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Einfluß von atmosphärischer CO2-Konzentration und pflanzlicher Artdiversität auf bodenlebende Nematoden und Mikroarthropoden eines Mesobrometums

Erhöhte atmosphärische CO2-Konzentrationen führen über vermehrtes Wurzelwachstum und vermehrte Abgabe von Wurzelexudaten zu einer intensivierten Verlagerung von Kohlenstoff in den Boden. Diese zusätzlichen Energiequellen für die Bodenmikroflora gestatten theoretisch erhöhtes mikrobielles Wachstum und erhöhte Aktivität und vermögen daher bodenbiologische Prozesse (Abbau des Bestandesabfalls, Nährstoffmineralisierung) massiv zu beeinflussen. In vielen Untersuchungen konnte dieses erwartete Anwachsen der mikrobiellen Biomasse und Aktivität jedoch nicht festgestellt werden. Möglicherweise wird die erhöhte mikrobielle Biomasse unter bestimmten Umständen effizient von bakterien- und pilzfressenden Bodentieren genutzt und der erhöhte C-Input in den Boden in tierischer Biomasse festgelegt. Untersuchungen zur Reaktion der Bodenfauna auf erhöhte atmosphärische CO2-Konzentrationen fehlen allerdings nahezu völlig. In unserem Projekt verfolgen wir die Reaktion microbivorer Organismen (Mikroarthropoden und Nematoden) in zwei vom Institut für Botanik der Universität Basel in einem Halbtrockenrasen bei Nenzlingen (CH) durchgeführten mehrjährigen CO2-Anreicherungsexperimenten.

Auswirkungen von Trockenheit und erhöhtem CO2 auf die Blattrollkrankheit der Weinrebe: Eine Untersuchung der Interaktionen zwischen Pflanze, Vektor und Virus

In Zeiten des Klimawandels wird die Pflanzengesundheit durch kombinierten Stress durch abiotischen, klimawandelbedingten Faktoren und biotischem Faktoren durch Schädlinge und Krankheitserreger beeinträchtigt. Dieses Projekt zielt darauf ab, die Auswirkungen abiotischer, klimawandelbedingte Stressfaktoren, wie z. B. erhöhtem atmosphärischen CO2-Gehalt (eCO2) und Trockenstress, auf die Interaktion zwischen Weinreben, Blattrollviren (GLRaV), und virusübertragenden Schmierläusen zu untersuchen. GLRaV, insbesondere GLRaV-3, verändert die CO2-Assimilation, die Wassernutzungseffizienz sowie die primären und sekundären Stoffwechselprodukte der Pflanze, was letzendlich zu Ertragsminderungen, verzögerter Fruchtreife und schlechter Traubenqualität führt. Das Virus wird durch infiziertes Vermehrungsmaterial und phloemsaugende Insekten, wie z. B. Schmierläuse, verbreitet. Es ist bekannt, dass eCO2- und Wasserstress einen erheblichen Einfluss auf die Pflanzenphysiologie und die Schädlingsbekämpfung haben kann. Außerdem weiß man, dass Pflanzenviren biotischen Stress für die Pflanzen verursachen und das Verhalten der Virusvektoren verändern können. Gleichzeitig werden Viren von denselben klimawandelbedingten abiotischen Stressfaktoren beeinflusst, wie die anderen Mitglieder des Ökosystems. Es gibt nur sehr wenige Studien über die Auswirkungen des Klimawandels auf Virusinfektionen auf Weinreben und keine einzige über die Auswirkungen auf Schmierläuse als Virusvektoren. Schlussfolgerungen aus anderen Pathosystemen zu ziehen, gestaltet sich schwierig, da die Auswirkungen von abiotischem, klimawandelbedingtem Stress oft artspezifisch sind. Bisher hat sich die Forschung vor allem mit den Wechselwirkungen einzelner Klimawandelparameter mit Pflanzen, Insekten oder Krankheitserregern befasst. Um die Wechselwirkungen zwischen mehreren Stressoren und die komplexen Beziehungen zwischen Pflanzen, Krankheitserregern und Vektoren zu verstehen, sind breitere Forschungsansätze nötig. Nur so können wirksame Anpassungsstrategien entwickelt werden um Pflanzen in der Zukunft gesund und produktiv zu halten. Im Rahmen des Projekts werden eine Reihe von Experimenten durchgeführt, bei denen Weinreben zwei Klimawandelparametern (Wasserstress + CO2) in Kombination mit biotischem Stress durch eine GLRaV-3-Infektion ausgesetzt werden. Untersucht werden die Mechanismen (Genexpression) und die Auswirkungen auf die Pflanzen (Aminosäuren, Phenole, C/N, Zucker, Chlorophyll) und den Insektenvektor (Fressverhalten, Fitness), zusätzlich zu klassischen Übertragungsexperimenten mit GLRaV. Die Forderung nach multifaktoriellen Stress-Experimenten wird seit Jahrzehnten erhoben. Diese Experimente sind ehrgeizig und komplex, aber sie sind der notwendige nächste Schritt, um Erkenntnisse über die zukünftige Entwicklung der Blattrollkrankheit zu gewinnen.

Produktion und Konsumption (Flüsse) der klimarelevanten Spurengase, Lachgas und Methan in einem Dauergrünland unter steigender atmosphärischer CO2-Konzentration

Außer dem bekannten Treibhausgas Kohlendioxid (CO2) existieren weitere stark klimawirksame Spurengase biologischen Ursprungs, z.B. Lachgas (N2O) und Methan (CH4), die mikrobiell im Boden produziert (N2O, CH4) oder im Falle des Methans auch verbraucht (oxidiert) werden. Die steigende atmosphärische CO2-Konzentration kann sich über die Pflanzen in vielfacher Weise auf die bodenmikrobiellen, Spurengasproduzierenden Prozesse auswirken. So ist beispielsweise nachgewiesen worden, dass der Wasserverbrauch der Pflanzen unter erhöhtem CO2 häufig sinkt und die Abgabe von leicht zersetzbarem Kohlenstoff an den Boden (Wurzelexudation) steigt. Beides könnte die Denitrifikation und damit die N2O-Produktion begünstigen, ebenso die Methanproduktion, wenn im Boden anaerobe Bedingungen (z.B. durch Überflutung) eintreten. Steigende Bodenfeuchte würde zugleich die Sauerstoff-abhängige Methanoxidation im Oberboden hemmen. Zu diesem Thema existieren bislang weltweit nur Kurzzeit- und Laborstudien. Im hier vorgestellten Projekt werden im Freilandexperiment die Langzeitauswirkungen steigender atmosphärischer CO2-Konzentrationen über das System Pflanze-Boden auf die Flüsse der klimawirksamen Spurengase N2O und CH4 in einem artenreichen Dauergrünland untersucht. Hierzu gelangt ein im Institut für Pflanzenökologie neuentwickeltes Freiland-CO2-Anreicherungssystem (FACE) zur Anwendung, bei dem die CO2-Konzentration in drei Anreicherungsringen seit Mai 1998 um etwa 20 Prozent gegenüber den drei Kontrollringen erhöht wurde. Über die Jahresbilanzierungen der Spurengasflüsse sowie über begleitende Prozessstudien soll geklärt werden, wie und auf welche Weise erhöhtes CO2 auf die N2O- und CH4-Spurengasflüsse rückwirkt. Die ersten Ergebnisse zeigen deutlich, dass in einem etablierten artenreichen Ökosystem wie dem untersuchten Feuchtgrünland zuerst die unterirdischen Prozesse auf die steigenden CO2-Konzentrationen reagierten (Bestandesatmung). Die oberirdische Biomasse zeigte erst nach etwa 1,5 Jahren der CO2-Anreicherung einen signifikanten Zuwachs gegenüber den Kontrollflächen. Im Jahr 1997, vor dem Beginn der CO2 -Anreicherung, waren sowohl die N2O-Emissionen als auch die CH4 Flüsse auf den (späteren) Anreicherungs- und den Kontrollflächen fast identisch. Seit Beginn der Anreicherung hingegen sind die N2O-Emissionen vor allem während der Vegetationsperiode dramatisch angestiegen: auf 278 Prozent der Emissionen der Kontrollflächen. Die Methanoxidation war rückläufig unter erhöhtem CO2: Mittlerweile oxidieren die CO2 Anreicherungsflächen 20 Prozent weniger CH4 als die Kontrollflächen (Jahr 2000), wobei auch hier der größte Unterschied während der Vegetationsperiode auftrat. Eine erhöhte Bodenfeuchte kommt als Erklärung nicht in Frage, da sich diese nicht geändert hat.

WP2.2: Rückwirkungen der marinen Biogeochemie auf Klima und atmosphärisches CO2 - die Rolle von Zirkulation, Biologie, Sedimentation - Effekte des Absinkens von partikulärem Material im deglazialen und anthropogenen Klimawandel

Estimated adjusted depth of CO2 of FB2001 drill core from Messel

This table contains atmospheric CO2-estimates based on stomata retrieved in the Messel fossil pit and published by Grein (2010) and Grein et al. (2011). The data is based on leaves retrieved from the Messel fossil pit (earliest Middle Eocene; 47.66 to 47.22 Ma). The leaves were microscopically analysed for their stomata density and which was then converted into atmospheric CO2 content (cf. Grein 2010, Grein et al., 2011 for details about the algorithm). The plant fossils were listed with their original outcrop depth which was marked down relative to marker beds. We projected the outcrop depth (m) onto the FB2001 drill core depth using the marker beds as reference horizons. The age (Ma) as well as mean, maximum and minimum of the CO2 estimates are reported as well as the respective plant species.

Seawater carbonate chemistry and biometry and dissolution features of the benthic foraminifer Ammonia aomoriensis in a laboratory experiment

Culturing experiments were performed with the benthic foraminifer Ammonia aomoriensis from Flensburg Fjord, western Baltic Sea. The experiments simulated a projected rise in atmospheric CO2 concentrations. We exposed specimens to 5 seawater pCO2 levels ranging from 618 µatm (pH 7.9) to 3130 µatm (pH 7.2) for 6 wk. Growth rates and mortality differed significantly among pCO2 treatments. The highest increase of mean test diameter (19%) was observed at 618 µatm. At partial pressures >1829 µatm, the mean test diameter was observed to decrease, by up to 22% at 3130 µatm. At pCO2 levels of 618 and 751 µatm, A. aomoriensis tests were found intact after the experiment. The outer chambers of specimens incubated at 929 and 1829 µatm were severely damaged by corrosion. Visual inspection of specimens incubated at 3130 µatm revealed wall dissolution of all outer chambers, only their inner organic lining stayed intact. Our results demonstrate that pCO2 values of >=929 µatm in Baltic Sea waters cause reduced growth of A. aomoriensis and lead to shell dissolution. The bottom waters in Flensburg Fjord and adjacent areas regularly experience pCO2 levels in this range during summer and fall. Increasing atmospheric CO2 concentrations are likely to extend and intensify these periods of undersaturation. This may eventually slow down calcification in A. aomoriensis to the extent that net carbonate precipitation terminates. The possible disappearance of this species from the Baltic Sea and other areas prone to seasonal undersaturation would likely cause significant shifts in shallow-water benthic ecosystems in the near future.

Seawater carbonate chemistry and skeletal integrity of a marine keystone predator (Asterias rubens)

The current increase in atmospheric CO2 concentration induces changes in the seawater carbonate system resulting in decreased pH and calcium carbonate saturation state, a phenomenon called ocean acidification (OA). OA has long been considered as a major threat to echinoderms because their extensive endoskeleton is made of high‑magnesium calcite, one of the most soluble forms of calcium carbonate. Numerous studies addressed this question in sea urchins, but very few questioned the impact of OA on the sea star skeleton, although members of this taxon do not compensate their extracellular pH, contrary to most sea urchins. In the present study, adults of the common sea star, Asterias rubens from Kiel Fjord, a site experiencing natural acidification events exceeding pCO2 levels of 2500 μatm, were chronically exposed to different levels of simulated ocean acidification (pHT-SW 8.0, 7.4, 7.2), encompassing present and future conditions, for the duration of 109 days. Corrosion and mechanical properties of skeletal elements were studied using scanning electron microscopy, three-point bending tests as well as nanoindentation. The spines were significantly corroded at pHT-SW 7.4 and below while the ambulacral plates were only affected at pHT-SW 7.2. Nanoindentation of newly formed spines and ambulacral plates did not reveal significant CO2-induced differences in skeleton hardness or elasticity across treatments. Results of three-point bending tests revealed significantly reduced characteristic strength and fracture force of ambulacral plates from the median arm segment at pHT-SW 7.4 and below. These plates are those supporting the tube feet involved in the opening of bivalves during feeding and in the animal attachment to the substrate. Under reduced seawater pH, this might result in fracture of sea star plates during predation on mussel. The present results predict a possible impact of ocean acidification on the skeletal integrity of a marine keystone predator.

Seawater carbonate chemistry and benthic foraminifera Ammonia sp. uranium incorporation during experiments, 2013

The chemical and isotopic composition of foraminiferal shells (so-called proxies) reflects the physico-chemical properties of the seawater. In current day paleoclimate research, the reconstruction of past seawater carbonate system to infer atmospheric CO2 concentrations is one of the most pressing challenges and a variety of proxies have been investigated, such as foraminiferal U/Ca. Since in natural seawater and traditional CO2 perturbation experiments, the carbonate system parameters co-vary, it is not possible to determine the parameter of the carbonate system causing e.g. changes in U/Ca, complicating the use of the latter as a carbonate system proxy. We overcome this problem, by culturing the benthic foraminifer Ammonia sp. at a range of carbonate chemistry manipulation treatments. Shell U/Ca values were determined to test sensitivity of U incorporation to various parameters of the carbonate system. We argue that CO3 is the parameter affecting the U/Ca ratio and consequently, the partitioning coefficient for U in Ammonia sp DU. We can confirm the strong potential of foraminiferal U/Ca as a CO3 proxy.

The benthic foraminiferal community in a naturally CO2-rich coastal habitat of the southwestern Baltic Sea

It is expected that the calcification of foraminifera will be negatively affected by the ongoing acidification of the oceans. Compared to the open oceans, these organisms are subjected to much more adverse carbonate system conditions in coastal and estuarine environments such as the southwestern Baltic Sea, where benthic foraminifera are abundant. This study documents the seasonal changes of carbonate chemistry and the ensuing response of the foraminiferal community with bi-monthly resolution in Flensburg Fjord. In comparison to the surface pCO2, which is close to equilibrium with the atmosphere, we observed large seasonal fluctuations of pCO2 in the bottom and sediment pore waters. The sediment pore water pCO2 was constantly high during the entire year ranging from 1244 to 3324 µatm. Nevertheless, in contrast to the bottom water, sediment pore water was slightly supersaturated with respect to calcite as a consequence of higher alkalinity (AT) for most of the year. Foraminiferal assemblages were dominated by two calcareous species, Ammonia aomoriensis and Elphidium incertum, and the agglutinated Ammotium cassis. The one-year cycle was characterised by seasonal community shifts. Our results revealed that there is no dynamic response of foraminiferal population density and diversity to elevated sediment pore water pCO2. Surprisingly, the fluctuations of sediment pore water undersaturation (Omega calc) co-vary with the population densities of living Ammonia aomoriensis. Further, we observed that most of the tests of living calcifying foraminifera were intact. Only Ammonia aomorienis showed dissolution and recalcification structures on the tests, especially at undersaturated conditions. Therefore, the benthic community is subjected to high pCO2 and tolerates elevated levels as long as sediment pore water remains supersaturated. Model calculations inferred that increasing atmospheric CO2 concentrations will finally lead to a perennial undersaturation in sediment pore waters. Whereas benthic foraminifera indeed may cope with a high sediment pore water pCO2, the steady undersaturation of sediment pore waters would likely cause a significant higher mortality of the dominating Ammonia aomoriensis. This shift may eventually lead to changes in the benthic foraminiferal communities in Flensburg Fjord, as well as in other regions experiencing naturally undersaturated Omega calc levels.

CO2 Mofetten - Überwachung natürlicher CO2 Emissionen unter Verwendung eines Netzwerks aus low-cost Sensoren

Im beantragten Forschungsvorhaben wird der natürliche Austritt von Kohlenstoffdioxid (CO2) aus Mofetten im Eyachtal zwischen Horb und Rottenburg untersucht. CO2 kann sich in der bodennahen Atmosphäre ansammeln und in entsprechender Konzentration für Mensch und Tier gefährlich werden. Die im Eyachtal austretenden Mengen wurden bislang nicht zuverlässig quantifiziert. Darüber hinaus ist CO2 ein Treibhausgas und steht im Zusammenhang mit dem weltweiten Klimawandel. Ähnliche und auch größere Quellgebiete existieren an verschiedenen Orten der Welt. Der quantitative Einfluss dieser natürlichen geologischen Gasquellen auf den Gashaushalt der Erde ist unbekannt, da auch die Menge des ausströmenden CO2 nicht bekannt ist.Ziel des Vorhabens ist die Überwachung der natürlichen CO2 Austrittsquellen sowie der umgebenden Atmosphäre im Eyachtal. Die Messdaten dienen der Bilanzierung der Austrittsmengen sowie die Ermittlung der horizontalen und vertikalen Flüsse im Versuchsgebiet. Hierbei wird auch die zeitliche Veränderung dieser Austritte erfasst.Zu diesem Zweck soll ein mikro-meteorologisches Messsystem (Eddy-Covariance Station) in Kombination mit einem verteilten Netzwerk aus vielen kostengünstigen CO2 Sensoren installiert werden. Ein solches Netzwerk kann die inhomogene Verteilung der Austritte sowohl zeitlich als auch räumlich erfassen. Die Verwendung von kostengünstigen Sensoren erlaubt den Betrieb einer größeren Anzahl von Sensoren und damit verbunden eine größere räumliche Abdeckung.In den letzten Jahren hat die Arbeitsgruppe Umweltphysik der Universität Tübingen eine neue Methode entwickelt, CO2 mit günstigen Sensoren in Bodennähe zu messen. Ein Nachteil der kostengünstigen Sensoren liegt in der (im Vergleich zu hochwertigen Sensoren) geringeren absoluten Messgenauigkeit. Die EC Station dient daher als Referenz, um die erreichbare Genauigkeit und Langzeitstabilität des Sensornetzes zu bewerten, die günstigen Sensoren zu kalibrieren und den turbulenten Transport des CO2 zumindest an einer Stelle direkt zu messen. Für ein vollständiges Netzwerk müssen die CO2 Sensoren noch mit geeigneten Feuchte- und Temperatursensoren ergänzt werden. Die entsprechende Hardware muss beschafft und schrittweise aufgebaut werden.Im Projekt soll ein Netzwerk aus z.B. 64 Sensoren aufgebaut werden, das die räumliche und zeitliche Verteilung des CO2 im Untersuchungsgebiet experimentell bestimmt. Die Beschaffung der Geräte ist bereits von der Alfred-Teufel Stiftung finanziert. Die Messungen werden über eine Datenbank mit Internet Schnittstelle auch der wissenschaftlichen Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt.Das Vorhaben gliedert sich in zwei Projektphasen von je drei Jahren Dauer, beantragt wird die erste Phase. In der 2. Phase ist die numerische Simulation der CO2 Ausbreitung und die Übertragung der Methode auf andere Regionen vorgesehen.

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