Redox processes of Iron, Sulfur, and dissolved organic Carbon in anaerobic aquifers (KN 929/2-1)
Biogeochemistry of trace elements in peatlands of North-Eastern China (DAAD-PPP)
Sachbeihilfe der Deutsche Forschungsgemeinschaft
Projektleitung: Egbert Matzner, Christian Blodau
Mitarbeiterin: Beate Huhle
Laufzeit: von 02/2008 bis 07/2012
Moorböden haben eine große Bedeutung für die Chemie des Abflusses in Einzugsgebieten und können als effektive Filter für eingetragenes Arsen wirken. Es bestehen erhebliche Wissensdefizite hinsichtlich der Bindungsformen von As in organischen Böden und der Mechanismen für Akkumulation und Mobilisierung von As in, bzw. aus Moorböden. Diese sind bisher v.a. an terrestrischen Böden untersucht worden. Für die Umsätze von As in Moorböden sind vermutlich reduktive Prozesse und die Bildung organischer As-Spezies durch Methylierung von großer Bedeutung, ebenso wie Bindungen an der organischen Substanz.
Ziele des Vorhabens sind daher:
Die Arbeiten werden an Proben aus zwei unterschiedlichen Mooren durchgeführt. Der Standort „Schlöppnerbrunnen“ im Fichtelgebirge steht für ein gering mit As belastetes Moor, der Standort „Gola die Lago“ in der Süd-Schweiz für ein mit As hoch belastetes Moor. Die geplanten Arbeiten leisten wesentliche Beiträge zur Bewertung von As-Einträgen in Einzugsgebieten und zur Biogeochemie des As in organischen Böden.
Sachbeihilfe des ERANET – BiodiverSa (BMBF/DLR)
Projektleitung: Christian Blodau
MitarbeiterInnen: Yuanqiao Wu, Kasia Zajac
Laufzeit: von 05/2009 bis 04/2012
Gesamtziel des biodiversa PEATBOG-Konsortium Antrags ist es (I) die Auswirkung von Stickstoffbelastungen und Klimawechsel auf die Biodiversität und die Funktion von Moorökosysteme zu identifizieren und (II) praxisorientierte Indikatoren für das Ausmaß solcher Auswirkungen zu entwickeln. Das deutsche Teilvorhaben, das hier beantragt wird (PEATBOG work package 3), ist thematisch auf die biogeochemischen Kreisläufe des Stickstoffs und Kohlenstoffs fokussiert. Wir werden primär die Frage untersuchen, ob Stickstoffdeposition und induzierter Verlust an Biodiversität in Mooren zu einer Stickstoffsättigung dieser Ökosysteme beitragen und inwieweit eine solche Entwicklung durch die bereits begonnen Klimaänderungen verstärkt wird. Ein weiteres Ziel ist es, den Zusammenhang zwischen der Stickstoffdeposition und der Sequestration von Kohlenstoff und Stickstoff in Torfmooren im europäischen Maßstab herauszuarbeiten. Die gewonnen Ergebnisse werden einen wichtigen Beitrag zu unserer Kenntnis der Auswirkung multipler Umweltstressoren auf Biodiversität und Stoffkreisläufe in einem bedeutenden Ökosystemtyp leisten. Darüber hinausgehend werden die wissenschaftlichen Ergebnisse genutzt werden um Indikatoren zu entwickeln, die das Risiko eines Verlusts an ökologischer und funktioneller Integrität von europäischen Mooren durch Stickstoffbelastung und Klimaveränderungen beschreiben. Die Voraussetzung für diese Verwertung der Ergebnisse ist die Verzahnung von Grundlagenforschung mit einem breiten Spektrum von Anwendern aus Behörden, Nichtregierungsorganisationen (NGOs) und Gewerbe, die das Projekt im kritischen Dialog und in strukturierter Weise hinsichtlich der Entwicklung solcher Indikatoren begleiten. Diese Voraussetzung ist innerhalb des PEATBOG Konsortiums geschaffen worden. Das Vorhaben bezieht sich auf die förderpolitischen Ziele innerhalb des BiodivERsA Netzwerkes, das als ERA Projekt innerhalb des 6. Rahmenprogramm der Europäischen Forschungsförderung eingerichtet wurde. Insbesondere werden durch das PEATBOG Projekt die Themen (1) „Global Change and biodiversity dynamics“, (2) „Ecosystem functioning“ und (3) „Ecosystem Services“ adressiert und so (1) Wirkungen und (2) Mechanismen herausgearbeitet und (3) der Wissenstransfer zur Anwendergemeinde gewährleistet. Das hier beantragte Vorhaben leistet vor allem zu Teilbereichen (1) und (2) einen wesentliche Beitrag und schafft die inhaltlichen Voraussetzungen um den Wissenstransfer in einem weiteren work package (5, „Policy and Management“) von PEATBOG zu ermöglichen. Die konkreten Arbeitsziele des Vorhabens sind herauszuarbeiten,
KooperationspartnerInnen: Nancy Dise and Simon Caporn (Manchester Metropolitan University); Bo Svensson and Per-Eric Lindgren (Linköping University); Jos Verhoeven (Utrecht University); Lucca Bragazza (University of Ferrara)
Sachbeihilfe der Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG BL563/15-1
Projektleitung: Christian Blodau, Stefan Peiffer [de]
Mitarbeiterin: Julia Beer
Laufzeit: von 02/2008 bis 2/2012
Biogeochemische Prozesse in Sedimenten werden überprägt durch die diffusiv-advektive Zufuhr von Stoffen aus Oberflächen- und Grundwässern. So kommt dem advektivem Grundwasserzustrom eine Schlüsselrolle für die Sequestrierung und Mobilisierung von Eisen, Schwefel und Kohlenstoff in Sedimenten zu. Dies ist von besonderer Bedeutung in sauren, eisen- und schwefelreichen Systemen, in denen advektiver Zustrom erhöhte pH-Werte, eine Beschleunigung von Mineralumwandlungen und Veränderungen in der Verteilung von Sulfat- und Eisenreduktion in den betroffenen Sedimenten begünstigt, so dass es sowohl zur sulfidischen Bindung als auch zur Remobilisierung von Eisen und Schwefel kommen kann.Ziel des Forschungsvorhabens ist, die folgenden Hypothesen zu überprüfen: (i) Mobilisierung und Immobilisierung der Elemente S und Fe sind eine Funktion advektiver Zustromraten und der Zufuhr an Elektronendonoren, (ii) es existieren Schwellenwerte der steuernden Faktoren, an denen Remobilisierungs- oder Immobilisierungseffekte sprunghaft zu dominieren beginnen. Das Prozessgeschehen soll zudem modellhaft nachvollzogen werden. Diese Ziele sollen mit Hilfe von (a) Säulenversuchen mit Sedimentkernen, (b) der hydrologischen Manipulation eines Sees und (c) der frühdiagenetischen Modellierung von Stoffumsetzungen erreicht werden. Hierzu ist die Verknüpfung mit mikrobiologischen und hydrologischen Informationen erforderlich. Von dieser Untersuchung sind grundsätzliche Erkenntnisse über die Steuerung biogeochemischer Prozesse in sauren und eisenreichen Sedimenten und über die biogeochemischen Folgen der Interaktion von Grund- und Oberflächenwasser zu erwarten.
Sachbeihilfe der Deutsche Forschungsgemeinschaft innerhalb der Forschergruppe FOR 562 „Auswirkung extremer meteorologischer Ereignisse auf Bodenprozesse“, BL 563/7-3
Projektleitung: Christian Blodau
Mitarbeiter: Cristian Estop
Laufzeit: von 04/2008 bis 12/2011
Klimamodelle sagen eine Zunahme von Sommertrockenheit mit Starkregenereignissen in mittleren und nördlichen Breiten vorher, die das hydrologische Regime von Feuchtgebieten, einem Kohlenstoffspeicher von globaler Bedeutung verändern. Die Auswirkungen von verstärkter Austrocknung und Wiederbefeuchtung, sowie möglicher Vernässung, auf Produktivität, Bodenatmung, Methanemissionen und die Kopplung des Kohlenstoffkreislaufes an Redoxprozesse im Boden ist bislang ungenügend verstanden. Im Projekt wird das hydrologische Regime eines Niedermoores experimentell verändert und die Konsequenzen für die wesentlichen Umsetzungen analysiert die zum Kohlenstoffkreislauf beitragen. Zu diesem Zweck wird die Veränderung in Bodenwassergehalten, -temperaturen und –respiration quantifiziert. Die Verfügbarkeit, Produktion und der Verbrauch von relevanten Elektronenakzeptoren für die Bodenatmung wird bestimmt, da diese die Methanbildungsrate im Boden maßgeblich beeinflussen. Eine Laborstudie dient der Untersuchung der Wirkung einer Bandbreite von Austrocknungsbedingungen auf Respirationsraten. Diese und zuvor gewonnen Datensätze werden genutzt um Auswirkungen auf den Kohlenstoffkreislauf mit dem Ökosystemmodell ECOSYS zu analysieren. Hierbei steht zunächst die kausale Prozessanalyse und schließlich die Simulation von zu erwartenden Veränderungen auf der Zeitskala von Jahrzehnten im Vordergrund.
Sachbeihilfe der Deutsche Forschungsgemeinschaft 896/6-1
Projektleitung: Michael Radke, Christian Blodau
Mitarbeiterin: Sabine Thüns
Laufzeit: von 05/2007 bis 05/2011
Ombrotrophe Moore und Sedimente von Seen sind die am besten geeigneten natürlichen Archive für atmosphärische Deposition. Sediment-Profile werden bereits häufig als Depositions-Archive in der Umweltchemie eingesetzt. Im Gegensatz hierzu beschränkt sich die Nutzung des Moor-Archivs in der Regel auf individuelle Standorte, oder es wird nur eine einzelne Stoffgruppe in den Proben analysiert. Dieses Projekt hat zum Ziel, das volle Potenzial des Moor-Archivs als diagnostisches Instrument der Umweltchemie zu demonstrieren und anzuwenden. Hierzu werden wir mehrere Klassen organischer Schadstoffe (Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe, Polychlorierte Biphenyle, Polybromierte Diphenylether) sowie Spurenmetalle wie Arsen, Chrom und Quecksilber analysieren. Ein großer industrieller Komplex in Ost-Kanada wird hierzu als definiertes Quellgebiet atmosphärischer Kontamination betrachtet, und das räumliche und zeitliche Depositionsmuster wird an Mooren entlang eines 400km-Transekts im Abwind dieses Quellgebiets bestimmt. Die Ergebnisse werden mit Dispersionsmodellierung sowie Rezeptor-orientierten Ansätzen analysiert. Die Depositionsdaten der Schadstoffe werden ferner dazu verwendet, um substanzspezifische Transportparameter, die bislang nur durch Modelle ermittelt wurden, z.B.die charakteristische Transportdistanz, mit experimentellen Daten zu testen.
Sachbeihilfe der Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG BL563/14-1
Projektleitung: Christian Blodau, Jan Fleckenstein
MitarbeiterInnen: Dr. Yangping Xing, Dr. Dimitre D. Dimitrov
Laufzeit: von 06/2007 bis 7/2009
Large areas of peatlands have been exposed to elevated atmospheric N deposition. When sustained chronic inputs of N lead to “nitrogen saturation”, N is lost from the soil, and environmental pollution will inevitably occur. Ombrotrophic, Sphagnum-dominated peatlands are exclusively fed by wet and dry atmospheric deposition and are very sensitive to increased atmospheric N input. It is thus of great scientific interest to examine the changes in N mass balances and cycling induced by anthropogenic N input. Little is currently known about the changes in the fate and mobility of N following chronic N pollution. The proposed project seeks to clarify the pathways of N transformations and N mobility in different pools under different long-term nutrient fertilization and changing plant cover through combined application of 15N as an isotopic tracer and HYDRUS modeling. The mechanisms of N retention by soil and plants will be elucidated and N saturation thresholds will be estimated by empirical analyses and modeling. Results from this study will improve our understanding of the fate of N under increasing N load, thereby enhance our ability to predict the future response of the N balance and cycle in northern peatlands.
Sachbeihilfe der Deutsche Forschungsgemeinschaft innerhalb der Forschergruppe FOR 562 „Auswirkung extremer meteorologischer Ereignisse auf Bodenprozesse“, BL 563/7-2
Projektleitung: Christian Blodau
Mitarbeiter: Klaus-Holger Knorr
Laufzeit: von 04/2005 bis 03/2008
Eine Zunahme der globalen Temperaturen und veränderte Niederschlagsintensitäten und –frequenzen sind prognostiziert worden (IPCC 2001). Aufgrund verstärkter sommerlicher Austrocknung wird es zu Veränderungen der Kohlenstoff-, Schwefel- und Eisendynamik in Feuchtgebieten kommen, die bislang kaum quantifizierbar sind. Forschungsdefizite bestehen hinsichtlich der Kopplung der Elementkreisläufe, der Bedeutung von organischen Elektronenakzeptoren für die Redoxprozesse und der Kinetiken von Oxidations- und Reduktionsprozessen während und nach Austrocknung. Das Teilprojekt hat zum Ziel die Auswirkung von verstärkter Austrocknung und Wiederbefeuchtung auf die gekoppelten Redoxprozesse des Kohlenstoffs, Schwefels und Eisens und die resultierenden Stoff- und Elektronenflüsse zu quantifizieren und zu erklären. In Labor- und Freilandversuchen werden Austrocknungs- und Wiederbefeuchtungszyklen mit unterschiedlicher Intensität gezielt induziert. Aus der Bilanzierung von Stoffflüssen, Inkubationsversuchen und Veränderung der Speziierung von Festphasen werden Umsetzungsraten während der Zyklen errechnet. Mit Hilfe einer detaillierten Quantifizierung der stattfindenden Redoxprozesse werden die Effekte auf Stoffflüsse kausalanalytisch erklärt. Es wird untersucht, inwieweit beobachtete Prozessmuster mit thermodynamischen und kinetischen Modellvorstellungen übereinstimmen.
Sachbeihilfe der Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG BL563/14-1
Projektleiter: Christian Blodau
Mitarbeiter: Markus Bauer
Laufzeit: von 03/2004 bis 03/2007
Arsen stellt aufgrund seiner Toxizität und seines häufigen Auftretens im Grund- und Trinkwasser eine Gesundheitsgefährdung für den Menschen dar. Besondere Bedeutung für die Toxizität und Mobilität von Arsen kommt der reversiblen Redoxtransformation von Arsen(V) zu Arsen(III) bei. Natürliche organische Substanz (NOM) und Eisen(III)oxide stellen wichtige redoxaktive Substanzen dar, die diese Redoxtransformation über chemische Reaktionen kontrollieren können. Während Redoxtransformationen des Arsens unter Einwirkung von Mikroorganismen als gut untersucht gelten, ist die Möglichkeit und Bedeutung der abiotischen Redoxtransformationen unter gleichzeitiger Einwirkung von NOM und Eisenoxiden weitgehend unerforscht. Ziel dieses Forschungsprojektes ist es, die Redoxdynamik des chemischen Systems NOM-Eisenoxid-Arsen und die Bedeutung chemischer Randbedingungen für die Redoxdynamik aufzuklären. Dieses Ziel soll über die Bestimmung von Umsetzungsraten aller beteiligten Stoffe, die Untersuchung ihrer Komplexierungsreaktionen und die kontrollierte Variation der geochemischen Randbedingungen erreicht werden. Das Vorhaben wird damit einen wichtigen Beitrag zur Kenntnis des Verhaltens von Arsen in der Umwelt leisten.
Sachbeihilfe des DLR/BMBF CAN 02/17
Projektleitung: Christian Blodau
Laufzeit: von 11/2002 bis 10/2005
Feuchtgebiete sind wichtige Quellen und Senken im globalen C-Kreislauf. Die C-Mineralisation in Feuchtgebieten wird stark vom Wasserhaushalt kontrolliert, der wiederum klimatisch gesteuert ist. Ziel des Projektes ist es die Wirkung von Störungen (Austrocknung/Wiederbefeuchtung, Temperatur) auf die C-Mineralisation und die Abbauwege organischer Substanz zu beschreiben. Zu diesem Zweck werden Laboruntersuchungen mit Mikrokosmen durchgeführt, die einem Austrocknungs/Wiederbefeuchtungsregimeunterzogen werden. C-Mineralisationsraten, Sulfat- und Eisenreduktion, sowie Methanbildung und Bildung von organischen Intermediaten werden verfolgt. Ein weiterer Untersuchungsschwerpunkt liegt auf der Bedeutung von Huminstoffen als Elektronendonoren und -akzeptoren. Die Laboruntersuchungen werden durch Felduntersuchungen im Moor MerBleue bei Ottawa, das einen AMERIFLUX und FLUXNET Canada Standort ist, ergänzt. Hier stehen Veänderungen der Porenwasser- und Festphasenchemie während Austrocknung und Wiederbefeuchtung, sowie resultierende Flüsse über den Wasserspiegel und die Bodenoberfläche im Vordergrund.