems (BioFoNT)

Perennial fodder cropping potentially increases subsoil biopore density by formation of extensive root systems and temporary soil rest. We will quantify root length density, earthworm abundance and biopore size classes after Medicago sativa, Cichorium intybus and Festuca arundinacea grown for 1, 2 and 3 years respectively in the applied research unit's Central Field Trial (CeFiT) which is established and maintained by our working group. Shoot parameters including transpiration, gas exchange and chlorophyll fluorescence will frequently be recorded. Precrop effects on oilseed rape and cereals will be quantified with regard to crop yield, nutrient transfer and H2-release. The soil associated with biopores (i.e. the driloshpere) is generally rich in nutrients as compared to the bulk soil and is therefore supposed to be a potential hot spot for nutrient acquisition. However, contact areas between roots and the pore wall have been reported to be low. It is still unclear to which extent the nutrients present in the drilosphere are used and which potential relevance subsoil biopores may have for the nutrient supply of crops. We will use a flexible videoscope to determine the root-soil contact in biopores. Nitrogen input into the drilosphere by earthworms and potential re-uptake of nitrogen from the drilosphere by subsequent crops with different rooting systems (oilseed rape vs. cereals) will be quantified using 15N as a tracer.

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