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Porewater chemistry, iron extractions, metabolic rates and microbial analyses from Boknis Eck sediments from January 2022 until March 2023

We collected sediments for pore water analyses via IC, ICP-OESm H2S and Alkalinity measurements, conducted sequential Fe-extractions, determined O2 consumption rates via an enclosed mini Chamber, measured sulfate reduction rates via 35S-SO4 tracer and conducted 16S rRNA amplicon gene analyses (seqeuncing Illumina). Data was generated from Boknis Eck sediments from January 2022 until March 2023.

Indonesian Throughflow variability on sub-orbital timescales during Marine Isotopes Stages (MIS) 2 and 3

This project will provide quantitative estimates of the flow of low-salinity warm water through the Indonesian Gateway on suborbital timescales during MIS 2 and 3 (focusing on Dansgaard Oeschger (D-O) oscillations) and will assess the Indonesian Throughflow (ITF) s impact on the hydrography of the eastern Indian Ocean and global thermohaline circulation during this critical interval of high climate variability. ITF fluctuations, associated with sea level change, temperature and salinity variations in the West Pacific Warm Pool (WPWP) strongly influence precipitation over Australia, the strength of the southeast-Asian summer monsoon, and the intensity of warm meridional currents in the Indian Ocean. We will test the hypothesis that increased ITF is associated with warm interstadials of MIS 3, whereas a strong reduction in ITF occurred during stadials. We will use as main proxies planktonic and benthic foraminiferal isotopes in conjunction with Mg/Ca temperature estimates and radiogenic isotopes (mainly Nd) as tracers of Pacific water masses along depth transects in the Timor Passage and the eastern Indian Ocean. This project will provide the paleoceanographic framework that will be crucial to validate and refine circulation models of D-O events and high-frequency climate variability on a global scale.

Soil-gas transport-processes as key factors for methane oxidation in soils

Methane (CH4) is a major greenhouse gas of which the atmospheric concentration has more than doubled since pre-industrial times. Soils can act as both, source and sink for atmospheric CH4, while upland forest soils generally act as CH4 consumers. Oxidation rates depend on factors influenced by the climate like soil temperature and soil moisture but also on soil properties like soil structure, texture and chemical properties. Many of these parameters directly influence soil aeration. CH4 oxidation in soils seems to be controlled by the supply with atmospheric CH4, and thus soil aeration is a key factor. We aim to investigate the importance of soil-gas transport-processes for CH4 oxidation in forest soils from the variability the intra-site level, down to small-scale (0.1 m), using new approaches of field measurements. Further we will investigate the temporal evolution of soil CH4 consumption and the influence of environmental factors during the season. Based on previous results, we hypothesize that turbulence-driven pressure-pumping modifies the transport of CH4 into the soil, and thus, also CH4 consumption. To improve the understanding of horizontal patterns of CH4 oxidation we want to integrate the vertical dimension on the different scales using an enhanced gradient flux method. To overcome the constraints of the classical gradient method we will apply gas-diffusivity measurements in-situ using tracer gases and Finite-Element-Modeling. Similar to the geophysical technique of Electrical Resistivity Tomography we want to develop a Gas Diffusivity Tomography. This will allow to derive the three-dimensional distribution of soil gas diffusivity and methane oxidation.

Biogenic formation of non-extractable residues from pesticides in soil

During microbial turnover of organic chemicals in soil, non-extractable residues (NER) are formed frequently. Studies on NER formation usually performed with radioisotope labelled tracer compounds are limited to localisation and quantitative analyses but their chemical composition is left unknown. Recently, we could show for 2,4-dichlorophenoxyacetic acid and ibuprofen that during microbial turnover in soil nearly all NER were derived from microbial biomass, since degrading bacteria use the pollutant carbon for their biomass synthesis. Their cell debris is subsequently stabilised within soil organic matter (SOM) forming biogenic NER (bioNER). It is still unknown whether bioNER are also formed during biodegradation of other, structurally different compound classes of organic contaminants. Therefore, agricultural soil will be incubated with labelled compounds of five classes of commonly used and emerging pesticides: organophosphate, phenylurea, triazinone, benzothiadiazine and aryloxyphenoxypropionic acid. The fate of the label will be monitored in both living and non-living SOM pools and the formation of bioNER will be quantified for each compound over extended periods of time. In addition, soil samples from long-term lysimeter studies with 14C-labelled pesticide residues (e.g. triazine, benzothiazole and phenoxypropionic acid group) will be also analysed for bioNER formation. The results will be summarised to identify the metabolic conditions of microorganisms needed for bioNER formation and to develop an extended concept of risk assessment including bioNER formation in soils.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1294: Bereich Infrastruktur - Atmospheric and Earth system research with the 'High Altitude and Long Range Research Aircraft' (HALO), WISE: Wellengetriebener isentroper Austausch

Änderungen der Verteilung von Spurenstoffen wie Wasserdampf und Ozon, sowie die Verteilung von Zirruspartikeln in der unteren Stratosphäre/oberen Troposphäre (UTLS) haben einen großen Einfluss auf den Strahlungsantrieb. Unsicherheiten in der Beschreibung von Mischungsprozessen führen zu großen Unsicherheiten der Abschätzung des Strahlungsantriebs und sind deshalb von großer Bedeutung für die Quantifizierung des Klimawandels. Deshalb ist es wichtig, physikalische und chemische Prozesse (z.B. Austauschprozesse von Luftmassen, Zirrusbildung) zu quantifizieren, die die Zusammensetzung der UTLS bestimmen. Die sogenannte 'overworld' oberhalb von Theta=380K beeinflusst unmittelbar die Zusammensetzung der extratropischen Stratosphäre im Sommer durch Luftmassen, die aus der Region der asiatischen Monsunzirkulation stammen. Brechende planetare Wellen transportieren Monsun beeinflusste Luft in höhere Breiten, wo sie zum dortigen Wasserdampf- und Spurenstoffbudget beitragen. Die untere Grenze der UTLS, die extratropische Tropopausenschicht (ExTL), wird durch schnellen und effizienten bidirektionalen (quasi-isentropen) Austausch mit der Troposphäre gekennzeichnet. Die obere Grenze der der ExTL korrespondiert mit der Lage der Tropopauseninversionsschicht (TIL), die eine Region erhöhter statischer Stabilität oberhalb der Tropopause darstellt. Der Einfluss infrarotaktiver Tracer wie Wasserdampf oder Ozon auf die Temperaturstruktur macht die TIL zu einem sensitiven Indikator für Änderungen des Wasserdampf- oder Ozongehaltes oder auch Änderungen der Tropopausen Temperatur. Diese wirkt auf den Wasserdampfgehalt, der wiederum die statische Stabilität beeinflusst. WISE untersucht den Zusammenhang zwischen Zusammensetzung und der dynamischen Struktur der UTLS innerhalb der folgenden vier Hauptthemen:- Zusammenhang zwischen TIL und Spurengasverteilung in der unteren Stratosphäre- Wellenbrechung von planetaren Wellen und Wasserdampftransport in die extratropische untere Stratosphäre - Halogenierte Substanzen und deren Effekt auf Ozon in der UTLS- Nichtsichtbare Zirruspartikel und deren Effekt auf die UTLSBei WISE werden diese Themen mit einer neuartigen Nutzlast untersucht, die 2D- und 3D-Messungen von Spurenstoffen und Temperatur, Dropsondendaten und hochaufgelöste in-situ Spurengasmessungen vereint. Eine einzigartige Kombination von Limb- und Nadirmessngen wird verwendet, um die Eigenschaften optisch dünner Zirren in der UTLS Region zu untersuchen. Hochpräzise in-situ Daten erlauben detaillierte Untersuchungen zu Mischungsprozessen mit hoher Auflösung, sowie Zeitskalen und Altersbestimmung der Luft. WISE wird im September / Oktober stattfinden, und daher unmittelbar den Einfluss des sich auflösenden Monsuns auf die extratropische UTLS vermessen. Durch die Kombination mit Lagrange'schen und prozessorientierten Modellen wird der relative Beitrag verschiedener Quellregionen als auch Transportzeitskalen und Prozesse quantifiziert.

DFG Gerätezentrum: Bayreuther Zentrum für Stabile Isotope in der Ökologie und Biogeochemie

Die Analyse stabiler Isotope ist ein leistungsfähiges und inzwischen unersetzliches Werkzeug in der Ökologie und Biogeochemie. Sie ermöglicht ein umfassendes Verständnis von Ökosystemprozessen über räumliche und zeitliche Skalen hinweg. Gleichzeitig entwickeln sich innovative Technologien rasch weiter. Das breite Spektrum von Anwendungsgebieten erlaubt in einzigartiger Weise, Prozesse und Wechselwirkungen in komplexen natürlichen Systemen zu identifizieren und zu quantifizieren.Die Universität Bayreuth vernetzt in ihrem Profilfeld „Ökologie & Umweltwissenschaften“ Forschende aus verschiedenen Disziplinen, die in der jeweiligen Anwendung stabiler Isotope führend sind. Isotope haben unser Verständnis von Stoffflüssen in Ökosystemen, trophischen Interaktionen in Nahrungsnetzen, sowie Mensch-Umwelt-Beziehungen entscheidend geprägt. Die Expertise in der Isotopenanalytik in Bayreuth wurde in den letzten Jahren erheblich erweitert und um neue innovative Spitzentechnologien ergänzt. Diese sind explizit auf die Identifizierung und Quantifizierung von Prozessen in terrestrischen und aquatischen Ökosystemen ausgerichtet.Ziel dieses Antrags ist es, Service und Lehre in einem neuen „Bayreuther Zentrum für Stabile Isotope in der Ökologie und Biogeochemie“ (BayCenSI) zu bündeln, mit Schwerpunkt auf der räumlichen und zeitlichen Dynamik ökosystemarer Prozesse. Das BayCenSI wird methodische Innovationen und Spitzenforschung vorantreiben und internen und externen Forschenden Zugang zu einzigartigen Technologien ermöglichen. Um diese Ziele zu erreichen, wird ein Lenkungsausschuss die strategische und wissenschaftliche Ausrichtung des Zentrums festlegen und deren Umsetzung überwachen. Das BayCenSI wird Isotopenanalytik für eine Vielzahl an Probenmatrizes anbieten, von natürlicher Häufigkeit bis hin zu sehr hoch angereicherten Proben aus Markierungsexperimenten. Neueste Technologien, wie die Visualisierung stabiler Isotope auf der µm-Skala, die Aufklärung mikrobieller Umsatzprozesse mittels gepulster Markierungen, sowie die zeitlich hochauflösende Erfassung von Gasisotopen werden in das Zentrum integriert. Dies erfordert die Implementierung eines Labormanagementsystems, um die Arbeitsabläufe zu strukturieren und hochwertige Analysen auf Basis von Qualitätsstandards zu gewährleisten. Ein/e Nachwuchswissenschaftler/in soll als Leiter/in der Core Facility eingesetzt werden, mit attraktiver Karriereperspektive. Das BayCenSI wird Forschende beraten und durch die Finanzierung explorativer Experimente unterstützen. Die Lehre im Bereich stabiler Isotope wird neben der theoretischen und praktischen Ausbildung auch Workshops, Summer Schools und Öffentlichkeitsarbeit umfassen.Unsere Vision ist es, Anwendern aus transdisziplinären Bereichen Zugang zu hochentwickelter, innovativer Analytik stabiler Isotope zu bieten, um die Forschung zu Ökosystemprozessen, mit Stoffumsätzen von Sekunden bis hin zu Jahrhunderten und von der Molekül-Skala bis zum globalen Raum, voranzutreiben.

Redox processes along gradients

The relevance of biogeochemical gradients for turnover of organic matter and contaminants is yet poorly understood. This study aims at the identification and quantification of the interaction of different redox processes along gradients. The interaction of iron-, and sulfate reduction and methanogenesis will be studied in controlled batch and column experiments. Factors constraining the accessibility and the energy yield from the use of these electron acceptors will be evaluated, such as passivation of iron oxides, re-oxidation of hydrogen sulfide on iron oxides. The impact of these constraints on the competitiveness of the particular process will then be described. Special focus will be put on the evolution of methanogenic conditions in systems formerly characterized by iron and sulfate reducing condition. As methanogenic conditions mostly evolve from micro-niches, methods to study the existence, evolution and stability of such micro-niches will be established. To this end, a combination of Gibbs free energy calculations, isotope fractionation and tracer measurements, and mass balances of metabolic intermediates (small pool sizes) and end products (large pool sizes) will be used. Measurements of these parameters on different scales using microelectrodes (mm scale), micro sampling devices for solutes and gases (cm scale) and mass flow balancing (column/reactor scale) will be compared to characterize unit volumes for organic matter degradation pathways and electron flow. Of particular interest will be the impact of redox active humic substances on the competitiveness of involved terminal electron accepting processes, either acting as electron shuttles or directly providing electron accepting capacity. This will be studied using fluorescence spectroscopy and parallel factor analysis (PARAFAC) of the gained spectra. We expect that the results will provide a basis for improving reactive transport models of anaerobic processes in aquifers and sediments.

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.

Evaluierung genetischer Ressourcen zur züchterischen Verbesserung von Winterlinsen für den Mischfruchtanbau

Entwicklung eines Ideotyps von Winterlinsen für den Mischfruchtanbau mit geeigneten Stützfrüchten in Deutschland und Erschließung genetischer Ressourcen für Anbau und Züchtung von Winterlinsen für den Mischanbau. Dies erfordert eine umfassende Testung hoch diverser genetischer Ressourcen im Feld an klimatisch unterschiedlichen Standorten, welche die Anbaubedingungen in Deutschland weitgehend repräsentieren. Um eine noch schärfere Selektion unter für die praktische Züchtung einfach realisierbaren natürlichen Bedingungen sicherzustellen, werden Topfversuche bzw. Weihenstephaner Kältekästen eingesetzt. Das im Topf schnell durchfrierende Erdreich stellt einen deutlich höheren Kältestress dar, als er im Feld mit Anschluss an den warmen Unterboden erreicht werden kann. Weitere Ziele sind die Aufdeckung und Überprüfung von Merkmalskorrelationen und das Auffinden morphologischer Marker sowie die Optimierung des Anbaus mit geeigneten Stützfrüchten. Letzteres umfasst sowohl die Steigerung der Konkurrenzkraft der Linse sowie ihrer Fähigkeit, an den Halmen und Stängeln der Stützfrucht emporzuklettern, aber auch die Auswahl standfester aber wenig konkurrierender Stützfruchtarten/-sorten in einer angepassten Aussaatstärke. Grundsätzlich ist die Linse konkurrenzschwach. Winterformen gängiger Stützfrüchte wie Getreide, Brassicaceen und Lein sind hingegen konkurrenzstärker als entsprechende Sommerformen. An drei Standorten sollen im ersten Jahr verschiedene Stützfruchtarten in unterschiedlicher Aussaatstärke mit zwei Linsensorten getestet werden. Die Verbesserung der Ertragsparameter unter geeigneten Anbaubedingungen im Mischanbau ist das Endziel des Projekts. Hierzu werden an zwei ökologisch bewirtschafteten Standorten und einem extensiv konventionell bewirtschafteten im zweiten und dritten Jahr Leistungsprüfungen für Linsengenotypen durchgeführt. Die Ergebnisse gehen in die praktischen Züchtungsarbeiten am Keyserlingk-Institut ein, die bisher auf Sommelinse beschränkt sind.

Quantitative Untersuchungen zur heterotrophen Umsetzung organischer Substrate und der daran beteiligten Bakterienpopulationen und ueber den Einfluss von Abwaessern auf das Plankton in der westlichen Ostsee

Auf- und Abbauprozesse im marinen Oekosystem der westlichen Ostsee unter dem Einfluss von Abwaessern werden untersucht. Die Wechselwirkungen zwischen Blaualgen und heterotrophen Bakterien werden dabei von besonderem Interesse sein. Das Studium dieser Prozesse erfolgt in der westlichen Ostsee und in Fjorden der schwedischen Ostseekueste. An Methoden kommen die Mikroautoradiographic, die Tritium-Tracer Technik sowie die C14-H3-Doppelmarkierung zur Anwendung.

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