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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.

Einfluss von Ionen auf das atmosphärische Partikelwachstum - Studien an einem Flussreaktor und einer Aerosolkammer

Sekundäre Partikelneubildung ist eine Hauptquelle für atmosphärische Partikel mit wichtigen Folgen für das Klima und die menschliche Gesundheit. Dieses Vorhaben untersucht die Rolle von Luft Ionen bei der sekundären Partikelneubildung in Flussreaktor- und Aerosolkammer-Experimenten unter kontrollierten Laborbedingungen. Trotz beträchtlicher Fortschritte in der Messtechnik zur Untersuchung der atmosphärischen Nukleation und des Partikelwachstums bestehen weiterhin Verständnislücken hinsichtlich der grundlegenden physikalischen und chemischen Prozesse. Insbesondere die möglichen Effekte von Ionen-Partikel-Wechselwirkungen und von Ionenchemie auf die Partikelneubildung werden kontrovers diskutiert. In Ergänzung zu bestehenden Forschungsprogrammen hinsichtlich der Rolle von Ionen im initialen Nukleationsschritt wird vorgeschlagen, Ionen-Partikel-Wechselwirkungen während des anschließenden Partikelwachstums zu untersuchen und sich dabei auf direkte Messungen des Ladungszustands, der Wachstumsraten und der chemischen Zusammensetzung von sekundärem organischem Aerosol zu konzentrieren. Hierzu werden der Ladungszustand und die Wachstumsraten von Partikelpopulationen mit einem modifizierten Mobilitätspartikelspektrometer unter wohldefinierten Randbedingungen in Laborexperimenten quantifiziert. In einem nächsten Schritt werden die neuartigen Messmöglichkeiten unseres Aerosol-Massenspektrometers CAChUP voll ausgeschöpft, um den Beitrag verschiedener organischer Vorläufergase zur chemischen Zusammensetzung von sekundärem organischen Aerosol bei variierenden Ladungszuständen zu quantifizieren. Schließlich werden die Ergebnisse dieser Experimente durch Messungen zur sekundären organischen Partikelbildung bei wohldefinierten Ionenkonzentrationen an einer Aerosolkammer überprüft. Die vorgeschlagene Forschungsagenda ist somit darauf abgestimmt, mögliche ladungs-katalysierte chemische Mechanismen bei der sekundären Aerosolbildung besser einzuordnen.

Adaptations and counter-adaptations in the coevolutionary arms race of a baculovirus and its insect host

Cydia pomonella granulovirus (CpGV, Baculoviridae) is one of the most important agents for the control of codling moth (CM, Cydia pomonella, L.) in both biological and integrated pest management. The rapid emergence of resistance against CpGV-M, which was observed in about 40 European CM field populations from 2003 on, could be traced back to a single, dominant, sex-linked gene. Since then, resistance management has been based on mixtures of new CpGV isolates (CpGV-I12, -S), which are able to overcome this resistance. Recently, resistance even to these novel isolates was observed in CM field populations. This resistance does not follow the described dominant, sex-linked inheritance trait. At the same time, another isolate CpGV-V15 was identified showing high virulence against these resistant populations. To elucidate this novel resistance mechanism and to identify the resistance gene(s) involved, we propose a comprehensive analysis of this resistance on the cellular and genomic level of codling moth. Because of the lack of previous knowledge of the molecular mechanisms of virus resistance in insects, several different and complementary approaches will be pursued. This study will not only give an in-depth insight into the genetic possibilities for development of baculovirus resistance in CM field populations and how the virus overcomes it, but can also serve as an important model for other baculovirus-host interaction systems.

Unraveling the genetic architecture of winter hardiness and quality traits in durum by genome wide and canidate gene based association mapping

Durum wheat is mainly grown as a summer crop. An introduction of a winter form failed until now due to the difficulty to combine winter hardiness with required process quality. Winter hardiness is a complex trait, but in most regions the frost tolerance is decisive. Thereby a major QTL, which was found in T. monococcum, T.aestivum, H. vulgare and S.cereale on chromosome 5, seems especially important. With genotyping by sequencing it is now possible to make association mapping based on very high dense marker maps, which delivers new possibilities to detect main and epistatic effects. Furthermore, new sequencing techniques allow candidate gene based association mapping. The main aim of the project is to unravel the genetic architecture of frost tolerance and quality traits in durum. Thereby, the objectives are to (1) determine the genetic variance, heritability and correlations among frost tolerance and quality traits, (2) examine linkage disequilibrium and population structure, (3) investigate sequence polymorphism at candidate genes for frost tolerance, and (4) perform candidate gene based and genome wide association mapping.

Diversität, metabolische Aktivität und Anpassung von Bakterien in marinen Oberflächenfilmen

Neue Befunde zeigen, dass die Umsetzung von organischem Material durch Bakterioneuston in marinen Oberflächenfilmen (engl. sea-surface microlayer, SML) eine Rolle spielen, bei der Kontrolle des Flusses von klimarelevanten Spurengasen, sowie bei der Speicherung von anthropogenen Ablagerungen aus der Atmosphäre. Unsere früheren Untersuchungen weisen auf die Bedeutung der bakteriellen Aktivität bzgl. des Kohlenstoffzyklus in der SML hin, heben aber auch die vielen unbekannten Einflüsse des Bakterioneuston in der SML hervor. Besonders photochemische Umwandlung von organischem Material, in Verbindung mit schädlichen Effekten durch Sonnenstrahlung auf die Bakterien in der SML, wurden bisher nicht detailliert untersucht. Demzufolge besteht unsere Motivation für das vorgeschlagene Projekt darin, das Wissen über Stoffwechselprozesse und Anpassungen von Bakterien in der SML in ihrer Gesamtheit, aber auch auf Einzelzell- und Stammebene, in Bezug auf physikalische und chemische Variabilität in dieser Grenzschicht zu untersuchen. Des Weiteren ist das Zooplankton eine wichtige Komponente für die Verbindung zwischen Phytoplankton, Bakterien und den höheren Ebenen des Nahrungsnetzes in der SML, wobei auch hier für das Verständnis relevante Daten fehlen. Daher werden wir im Rahmen des Projektes zum ersten Mal Studien zur Verbreitung des Zooplanktons sowie zu dessen Fressverhalten in der SML der Nordsee durchführen.

Mesoskaliges Netzwerk zur Überwachung von Treibhausgas- und Schadstoffemissionen

Aktuelle wissenschaftliche Studien legen nahe, dass die aktuelle Erderwärmung durch Treibhausgasemissionen hervorgerufen wird, die vom Menschen verursacht sind. Um gegen diese Entwicklung geeignete Maßnahmen ergreifen zu können bzw. um zu überprüfen, ob solche Maßnahmen von Erfolg gekrönt sind, ist es notwendig, die Schadstoffkonzentrationen inklusive der zugehörigen Emissionsquellen genau zu kennen. Diese Informationen sind bisher jedoch sehr lückenhaft und beruhen auf sogenannten 'bottom-up' Berechnungen. Da diese Kalkulationen nicht auf direkten Messungen beruhen, weisen sie große Ungenauigkeiten auf und sind außerdem nicht in der Lage, bisher unbekannte Emissionsquellen zu identifizieren. In dem hier vorgestellten Projekt soll ein mesoskaliges Netzwerk für die Überwachung von Luftschadstoffen wie CO2, CH4, CO, NO2 und O3 aufgebaut werden, das auf dem neuartigen Konzept der differentiellen Säulenmessung beruht. Bei diesem Ansatz wird die Differenz zwischen den Luftsäulen luv- und leewärts einer Stadt gebildet. Diese Differenz ist proportional zu den emittierten Schadstoffen und somit eine Maßzahl für die Emissionen, welche in der Stadt generiert werden.Mithilfe dieser Methode wird es in Zukunft möglich sein, städtische Emissionen über lange Zeiträume hinweg zu überwachen. Damit können neue Informationen über die Generierung und Umverteilung von Luftschadstoffen gewonnen werden. Wir werden u.a. folgende zentrale Fragen beantworten: Wie verhält sich der tatsächliche Trend der CO2, CH4 und NO2 Emissionen in München über mehrere Jahre? Wo sind die Emissions-Hotspots? Wie akkurat sind die bisherigen 'bottom-up' Abschätzungen? Wie effektiv sind die Maßnahmen zur Emissionsreduzierung tatsächlich? Sind vor allem für Methan weitere Maßnahmen zur Reduzierung der Emissionen notwendig? Zu diesem Zweck werden wir ein vollautomatisiertes Messnetzwerk aufbauen und passende Methoden zur Modellierung entwickeln, welche u.a. auf STILT (Stochastic Time-Inverted Lagrangian Transport) und CFD (Computational Fluid Dynamics) basieren. Mithilfe der Modellierungsresultate werden wir eine Strategie entwerfen, wie städtische Netzwerke zur Überwachung von Luftschadstoffen aufgebaut werden müssen, um repräsentative Ergebnisse zu erhalten. Außerdem können mit den so gewonnenen städtischen Emissionszahlen z.B. dem Stadtreferat, den Stadtwerken München oder der Bayerischen Staatsregierung Möglichkeiten zur Beurteilung der Effektivität der angewandten Klimaschutzmaßnahmen an die Hand gegeben werden. Das hier vorgestellte Messnetzwerk dient somit als Prototyp, um die grundlegenden Fragen zum Aufbau eines solchen Sensornetzwerks zu klären, damit objektive Aussagen zu städtischen Emissionen möglich werden. Dieses Projekt ist weltweit einmalig und wird zukunftsweisende Ergebnisse liefern.

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.

Herkunft von Schelfwasser und Pazifischem Wasser in der arktischen Salzgehaltsschichtung abgeleitet von stabilen Sauerstoffisotopen

Ziel des Projektes ist eine Bestandsaufnahme der Wassermassenverteilung und der Zirkulation im Arktischen Ozean. Stabile Sauerstoffisotopen (delta18O) des Wassers ist ein konservativer Tracer und werden zusammen mit hydrochemischen Daten dazu verwendet das vom Schelf stammende Süßwasser (Flusswasser und Meereis-Schmelze oder Bildung) und die aus dem Pazifik stammende Komponente zu untersuchen. Auf diese Weise wird der Einfluss dieser Wassermassen in der arktischen Salzgehaltsschichtung (Halokline), dem Atlantischen Zwischenwasser und dem Tiefen- und Bodenwasser des Arktischen Ozeans quantifiziert werden. Es ist bekannt, dass die Verteilung der Pazifischen Komponente starken Veränderungen auf dekadischen Zeitskalen unterliegt aber auch in den Süßwasserverteilungen im Transpolaren Drift Strom wurden 2007 starke Variationen beobachtet welche somit auf zusätzliche jährliche Variationen hinweisen. Es ist nicht bekannt ob die 2007 beobachteten Variationen ein permanentes Phänomen sind und ob diese mit dem weitgehenden Fehlen des Pazifischen Wassers in diesem Zeitraum zusammenhängen. Die geplante flächendeckende und quantitative Erfassung der Süßwasserverteilung und des Pazifischen Wassers werden daher dazu beitragen, den Einfluss und die möglichen Rückkopplungsmechanismen der arktischen Hydrographie auf den arktischen und globalen Klimawandel weitergehend zu verstehen.

Dynamic (redox) interfaces in soil - Carbon turnover in microbial biomass and flux into soil organic matter

Existing models of soil organic matter (SOM) formation consider plant material as the main source of SOM. Recent results from nuclear magnetic resonance analyses of SOM and from own incubation studies, however, show that microbial residues also contribute to a large extent to SOM formation. Scanning electron microscopy showed that the soil mineral sur-faces are covered by numerous small patchy fragments (100 - 500 nm) deriving from microbial cell wall residues. We will study the formation and fate of these patchy fragments as continuously produced interfaces in artificial soil systems (quartz, montmorillonite, iron oxides, bacteria and carbon sources). We will quantify the relative contributions of different types of soil organisms to patchy fragment formation and elucidate the effect of redox con-ditions and iron mineralogy on the formation and turnover of patchy fragments. The develop-ment of patchy fragments during pedogenesis will be followed by studying soil samples from a chronosequence in the forefield of the retreating Damma glacier. We will characterize chemical and physical properties of the patchy fragments by nanothermal analysis and microscale condensation experiments in an environmental scanning electron microscope. The results will help understanding the processes at and characteristics of biogeochemical interfaces.

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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