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Mathematische Guetemodelle zur Prognose des Stoffhaushalts von Fliessgewaessern

Zweck und Ziel: Simulation und Prognose des Stoffhaushaltes abwasserbelasteter Fliessgewaesser zur Beurteilung der Auswirkungen wasserwirtschaftlicher und wasserbaulicher Massnahmen, einschliesslich Eutrophierungserscheinungen und Auswirkungen von Verklappungsmassnahmen. Ausfuehrung: Weiterentwicklung des von Dr. G. Huthmann in der BfG aufgebauten Modells, welches weitgehend empirische Zusammenhaenge verwendet, zu einem fuer verschiedene Anwendungen aussagekraeftigen Modell. Dabei werden die biologischen Vorgaenge - soweit erforderlich - mit Hilfe deterministischer Ansaetze formuliert. Die Modellentwicklung enstsprechend den Ergebnissen von Gewaesseruntersuchungen, Laborexperimenten und Literaturstudien. Ergebnisse: Das Modell besteht jetzt aus einem hydrologischen Modell, einem Temperaturmodell und dem eigentlichen Guetemodell. Folgende Stoffkonzentrationen werden berechnet: C-BSB5 (Biochemischer Sauerstoffbedarf der organischen Kohlenstoffverbindungen), CSB (Chemischer Sauerstoffbedarf, Bichromatoxidation), organischer Stickstoff, Ammoniumstickstoff, Nitratstickstoff, geloester Phosphor, ungeloester Phosphor, geloester Sauerstoff, Truebung. Ferner werden die Biomassen derjenigen langsam wachsenden Organismen berechnet, welchen einen wesentlichen Einfluss auf den Stoffhaushalt ausueben (Nitrifikanten, Algen, Zooplankter). Neuere Guetemodellrechnungen zum Sauerstoffhaushalt der Saar nach Ausbau zeigen, dass besonders in den Sommermonaten in den mittleren Stauhaltungen Lisdorf, Rehlingen und Mettlach mit Sauerstoffmangelsituationen zu rechnen ist. Um Fischsterben zu vermeiden, muss deshalb - beim jetzigen Sanierungszustand der Einleiter - kuenstlich

Der Einfluss der SML auf die Spurengasbiogeochemie und den Ozean-Atmosphäre-Gasaustausch

Labor- und Feldstudien zeigen, dass die Oberflächengrenzschicht des Ozeans (â€Ìsurface microlayerâ€Ì, kurz SML) die biogeochemischen Kreisläufe von klimaaktiven und atmosphärisch wichtigen Spurengasen wie Kohlenstoffdioxid (CO2), Kohlenstoffmonoxid (CO), Methan (CH4), Lachgas (N2O) und Dimethylsulfid (DMS) stark beeinflusst: (i) Jüngste Studien aus den PASSME- und SOPRAN-Projekten haben hervorgehoben, dass Anreicherungen von oberflächenaktiven Substanzen (d.h. Tensiden) einen starken (dämpfenden) Effekt sowohl auf die CO2- als auch auf die N2O-Flüsse über die SML/Atmosphären-Grenzfläche hinweg haben und (ii) Spurengase können durch (mikro)biologische oder (photo)chemische Prozesse in der SML produziert und verbraucht werden. Daher kann der oberste Teil des Ozeans, einschließlich der SML, verglichen mit dem Wasser, das in der Mischungsschicht unterhalb der SML zu finden ist, eine bedeutende Quelle oder Senke für diese Gase sein, was von sehr großer Relevanz für die Forschungseinheit BASS ist. Die Konzentrationen von CO2, N2O und anderen gelösten Gasen in der SML (oder den oberen Zentimetern des Ozeans) unterscheiden sich nachweislich von ihren Konzentrationen unterhalb der SML. Typischerweise werden die Nettoquellen und -senken wichtiger atmosphärischer Spurengase mit Konzentrationen berechnet, die in der Mischungsschicht gemessen wurden und mit Gasaustauschgeschwindigkeiten, die die SML nicht berücksichtigen. Diese Diskrepanzen führen zu falsch berechneten Austauschflüssen, die in der Folge zu großen Unsicherheiten in den Berechnungen der Klima-Antrieben und der Luftqualität in Erdsystemmodellen führen können. Durch die Verknüpfung unserer Spurengasmessungen mit Messungen von (i) der Dynamik und den molekularen Eigenschaften der organischen Materie und speziell des organischen Kohlenstoffs (SP1.1; SP1.5), (ii) der biologischen Diversität und der Stoffwechselaktivität (SP1.2), (iii) den optischen Eigenschaften der organischen Materie (SP1.3), (iv) der photochemischen Umwandlung der organischen Materie (SP1.4) und (v) den physikalischen Transportprozessen (SP2.3) werden wir ein umfassendes Verständnis darüber erlangen, wie die SML die Variabilität der Spurengasflüsse beeinflusst.

Forschergruppe (FOR) 1806: The Forgotten Part of Carbon Cycling: Organic Matter Storage and Turnover in Subsoils (SUBSOM), Forschergruppe (FOR) 1806: The Forgotten Part of Carbon Cycling: Organic Matter Storage and Turnover in Subsoils (SUBSOM)

We are currently facing the urgent need to improve our understanding of carbon cycling in subsoils, because the organic carbon pool below 30 cm depth is considerably larger than that in the topsoil and a substantial part of the subsoil C pool appears to be much less recalcitrant than expected over the last decades. Therefore, small changes in environmental conditions could change not only carbon cycling in topsoils, but also in subsoils. While organic matter stabilization mechanisms and factors controlling its turnover are well understood in topsoils, the underlying mechanisms are not valid in subsoils due to depth dependent differences regarding (1) amounts and composition of C-pools and C-inputs, (2) aeration, moisture and temperature regimes, (3) relevance of specific soil organic carbon (SOC) stabilisation mechanisms and (4) spatial heterogeneity of physico-chemical and biological parameters. Due to very low C concentrations and high spatio-temporal variability of properties and processes, the investigation of subsoil phenomena and processes poses major methodological, instrumental and analytical challenges. This project will face these challenges with a transdisciplinary team of soil scientists applying innovative approaches and considering the magnitude, chemical and isotopic composition and 14C-content of all relevant C-flux components and C-fractions. Taking also the spatial and temporal variability into account, will allow us to understand the four-dimensional changes of C-cycling in this environment. The nine closely interlinked subprojects coordinated by the central project will combine field C-flux measurements with detailed analyses of subsoil properties and in-situ experiments at a central field site on a sandy soil near Hannover. The field measurements are supplemented by laboratory studies for the determination of factors controlling C stabilization and C turnover. Ultimately, the results generated by the subprojects and the data synthesized in the coordinating project will greatly enhance our knowledge and conceptual understanding of the processes and controlling factors of subsoil carbon turnover as a prerequisite for numerical modelling of C-dynamics in subsoils.

Seen/Meßprogramm Sediment (StALU VP Stralsund)

Durchführung eines Meßprogramms mit der Erfassung Allgemeiner und Summenparameter im Sediment ausgewählter Seen.

Bestimmung von Flugasche in marinen und limnischen Sedimenten mit der C14-Methode

Der organisch gebundene Kohlenstoff in den Sedimenten der letzten 100 Jahre hat einen etwa 10 v.H. geringeren Gehalt an Kohlenstoff 14 als die tieferen Sedimentschichten (Erlenkeuser, Willkomm), im gleichen Bereich ist der Gehalt einiger Schwermetalle auf das 2- bis 7-fache der natuerlichen Konzentration angestiegen (Erwin Suess). Beide Effekte lassen sich durch die Ablagerung von Flugasche erklaeren.

Nachhaltige Entwicklung der Bundeswasserstraßen, Untersuchungen zum Stoffhaushalt, zur Planktondynamik sowie Biofilmen in Bundeswasserstraßen

Untersuchungen zu Aspekten der mikrobiellen Ökologie einschließlich des Phyto- und Zooplanktons. Umsetzungen des organischen Kohlenstoffs und von Nährstoffen in der Wassersäule und den Sedimenten.

Klärung der Rolle von natürlichem organischem Material für Methan-produzierende und -verbrauchende mikrobielle Prozesse in nördlichen Moorgebieten

Torfgebiete sind die größten Speicher für organischen Kohlenstoff auf der Erde. 80% der weltweiten Torfgebiete befinden sich auf der nördlichen Hemisphäre; daher stellen die nördlichen Torfgebiete die wichtigste natürliche Quelle für Treibhausgase (GHG) wie CH4 und CO2 dar. CH4 ist von besonderer Bedeutung, da es im Vergleich zu CO2 etwa 28-mal klimaschädlicher ist. Die Menge des von Mooren freigesetzten CH4 wird durch aerobe und anaerobe mikrobielle Prozesse bestimmt. Ein wenig untersuchter Teil des CH4-Kreislaufs in nördlichen Torfgebieten sind anaerobe CH4-oxidierende Prozesse (AOM). Insbesondere die erst kürzlich entdeckten AOM-Prozesse, die an die Reduktion organischer Elektronenakzeptoren wie natürlichem organischem Material (NOM) gekoppelt sind (NOM-abhängige AOM, NOM-AOM), wurden in diesen Gebieten noch nie untersucht, obwohl erhebliche Mengen an NOM und CH4-Emissionen in Torfgebieten parallel existieren. Deshalb möchten wir in diesem Projekt die Rolle von NOM für die CH4-Emissionen in die Atmosphäre über verschiedene Mechanismen der CH4-Produktion und der CH4-Oxidation bestimmen. Untersucht werden dabei NOM-Fraktionen, die in Stordalen (Abisko, Schweden), einem Modellstandort für von Permafrost betroffene nördliche Torfgebiete, vorhanden sind. Das übergeordnete Ziel dieses Projekts ist es, die Rolle der gelösten und partikulären Fraktionen von NOM (DOM und POM) für die Stimulierung oder Reduktion der Bildung und des Verbrauchs von CH4 in Mooren und kollabierenden Permafrost-Palsa-Gebieten zu untersuchen. Diese Standorte enthalten große Mengen an organischer Substanz und zeigen gleichzeitig erhebliche CH4-Emissionen. Im Arbeitspaket 1 (WP1) wird Torf vom Probenahmestandort entnommen und geochemische Parameter im Feld gemessen. Der beprobte Torf wird zur Isolierung von DOM- und POM-Fraktionen verwendet, um eine eingehende physikochemische Charakterisierung mit modernsten Analysetechniken durchzuführen, incl. DOC-/TOC-Messungen, FTIR und Messungen der Elektronenaustauschkapazität. Im WP2 werden Isotopen-Tracer-Experimente in Mikrokosmen durchgeführt, die mit Torf versetzt und mit isoliertem DOM oder POM angereichert sind, um deren Rolle bei der Stimulierung oder Unterdrückung der acetoklastischen und hydrogenotrophen Methanogenese sowie der Oxidation von CH4 durch NOM-AOM zu bestimmen. In WP3 werden die Identität und die relative Häufigkeit der Mikroorganismen, die an den untersuchten CH4-Cycling-Prozessen beteiligt sind, sowie die beteiligten funktionellen Gene mit Hilfe von DNA- und RNA-basierten molekularen Techniken wie 16S-Sequenzierung und Quantifizierung von Transkripten der Gene der Methanogenese und Methanotrophie analysiert. Wir verfolgen dabei die Hypothese, dass NOM in Permafrostgebieten je nach seinen Eigenschaften sowohl zur Emission von CH4 beitragen als auch diese abschwächen kann.

Extraktion von Aluminium und Eisen aus organischer Assoziation im Boden - Entwicklung einer neuer selektiven Methode

Im Zuge der Bodenentwicklung werden Metallionen beispielsweise des Aluminiums (Al) und Eisens (Fe) frei, die mit organischer Bodensubstanz (OBS) reagieren können. Wechselwirkungen zwischen Metallkationen und OBS, die zur Stabilisierung der OBS führen, d.h. zur Verlangsamung des Abbaus im Boden, sind seit langem bekannt. Die Wechselwirkungen in sauren Böden durch Adsorption von Al und Fe an funktionelle Gruppen der OBS sowie ihre Ausfällung mit OBS führen zur Bildung von organischen Assoziationen der Metalle. Metalle in organischen Assoziationen werden durch Oxalat gelöst, das allerdings auch Metalle in weiteren mineralischen Bindungsformen freisetzt. Aktuelle Studien zeigen, dass insbesondere die Gehalte oxalatlöslichen Aluminiums die Gehalte an organischem Kohlenstoff im Boden miterklären können. Trotz der Bedeutung der Metalle in organischer Assoziation gibt es bisher keine selektive Methode ihrer Extraktion. Das beantragte Projekt zielt darauf ab, ein Verfahren zu entwickeln, das die selektive und vollständige Extraktion von Al und Fe in organischer Assoziation und die quantitative und qualitative Charakterisierung der mit Al assoziierten OBS ermöglicht. Dazu wird eine zu entwickelnde Extraktion mit Fluorid bei pH 6,5 in ein sequentielles Extraktionsschema integriert, das Al bzw. Fe aus organischer Assoziation sowie gering kristallinen Fe-Oxiden und Aluminosilikaten separat extrahiert. Vor der Übertragung auf Böden wird die Fluorid-basierte Extraktion mit organischen Modellassoziaten und Referenzmineralen hinsichtlich Selektivität und Vollständigkeit überprüft. Anschließend werden Bodenproben, in denen erhöhte Gehalte von Al und Fe in organischer Assoziation zu erwarten sind, nach diesem Schema extrahiert. Die Proben werden Horizonten von reference soil groups der WRB-Klassifikation entstammen, in die metall-organische Assoziationen transportiert wurden (Podzols, Luvisols), in denen sie sich in situ bilden (Andosols, Cambisols) bzw. sie sich aufgrund von Redoxprozessen bilden (Gleysols, Stagnosols). Je nach pedogenem Milieu werden variable Gehalte an Metallen und OBS in den Assoziationen erwartet, sowie variable Beiträge von Metallen in organischer Assoziation zu den Gehalten oxalatlöslicher Metalle als Summenparameter. Die OBS, die aus Bindungen mit Al extrahiert wird, wird spektroskopisch und thermisch charakterisiert. Auch hier werden Unterschiede nach pedogenem Milieu erwartet, z.B. größere Anteile niedermolekularer Säuren in Podzols als in Andosols mit höheren Anteilen aromatischer OBS. Das Projekt soll nicht nur eine selektive Extraktionsmethode für Al und Fe in organischer Assoziation in Böden leisten, sondern auch die Charakterisierung einer bislang nicht selektiv zugänglichen OBS-Fraktion. Die gewonnenen Daten haben grundlegende pedogenetische Bedeutung und können, bei Anwendung auf größere Probenkollektive, in Modelle zur Erklärung der Steuerung der Gehalte organischen Kohlenstoffs im Boden implementiert werden.

Entkopplung ober- und unterirdischer Prozesse des Streuabbaus und Auswirkungen auf die Stabilisierung der organischen Bodensubstanz mit zunehmender Trockenheit

Trockengebiete bedecken große Teile der Landoberfläche und obwohl die Böden in Trockengebieten nur geringe Gehalte an organischem Kohlenstoff (OC) aufweisen, speichern sie einen erheblichen Teil der globalen OC-Vorräte im Boden. Derzeit ist es aber nicht möglich, die Auswirkungen der durch den Klimawandel prognostizierten Ausdehnung der Trockengebiete auf die Vorräte an OC im Boden vorherzusagen. Steigende Trockenheit beeinflusst die Prozesse des ober- und unterirdischen Streuabbaus und der Stabilisierung der organischen Bodensubstanz unterschiedlich. Es ist wenig bekannt über die Folgen zunehmender Trockenheit auf abiotische Prozesse des Streuabbaus wie Foto- und thermische Degradation sowie über Stabilisierungsprozesse der SOM, d. h. Aggregierung und Bildung von mineral-assoziierter organischer Substanz (MAOM) aus Blatt- und Wurzelstreu. Im Projekt werden wir einen einzigartigen Niederschlagsgradienten in Israel (gleiches Ausgangssubstrat) nutzen und die Hypothese testen, dass zunehmende Trockenheit zu einer zunehmenden Entkopplung der Mechanismen führt, die für den ober- und unterirdischen Streuabbau sowie für die Stabilisierung von SOM verantwortlich sind. Wir gehen davon aus, dass zunehmende Trockenheit den Abbau der Wurzelstreu stärker beeinflusst als den Abbau der Blattstreu. Des Weiteren nehmen wir an, dass zunehmender Niederschlag die Bildung von MAOM insbesondere aus Wurzelstreu fördert, während zunehmende Trockenheit einen höheren Anteil der Aggregierung an der SOM-Stabilisierung nach sich zieht. Wir werden den Streuabbau und die Stabilisierung von SOM untersuchen, indem wir 13C-markierte Streu (Spross, Wurzeln) einer einjährigen krautigen Pflanze entlang des Trockenheitsgradienten ausbringen. Den Einfluss der räumlichen Heterogenität der Vegetationsbedeckung wird berücksichtigt durch das Einbeziehen von Flächen unter sowie zwischen Sträuchern. Die Verwendung stabiler Isotope ermöglicht es uns, sowohl den Streuabbau als auch die Prozesse der SOM-Stabilisierung unter möglichst natürlichen Bedingungen entlang des Gradienten zu quantifizieren. Gemessene 13CO2-Flüsse im Feld werden mit den Informationen zum Einbau des 13C-Tracers in Fraktionen der SOM (gewonnen durch Dichtefraktionierung), EPS und der Aggregatstabilität kombiniert. Dies wird es ermöglichen, die SOM-Stabilisierungsmechanismen in Abhängigkeit der Trockenheit und der Vegetationsbedeckung zu erfassen. Die Ermittlung des Streuabbaus im Gelände wird mit Laborexperimenten kombiniert, um die Bedeutung abiotischer Prozesse für den Streuabbau zu quantifizieren. Unser komplementärer Ansatz wird ein umfassendes Bild über die Steuerung des Streuabbaus und der SOM-Stabilisierung in (semi)ariden Klimazonen ermöglichen. Dies wird die Grundlagen verschiedene Modellierungsansätze (Boden-C, Erdsystem) in ariden und semiariden Regionen bei zunehmender Trockenheit entscheidend verbessern.

Organischer Kohlenstoff in Flüssen - Charakterisierung, Herkunft und Abbaubarkeit

Veranlassung Der gelöste und der partikuläre organische Kohlenstoff (dissolved organic carbon, DOC und particulate organic carbon, POC) sind zentrale Komponenten im Naturhaushalt von Gewässern. Die Akkumulation von organischem Kohlenstoff - beziehungsweise die damit verbundene hohe Sauerstoffzehrung - ist insbesondere in den Ästuaren ein wichtiger Belastungsfaktor für den Sauerstoffhaushalt und trägt damit zu deren schlechtem ökologischem Zustand bei. Die Bewertung der zu erwartenden Sauerstoffzehrung kann aber nur mit umfassender Kenntnis der Qualität der organischen Kohlenstoffgehalte in gelöster Form oder als Bestandteil der Schwebstoffe erreicht werden. Des Weiteren spielt die Zusammensetzung des organischen Materials eine wichtige Rolle bei der Sorption und dem Transport von Schadstoffen, sodass eine umfassende Beschreibung des organischen Kohlenstoffs auch die Vorhersage der Ausbreitung von Schadstoffen ermöglicht. Im Projekt OrgCarbon soll eine umfassende Charakterisierung des organischen Kohlenstoffs jenseits der traditionell erfassten Parameter (TOC, DOC und POC) stattfinden, da bekannt ist, dass sowohl POC als auch DOC eine komplexe, bisher wenig erforschte Vielzahl unterschiedlicher Stoffklassen beinhaltet. In einem ersten Schritt erfolgt eine Fraktionierung von partikulärem und gelöstem organischem Material, basierend auf der chemischen Zusammensetzung und mikrobiellen Abbaubarkeit. Wichtige Parameter wie Sauerstoffverbrauch, mikrobielle Atmung, chemische Zusammensetzung und die Herkunft des organischen Materials werden für jede Kohlenstofffraktion bestimmt. Durch die daraus resultierende Verbesserung des Verständnisses bezüglich organischem Kohlenstoff in Ästuaren und Flüssen zielt das OrgCarbon-Projekt darauf ab, zu besseren Umweltmanagement- und Naturschutzstrategien für die Bundeswasserstraßen beizutragen. Ziele Ein zentrales Ziel des OrgCarbon-Projekts ist es, eine Vielzahl interdisziplinärer Methoden zu testen, um die vielfältigen Eigenschaften des Kohlenstoffes zu erfassen. Es werden verschiedene chemisch-analytische Verfahren mit Messungen zur biologischen Aktivität und Abbaubarkeit des Kohlenstoffs sowie mit mineralogischen Untersuchungen kombiniert. Dadurch lässt sich ein Set an Methoden identifizieren, das zukünftig auch mit weniger Aufwand eine detaillierte Charakterisierung des Kohlenstoffs ermöglicht. Als Ergebnis von OrgCarbon angestrebt ist die Entwicklung eines standardisierten Protokolls, das den gesamten Prozess von der Probenahme über die Kohlenstofffraktionierung bis hin zur Analyse und Datenauswertung umfasst. Dieses ermöglicht es, die Qualität des organischen Kohlenstoffs sowie dessen Eigenschaften und Abbaubarkeit in Zukunft besser abzuschätzen und gemeinsam zu interpretieren. Dieses Protokoll soll in bestehende Messprogramme der BfG integriert werden, um regelmäßig die Herkunft, das Sorptionspotenzial für Schadstoffe sowie die Abbaubarkeit und die Sauerstoffzehrung von organischem Kohlenstoff zu bestimmen. Organischer Kohlenstoff spielt eine entscheidende Rolle in Ästuaren und Flüssen. Seine Zusammensetzung beeinflusst Prozesse wie die (mikro)biologische Produktivität, den Sauerstoffverbrauch, den Schadstofftransport und die Agglomeration von Schwebstoffen. Die Bestimmung erfolgt routinemäßig nur als Summenparameter (total organic carbon, TOC) weshalb über die Zusammensetzung des organischen Materials, dessen Abbauverhalten und Quellen meist wenig bekannt ist. Darüber hinaus reicht die Betrachtung des Gesamtkohlenstoffgehalts in vielen Fällen nicht aus, um eine Vergleichbarkeit von Schwebstoffen aus unterschiedlichen Quellen zu gewährleisten. Das OrgCarbon-Projekt widmet sich darum einer umfassenden Analyse des organischen Kohlenstoffs in Feldproben aus Ästuaren und Flüssen mit unterschiedlichen Kohlenstoffgehalten und Zusammensetzungen, wie der Tide-Ems und der Tide-Elbe. (Text gekürzt)

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