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Untersuchungen des Methan Paradoxons in Seen

Das Projekt "Untersuchungen des Methan Paradoxons in Seen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungsverbund Berlin, Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei durchgeführt. Methan ist ein höchst potentes Treibhausgas, dennoch ist das globale Methanbudget durch die vielen unbekannten CH4-Quellen und -senken sehr unsicher. Die Höhe der CH4-Anreicherung in der Wassersäule hängt von komplexen Interaktionen zwischen methanogenen Archaeen und methanotrophen Bakterien ab. Das bekannte Methan Paradoxon, das die CH4-Übersättigung im oxischen Oberflächenwasserkörper von Seen und Meeren darstellt, weckt Zweifel, dass die mikrobielle CH4-Bildung nur im anoxischen Milieu stattfindet. Im oligotrophen Stechlinsee haben wir eine wiederkehrende Methanübersättigung im Epilimnion gefunden. Unsere Studien zeigen, dass das CH4 aktiv in der oxischen Wassersäule produziert wird. Die Produktion scheint dabei an die autotrophe Produktion von Grünalgen und Cyanobakterien gekoppelt zu sein. Zur gleichen Zeit sind keine methanotrophen Bakterien im Epilimnion vorhanden, so dass das CH4 nicht oxidiert wird. Unsere Haupthypothese ist, dass pelagische Methanogene hydrogenotroph sind, wobei sie den Wasserstoff aus der Photosynthese und/oder Nitrogenaseaktivität nutzen. Unsere Untersuchungshypothesen sind:1) Die CH4-Produktion ist mit der Photosynthese und/oder N-Fixierung gekoppelt, wobei hydrogenotrophe methanogene Archaeen mit den Primärproduzenten assoziiert sind. Die Methanogenen können angereichert und kultiviert werden, um Mechanismen der epilimnischen CH4-Produktion detailliert zu untersuchen.2) Die CH4-Oxidation ist durch die Abwesenheit der Methanotrophen und/oder der Photoinhibition in den oberen Wasserschichten reduziert.3) Die CH4-Produktion innerhalb mikro-anoxischer Zonen, z. B. Zooplankton und lake snow, ist nicht ausreichend für die epilimnische CH4-Produktion.Die saisonale Entwicklung des epilimnischen CH4-Peaks soll in Verbindung mit den Photoautotrophen und der Seenschichtung im Stechlinsee untersucht werden. Dabei soll eine neu-installierte Mesokosmosanlage (www.seelabor.de) genutzt werden, um CH4-Profile bei unterschiedlichen autotrophen Gemeinschaften und Seenschichtungen zu studieren. Die Verknüpfung zwischen methanogenen Archaeen und den Photoautotrophen soll in Inkubationsexperimenten mittels Hochdurchsatz-Sequenzierung und qPCR für funktionelle Gene untersucht werden. Methanotrophe werden quantifiziert und die Photoinhibition der CH4-Oxidation durch Inkubationsexperimente gemessen. In Laborexperimenten sollen die methanogenen Archaeen angereichert und kultiviert werden mittels dilution-to-extinction und axenischen Cyanobakterien und Grünalgen. Physiologische Studien an Anreicherungs- oder Reinkulturen sollen die zu Grunde liegenden molekularen Mechanismen ermitteln. Feld- und Laborexperimente sollen helfen, das Methan Paradoxon zu entschlüsseln, um die bisherige und potentiell wichtige CH4-Quelle zu charakterisieren und zu quantifizieren. Die Studien sollen helfen, unser Verständnis des globalen CH4-Kreislaufes zu verbessern, damit zukünftige Prognosen realistischer werden.

Einfluss der Durchmischungstiefe auf Zooplankton-Phytoplankton Interaktionen im Pelagial

Das Projekt "Einfluss der Durchmischungstiefe auf Zooplankton-Phytoplankton Interaktionen im Pelagial" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität München, Fakultät Biologie, Department Biologie II Aquatische Ökologie durchgeführt. Der Großteil der Primärproduktion in Seen erfolgt in der durchmischten Oberflächenschicht, deren Tiefe saisonal und geographisch stark variiert. Eine Verringerung der Tiefe dieser Schicht (=Durchmischungstiefe) erhöht die durchschnittliche Lichtversorgung des Phytoplanktons, und somit meist auch die spezifische Primärproduktion. Laborarbeiten zeigen, dass derart erhöhte Primärproduktion nicht immer in der Nahrungskette nach oben weitergegeben wird. Verbesserte Lichtversorgung verschiebt oft die elementare Zusammensetzung der Algenbiomasse in Richtung hoher C:P-Quoten, was die Futterqualität der Algen für das herbivore Zooplankton herabsetzt. Unter Laborbedingungen kann eine Erhöhung der Lichtversorgung sogar die paradoxal anmutende Verringerung der Zooplanktonproduktion bewirken. Unter welchen Umständen dieses Phänomen im Freiland auftreten kann ist gänzlich unerforscht. Wir beabsichtigen, die Einflüsse der Durchmischungstiefe auf die Dynamik von Zooplankton, Phytoplankton, Nährstoffen und Licht in kontrollierten Freilandexperimenten zu untersuchen. Besonders berücksichtigt werden dabei die modulierenden Einflüsse des Nährstoffgehaltes des Wassers. und von tagesperiodischen Wanderungen des Zooplanktons zwischen Oberflächen- und Tiefenwasser. Die Experimente orientieren sich an Voraussagen eines dynamischen Modells, welches im Laufe des Projektes weiterentwickelt werden soll. Da die Durchmischungstiefe klimatisch beeinflusst ist, können die gewonnenen Erkenntnisse zur Abschätzung der Folgen globaler Klimaveränderungen für den Stoff- und Energiehaushalt von Seen beitragen.

Sub project I

Das Projekt "Sub project I" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Hydroisotop GmbH, Laboratorium zur Bestimmung von Isotopen in Umwelt und Hydrologie durchgeführt.

Teilprojekt 4

Das Projekt "Teilprojekt 4" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Ingenieurgesellschaft Prof. Kobus und Partner GmbH durchgeführt. Natürliche Isotope sollen als Tracer für die im Bodensee beobachteten Strömungs-, Mischungs- und Stofftransportvorgänge untersucht und für aktuelle Fragestellungen eines vorsorgenden Gewässerschutzes genutzt werden. Es werden die im Projekt punktuell gewonnenen Informationen mittels numerischer Modelle regionalisiert, um die Grundwasserzutritte für Teilräume und den Gesamtsee quantifizieren zu können. Dabei werden die klassischen Methoden der Hydrogeologie mit den Methoden der Seenphysik verknüpft. Spezifische Implementierungen der numerischen Modelle ermöglichen die klein- und großräumige Simulation von Ausbreitungs- und Durchmischungsszenarien von Stoffen für die Kompartimente Freiwasser, Flusswasser, und Grundwasser. Dies führt abschließend zu einer Gesamtbetrachtung möglicher Beeinträchtigungen der Wasserqualität als Ergebnis der Wechselwirkungen des Gesamtsystems See-Grundwasser-Einzugsgebiet. Dies ist vor allem vor dem Hintergrund qualitativer Aspekte für den Bodensee wichtig, da Wasserinhaltsstoffe aus dem unterirdischen Einzugsgebiet über die Grund-/Seewasserinteraktion dem See zufließen und im Übergangsbereich im Sediment zwischen See und Grundwasser chemische und biologische Reaktionen in Abhängigkeit der Milieubedingungen stattfinden. Außerdem stellt sich die Frage, wie die bodennahen Wasserschichten im See, die grundwasserbürtige Anteile haben, sich mit dem Seewasser verteilen und welche Unterschiede sich auf Grund der Seemorphologie bzw. in Abhängigkeit der Tiefe ergeben. Im Teilprojekt werden sowohl Komponenten aus dem Grundwasser als auch aus dem See selbst entwickelt, die auch auf andere Seen übertragen werden können. Dies erfolgt exemplarisch am Ammersee. Der Arbeitsplan des Teilprojektes sieht eine enge Verzahnung mit allen Projektpartnern vor. Darüber hinaus ist eine Zusammenarbeit mit den örtlichen geologischen Diensten notwendig. Ein wichtiger Beitrag wird hierbei vom Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau geleistet.

Teilprojekt 2

Das Projekt "Teilprojekt 2" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bayreuth, Lehrstuhl für Hydrologie, Limnologische Forschungsstation durchgeführt. Teilprojekt 4 wird ein toolkit entwickeln, welches das nachhaltige Wassermanagement unterstützt und in dem Grundwasser und Schadstoffflüsse identifiziert, charakterisiert, und quantifiziert werden können. Es soll flexibel sein, so dass Wassermanager angebrachte Methoden an ortsspezifische Bedingungen anpassen können. Wir gehen davon aus, dass die Entwicklung dieses toolkits eine nachhaltige Nutzung der Wasserressourcen sicherstellen kann und Wasserqualität und -quantität auch unter Änderungen des Klimas und sozialer Strukturen geschützt werden können. Teilprojekt 4 wird in drei Arbeitsbereichen tätig sein: 1. Identifizierung und Kartierung der Grundwasserzuflusszonen mittels physikalischen (Sonar, Temperatur, elektrische Leitfähigkeit) und chemischen (O2) Methoden. Wir werden ein hochauflösendes Kartiersystem bauen, wobei ein Temperatursensor array über den Seegrund gezogen wird. Sauerstoff und elektrische Leitfähigkeitssensoren werden an das Kartiersystem gebunden, als zusätzliche Tracer des Grundwasserflusses. Ein Unterwasser GPS wird die Positionen georeferenziert aufzeichnen. Die Bereiche für die thermische Kartierung werden aufgrund ausgesuchter thermaler Bilder und hochauflösenden Sonarbildern aus einem vorhergegangenen Projekt ausgewählt. 2. Quantifizierung und Charakterisierung der Grundwasser- und Schadstoffflüsse an aktiven Grundwasserzuflusszonen mittels 1) Physikalischer Methoden wie z.B. Flusskammern, Temperaturprofilen, und Piezometernestern, 2) geochemischer Methoden wie z. B. Radon, Spurengase, stabile Isotope, Ionen, Nährstoffe und Metallanalyse. 3. Charakterisierung der Sensibilität des Grundwassersystems gegenüber Klimawandel und Schadstoffverschmutzungen. Dies wird durch Quantifizierung der Verweilzeit im Grundwassersystem mittels Verweilzeittracer (3H/3He and SF6) aus Flusskammer-, Piezometer- und Beobachtungsbrunnen-Proben erreicht. Verweilzeit wird mittels 'lumped parameter models' berechnet.

Teilprojekt 5

Das Projekt "Teilprojekt 5" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Zweckverband Bodensee-Wasserversorgung, Betriebssicherung und Forschungslabor durchgeführt. Im Rahmen dieses Vorhabens sollen innovative Wege beschritten werden, mit denen die Auswirkungen der Zuflüsse, der potenziellen Grundwassereintritte sowie der damit verbundenen Strömungs-, Vermischungs- und Stofftransportvorgänge im Bodensee charakterisiert werden können. Hierzu werden sowohl bewährte bzw. neu zu entwickelnde isotopenanalytische, chemische, physikalische und ökologische Untersuchungsmethoden als auch numerische Modelle und Simulationsrechnungen eingesetzt und miteinander kombiniert. Im vorliegenden Teilprojekt 2 soll am Beispiel der Ermittlung von ausgewählten Elementen/Metallen u.a. in den Zuflüssen, im Bereich der Grundwasserzutritte, im Freiwasser und im Rohwasser verschiedener Seewasserwerke die Fragestellung geklärt werden, ob und inwieweit mit grundwasserbedingten Einflüssen auf die Wassergewinnung zu rechnen ist. Darüber hinaus sollen von der BWV alle Belange der Ergebnisverwertung, Dissemination und Öffentlichkeitsarbeit koordiniert werden. Arbeitsschwerpunkt A1: Probenahme und Ermittlung der physikalisch-chemischen Wasserbeschaffenheit Die Entnahme der Wasserproben erfolgt durch das ISF (Obersee) und BWV (Überlingersee). Die organische/anorganischen Untersuchungen werden im ISF durchgeführt. Arbeitsschwerpunkt A2: Ermittlung der Element/Metallkonzentrationen Nach einer Weiterentwicklung und Anpassung der ICP-MS-Methode werden im BWV-Labor alle relevanten Wasserproben quantitativ auf ausgewählte Elemente/Metalle analysiert. Arbeitsschwerpunkt A3: Ergebnisverwertung, Dissemination, Öffentlichkeitsarbeit Im Rahmen der Ergebnisverwertung und Öffentlichkeitsarbeit sollen neben der Planung und Durchführung von öffentlichen Veranstaltungen u.a. auch eine Internetseite und ein Flyer im Unterauftrag erstellt werden.

Teilprojekt 1

Das Projekt "Teilprojekt 1" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Landesanstalt für Umwelt Baden-Württemberg, Institut für Seenforschung durchgeführt. Natürliche Isotope sollen als Tracer für die im Bodensee beobachteten Strömungs-, Mischungs- und Stofftransportvorgänge untersucht und für aktuelle Fragestellungen eines vorsorgenden Gewässerschutzes genutzt werden. Durch Kombination von isotopenanalytischen, mit physikalischen, hydrochemischen und ökologischen Methoden wird eine Identifizierung ('fingerprint') verschiedener Wasserkörper erreicht, und die Ergebnisse im Anschluss durch Anwendung und Weiterentwicklung bestehender 3-dimensionaler hydrodynamischer Modelle zur Beschreibung und Quantifizierung der Auswirkungen von Zufluss- und Grundwassereintritten im See genutzt Durch (1) Anwendung verschiedener Tracer-Methoden (16O/18O, 1H/2H Isotopie, chemische und physikalische Parameter (z.B. Chlorid, Leitfähigkeit)) zur Charakterisierung von Wasserkörpern (2) Kombination der Ergebnisse mit bestehenden Langzeitdatensätzen und (3) Nutzung von 3-dimensionalen hydrodynamischen und Tracertransportmodellen werden folgende Teilaspekte untersucht: (i) vertikale und horizontale Mischungsprozesse und Transportpfade von Wasserinhaltsstoffen im See (ii) Verweilzeiten von Stoffen in einzelnen Seekompartimenten und (iii) Einfluss und Ausbreitung von Flusswasserfahnen und Inhaltsstoffen in mündungsnahen Flachwasserzonen sowie seeweit. Darauf basierend erfolgt eine Bewertung der verschiedenen Prozesse vor ökologischem und gewässerschutzrechtlichem Hintergrund. Für eine bestmögliche Charakterisierung von Stoffeintrag, -transport und -verbleib erfolgt die Messung der Umweltisotope von Sauerstoff und Wasserstoff, sowie der chemischen und physikalischen Begleitparameter in einem zweistufigen Ansatz sowohl großräumig (durch schiffsbasierte Screening-Untersuchungen) als auch lokal (Einzelprobenahme und anschließende Analytik im Labor) auf saisonalen Skalen. Mit dreidimensionalen hydrodynamischen Modellen werde die Messergebnisse verallgemeinert und über einzelne Messareale und -zeitpunkte hinaus zeitlich und räumlich erweitert.

Teilprojekt 3

Das Projekt "Teilprojekt 3" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, Institut für Geosysteme und Bioindikation durchgeführt. Natürliche Isotope sollen als Tracer für die im Bodensee beobachteten Strömungs-, Mischungs- und Stofftransportvorgänge untersucht und für aktuelle Fragestellungen eines vorsorgenden Gewässerschutzes genutzt werden. Durch Kombination von isotopenanalytischen mit physikalischen, hydrochemischen und ökologischen Methoden wird eine Identifizierung ('fingerprint') verschiedener Wasserkörper erreicht, und die Ergebnisse im Anschluss durch Anwendung und Weiterentwicklung bestehender 3-dimensionaler hydrodynamischer Modelle zur Beschreibung und Quantifizierung der Auswirkungen von Zufluss- und Grundwassereintritten im See genutzt. Mit aquatischen Organismen aus Oberflächensedimenten werden Grundwassereintritte identifiziert und deren Auswirkungen auf die Wasserqualität bewertet. Anhand von fossilen Artenvergesellschaftungen aus kontinuierlich abgelagerten Sedimenten wird die Entwicklung der Wasserqualität und die Dynamik des Grundwassereintrages für die letzten ca. 200 Jahre rekonstruiert. Damit werden die Konsequenzen von Klimawandel sowie anthropogenen Einflüssen erfasst und die Belastbarkeit des aquatischen Ökosystems bewertet. Mit Artenspektren von Diatomeen und Ostracoden aus Sedimentproben werden über Korrespondenzanalysen direkte Zusammenhänge zwischen Organismen sowie Wasserqualität und Grundwassereintrag ermittelt. Dabei werden Ostracoden und die d18O und d13C-Signale ihrer Schalen als Grundwasser-Tracer erprobt und implementiert. In Teilbecken mit unterschiedlicher Trophie und Wasseraustauschrate werden die horizontale Variabilität des Isotopensignals und die Variabilität im Artenspektrum von Ostracoden und Diatomeen erfasst. Fossile Artenspektren von Ostracoden und deren d18O und d13C-Signale dienen zur Rekonstruktion der Dynamik des Grundwassereintrages. Mit Diatomeen erfolgt die Bewertung von anthropogenen Einflüssen und von Grundwassereintrag auf die Wasserqualität nach EG Wasserrahmenrichtlinie.

Bewertung der fischereilichen Entwicklung und der Nutzungsmöglichkeiten des Gröberner Sees

Das Projekt "Bewertung der fischereilichen Entwicklung und der Nutzungsmöglichkeiten des Gröberner Sees" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Institut für Binnenfischerei e.V., Potsdam-Sacrow durchgeführt. Zielstellung: Das Ziel des Projektes ist die Bewertung der fischereilichen Entwicklung und der fischereilichen Nutzungsmöglichkeiten des Gröberner Sees unter Einbeziehung der vorhandenen Nahrungsgrundlage für Fische, des aktuellen Fischbestandes und von Daten zur Morphologie und Wasserqualität. Material und Methoden: Die Erfassung des morphometrischen, hydrologischen, wasserchemischen und trophischen Zustandes des Gewässers erfolgt auf der Grundlage der vorhandenen aktuellen Unterlagen und Untersuchungsergebnisse der LMBV. Die Ermittlung der Nahrungsgrundlage für Fische wurde durch die Untersuchung des Zooplanktons sowie der Bodentiere vorgenommen. Die Erfassung des vorhandenen Fischbestandes erfolgte mittels Multimaschenstellnetzen im Pelagial und im Sublitoral, Maränennetzen im Pelegial und großmaschigen Grundstellnetzen sowie mit Hilfe der Elektrofischerei im Gelege. Abschließend werden aus diesen Daten Aussagen zu den Anforderungen an die zukünftige fischereiliche Bewirtschaftung abgeleitet. Ergebnisse: Der Gröberner See ist ein 374 ha großes und 50 m tiefes, circumneutrales, nährstoffarmes und im Sommer geschichtetes Gewässer mit ausreichenden Sauerstoffkonzentrationen bis zum Grund. Bei der Erfassung des Fischbestandes mit den aufgeführten Fangmethoden wurden die 18 Fischarten Aland, Barsch, Blei, Döbel, Dreistachliger Stichling, Giebel, Gründling, Hasel, Kaulbarsch, Kleine Maräne, Plötze, Rotfeder, Schleie, Sonnenbarsch, Spiegelkarpfen, Ukelei, Wels und Zander nachgewiesen. Der Gesamtfang wurde durch Barsche und Kleine Maränen dominiert. Die detaillierte Auswertung der Fänge und der Nahrungsgrundlage für Fische sowie die abschließende Einschätzung der fischereilichen Entwicklung und der Nutzungsmöglichkeiten des Fischbestandes erfolgen 2016.

Teilvorhaben 3: Aquatische Ökosystemfunktionen

Das Projekt "Teilvorhaben 3: Aquatische Ökosystemfunktionen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungsverbund Berlin, Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei durchgeführt. Das INNOVATE Projekt bearbeitet wissenschaftliche Fragestellungen zur nachhaltigen Nutzung und Bewirtschaftung des Itaparica Stausees im semi-ariden Nordosten Brasiliens, im Bundesstaat Pernambuco. Durch Energiegewinnung. Bewässerung landwirtschaftlicher Flächen, Fischzuchtanlagen sowie wechselnde Wasserstände entstehen Belastungen für das Gewässer und Nutzungskonflikte. Maßnahmen zur Verringerung des Nährstoffgehalts des Stausees werden limnologisch und ökonomisch bewertet. Die Bodenerosion, die Eutrophierung und Umlagerungsprozesse führen zur Akkumulation organischer Sedimente und zur Abgabe von Treibhausgasen, deren Ausmaß in dem Projekt detailliert untersucht werden soll. Außerdem wird die Funktion der Sedimente für den Nährstoffhaushalt in Abhängigkeit von den Schichtungsverhältnissen und den Sedimentqualitäten beurteilt. Der Einsatz von See-Sediment und Biokohle für die Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit in der kleinbäuerlichen Landwirtschaft wird getestet und einer ökonomischen Analyse unterzogen. Mit den am Stausee etablierten Aquakultureinrichtungen werden die Möglichkeiten und Chancen des Einsatzes anderer Fischarten evaluiert. Einflüsse auf die aquatische und terrestrische Biodiversität werden untersucht. Die Hydrologie und Änderungen der Landnutzung werden modelliert und Handlungsempfehlungen für ein nachhaltiges Wasser- und Landmanagement auf Basis der Konstellationsanalyse entwickelt. Das Hauptziel des Projekts besteht in der Entwicklung einer innovativen Kopplung von Stoffflüssen, welche auf unterschiedlichen räumlichen Ebenen (makro, meso und lokal) bewertet werden. Die Untersuchungsregion umfasst das Wassereinzugsgebiet des Sao Francisco Flusses bis zum Itaparica Staudamm. Die Obertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Wassereinzugsgebiete in semi-ariden Gebieten soll herausgearbeitet werden. Vier Arbeitsgruppen des 1GB sind in verschiedenen Subprojekten beteiligt. Schwerpunktthemen sind die Sediment-Wasser Interaktionen sowie die veränderten Emissionen von Treibhausgasen im Reservoir bei Wasserstandsschwankungen, Eutrophierung und unter Klimaveränderungen. Die Belastung des Gewässers durch die vorhandene Aquakultur soll durch den Einsatz nachhaltiger Methoden verringert werden. Das am 1GB entwickelte Eintragsmodell 'Moneris' wird für dieses Gebiet adaptiert.

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