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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.

Wassernutzung privater Haushalte

<p>Im Schnitt nutzt jede Person in Deutschland täglich 126 Liter Trinkwasser im Haushalt. Für die Herstellung von Lebensmitteln, Bekleidung und anderen Bedarfsgütern wird dagegen so viel Wasser verwendet, dass es 7.200 Litern pro Person und Tag entspricht. Ein Großteil dieses indirekt genutzten Wassers wird für die Bewässerung von Obst, Gemüse, Nüssen, Getreide und Baumwolle benötigt.</p><p>Direkte und indirekte Wassernutzung</p><p>Jede Person in Deutschland verwendete im Jahr 2022 im Schnitt täglich 126 Liter <a href="https://www.umweltbundesamt.de/daten/wasserwirtschaft/oeffentliche-wasserversorgung">Trinkwasser</a>, etwa für Körperpflege, Kochen, Trinken, Wäschewaschen oder auch das Putzen (siehe Abb. „Trinkwasserverwendung im Haushalt 2023“). Darin ist auch die Verwendung von Trinkwasser im Kleingewerbe zum Beispiel in Metzgereien, Bäckereien und Arztpraxen enthalten. Der überwiegende Anteil des im Haushalt genutzten Trinkwassers wird für Reinigung, Körperpflege und Toilettenspülung verwendet. Nur geringe Anteile nutzen wir tatsächlich zum Trinken und für die Zubereitung von Lebensmitteln.</p><p>Die tägliche Trinkwassernutzung im Haushalt und Kleingewerbe ging von 144 Liter pro Kopf und Tag im Jahr 1991 lange Jahre zurück bis auf täglich 123 Liter pro Kopf im Jahr 2016. 2019 wurden von im Schnitt täglich 128 Liter pro Person verbraucht, 2022 waren es 126 Liter. Der Anstieg im Vergleich zu 2016 begründet sich durch den höheren Wasserbedarf in den jeweils heißen und trockenen Sommermonaten (siehe Abb. „Tägliche Wasserverwendung pro Kopf“).</p><p>Doch wir nutzen Wasser nicht nur direkt als Trinkwasser. In Lebensmitteln, Kleidungstücken und anderen Produkten ist indirekt Wasser enthalten, das für ihre industrielle Herstellung eingesetzt wurde oder für die Bewässerung während der landwirtschaftlichen Erzeugung. Dieses Wasser wird als virtuelles Wasser bezeichnet. Virtuelles Wasser zeigt an, wie viel Wasser für die Herstellung von Produkten benötigt wurde.</p><p>Deutschlands Wasserfußabdruck</p><p>Das virtuelle Wasser ist Teil des <a href="https://www.umweltbundesamt.de/themen/wasser/wasser-bewirtschaften/wasserfussabdruck">„Wasserfußabdrucks“</a>, der die direkt und indirekt verbrauchte Wassermenge einer Person, eines Unternehmens oder Landes angibt. Das Besondere des Konzepts ist, dass die Wassermenge, die in den Herstellungsregionen für die Produktion eingesetzt, verdunstet oder verschmutzt wird, mit dem Konsum dieser Waren im In- und Ausland in Verbindung gebracht wird. Der Wasserfußabdruck macht deutlich, dass sich unser Konsum auf die Wasserressourcen weltweit auswirkt. Der durch Konsum verursachte, kurz konsuminduzierte Wasserfußabdruck eines Landes, wird auf folgende Weise berechnet; in den Klammern werden die Werte des Jahres 2021 für Deutschland in Milliarden Kubikmetern (Mrd. m³) ausgewiesen:</p><p><strong>Nutzung heimischer Wasservorkommen – Export virtuellen Wassers (= 30,66 Mrd. m³)&nbsp;+ Import virtuellen Wassers (188,34 Mrd. m³) = konsuminduzierter Wasserfußabdruck (219 Mrd. m³)</strong></p><p>Bei einem Wasserfußabdruck von 219 Milliarden Kubikmetern hinterlässt jede Person in Deutschland durch ihren Konsum einen Wasserfußabdruck von rund 2.628 Kubikmetern jährlich – das sind 7,2 Kubikmeter oder 7.200 Liter täglich. 86 % des Wassers, das man für die Herstellung der in Deutschland konsumierten Waren benötigt, wird im Ausland verbraucht. Für Kleidung sind es sogar nahezu 100 %.</p><p>Grünes, blaues und graues Wasser</p><p>Beim Wasserfußabdruck wird zwischen „grünem“, „blauem“ und „grauem“ Wasser unterschieden. Als „grün“ gilt natürlich vorkommendes Boden- und Regenwasser, welches Pflanzen aufnehmen und verdunsten. Als „blau“ wird Wasser bezeichnet, das aus Grund- und Oberflächengewässern entnommen wird, um Produkte wie Textilien herzustellen oder Felder und Plantagen zu bewässern. Vor allem Agrarprodukte haben einen großen Anteil am blauen Wasserfußabdruck von Deutschland (siehe Abb. „Sektoren mit den höchsten Beiträgen blauen Wassers zum Wasserfußabdruck von Deutschland“). Der graue Wasserfußabdruck veranschaulicht die Verunreinigung von Süßwasser durch die Herstellung eines Produkts. Er ist definiert als die Menge an Süßwasser, die erforderlich ist, um Gewässerverunreinigungen so weit zu verdünnen, dass die Wasserqualität die gesetzlichen oder vereinbarten Anforderungen einhält.</p><p>Bei den nach Deutschland eingeführten Agrarrohstoffen und Baumwollerzeugnissen sind die Anteile an grünem, blauem und grauem Wasser auch bei gleichen Produkten je nach Herkunft unterschiedlich hoch:</p><p>Bei der Entnahme von blauem Wasser zur Bewässerung von Plantagen kann es zu ökologischen Schäden und lokalen Nutzungskonflikten kommen. Ein bekanntes Beispiel ist der Aralsee: Der einst viertgrößte Binnensee der Erde war im Jahr 1960 mit einer Fläche von 67.500 Quadratkilometern nur etwas kleiner als Bayern. Heute bedeckt er aufgrund gigantischer Wasserentnahmen für den Anbau von Baumwolle und Weizen nur noch etwa 10 % seiner ehemaligen Fläche. Bis 2014 verlor er 95 % seines Wasservolumens bei einem gleichzeitigen Anstieg des Salzgehalts um das Tausendfache. Auch in weiteren Gebieten auf der ganzen Welt trägt der Konsum in Deutschland dazu bei, dass deren Belastbarkeit überschritten wird (siehe Karte „Hotspots des Blauwasserverbrauchs mit Überschreitung der Belastbarkeitsgrenzen durch Konsum in Deutschland“).</p>

Optimizing Water Allocation in Rural Areas of Lake Nasser - Upper Egypt (OWARA)

To work against the high population pressure and the poverty problems in Egypt, rural areas are opened for new settlements in the Region of Lake Nasser. Due to its high potential for development the government is planning to settle approximately 1, 5 million people in this area within the following 10-15 years. In order to avoid unplanned settlements in the area with a negative impact on natural resources a Comprehensive Development Plan for Aswan and Lake Nasser was developed in 2003 by the United Nations Development Program (UNDP) together with the Aswan Governorate.

PRIMA - Kooperationsprojekt PureCircles: Optimierung der Effizienz der Ressourcennutzung im Rahmen des Nexus Wasser-Nährstoff-Energie für eine nachhaltige Landwirtschaft in marginalen Gebieten

Entwicklung von erweiterten Fruchtfolgesystemen in Kombination mit Bewaesserungsverfahren im Hinblick auf eine Verminderung der Naehrstoffauswaschung

a)Leguminosen als Hauptfrucht koennen in der Fruchtfolge dazu beitragen, die Naehrstoffauswaschung zu mindern und damit den Mineralduengeraufwand zu senken; b)Ermittlung der Ansprueche verschiedener Kulturarten an die Wasserversorgung und die Fruchtfolgegestaltung auf leichten Boeden; c)Feldversuche.

Optimierung des Humusmanagements im Freilandgemüseanbau, Modell- und Demonstrationsvorhaben: Optimierung des Humusmanagements im Freilandgemüsebau (HumusFuerGemuese)

Untersuchung des EU Nachhaltigkeitssystems für Biokraftstoffe

Die Europäische Richtlinie für erneuerbare Energien (RED) enthält derzeit ein Ziel von 10Prozent erneuerbaren Energien im Verkehrssektor der EU im Jahr 2020. Biokraftstoffe werden bei der Zielerreichung voraussichtlich eine wichtige Rolle spielen. Sämtliche Biokraftstoffe, die auf diese Ziel angerechnet werden, müssen die Erfüllung von verbindlichen Nachhaltigkeitskriterien nachweisen. Zwei Jahre nach der Implementierung der Nachhaltigkeitsanforderungen hat die Europäische Kommission Ecofys gemeinsam mit Winrock und dem Institut für europäische Umweltpolitik (IEEP) beauftragt die praktische Umsetzung der Nachhaltigkeitsanforderungen anhand von drei wichtigen Aspekten zu überprüfen: 1) Notwendigkeit der Einführungen verpflichtender Nachhaltigkeitsanforderungen für Biokraftstoffe zum Schutz von Wasser, Boden und Luft: Die Risiken für Wasser, Boden und Luft durch den Anbau von Biokraftstoffrohstoffen unterscheiden sich kaum von den Risiken anderer landwirtschaftlicher Ausdehnung. Dennoch kann der Biokraftstoffmarkt zu einem erhöhten Druck auf die bestehende Ackerfläche führen. Der Schutz von Wasser, Boden und Luft ist lokal zu betrachten, da die Auswirkungen von der jeweiligen Betriebsführung vor Ort abhängig sind. Im Bericht werden bestehende Maßnahmen zur Vermeidung dieser Risiken, wie etwa freiwillige Nachhaltigkeitsstandards, untersucht und mögliche Kriterien für die Europäische Kommission entwickelt. 2) Effektivität und Verwaltungsaufwand nationaler Systeme zum Nachweis der Erfüllung der verpflichtenden Nachhaltigkeitsanforderungen: Die EU Mitgliedsstaaten haben unterschiedlichen Ansätze zur Implementierung der Nachhaltigkeitsanforderungen verfolgt. Die Wahl des entsprechenden Nachhaltigkeitssystems als solches sagt noch nichts über Effektivität oder Verwaltungsaufwand, allerdings können die entsprechenden Ausgestaltungen schon einen Einfluss haben. Die Ausgestaltung der Berichtspflicht oder die Möglichkeit des Nachweises der Nachhaltigkeit durch alternativer Mechanismen können beispielsweise einen beträchtlichen Einfluss haben. Im Bericht werden Empfehlungen gegeben, wie die Mitgliedsstaaten die Effektivität erhöhen und unnötigen Verwaltungsaufwand vermeiden können. Die nächste Herausforderung für die Mitgliedsstaaten ist die Harmonisierung der verschiedenen Systeme, um so die Effektivität EU weit zu erhöhen. 3) Erfahrungen in der Umsetzung des Massenbilanzsystems zur Überprüfung der Nachhaltigkeit entlang der Biokraftstofflieferkette: Die Biokraftstoffproduzenten haben große Anstrengungen unternommen, um die Rückverfolgbarkeit ihrer Lieferkette zu gewährleisten. Im Großen und Ganzen würden es die Stakeholder bevorzugen, wenn die EU an dem bestehenden Massenbilanzsystem festhält und sicherstellt, dass der gegenwärtige Ansatz optimiert und in allen Mitgliedsstaaten und Nachhaltigkeitssystemen vereinheitlicht wird. (Text gekürzt)

Water use characteristics of bamboo (South China)

Bamboos (Poaceae) are widespread in tropical and subtropical forests. Particularly in Asia, bamboos are cultivated by smallholders and increasingly in large plantations. In contrast to trees, reliable assessments of water use characteristics for bamboo are very scarce. Recently we tested a set of methods for assessing bamboo water use and obtained first results. Objectives of the proposed project are (1) to further test and develop the methods, (2) to compare the water use of different bamboo species, (3) to analyze the water use to bamboo size relationship across species, and (4) to assess effects of bamboo culm density on the stand-level transpiration. The study shall be conducted in South China where bamboos are very abundant. It is planned to work in a common garden (method testing), a botanical garden (species comparison, water use to size relationship), and on-farm (effects of culm density). Method testing will include a variety of approaches (thermal dissipation probes, stem heat balance, deuterium tracing and gravimetry), whereas subsequent steps will be based on thermal methods. The results may contribute to an improved understanding of bamboo water use characteristics and a more appropriate management of bamboo with respect to water resources.

Immobilisation of arsenic in paddy soil by iron(II)-oxidizing bacteria

Arsenic-contaminated ground- and drinking water is a global environmental problem with about 1-2Prozent of the world's population being affected. The upper drinking water limit for arsenic (10 Micro g/l) recommended by the WHO is often exceeded, even in industrial nations in Europe and the USA. Chronic intake of arsenic causes severe health problems like skin diseases (e.g. blackfoot disease) and cancer. In addition to drinking water, seafood and rice are the main reservoirs for arsenic uptake. Arsenic is oftentimes of geogenic origin and in the environment it is mainly bound to iron(III) minerals. Iron(III)-reducing bacteria are able to dissolve these iron minerals and therefore release the arsenic to the environment. In turn, iron(II)-oxidizing bacteria have the potential to co-precipitate or sorb arsenic during iron(II)- oxidation at neutral pH followed by iron(III) mineral precipitation. This process may reduce arsenic concentrations in the environment drastically, lowering the potential risk for humans dramatically.The main goal of this study therefore is to quantify, identify and isolate anaerobic and aerobic Fe(II)-oxidizing microorganisms in arsenic-containing paddy soil. The co-precipitation and thus removal of arsenic by iron mineral producing bacteria will be determined in batch and microcosm experiments. Finally the influence of rhizosphere redox status on microbial Fe oxidation and arsenic uptake into rice plants will be evaluated in microcosm experiments. The long-term goal of this research is to better understand arsenic-co-precipitation and thus arsenic-immobilization by iron(II)-oxidizing bacteria in rice paddy soil. Potentially these results can lead to an improvement of living conditions in affected countries, e.g. in China or Bangladesh.

Release of hexavalent chromium from ore processing residues and the potential of biochar for chromium immobilization in polluted soils

Chromium (Cr) is introduced into the environment by several anthropogenic activities. A striking ex-ample is the area around Kanpur in the Indian state of Uttar Pradesh, where large amounts of Cr-containing wastes have been recently illegally deposited. Hexavalent Cr, a highly toxic and mobile contaminant, is present in significant amounts in these wastes, severely affecting the quality of sur-roundings soils, sediments, and ground waters. The first major goal of this study is to clarify the solid phase speciation of Cr in these wastes and to examine its leaching behavior. X-ray diffraction and synchrotron-based X-ray absorption spectroscopy techniques will be employed for quantitative solid phase speciation of Cr. Its leaching behavior will be studied in column experiments performed at un-saturated moisture conditions with flow interruptions simulating monsoon rain events. Combined with geochemical modeling, the results will allow the evaluation of the leaching potential and release kinetics of Cr from the waste materials. The second major goal is to investigate the spatial distribution, speciation, and solubility of Cr in the rooting zone of chromate-contaminated soils surrounding the landfills, and to study the suitability of biochar as novel soil amendment for mitigating the deleterious effects of chromate pollution. Detailed field samplings and laboratory soil incubation studies will be carried out with two agricultural soils and biochar from the Kanpur region.

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