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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.

Erosionsschutz

Ackerbaulich genutzte Böden sind in Sachsen in erheblichem Umfang durch Wasser- und Winderosion gefährdet. Fortgesetzte Bodenerosion führt zum irreversiblen Verlust der Ertragsfähigkeit von Böden. Zusätzlich werden Gewässer durch eingetragenen Boden und die darin enthaltenen Nährstoffe befrachtet. Dies kann negative Folgen für die Gewässerqualität haben. Aus den voranstehenden Gründen werden von der Sächsischen Landesanstalt für Landwirtschaft erosionsmindernde bzw -verhindernde Anbauverfahren und Strategien entwickelt. Im Mittelpunkt stehen hierbei die dauerhaft konservierende Bodenbearbeitung und die Direktsaat. Im Vergleich zur konventionellen Bearbeitung mit dem Pflug bewirken pfluglose Bestellverfahren eine signifikante Verringerung des Bodenabtrags und eine signifikante Verbesserung der Gewässerqualitäten. Für eine umfassende und dauerhafte Anwendung der konservierenden Bodenbearbeitung müssen acker- und pflanzenbauliche Strategien entwickelt und zur Anwendung gebracht werden. Dies ist ein weiterer wesentlicher Arbeitsschwerpunkt des LfULG (im Einzelnen durch Projekte unterstützt).

LUCAS (Land Use and Land Cover Survey) SOIL Austria

Bodenkundliche Spezialkartierungen

- projektbezogene Erstellung von bodenkundlichen Karten im Maßstab kleiner M 1:25000 - Kartierung zu speziellen bodenkundlichen Fragestellungen, z.B. Erosion, Versauerung, Nährstoffbelastung von Böden

Naehrstoffbilanzierung fuer ein abgrenzbares landwirtschaftlich genutztes Areal (Mittelgebirgslandschaft)

Ziel: Ermittlung des Naehrstoffeintrages in Fliessgewaesser durch landwirtschaftliche Nutzung und Duengung. Untersucht wird ein 6-7 km2 grosses Gewaessereinzugsgebiet mit Wald-, Weide-/Wiese- und Ackernutzung, wobei ein Teil der als Acker genutzten Flaechen gedraent ist, so dass in diesem Bereich auch Draenwasseruntersuchungen durchgefuehrt werden. Weiterhin wird der Oberflaechenabfluss von landwirtschaftlich genutzten Flaechen mit Hilfe von Erosionsmessanlagen in Teilbereichen ermittelt.

Grossraeumige Modellierung des Nordfriesischen Wattenmeeres

Im Rahmen von Kuestenschutzmassnahmen im Bereich des Nordfriesischen Wattenmeeres haben viele Autoren die Nutzung von Dammbauwerken zur Erhaltung der Inselkuestelinien diskutiert. Im Bereich des Nordfriesischen Wattenmeeres existieren solche Dammbauwerke zwischen Nordstrandischmoor und dem Festland sowie zwischen der Inel Langeness und dem Festland. Das Land Schleswig-Holstein hat im letzten 'Generalplan Kuestenschutz' den Bau eines Sicherungsdamms zwischen der Insel Pellworm und dem Festland festgelegt. Durch einen solchen Dammm soll die in jeder Tideperiode einsetzende Umstroemung der Insel Pellworm verhindert werden. Langzeitmessungen zum Verlauf der Norderhever im Bereich Pellworm haben eine staendige Verbreiterung und Vertiefung der Norderhever in den letzten Jahrzehnten und einen Abtrag des Inselsockel gezeigt. Durch die Einengung des Flutraumes soll eine Stabilisierung dieser Wattrinne erreicht werden. Bedingt durch die im zu modellierenden Gebiet vorherrschende Tidedynamik fliessen waehrend einer Tideperiode netto etwa 80 Millionen Kubikmeter Wasser ueber den Schnitt des geplanten Sicherungsdammes von der Norderhever in die Aue und bilden damit verbunden die Grundlage fuer einen permanenten Materialtransport aus der Norderhever heraus. Die Auswirkungen des Dammbaus auf den Bereich des Nordfriesischen Wattenmeeres sollen mit HN-Modellen untersucht werden.

Denkmalpflege und Klimawandel - Denkmallabor zu Zukunftsfragen des Kulturerbeerhalts

Zielsetzung: Die Auswirkungen des Klimawandels, von Hochwasser, Hitze, Dürre, Stürmen und Bodenerosion, sowie anhaltende Diversitätsverluste stellen neuartige Bedrohungsszenarien für das Kultur- und Naturerbe weltweit dar. Historische Gärten und Kulturlandschaften ebenso wie küsten- oder flussnahe Ansiedlungen sind gegenwärtig von den Folgen dieser Veränderungen besonders stark betroffen. Extremwetterereignisse beeinträchtigen die Standfestigkeit historischer Gebäude, die Struktur und Konsistenz historischer Putze, Baumaterialien und Ausstattungen. Zusammen mit dem Weltklimarat weisen Natur- und Denkmalschutzeinrichtungen deshalb vermehrt auf die Dringlichkeit von zukunftsfähigen Erhaltensstrategien hin (z.B. 'Global Research and Action Agenda on Culture, Heritage and Climate Change' von IPPC, UNESCO und ICOMOS, 2022). Noch reagiert die modulare universitäre Ausbildung in Denkmalpflege, Heritage Studies, Architektur oder Städtebau nur unzureichend auf diese Herausforderungen. Interdisziplinäre Querschnittsprojekte fehlen in der Regel ebenso wie eine Beschäftigung mit den globalen Verflechtungen der Problemlagen und andernorts erprobten nachhaltigen Lösungsansätzen. Aus diesem Grund werden elementare Interessen von Studierenden an Klimakompetenz derzeit nicht ausreichend berücksichtigt. Perspektivisch kann das kulturelle Erbe aber nur dann geschützt werden, wenn Spezialwissen in der komplexen Ursachenanalytik hinsichtlich Prävention wie auch reparaturfreundlicher Methoden und Materialkenntnisse vorhanden ist und interdisziplinäre Herangehensweisen erprobt sind. Auf die derzeitigen Desiderate in Ausbildung und Vermittlung reagiert das Pilotprojekt der Denkmallabore. Sie suchen die Ausarbeitung von Adaptation- und Mitigation-Strategien innerhalb eines komplexen Risikomanagements sowie die Entwicklung eines zukunftsweisenden Narrativs, von Wissenstransfers und Partizipationsstrukturen voranzutreiben. Diese Maßnahmen erklären sich aus den komplexen Gefährdungen des kulturellen Erbes und deren Verflechtungen im Zeichen der Klimakrise. Pflege, Reparatur und Prävention konstituieren einen neuen konservatorischen Imperativ. Schonender Umgang, wie ihn die Ökologie fordert und die Denkmalpflege seit langem praktiziert, könnte zusammen mit Strategien des Risk Preparedness und Change Management über die Sicherung des (Welt)Kulturerbes hinaus einen Wissens- und Methodenspeicher für den nachhaltigen Bestandsschutz darstellen - Denkmalpflege eine Avantgardefunktion übernehmen.

Physikalische Stabilisierung der organischen Substanz durch Entstehung hydrophober Grenzflächen auf Aggregaten und Primärpartikeln

Die Literatur der letzten Jahre weist immer stärker darauf hin, dass Böden mit Benetzungshemmungen weiter als bisher angenommen weltweit verbreitet sind. Bereits geringe Anteile von organischer Substanz (SOM) können dabei in erheblicher Weise die Benetzbarkeit von Aggregaten oder Primärpartikeln von gut benetzbaren Oberflächen bis hin zu extremer Wasserabweisung verändern. Allgemein wird angenommen, dass Hydrophobie über mehrere Mechanismen die Abbaubarkeit von organischer Substanz und damit deren Stabilität beeinflussen kann. Daher kann der Grad der Hydrophobie als ein Indikatior der biologischer Abbaubarkeit von SOM verwendet werden. Weiterhin haben Benetzungshemmungen einen erheblichen Einfluß auf physikalische Prozesse in Böden. Extreme Benetzungshemmung führt häufig zu starkem Oberflächenabfluß und Erosion oder zu schnellem Auswaschen oberflächlich eingetragener Stoffe aus der Wurzelzone. Kenntnisse über das Benetzungsverhalten von Böden sind ebenfalls dann von Bedeutung, wenn generell das gleichzeitige Auftreten sehr feuchter und sehr trockener Zonen im Boden analysiert werden soll. Entsprechende Feuchtegradienten führen zu einem sehr unterschiedlichen physikalisch-chemischen Milieu in den entsprechenden Feuchte- und Trockenzonen, die wahrscheinlich erheblichen Einfluß auf die mikrobiellen Prozesse im Boden haben. Das Vorhaben beeinhaltet drei wesentliche Ziele: Erstens soll die Benetzbarkeit von Aggregatoberflächen und von Primarpartikeln der Böden des Schwerpunktprogramms bestimmt werden. Mittels Messung des Kontaktwinkels, der Oberflächenenergien und der Oberflächenladung soll eine möglichst vollständige Kennzeichnung erfolgen. In einem zweiten Abschnitt sollen Untersuchungen der Bodenlösung erfolgen. Es ist beabsichtigt, die Oberflächenspannung zu messen sowie den Einfluß der Bodenlösung auf die Grenzflächeneigenschaften von Bodenpartikeln und Modelloberflächen, etwa Quarzglasoberflächen, zu erfassen. Schließlich sollen die Ergebnisse zu den Oberflächeneigenschaften gemeinsam mit den Resultaten anderer Projektteilnehmer kombiniert oder ergänzt werden

Unbeachtete Dynamik des Gewässerbetts? Wirkung wandernder Sandrippel auf das mikrobielle Nahrungsnetz und den Metabolismus in Fließgewässern

Ziel des Projektes ist es, die Bedeutung wandernder Sandrippel für das mikrobielle Nahrungsnetz, den Kohlenstofffluss und den Metabolismus in Fließgewässerökosystemen aufzuklären. Die etablierten Konzepte zur Sedimentstörung in der Fließgewässerökologie fokussieren auf katastrophale Hochwasserereignisse, die tiefe Erosionen und drastische Verlagerungen der Sedimente bewirken. In Gewässern mit einem hohen Anteil sandiger Sedimente kommt es allerdings bereits bei geringen Abflüssen zu einer periodischen Umlagerung der Bettsedimente in Form wandernder Sandrippel. Diese Sandrippel bedecken, abhängig von der Sedimentfracht, zunehmende Bereiche der Gewässersohle, streckenweise sogar bis zu 100%. Aufgrund des weltweit zunehmenden Feinsedimenteintrags aus den Einzugsgebieten sind Sandrippel ein weit verbreitetes Phänomen in Bächen und Flüssen. Dennoch gibt es zum Einfluss der Sandrippel auf die Fließgewässerökologie nur sehr wenige Untersuchungen, deren Ergebnisse sich teilweise widersprechen. Wir postulieren, dass wandernde Sandrippel abhängig von ihrem Deckungsgrad auf der Sohle das mikrobielle Nahrungsnetz, den Kohlenstofffluss und den Metabolismus des gesamten Gewässers bestimmen. In originären experimentellen Ansätzen untersuchen wir i) die Auswirkungen der Sedimentumlagerung innerhalb wandernder Sandrippel, ii) die Interaktion der Rippelbereiche mit den umliegenden stabilen Sohlbereichen eines Gewässerabschnitts und den Gesamtmetabolismus im Abschnitt und iii) den Return (= Dynamik nach Beendigung der Sedimentumlagerung). Die Bewegung der Sande in wandernden Sandrippeln wird in einer Mikrokosmenanlage simuliert und der Einfluss von Umlagerungsfrequenz, Licht- und Nähstoffregime auf die Respiration, die Primärproduktion und das mikrobielle Nahrungsnetz untersucht. Die Auswirkungen zunehmender Bedeckung der Sohle mit wandernden Sandrippeln auf nahe stabile Sohlbereiche und den Gesamtmetabolismus von Gewässerabschnitten werden in 16 Rinnen einer Fließgewässersimulationsanlage erforscht. In diesen Experimenten werden zudem der Return von mikrobiellen Gemeinschaften und Gesamtmetabolismus mit erfasst. Die Experimente werden ergänzt und validiert durch in situ Messungen in Bächen und Flüssen. Dabei werden die abiotisch Bedingungen im Porenraum wandernder Sandrippel und naheliegender stabiler Sande sowie der lokale Metabolismus mit einer neu entwickelten Sonde gemessen und das mikrobielle Nahrungsnetz und der Kohlenstofftransfer in diesen Sohlbereichen erfasst. Die Synthese der Ergebnisse wird Klarheit schaffen über die Bedeutung wandernder Sandrippel für die mikrobiellen Gemeinschaften und den Stoffumsatz in Fließgewässern. Die zu erwartenden Erkenntnisse werden auch eine bessere Bewertung wandernder Sandrippel ermöglichen und sind somit Grundlage für Schutz und Management der Gewässerfunktionen.

Modell- und Demonstrationsvorhaben Humusaufbau im Hopfenanbau, Modell- und Demonstrationsvorhaben Humusaufbau im Hopfenanbau (MuDHumusHopfen)

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