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Abgeschlossene Projekte

AMBER - Assessment and Modelling Baltic Ecosystem Response

BIOACID - Biological Impact of Ocean Acidification

COCOA - Nutrient COcktails in COAstal zones of the Baltic Sea

FONIP - Fixierter Stickstoff im marinen Nahrungsnetz: die Bedeutung Essentieller und nicht-essentieller Aminosäuren

HYPER - HYPoxia mitigation for Baltic Sea Ecosystem Restoration

IAMM - Untersuchung der Interaktion mariner Mikroorganismen während des Wachstums und in der Sterbephase durch die Vernetzung von Experimenten und Modellen auf Genombasis

NiFiM - Stickstofffixierung in der monsunbeeinflussten Flussfahne des Mekong

NIQSI - Identifizierung und Quantifizierung der Nitratquellen der euphotischen Zone der zentralen Ostsee anhand stabiler Stickstoff- und Sauerstoffisotope

N - Senken Ostsee- Quantifizierung der Stickstoffsenken in der Ostsee unter Berücksichtigung von Umweltvariablen

SOPRAN - Surface Ocean Processes in the Anthropocene

TRACES - Ocean- Atmosphere- Land Impacts On Tropical Atlantic Ecosystems

Vietnam - Projekt - Pelagic processes and nitrogen cycle in coastal waters off southern central Vietnam: mesocosm experiments, field work and modelling

Assessment and Modelling Baltic Ecosystem Response (AMBER)

(2009-2012)

Das Ziel von AMBER ist die Implementierung und Anwendung eines „Ecosystem Approach to Management (EAM)“ mit Focus auf das küstennahe Ökosystem der Ostsee. Für ein optimales integriertes Management ist es wichtig, das Küstensystem mit einem holistischen Ansatz zu untersuchen. Das Wechselspiel zwischen dem Einzugsgebiet inklusive des Grundwassers und der offenen Ostsee und wie Klimaänderung und Änderung in der Landnutzung die Zusammensetzung des Flußwassers und die Biogeochemie der Küstenwässer und der Sedimente beeinflussen, ist zentraler Gegenstand der Forschung.

Einer der ersten Schritte von AMBER ist die Trennung von Klimasignalen und anthropogenen Signalen durch eine kombinatorische Variation der Randbedingungen des Modells, wobei der Output von existierenden regionalen Klimamodellen und der Output von Modellen des Einzugsgebietes, die Änderung in der Landnutzung simulieren, zur Verfügung steht. Um ein EAM Konzept erfolgreich zu implementieren, wird die bestmögliche wissenschaftliche Information als Grundlage für integriertes Managementbenötigt. Deshalb sind die Methoden retrospektive Datenanalyse, intensive Modellierung mit verschiedenen Typen von Modellen, sowie ausgewählte Messungen biogeochemischer Transformationsprozesse im Küstengewässer und im Grundwasser. Ein weiteres Ziel ist die Projektion auf das 21. Jahrhundert. Um hier das Problem der Modellunsicherheit zu reduzieren, wird die Ensemblemethode angewandt.

Die wesentlichen Produkte, die aus den wissenschaftlichen Ergebnissen abgeleitet werden können, sind a) eine qualitative Risikoabschätzung für verschiedene Klimaszenarien und unterschiedliche Landnutzung. Hieraus können b) Vermeidungsstrategien und c) ökologische Qualitätsziele (EQO) definiert werden. EQUs sind verknüpft mit Indikatoren und Grenzwerten. Weiterhin sollen kostengünstige Indikatoren entwickelt werden, um Monitoringstrategien zu verbessern und Managemententscheidungen zu vereinfachen.

Kontakt: PD Dr. Maren Voß

BIOACID III: Verbundprojekt: BIOACID Synthese - Biologische Auswirkungen der Ozeanversauerung; Vorhaben: Einfluss der Ozeanversauerung auf pelagische Stickstoffkreisläufe

Aufbauend auf die vorrangehenden Phasen wird BIOACID in Phase 3 mithilfe einer integrierenden Bewertung der Sensitivitäten und Unsicherheiten eine übergreifende Synthese der bisher erlangten Erkenntnisse über die zu erwartenden Auswirkungen der Ozeanversauerung anstellen, mögliche Schwellenwerte identifizieren, sozioökonomische Konsequenzen evaluieren und Handlungsoptionen erarbeiten. Ein wichtiges Element wird dabei die Verbreitung und anschauliche Erklärung der erzielten Erkenntnisse in einfacher und wissenschaftlich akkurater Form an einen breiten Empfängerkreis sein, der sich von der Wissenschaftlergemeinde über Interessensvertreter und Entscheidungsträger bis hin zur allgemeinen Öffentlichkeit erstrecken wird. Durch eine umfassende wissenschaftliche Synthese, verbunden mit einer zielgruppenorientierten Kommunikation der Erkenntnisse, wird BIOACID das Bewusstsein über die Ozeanversauerung stärken und den öffentlichen Diskurs über gesellschaftliche Anpassungen und Handlungsoptionen weiter anregen.

Thema 1 wird Budget Berechnungen, Meta-Analyse und Modellierung kombinieren, um ein fundiertes Verständnis der Auswirkungen von OA in Kombination mit steigenden Temperaturen auf die gesamte Planktongemeinschaft und die Nährstoffflüsse im Pelagial zu erlangen, wobei sich das WP 1.6 auf den Stickstoffkreislauf, insbesondere die Stickstofffixierung, fokusieren wird.

Kontakt: PD Dr. Maren Voß

Bioacid II: Biological impacts of ocean acidification (phase II)
Unterprojekt 1.4: Diazotrophe Stickstofffixierung und Turn- Over des Stickstoff in einer Planktongemeinschaft

(2012-2015)

Dieses Projekt ist ein Folgeprojekt des BMBF geförderten Projektes BIOACID I (1.2.2). Die Aufnahme von Stickstoff unter verschiedenen pCO2 Bedingungen stand im Fokus der ersten Phase. Im Besonderen, der Einfluss des pCO2 auf Wachstum, Produktion und Stöchiometrie der Biomasse wurden untersucht. Es zeigte sich eine signifikanter stimulierender Effekt des pCO2 auf Nodularia spumigena in Laborkulturen, jedoch kein signifikanter Effekt auf Freilandkulturen.

Ziel des BIOACID II Projektes ist es, die Arbeiten der ersten Projektphase zu vervollständigen und zu erweitern. Die Aufnahme von Stickstoffverbindungen durch Primärproduzenten (vor allem Stickstoff fixierender Cyanobakterien) und auch die Abgabe dieser Verbindungen soll in Abhängigkeit von unterschiedlichen Umweltbedingungen, vor allem des CO2 Partialdruckes untersucht werden. Die Bestimmung der Aufnahme durch die gesamte Planktongesellschaft soll mit Hilfe stabiler Isotope und der Messung am Massenspektrometer erfolgen. Verschiedene Stickstoffverbindungen, 15N2 Gas, 15N-Aminosäuren) n sollen genutzt werden, um viele Aspekte des Stickstoff Kreislaufes abzudecken. Die zellspezifische Aufnahme sollen durch die Messung am NanoSIMS des IOWs ermittelt werden. Hierbei kann aufgeklärt werden, ob es einige Genotypen gibt, die effizienter reagieren. Zusätzlich soll der zeitabhängige Transfer des Stickstoffs zur bakteriellen Fraktion untersucht werden. Ein weiterer Parameter, der im BIOACID Projekt I noch nicht untersucht wurde, ist die Toxinproduktion durch Cyanobakterien. Mittels HPLC und ELISA sollen die Gehalte an Nodularin und Microcystin bestimmt werden und überprüft werden, ob sich hier ein Zusammenhang zum pCO2 ergibt.
Dieses Unterprojekt wird sich an zwei größeren Mesokosmos Experimenten des gesamten Konsortiums 1 beteiligen (Pelagische Ökosysteme unter Ozenaversauerung, ökologische, biogeochmeische und evolutionäre Aspekte). KOSMOS I (Kiel Offshore Mesocosms for Future Ocean Simulation) wird 2012 im Gullmar Fjord in der Nähe von Kristineberg, Sweden stattfinden, KOSMOS II 2014 vor Gran Canaria.

Folgende Hypothesen sollen überprüft werden:

  • Gilt die Theorie der Herunterregulation der CCMs (Kohlenstoff Konzentrations Mechanismen) und erklärt sie eventuell erhöhte Primärproduktions und Stickstofffixierungsraten ?
  • Ist die Rate des Stickstoff Turn-Overs, sowie die Stöchiometrie der neu gebildeten Biomasse abhängig vom pCO2 ?
  • Können Abhängigkeiten zwischen Umweltbedingungen und der Toxizität der Cyanobakterien gefunden werden ?
  • Reagiert die Cyanobakteriengemeinschaft der Ostsee sensitiv auf Ozeanversauerung ?

Kontakt: PD Dr. Maren Voß

Biological Impact of Ocean Acidification (BIOACID)
Teilprojekt 1.2 Umsatz organischen Materials

(2009-2012)

Zahlen und Fakten

BIOACID beschäftigt sich mit den Auswirkungen der Ozeanversauerung auf Lebensgemeinschaften im Meer, genauer mit den Effekten der Ozeanversauerung auf die Kalkbildung, das Wachstum und die Entwicklung von Meeresorganismen. An dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für die nächsten drei Jahre mit 8,5 Millionen Euro finanzierten Projekt sind insgesamt 14 Forschungsinstitute und Universitäten aus ganz Deutschland beteiligt. Die Projektleitung der 5 Teilprojekte liegt beim Leibniz-Institut für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR) in Kiel. Am Institut für Ostseeforschung sind im Rahmen dieses Projektes 3 Doktoranden und ein PostDoc angestellt. Im Zuge dieses Projektes soll ein Richtwert für politische Entscheidungsträger ermittelt werden, unter welchen die Ozeanversauerung nicht sinken sollte.

Hintergrund

Seit dem Beginn der Industrialisierung im 19. Jahrhundert stieg der CO2 Partialdruck in der Atmosphäre von 280 ppm auf 380 ppm (211%). Jährlich wird ungefähr ein Drittel dieses, aus der Verbrennung fossiler Energieträger freiwerdenden, Kohlendioxids (CO2) in den Weltmeeren gelöst. Infolgedessen bildet sich Kohlensäure und die Konzentration von Karbonaten nimmt ab. Der pH-Wert verschiebt sich in den sauren Bereich. Dies ist auch schon messbar. Seit 1980 sank der pH Wert um 0.06 Einheiten und Zukunftsprognosen gehen von einer weiteren Senkung um 0.4 das bedeutet eine pH Wert Verschiebung von heute 8.14 auf 7.7 (oder Senkung um 6%), wenn der Status quo beibehalten bleibt (Bild 1).

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Diese Zahl klingt zunächst nicht weiter dramatisch, wenn man bedenkt, dass die Organismen an bestimmte pH Werte angepasst sind und nur bis zu einem bestimmten pH Wert vorkommen. Besonders alarmierend ist, dass sich vor allem Organismen mit Kalkskeletten oder Schalen im wahrsten Sinne des Wortes auflösen, da sie ihr Skelett auf Grund der Wasserchemie nicht mehr aufbauen können. Der Rückgang der tropischen Korallen ist schon deutlich sichtbar. Die Ozeanversauerung führt im groben gesehen zu einer Art Domino Effekt. Kalkbildner gehen zurück. Kleine Primärproduzenten werden gefördert, die organische Produktion ändert sich qualitativ und quantitativ. Das geht einher mit einer Verschiebung der Biodiversität. Diese Änderungen auf der Basis der Nahrungskette setzen sich im Nahrungsnetz fort, von den Bakterien bis hin zu höheren Ebeneren.
Das höhere Angebot an Kohlenstoff beeinflusst wiederum die Produktivität der Primärproduzenten, die in den Sommermonaten vor allem von Stickstoff (N2) fixierenden Cyanobakterien dominiert werden, was sich als Konsequenz auf die anderen trophischen Ebenen auswirkt. Dieses Zusammenspiel aus Ozeanversauerung, Kohlenstoffangebot, Primärproduktion, N2 - Fixierung, und Kopplung der einzelnen trophischen Ebenen soll in Mikrokosmen und Mesokosmen Versuchen im Teilprojekt 1.2 untersucht werden. Die übergeordnete Fragestellung ist: Welche Konsequenzen hat die Ozeanversauerung auf die Produktivität der einzelnen Ebenen (Primärproduzenten, Bakterien), den Umsatz und Abbau organischen Materials? Als Hypothese wird prognostiziert, dass die Primärproduktion und N2 - Fixierung durch Cyanobakterien unter erhöhten CO2 Partialdrücken steigen. Dies verändert die C:N:P Stöchiometrie der Algen zum Einen und deren Exsudate (organisches Material, DOM und TEP) zum anderen. Diese Quantitativen und Qualitativen Unterscheide wirken sich wiederum auf den bakteriellen Abbau organischen Materials aus, was mit einer Verschiebung der Zusammensetzung der bakteriellen Gemeinschaft einhergeht (Bild 2).

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Kontakt: PD Dr. Maren Voß

Dana Hellemanns (PhD student Uni Helsinki) BLOG - Erfahren Sie hier mehr über die Arbeit im COCOA-Projekt

Nutrient COcktails in COAstal zones of the Baltic Sea

WP 2 - Microbial transformation processes

(2013-2017)

The overall strategy of COCOA is to obtain detailed information on nutrient and organic matter cycling from a few well-selected and well-studied learning sites supplemented with new measurements. We will use this information to extrapolate to all coastal sites in order to assess the different management options for the coastal zone as well as the open Baltic Sea through an improved description of coastal nutrient retention. The learning sites have been chosen to represent four specific types of coastal ecosystems for the Baltic Sea (river-dominated estuaries, lagoons, embayments with restricted water exchange, and archipelagos). The learning sites have been selected because 1) they are believed to be representative of the given coastal type, 2) an extensive monitoring program is already in place and long-term monitoring data sets are available, 3) they have been studied previously and research data are available, and 4) field sampling can be carried out more frequently and at a lower cost, since the sites are close to partner institutions.

The work in COCOA is organised around seven scientific work packages (WP1-7) with links as shown in Fig. 3 and one WP for the management of the consortium (WP8). Details of the work to be carried out are given in the WP descriptions below.

Figure 3: The general flow of information between WPs in COCOA. Field-sampling WPs are in blue, modelling WPs are in orange and WP7 addresses the potential application of the results for managing coastal as well as open waters of the Baltic Sea.

Kontakt: Dr. Maren Voß

FONIP

Fixierter Stickstoff im marinen Nahrungsnetz: die Bedeutung Essentieller und nicht-essentieller Aminosäuren
(2008 - 2011)
Welche Qualität hat Stickstoff für das marine Ökosystem, nachdem er von Cyanobakterien fixiert und in bioverfügbare Moleküle, wie z.B. Aminosäuren, umgewandelt wurde? Jährlich werden 110 Tg Stickstoff über den Prozess der Stickstofffixierung durch Cyanobakterien in  den globalen Ozean eingetragen (Gruber und Sarmiento 1997, Capone 2001). Je nachdem auf welchem Weg und in welcher Form der fixierte Stickstoff in das Nahrungsgefüge gelangt, kann er entweder autotrophes und heterotrophes Wachstum fördern und so einen  Kohlen-stoffexport aus der Euphotischen Zone bedingen, oder zur Bakterienproduktion und Respiration in dieser beisteuern (Fig. 1, Mulholland 2007). Eine molekülspezifische Isotopenanalyse (engl. Compound Specific Isotope Analysis) ermöglicht die qualitative und quantitative Verfolgung des „end-to-end“ Transfers von 15N markiertem N2 in die Aminosäuren der Cyanobakterien und weiter in die essentiellen und nicht-essentiellen Aminosäuren ihrer Grazer mittels Gaschromatography-Combustion-Isotope Ratio Mass Spectrometry (GC-C-IRMS).
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Fig. 1: Wege des Stickstoffs in das heterotrophe Nahrungsgefüge. Im FONIP-Projekt wird die Primäre Aufnahme von Cyanobakterien durch Heterotrophe wie z.B. Copepoden untersucht.

Neben Feldexperimenten werden kontrollierte Laboruntersuchungen mit ökologisch relevanten Arten wie der Cyanobakterienart Nodularia spumigena und der Copepodenart Eurytemora affinis durchgeführt. Zum ersten Mal kann mit dieser Methode der Transfer neu gebildeter Aminosäuren aus den Cyanobakterien in die Grazer quantifiziert und gleichzeitig die Qualität des fixierten Stickstoffs für das Zooplankton bestimmt werden. Die Qualitätsbestimmung des fixierten Stickstoffs sowie die Quantifizierung seiner Eintragswege in das marine Ökosystem sind wichtige Vorraussetzungen, um die Auswirkungen zunehmender oder abnehmender Cyanobakterienbestände im Zuge globaler Klimaveränderungen, wie z.B. der Ozeanansäuerung, abschätzen zu können.

Kontakt: Dr. Natalie Loick - Wilde

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Ziel ist es, die Ursachen und Auswirkungen der zunehmenden Sauerstoffarmut (Hypoxie) der auf das Ökosystem Ostsee zu ermitteln, um Konzepte für eventuelle Gegenmaßnahmen zu entwickeln. Diese Dissertation wird HYPER mit der Quantifizierung von Stickstoffverlusten durch mikrobielle Prozesse in der Redoxkline unterstützen.
Durch die spezielle Topographie der Ostsee, die sich durch einzelne, nur über schmale Übergänge verbundene Becken auszeichnet und durch die stark ausgeprägte Halokline, die den Stoffaustausch des Oberflächenwassers mit dem Tiefenwasser verhindert, kommt es in den tiefen Becken der Ostsee zu Sauerstoffmangel. Durch anthropogenen Eintrag und Resuspension aus dem Sediment vorhandene Nährstoffe fördern die Primärproduktion, deren Oxidation mehr Sauerstoff verbraucht, als im Tiefenwasser vorhanden ist. In der Ostsee wurde ein Zusammenhang zwischen Eutrophierung und Sauerstoffmangel zuerst von Larsson et al. 1985 erkannt. Ein wichtiger Teil des Stickstoffumsatzes findet an der Grenzfläche von oxischen zu anoxischen Wasserschichten (Redoxkline) statt, da Sauerstoff ein regulierender Faktor für viele Umsatzprozesse der Stickstoffverbindungen ist. Diese Arbeit konzentriert sich daher auf diesen Grenzbereich und die Prozesse, die in diesem Wasserkörper ablaufen. Es soll versucht werden über die isotopische Fraktionierung von Stickstoff und Sauerstoff im Nitrat und Ammonium die Prozesse in der Redoxkline zu identifizieren und zu quantifizieren. Eine zentrale Rolle wird dabei die chemolithoautotrophe Denitrifikation spielen, deren Einfluss auf die Isotopenzusammensetzung des Nitrats im Laborexperiment untersucht werden soll.

Kontakt: Dr. Maren Voß

IAMM - Untersuchung der Interaktion mariner Mikroorganismen während des Wachstums und in der Sterbephase durch die Vernetzung von Experimenten und Modellen auf Genombasis

(Human Frontier Science Program 2016-2019)

Die Ozeane sind reich an Mikroorganismen. Diese beeinflussen die Biogeochemie, das Klima und die menschliche Gesundheit. Omic-Methoden erlauben es Wissenschaftlern zu identifizieren, welche Organismen vorhanden sind und welches genetische Potential diese mitbringen. Aber zu verstehen,  wie diese Organismen in der Natur interagieren und auf welche Weise sie biogeochemische Prozesse beeinflussen ist noch  eine Herausforderung. Ein wichtiger erster Baustein dieses Puzzles, sozusagen einer der kleinsten Teile davon, ist die Interaktion von Zellen, die unter der Nutzung von Sonnenlicht Kohlenstoff fixieren (Phytoplakton) mit anderen Mikroorganismen, die ihr Wachstum auf organische Kohlenstoffkomponenten gründen (Heterotophe). Die Vielfalt der Mikroorganismen und die Fülle ihrer metabolischen Prozesse macht es unmöglich mit traditionellen Verfahren vorauszusagen, wie ein Organismenpaar interagiert. In diesem Projekt wird diese Fragestellung durch die Kombination von Modellierung auf Genomebene und Laborexperimenten angegangen um aufzuzeigen wie die Gene die Interaktion der Zellen diktieren.

Kontakt: Dr. Maren Voß, Dr. Angela Vogts

NiFiM - Stickstofffixierung in der monsunbeeinflussten Flussfahne des Mekong

(2016 - 2018)

Das Südchinesische Meer ist das größte Randmeer der Erde und ausschließlich von stark besiedelten Ländern wie China, Indonesien, Philippinen oder Vietnam umgeben. Klimaänderung und menschliche Einflüsse im Einzugsgebiet des Mekong (18 geplante Stauseen zu Stromgewinnung und Intensivierung der Aquakultur) werden die Flusseinträge drastisch verändern und in der Folge die Biogeochemie der Küstengewässer. Die Geschwindigkeit und Größenordnung dieser Veränderungen lassen es wahrscheinlich erscheinen, dass das hier geplante Feldprogramm eine der wenigen Gelegenheiten sein wird, dieses Meeresgebiet zu erfassen, bevor es sich grundlegend verändert hat. Die gegenwärtige Rolle der Nährstoffeinträge des Mekong für die Produktivität des Südchinesischen Meeres soll im Vergleich zu den Nährstoffeinträgen durch den Auftrieb während des SW Monsuns untersucht werden. Ergebnisse früherer Arbeiten von uns lassen vermuten, dass die Stickstofffixierung von Cyanobakterien, die in Symbiose mit Diatomeen vorkommen, eine zentrale Rolle spielt. Zudem gibt es einzellige und koloniebildende N-Fixierer wie Trichodesmium in der Flussfahne. Die Interaktion von stickstofffixierenden Organismen, die von den Einträgen des Mekong abzuhängen scheinen, ist bislang nicht verstanden und steht im Fokus dieses Projektes. Die Nährstoffzusammensetzung in Wasser und die Aufnahme von markierten Kohlenstoff und Stickstoffverbindungen wird in der Flussfahne und im Auftriebsgebiet quantifiziert. Zudem wird auf Zellebene der Austausch von Stickstoff und Kohlenstoff zwischen Diatomeen und ihren stickstofffixierenden Symbionten mittels NanoSIMS analysiert. Zeitgleich wird die Gemeinschaft der Stickstofffixierer entlang der Flussfahne und im offenen südchinesichen Meer von amerikanischen und vietnamesischen Kollegen durch genomische, molekularbiologische und taxonomische Methoden erfasst. In der Synthesephase des Projektes soll durch die Zusammenführung aller Ergebnisse ein tiefgreifendes Verständnis des menschlichen Einflusses auf die Biogeochemie des Küstenmeeres vor Vietnam erreicht werden.

Zwei Expeditionen in das Gebiet des Mekongausstroms sind bereits durch einen genehmigten Antrag des „Schmidts Oceanographic Institute“ aus den USA abgesichert, so dass Probennahmen und Experimente an Board geplant werden können. Aufgrund des früheren, sehr erfolgreichen DFG finanzierten Vorhabens bestehen enge Kontakte zum „Institute of Oceanography“ in Nha Trang, Vietnam, auf die hier aufgebaut wird.

tl_files/staff/liskow/ocean-clip-art-ncX6dKecB.jpegFolgen Sie 3 Mitgliedern unserer AG im NIFIM Projekt auf Forschungsfahrt mit R/V Falkor ins Südchinesische Meer
A Changing River: Measuring Nutrient fluxes to the South China Sea - LEG1 (03.06.-17.06.2016)

Kontakt: Dr. Maren Voß

NIQSI-Identifizierung und Quantifizierung der Nitratquellen der euphotischen Zone der zentralen Ostsee anhand stabiler Stickstoff- und Sauerstoffisotope (N-Quellen Zentrale Ostsee)

(2009 - 2012)

Die Nitratquellen der zentralen Ostsee werden mit Hilfe der stabilen Stickstoff- und Sauerstoffisotope identifiziert und quantifiziert. Die Ostsee wird durch ihr viermal größeres Einzugsgebiet und die menschlichen Aktivitäten darin beeinflusst. Stickstoff- und Phosphateinträge durch Flüsse, Punktquellen und Niederschläge verursachen die Eutrophierung der Ostsee die letztendlich zu anoxischen Bereichen im Bodenwasser führt. Ein weiterer Eintrag ergibt sich durch die Stickstoff-Fixierung von Cyanobakterien in der euphotischen Schicht. Nitratquellen sind damit mehr oder weniger bekannt. Dennoch gibt es Unsicherheiten bei der Quantifizierung dieser Quellen und bei der Abschätzung ihrer Bedeutung für die Primärproduktion in der zentralen Ostsee. Im Rahmen dieses Projektes wird daher in dieser Region erstmals die „Denitrifizierer“ Methode, die die Messung sowohl der Stickstoff- als auch der Sauerstoffisotope im Nitrat ermöglicht, angewandt. Die Nitrat Isotopensignatur ermöglicht, zwischen den verschiedenen Nitratquellen zu unterscheiden und Prozesse, die die Nitratkonzentration beeinflussen, zu erkennen. Die Signaturen der potentiellen Quellen (vorhandener Nitratvorrat, atmosphärische Einträge und ebenso erstmals der Vorrat des gelösten organischen Stickstoffs) werden analysiert. Zusätzlich werden Experimente durchgeführt, um die relative Bedeutung der verschiedenen Stickstoffformen für die Primärproduktion zu bestimmen. Ein Nitratbudget für die zentrale Ostsee soll erstellt werden.

Kontakt: PD Dr. Maren Voß

N - Senken Ostsee

"Quantifizierung der Stickstoffsenken in der Ostsee unter Berücksichtigung von Umweltvariablen"

(2007 - 2009)

Die Ostsee ist das größte Brackwassergewässer der Erde und durch ihre Lage sowie den vorherrschenden hydrographischen Bedingungen besonders empfindlich für Nährstoffeinträge. Während die Stickstoffquellen relativ gut bekannt sind, und man davon ausgehen kann, dass in den zentralen Becken der Stickstoff überwiegend über die biologische Stickstofffixierung und die Niederschläge und kaum durch die Flüsse eingebracht wird, sind die Stickstoffsenken, wie z.B. die Denitrifikation oder die anaerobe Ammonium Oxidation (Anammox; Abb. 1), aufgrund mangelnder Daten, immer noch ungewiss. Die mikrobiellen Umsätze in Wassersäule und Sediment sind vielfältig und ihre Kopplung und Interaktion nur unzureichend verstanden.
Das DFG-Projekt "N-Senken Ostsee" befasst sich mit der Quantifizierung dieser Verluste von reaktivem Stickstoff. Hierzu werden mittels der Isotope-Pairing-Methode die Raten von Denitrifikation und Anammox in verschiedenen Sedimenttypen (Schlick, Silt, Sand) sowie der Wassersäule in der zentralen Ostsee gemessen. Die Messungen finden zu verschiedenen Jahreszeiten statt und durch zusätzliche Messungen von Nährstoff- und Sauerstoffprofilen in Wassersäule und Sediment sowie weiterer Sedimentparameter sollen Aussagen über beeinflussende Umweltvariablen ermöglicht werden.
Mithilfe von Sedimentverteilungskarten soll versucht werden, die ermittelten Raten auf das Gebiet der gesamten Ostsee hochzurechnen.

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Abb.1: Vereinfachter Stickstoffkreislauf mit den wichtigsten mikrobiellen Umsetzungen der Denitrifikation (blaue Pfeile), Nitrifikation (rote Pfeile) und anaeroben Ammonium Oxidation (schwarze Pfeile) (verändert nach Jetten [2001] und [Altabet, 2001]).

Kontakt: Dr. Maren Voß

Surface Ocean Processes in the Anthropocene

Logo Sopran

Surface Ocean Processes in the Anthropocene , BMBF (2007 - 2010)
Teilprojekt 2: Effekte hoher Kohlendioxid-Gehalte des Anthropozäns auf marine Ökosysteme und den Gasfluss zwischen Ozean und Atmosphäre

Die Zusammensetzung der Erdatmosphäre bestimmt im Wesentlichen das Klima und die Lebensbedingungen auf unserem Planeten. Sie wird ihrerseits geprägt durch physikalische und biogeochemische Prozesse an Land sowie im Ozean. Menschliche Aktivitäten verändern die atmosphärische Zusammensetzung in zunehmendem Maße, mit der Konsequenz, dass es auch im Wechselspiel zwischen Klimasystem und biogeochemischen Stoffkreisläufen zu Veränderungen kommt. Dies wiederum wirkt zurück auf die Atmosphäre, das Klima und die Ökosysteme. SOPRAN (Surface Ocean Processes in the ANthropocene) hat zum Ziel, insbesondere drei Bereiche dieser Wechselbeziehung besser zu verstehen:

  • Wie wirken sich Änderungen der atmosphärischen Zusammensetzung (z.B. steigende CO2 Werte, veränderter Staubtransport) auf die Ökosysteme im Oberflächenozean und die von ihnen getriebenen Stoffkreisläufe aus ?
  • Wie beeinflussen klimatisch bedingte Änderungen ozeanischer Prozesse die Freisetzung klimatisch relevanter Gase in die Atmosphäre ?
  • Welche Mechanismen bestimmen den Stoffaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre und was sind deren Raten ?

Das Hauptaugenmerk von SOPRAN liegt auf Prozessen in der ozeanischen Deckschicht und deren mögliche Änderung im Verlauf des nächsten Jahrhunderts. Das Verbundprojekt kombiniert Meeres- und Atmosphärenchemie, biologische und physikalische Ozeanographie mit numerischer Modellierung über einen weiten Bereich von Raum- und Zeitskalen um die Reaktion des Ozeans auf globalen Wandel zu untersuchen. Es verbindet technologische Entwicklungen und den Einsatz neuer frei treibender Mesokosmen zur Untersuchung der Konsequenzen von Ozeanwandel auf marine Ökosysteme mit der Erweiterung physikalischer Modelle zur Simulation von Schlüsselprozessen im Oberflächenozean und der Nutzung neuer Langzeitmessstationen für Atmosphäre und Ozean auf den Kapverdischen Inseln (in Zusammenarbeit mit europäischen und Kapverdischen Partnern). SOPRAN wird ein besseres Verständnis der Rolle des Ozeans im Klimasystem und eine verbesserte Beschreibung der Effekte des globalen Wandels auf empfindliche Meeresökosysteme liefern.
Darüber hinaus wird das Projekt aufbauend auf die vorhandene Infrastruktur und fachliche Kompetenz in Deutschland, einen wesentlichen und weithin sichtbaren Beitrag zum internationalen SOLAS Programm liefern die wissenschaftliche Basis für gesellschaftspolitische Bewertungen stärken, Grundlagen für die Einschätzung von zukünftigen Veränderungen im Kohlenstoffkreislauf schaffen sowie Beiträge zum IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) Report und dem Ozone Assessment der WMO (World Meteorological Organization) liefern.
Das Projekt verbindet 42 Forscher von 12 Partnerinstituten aus allen Teilen Deutschlands, die in 23 Teilprojekten kooperieren. Die Teilprojekte sind 4 Themen zugeordnet:

  • der Einfluss von atmosphärischem Staubeintrag auf den Ozean
  • der Effekt steigender CO2 Werte auf marine Ökosysteme und den Gasaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre
  • Produktion und Emission klimarelevanter und reaktiver Gases im tropischen Ozean
  • Austauschprozesse an der Grenzschicht Ozean-Atmosphäre.
  • Im Mittelpunkt des Verbundprojektes stehen dabei Feldstudien in der Ostsee sowie im tropischen östlichen Nord-Atlantik. Die inhaltliche und logistische Vernetzung von SOPRAN wird durch Themen übergreifende Aktivitäten zusätzlich gestärkt.

Kontakt: Dr. Maren Voß

TRACES Ocean- Atmosphere- Land Impacts On Tropical Atlantic Ecosystems

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WGL-Netzwerk: "TRACES Ocean- Atmosphere- Land Impacts On Tropical Atlantic Ecosystems", funded by the Leibniz Institutes (2006-2008)

WGL Netzwerk mit den teilnehmenden Instituten:

  • IfM-GEOMAR, Leibniz Institut für Meereswissenschaften, Kiel
  • PIK Potsdam Institut für Klimafolgeforschung
  • IOW Leibniz Institut für Ostseeforschung Warnemuende
  • IfT Leibniz Institut für Troposphärenforschung Leipzig

TRACES ist ein gemeinsames Forschungsprojekt, das wichtige Wechselwirkungen im Bereich des tropischen Atlantiks (eine für globale Veränderungen kritische Region) untersucht. Das Forschungsthema befasst sich mit dem Stoffaustausch (insbesondere Kohlenstoff- und Stickstoffflüsse) zwischen Land-Ozean- Atmosphäre und untersucht die Auswirkungen dieser Flüsse auf das Ökosystem des tropischen Atlantiks. Die tropischen Regionen des Ozeans sind von besonderer Bedeutung für den globalen Stickstoffhaushalt, da die weit verbreitete Stickstofffixierung durch den Eintrag von Eisen und Phosphor aus terrestrischen Quellen (Staub, Flussfracht) gefördert wird. Die Arbeiten gliedern sich in folgende Bereiche:

  • Thema 1: Kohlenstoffflüsse in Amazonien.
    Einfluss der Klimavariabilität und und terestrische CO2 Emissionen auf den Kohlenstoffhaushalt
  • Thema 2: Transport und Umwandlungsprozesse in der Atmosphäre des tropischen Atlantiks.
    Staubtransport und Klima Photochemie des troposphärischen Aerosols und der Ozeangrenzschicht
  • Thema 3: Abiotische Einflüsse auf das Ökosystem des Ozeans
    Kontrolle der Stickstofffixierung durch externe Einträge von Spurenmetallen und Makronährstoffen
    Transfer des fixierten Stickstoffs in der Nahrungskette

Kontakt: Dr. Maren Voß

Pelagic processes and nitrogen cycle in coastal waters off southern central Vietnam: mesocosm experiments, field work and modelling

Logo Vietnam

Das DFG - Projekt "Pelagic processes and nitrogen cycle in coastal waters off southern central Vietnam" ist Teil einer meereswissenschaftlichen Kooperation vietnamesischer und deutscher Forschungsinstitute. Unsere Arbeiten konzentrieren sich auf den pelagischen Stickstoffkreislauf im Auftriebsgebiet vor der südvietnamesischen Küste. Dabei interessierte uns in der ersten Projektphase zunächst die saisonal und regional variierende Bedeutung von Stickstoff aus unterschiedlichen Quellen (Auftriebswasser, Einträge durch den Mekong, sowie biologische Stickstofffixierung) für die photosynthetische Primärproduktion und der Transfer dieses Stickstoffs in die Biomasse der höheren trophischen Ebenen des Nahrungsnetzes. Gemeinsam mit Kollegen unseres Partnerinstitutes vor Ort, dem Institut für Ozeanographie in Nha Trang (ION), wurden seit 2003 auf mehreren Ausfahrten mit Forschungsschiffen planktologische und biogeochemische Untersuchungen durchgeführt. Weitere wichtige Kooperationspartner waren die Kollegen aus der physikalischen Ozeanographie der Universität Hamburg und des ION.

Mit einem modifizierten Forschungsansatz wird das Kooperationsprojekt nun bis 2008 fortgeführt. Im Gegensatz zur ersten Projektphase stehen nicht mehr Ausfahrten mit Forschungsschiffen auf dem Programm, sondern Mesokosmenexperimente an Land, in denen die Szenarien Auftrieb und Flusseintrag simuliert werden. Dazu werden die verschiedenen Wassertypen (Mekongwasser, Auftriebswasser, oligotrophes Meerwasser) in großvolumigen Tanks (600-1000 Liter) gemischt und inkubiert. Auf diese Weise soll genauer aufgeklärt werden, wie sich während dieser Mischungsvorgänge der Beitrag unterschiedlicher funktioneller Gruppen der Phytoplanktongemeinschaft (stickstofffixierende Organismen und andere) an der Primärproduktion ändert und welche Auswirkungen dies auf die Stickstoff- und Kohlenstoffzyklen im Auftriebsgebiet hat. Solche Experimente ermöglichen es, unter anderem Raten der Photosynthese und der Stickstoffaufnahme sowie Sukzessionsvorgänge im Plankton genauer zu verfolgen. Die Mesokosmenexperimente bilden die Basis für ein Ökosystemmodell der Schlüsselvorgänge im pelagischen Stickstoffkreislaufs des Untersuchungsgebietes. Ergebnisse des Modells sollen mit Felddaten verglichen werden und in Zirkulationsmodelle implementiert werden. Feldstudien mit kleineren Schiffen im Auftriebsgebiet und im Bereich der Flussfahne dienen zur Bestimmung der in situ Bedingungen und zur Beschaffung des Wassers für die Experimente.

Folgende Leithypothesen wurden zu Beginn der zweiten Projektphase aufgestellt:

  • Nährstoffkonzentrationen und N:P-Verhältnisse im Auftriebswasser steuern die Höhe der Produktion und die Selektion von Phytoplanktonarten im Auftriebsgebiet vor Vietnam.
  • Einträge von Nährstoffen und gelöstem organischem Material durch den Mekong und durch andere Flüsse beeinflussen zusätzlich Produktion und Selektion.
  • Ein Modell des Stickstoffkreislaufs kann die Hauptsteuerfaktoren der Produktion und der Selektion identifizieren.

Kontakt: Dr. Maren Voß