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Export von organischem Kohlenstoff aus Islands Gletschern: Quantifizierung, Herkunft und Kohlenstoffflüsse in Gletscherbächen

Gletscher sind bedeutende Speicher organischen Kohlenstoffs (OC) und tragen zum Kohlenstofffluss vom Festland zum Meer bei. Aufgrund des Klimawandels wird eine Intensivierung dieser Flüsse erwartet. Der Export von OC aus Gletschern wurde weltweit in verschiedenen Regionen quantifiziert, trotzdem liegen keine vergleichbaren Daten für Island vor, obwohl sich dort die größte europäische außerpolare Eiskappe befindet. Um die globalen Prognosen der glazialen Kohlenstofffreisetzung zu verbessern, ist es das Ziel dieses Pilotprojektes, den Export von gelöstem und partikulärem organischen Kohlenstoff (DOC, POC) aus Islands Gletschern erstmalig zu quantifizieren und neue Kooperationen mit isländischen Wissenschaftler/innen für gemeinsame zukünftige Forschungsprojekte aufzubauen. Hierzu werden 4 Feldkampagnen zu unterschiedlichen Jahreszeiten sowie Treffen mit isländischen Kollegen/innen durchgeführt. In jeder Feldkampagne werden von 23 Gletschern der Eiskappen Vatnajökull, Langjökull, Hofsjökull, Myrdalsjökull und Snaeellsjökull Eisproben entnommen, um die biogeochemische Diversität des glazialen OC zu charakterisieren sowie dessen Export in Verbindung mit Massenbilanzen zu quantifizieren. In Gletscherbächen werden Wasserproben entnommen, um den Austrag von OC direkt am Gletschertor zu bestimmen sowie die Kohlenstoffflüsse entlang von 6 Gletscherbächen mit unterschiedlicher Länge (2 km bis 130 km) beginnend am Gletschertor bis zur Mündung zu untersuchen. Wie sich der Gletscherrückgang langfristig auf ein Gletscherbachökosystem auswirkt, wird durch die taxonomische Bestimmung von Makroinvertebraten im Vergleich zur Bestimmung von Prof. Gíslason aus dem Jahre 1997 beurteilt. Gleichzeitig werden in diesem Gletscherbach Wasserproben zum eDNA-Barcoding entnommen, um eine rasche und gering invasive Methode zur laufenden Beobachtung des zukünftigen Einflusses der Gletscherrückgang zu entwickeln. Vor Ort werden Wassertemperatur, elektr. Leitfähigkeit, pH-Wert, gelöster Sauerstoff, Trübung und Chlorophyll alpha gemessen. Innovative Labormethoden (HPLC, DNA-Barcoding, Picarro, GC, TOC) werden zur Analyse des OC im Eis und Wasser (DOC, DIC, POC, Fluoreszenz, Absorption), der Nährstoffe (P-PO4, N-NO3, N-NO2, N-NH4), stabiler Isotope (18O, 2H), Chlorophyll alpha, CO2 und aquatischen Organismen eingesetzt. Die Anwendung statistischer Methoden (Faktorenanalyse, Hauptkomponentenanalyse) basierend auf Anregungs- und Emissionsmatrizen erlauben die Quellen des OC im Gletschereis sowie -schmelzwasser zu bestimmen und die räumliche Vielfalt des OC zu erklären. Das gewonnene Wissen wird zur Verbesserung globaler Prognosen glazialer Kohlenstofffreisetzung beitragen sowie einen intensiven Einblick in das glaziale Ökosystem geben. Für die antragstellenden Nachwuchswissenschaftler/innen entstehen vielversprechende Kooperationen mit isländischen Wissenschaftlern/innen, fokussierend auf die zeitlichen sowie räuml. Aspekte der glazialen Kohlenstoffflüsse sowie das Ökosystem Gletscher

Standardisiertes Monitoring von Wachstumsreaktionen wichtiger Waldbaumarten auf klimatische Extremereignisse, Teilvorhaben 3: Upscaling und Prognosen

Im Teilvorhaben 3 wird im Modul 5 (Flächendeckendes satellitengestütztes Monitoring der Wachstumsreaktion) ein satellitenbasiertes räumliches Monitoring der Wachstumsreaktion der Bäume für die Testgebiete entwickelt. Als Wachstumsreaktion wird die Veränderung des Saftflusses sowie des Dickenwachstums als Reaktion auf extreme Hitze- und Trockenperioden definiert. Beide Variablen werden mittels DHC-Stationen in situ gemessen und durch die Kombination mit Satellitendaten in die Fläche überführt. Als Prädiktoren werden neuartige Daten der spektral hochaufgelösten ECOSTRESS (IR hyperspektral), OCO-3 und DESIS (Hyperspektralsensor) herangezogen, die alle auf der ISS installiert und damit optimal für eine solche Datenkombination geeignet sind. Die Daten der punktuellen DHC-Stationen werden verwendet, um maschinelle Lernmodelle auf der Basis der spektral hochaufgelösten neuen Fernerkundungsdaten unter normalen und extremen Klimabedingungen zu trainieren. Die Modelle können auf das Prädiktorgitter angewendet werden, sodass die Zielvariablen räumlich modelliert werden können. Aufgrund der schlechten zeitlichen Auflösung werden diese Daten wiederum als Prädiktoren verwendet, um die Zielvariablen auf konventionelle, zeitlich höher aufgelöste (Sentinel, MODIS) und Kronen auflösende Systeme (Planet) zu transferieren. Damit ist ein räumliches Monitoring unter verschiedenen Klimabedingungen möglich. ECOSTRESS liefert gegitterte Prädiktorvariablen zur Verdunstung, zum Evaporative Stress Index sowie zur Water Use Efficiency in 30 bis 70 m Auflösung, die mit DHC-Messungen des Saftflusses kombiniert werden. OCO-3 liefert Informationen zur fotosynthetischen Aktivität (SIF: solar-induced chlorophyll fluorescence) in etwa 2 km Auflösung, die mit den DHC-Messungen zum Dickenwachstum kombiniert werden. DESIS liefert hyperspektrale Daten in 30 m Auflösung und wird v.a. für die Erhöhung der räumlichen Auflösung der OCO-3 Daten verwendet.

Forschergruppe (FOR) 5288: Schnell und unsichtbar: Zwischenabfluss durch einen interdisziplinären Multi-Standort-Ansatz bezwingen, Teilprojekt: SSF NOVEL TRACERS - Erforschung von biogeochemischen Tracern (Umwelt- und künstliche DNA, organischer Kohlenstoff) zur Identifizierung des Zwischenabflusses

Die Entschlüsselung von Fließwegen und Herkunftsräumen des Zwischenabflusses (SSF) sowie der unterirdischen hydrologischen Konnektivität ist durch unterschiedliche Prozessvorstellungen und wenigen direkten Messmöglichkeiten begrenzt. Es werden Tracer benötigt, mit denen Herkunftsräumen und Fließwege von SSF räumlich identifiziert werden können. Die über die Umwelt-DNA (eDNA) abgeleitete Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften sowie die räumlichen Unterschiede der optischen Eigenschaften wasserlöslicher organischer Substanz (WSOM; Absorption und Fluoreszenz) in Böden bietet eine bisher wenig beachtete Möglichkeit. In Abhängigkeit von topographischen und bodenkundlichen Eigenschaften bilden sich spezifische Habitate für mikrobielle und makrobiologische Bodengemeinschaften, die als räumliche eDNA-Muster kartiert und zur Lokalisierung der Herkunftsgebiete von SSF genutzt werden können. Die Anwendung künstlicher Tracer-DNA bietet die Möglichkeit, mit geringem technischem Aufwand und hohem Informationsgehalt hinsichtlich der unterirdischen Fließwege mehrere kontrollierte Experimente durchzuführen. Trotzdem fehlt bisher noch eine umfangreiche und konsequente Bewertung der Anwendbarkeit dieser biochemischen Tracer im Hinblick auf den SSF. Es ist das Ziel des Projektes, das Potenzial von eDNA, künstlich aufgebrachter Tracer-DNA und optischer Eigenschaften von WSOM als nicht-konservative Tracer für zur Identifizierung von SSF und der unterirdischen Konnektivität in vier Einzugsgebieten im Mittel- und Hochgebirge (Sauerland, Erzgebirge, Schwarzwald, Alpen) zu bewerten. In diesen werden an 12 Hängen an jeweils 10 Bodenprofilen Bodenproben entnommen, um die Verteilung von eDNA und WSOM über das Bodenprofil und im Hang zu erfassen. Die zeitliche Variabilität des Exports von eDNA und WSOM aus dem Boden wird während natürlicher Niederschlagsereignisse an einem mit einem Trench versehenen Hang in jedem Einzugsgebiet untersucht, wozu Wasserproben des unterirdischen Abflusses in verschiedenen Bodentiefen entnommen werden. Um genaue Fließwege des SSF in der Hangskala zu identifizieren werden an zwei Hängen künstliche DNA-Tracer eingesetzt und deren Transport durch Beregnungsexperimente aktiviert. Zur Untersuchung der eDNA und WSOM im Labor, werden eine Reihe modernster Laborgeräte und Methoden (TOC-Analysator, Fluoreszenzspektrometrie, Hochdurchsatz-Amplikonsequenzierung, real-time PCR) angewandt. Der Einsatz vielfältiger statistischer Verfahren (z.B. PARAFAC, Cluster-, Netzwerkanalyse) wird helfen, zeitliche und räumliche Muster zu erkennen, um Herkunftsräume von SSF zu identifizieren und biochemische Signaturen als Tracer für SSF zu erkennen.Diese systematische Untersuchung von eDNA und WSOM in Mittel- und Hochgebirgslandschaften ermöglicht es, diese biochemischen Tracer grundlegend zu bewerten. Darüber hinaus wird eine einzigartige Datenbank für die Ableitung biogeochemischer Signaturen geschaffen, um Herkunftsräume und Fließwege von SSF zu identifizieren.

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.

Reference measurements of surface waters and optical water quality variables (Secchi depth and Forel-Ule color indexes) collected during two RV Otzum cruises along the river Elbe in 2012 and 2013

Reference measurements of surface waters were collected during two RV Otzum cruises along the river Elbe in 2012 and 2013 (Ot2012_05: 21.-24.05.; Ot2013_05: 27.-30.05.2013). Temperature [°C], salinity, turbidity [NTU], and chlorophyll from fluorescence [µg/L] were measured by a PocketFerrybox System (values given to the time of sampling). Water samples were taken from the outlet of the system. Suspended particular matter (SPM) and chlorophyll a (Chl a) were filtered onboard on glas fibre filters (GFF, 47mm, 0,7 µm) and frozen at -25°C and -80°C immediately after sampling. Values were determined in the lab after the cruise within 2 months, for SPM via gravimetric analysis (IOCC recommendations) and for Chl a according to EPA Method 445. Water clarity and color were observed using a white Secchi disc with a diameter of 30 cm and a Forel-Ule color scale. The Secchi depth (SD) was recorded as a relative measure of water clarity at each in situ station during day time. At half SD the apparent color of the water above the submerged Secchi disc was determined using the Forel-Ule color scale. A Forel-Ule color scale is a classic tool used to differentiate the percieved color of water based on a scale from 1 (indigo blue) to 21 (cola brown). The measurements were conducted as recommended in literature (Garaba and Zielinski, 2015; Wernand, 2011; Wernand and van der Woerd, 2010). Measurements were part of the project DOMsense (01.11.2011 - 31.05.2014, KF2866501DF1)

Erfassung der Planktonbiomasse des Bodensee-Obersees mit Hilfe von Summenparametern

Erfassung der Planktonbiomasse des Bodensee-Obersees mit rasch, z.T. kontiunierlich messbaren Summenparametern (Protein, Algenpigmente, in-vivo-Fluoreszenz des Phytoplanktons, Coulter-Counter-Volumen, ATP) als Grundlage fuer genauere Biomassenbilanzierungen. Die Messungen werden in woechentlichem Abstand in je 12 bis 42 Seewasserproben durchgefuehrt.

Entschlüsselung der zeitlichen Variabilität der Konzentration und Zusammensetzung des glazialen organischen Kohlenstoffs zur Bestimmung des Kohlenstoffexports mittels Abflussseparation und maschinellen Lernverfahren (Falljökull, Island)

Verlässliche Vorhersagen über den Export von organischem Kohlenstoff (OC) bezogen auf den Gletscherabfluss sind sehr begrenzt. Bestehende Studien kombinieren hauptsächlich den OC-Gehalt einzelner Eisproben und Massenbilanzen, um einen mittleren jährlichen OC-Export zu berechnen. Dieser Ansatz berücksichtigt keine potentiellen tages- und jahreszeitlichen Veränderungen und spiegelt daher möglicherweise die gletscherbedingten OC-Exportraten nicht genau wider. Daher ist es wichtig, zeitliche Veränderungen in der Gletscherhydrologie in hoher zeitlicher Auflösung (saisonal, ereignisbezogen, tageszeitlich) zu berücksichtigen und relevante Abflusskomponenten zu berücksichtigen. Dieses Projekt hat das Ziel, den Export von OC aus Gletschern (Konzentration, Zusammensetzung und Bioverfügbarkeit) in hoher zeitlicher Auflösung systematisch zu untersuchen und die biochemische zeitliche Variabilität mit Variationen der hydrologischen Prozesse im Gletscher zu verbinden. Nur durch ein detailliertes Verständnis der Auswirkungen der Hydrologie der Gletscher auf den OC-Export können verlässliche Vorhersagen für die zukünftige Freisetzung von OC durch den Gletscherrückzug gemacht werden. Die Untersuchungen finden am temperierten Gletscher Falljökull (Island) statt, der Teil des Öraefajökull und der Vatnajökull-Eiskappe ist und dessen Eisfront seit 1932 jährlich vermessen wird. Innovative Methoden, wie z.B. maschinelle Lernverfahren, in Kombination mit einer Abflussganglinienseparation, helfen, das zeitliche Zusammenspiel verschiedener Quellgebiete des Gletscherabflusses und dessen tages- und jahreszeitliche Variabilität zu verstehen. Die Verbindung von Prozessverständnis unter Einbeziehung der OC und Abflussdynamik wird die Modellierung des OC-Exports unter Berücksichtigung der OC-Zusammensetzung ermöglichen. Insgesamt werden 972 Eis-, Schnee- und Wasserproben genommen entnommen. Mit einer mobilen Multiparametersonde, die direkt am Gletschertor installiert wird, werden automatisch die Wassertemperatur, elektrischer Leitfähigkeit, Trübung, der Wasserstand und fluoreszierendem DOM im 1h min-Intervall gemessen. Mit modernsten Labormethoden (C/N- und TOC-Analyzer, Picarro) werden BDOC, DOC, POC, optische Eigenschaften (Fluoreszenz, Absorption), Nährstoffe (PO4, NO3, NO2, NH4) und stabile Isotope (18O, 2H) analysiert. Mit dem Einsatz multivariat statistischer Verfahren (z.B. PCA, CCA) sowie Modellen (PARAFAC, SIMMR, LOADest) werden zeitliche Muster, Prozesse und Treiber identifiziert sowie der OC-Export quantifiziert. Diese systematische Untersuchung des OC-Exports wird das aktuelle Prozesswissen über tageszeitliche und saisonale Veränderungen in der Konzentration, Zusammensetzung und Bioverfügbarkeit von glazialem OC wesentlich erweitern. Dadurch kann die (zukünftige) Dynamik des gletscherbedingten OC-Exports aufgrund von klimawandelbedingten Variationen in Gletscherschmelzprozessen zuverlässig vorgesagt werden.

Quellen, Aufnahmewege und physiologische Nutzung von mycosporin-ähnlichen Aminosäuren (MAAs) aus phototrophen Organismen in marinen Evertebraten der Polarmeere

Das Projekt untersucht die physiologische Funktion UV-absorbierender Mycosporin-ähnlicher Aminosäuren (MAAs) als Sekundärmetabolite in marinen Evertebraten. Die Tiere nehmen diese Verbindungen mit ihrer pflanzlichen Nahrung auf und lagern sie offenbar gezielt in UV-gefährdete Gewebe und in die Gonaden ein. Das Projekt gliedert sich in 2 Phasen: 1.) Im ersten Jahr soll das natürliche Vorkommen von MAAs in ausgewählten Gruppen mariner Evertebraten erstmalig aus der Arktis (Spitzbergen) als auch aus der Antarktis (Süd Shetland Inseln) quantitativ und qualitativ erfaßt werden. Die Beziehung zwischen MAA-Akkumulation einerseits und der UV-Exposition sowie der Nahrungsspezifikation der Tiere andererseits soll zeigen, ob MAAs von heterotrophen Organismen gezielt resorbiert und als UV-Schutz angereichert werden können. 2.) Im zweiten, experimentellen Teil sollen die physiologischen Funktionen der MAAs in tierischen Geweben untersucht werden. Dazu werden in Bestrahlungsexperimenten die UV-Schutzfunktionen in 'MAA-aufgeladenen' Geweben mit optischen Mikrosensoren untersucht. Die Bildung von reaktiven Sauerstoffkomponenten (ROS) in tierischen Geweben als Folge von UV-Strahlung soll in Abhängigkeit von UV-Dosis mit Fluoreszenztechniken (u.a. konfokale Lasermikroskopie) gemessen werden. Eine mögliche antioxidative Schutzwirkung der MAAs wird vergleichend mit den bekannten Antioxidantien (Vitamine c, e, Urat, Glutathion etc.) untersucht.

Fernerkundung Umweltschutz, Fernerkundung fuer den Umweltschutz

Ein Excimer-Laser schickt UV-Blitze aufs Wasser, Algen, Oele und Tracer antworten mit Fluoreszenzen, die mit einer Array-Kamera aufgenommen werden. Von Molen, Bruecken, Schiffen und Hubschraubern aus wurde der Fluoreszenz-Untergrund von Gewaessern und die Konzentrationen von Gelbstoffen, Algenpopulationen und Tracern gemessen. Im Labor wurden die Fluoreszenzen von Oelen in duennen Schichten und Emulsionen sowie Vergiftungserscheinungen an Algen untersucht.

Makroinvertebraten-Gemeinschaften entlang eines arktischen Gletscher- und Schneeflusses in Island: Veränderungen und umweltrelevante Einflussfaktoren - ein Vergleich nach 26 Jahren

Die klimabedingte Gletscherschmelze wird sich auf die Zusammensetzung der Makroinvertebraten in den anschließenden Gletscherflüssen auswirken und zu einer Zunahme der a-Diversität und Abundanz sowie zu einer Aufwärtswanderung der flussabwärts lebenden Makroinvertebraten führen. In arktischen Regionen, in denen der Klimawandel große umweltrelevante Veränderungen erwarten lässt, wird zunehmend der Schnee von größerer Bedeutung für die aquatischen Ökosystemen, der Einfluss der Gletscherschmelze geht zurück. Die Folgen für die Zusammensetzung der Makroinvertebraten sind noch weitgehend ungeklärt, vor allem weil auch Langzeitstudien in arktischen Regionen fehlen. Daher soll in diesem Forschungsprojekt die zeitliche Veränderung von Makroinvertebraten entlang eines arktischen gletscher- und eines schneegespeisten Flusses untersucht werden. Die Grundlage bilden die Ergebnisse von Gíslason et al. (2001), die 1996 und 1997 entlang der beiden Flüsse Vestari- und Austari-Jökulsá Makroinvertebraten sowie hydrophysikalische und -chemische Parameter kartiert haben. Seit diesen ersten Untersuchungen haben sich die hydrologischen und klimatischen Verhältnisse deutlich verändert. An den gleichen Standorten (21) werden in 6 saisonalen Beprobungskampagnen (Frühjahr, Sommer, Herbst) über einen Zeitraum von zwei Jahren die abiotischen Variablen elektrische Leitfähigkeit, Wassertemperatur, -stand, DOC (Konz., Absorption, Fluoreszenz), stabile Isotope, gelöste Kieselsäure, Nährstoffe (PO4, NO3, NO2 und NH4), Ionen (Ca, Mg, Na, K), Chlorophyll a und Sedimentfracht sowie Makroinvertebraten-Gemeinschaften in den aquatischen Ökosystemen erfasst. Für ein zukünftiges Monitoring der Fauna in Gletscherflüssen wird die innovative und nicht-invasive Methode des eDNA-Metabarcodings getestet und weiterentwickelt. Dieser Ansatz ist in anderen aquatischen Ökosystemen bereits erfolgreich eingesetzt worden, noch nicht aber in Gletscherflüssen. Eine Reihe statistischer Techniken (z.B. einseitige/zweiseitige ANOVA) wird angewandt, um Unterschiede in den Längsveränderungen von Makroinvertebraten zwischen den verschiedenen Untersuchungen zu identifizieren und um umweltrelevante Einflussfaktoren für die Veränderung zu identifizieren. Mit der Anwendung des End-Member Mixing Ansatzes werden die Abflusskomponenten der beiden Flüsse während der saisonalen Kampagnen bestimmt, so dass auch die Auswirkungen der durch den Klimawandel verursachten Veränderungen der Wasserherkunftsräume auf Makroinvertebrate bewertet werden können. Letztendlich werden diese intensive, skalenübergreifende Untersuchung der hydrobiologischen und biogeochemischen Eigenschaften zweier arktischer Fließgewässers mit unterschiedlicher Hydrologie und ihrer räumlichen und zeitlichen Dynamik die Wissenslücke bezüglich der langfristigen Veränderung der longitudinalen Variation von Makroinvertebraten-Gemeinschaften in arktischen Flüssen schließen.

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