The key objective of this project is to quantify the impact of tree water use of distinct deep soil water for tree health and forest stability for key forest species in Europe. To achieve this, we will characterize the spatiotemporal behavior of the different water pools in the unsaturated zone in dependence to precipitation input and groundwater table depth, the spatiotemporal connectivity between trees and these pools and phenological and physiological drought responses of trees along topographic gradients in the field.
Our central hypothesis is that particularly connectivity to the capillary zone is a critical component of drought tolerance. However, its impact for tree health will vary among species (water use strategies, degree of isohydricity) and across sites (climatic conditions and geomorphological gradients).
Projektbeteiligte: Dr. Matthias Beyer, Dr. Maren Dubbert (Leibniz Institute for Agricultural Landscape Research, ZALF, Müncheberg)
Das Projekt BiFoQueck (gefördert von der Bundesanstalt für Gewässerkunde; Teil des größeren Forschungsprojektes Quiss) beschäftigt sich mit der Untersuchung der Fraktionierung, Speziierung, Umwandlungsprozesse und Mobilität von Quecksilber in Sedimenten und Schwebstoffen deutscher Fließgewässer.
Einer der Hauptgründe für die flächendeckend negative Einstufung des chemischen Zustands deutscher Fließgewässer als „nicht gut" ist die Überschreitung der EU-Umweltqualitätsnorm für Quecksilber (Hg) in Biota. Der biogeochemische Hg-Kreislauf in Fließgewässern ist jedoch nur unzureichend verstanden (z.B. Quellen, Senken, Remobilisierung, Einfluss von Mikroorganismen). Ziel des Projektes ist es, handlungsfähiger bei der Bearbeitung aktuell dringlicher Fragestellungen zu Quecksilber in Bundeswasserstraßen zu werden. Auf internationalem Niveau vorhandene Wissenslücken zur Hg-Speziierung in Sedimenten und Schwebstoffen sollen geschlossen werden. Die Ergebnisse sollen dazu beitragen mögliche Einflüsse von Unterhaltungsmaßnahmen auf den biogeochemischen Hg-Kreislauf besser zu verstehen, und letztlich die Entwicklung verbesserter Managementvorschläge und Handlungsanweisungen vorantreiben.
The main goal of this research is to investigate the arsenic (As) and mercury (Hg) contamination of groundwater caused by oil and gas production wastewaters in the Niger delta, as well as the processes which control source, transport and fate. In order to achieve this, field and laboratory studies will be carried out and this will enable us to predict the possibility of elevated As and Hg concentrations in groundwater extracted from oil and gas contaminated regions worldwide.
The research is driven by four hypotheses:
While this study is based on only Nigerian locations, its results will be transferable worldwide to assess the potential of As and Hg occurrence in groundwater of regions related to oil and gas production.
Projektbeteiligte: Prof. Dr. Harald Biester, Prof. Dr. Thomas Pichler (Universität Bremen)
The general objective of this project is to establish a functional, quantitative method for assessing Hg0 concentrations in the gas phase and, by proxy, Hg0 outgassing from aquifers, soils, and peatlands using MerPAS (Hg0 passive air sampler, developed by David McLagan and researchers at the University of Toronto) deployed in groundwater wells and in buried sampling containers in soils and peat, respectively.
While the majority of human and environmental health issues from Hg are related to the highly toxic methyl-Hg (MeHg), the oxidation state, specific compound distribution, and reaction mechanisms in different environmental media as well as the long-range transport potential of these different compounds of Hg are fundamental in controlling the production and distribution of MeHg in the environment.
The primary purpose of EMOSGROW is to develop and implement a quantitative method to monitor gaseous Hg0 concentrations in subterranean compartments via subsurface deployments of the versatile MerPAS and use these data generate estimates of Hg0 outgassing and Hg2+ reduction potential across three spatial dimensions. These data will be complimented by above ground MerPAS measurements of Hg0 concentrations and combined will improve the determination of Hg0 fluxes from and within soil-groundwater systems. Understanding these fluxes has relevance from a human and environmental health perspective due to the potential for the emitted Hg0 to undergo long-range transport, deposition, methylation to highly toxic MeHg, and be taken up aquatic food webs.
Projektbeteiligte: Dr. David McLagan, Prof. Dr. Harald Biester, Dr. Caiyan Feng
Aufgrund seiner hohen Toxizität ist Quecksilber (Hg) immer noch ein großes Umweltproblem. Die Mobilität und Bioverfügbarkeit von Hg wird maßgeblich durch die chemisch-physikalischen Eigenschaften verschiedener Hg-Spezies (z.B. Hg(II)Cl2, Hg(0), HgS) bestimmt. Die Verteilung stabiler Hg-Isotope wird dabei in einem messbaren Ausmaß durch Speziestransformationsprozesse (z.B. Reduktion/Oxidation, Sorption, Fällung und Verflüchtigung) verändert, womit die Bestimmung des Hg-Umweltverhaltens durch Hg-Isotopenverhältnisse ein neues analytisches Werkzeug bietet. Verschiedene Spezies-Umwandlungsprozesse resultieren dabei in unterschiedlichen massenabhängigen und massenunabhängigen „Fraktionierungs-Signaturen“, die zum einen ein weiterreichendes Verständnis, zum anderen eine Quantifizierung der verschiedenen biogeochemischen Kontrollfaktoren ermöglichen.
Zur Untersuchung der Isotopenfraktionierung durch Speziestransformationsprozesse in Boden-Grundwassersystemen wurden als „natürliche Labore“ zwei Standorte ausgewählt, die durch die Anwendung von hochgiftigem HgCl2 zur Holzimprägnierung stark kontaminiert wurden und somit nur eine einzige Hg-Kontaminationsquelle aufweisen. Vorstudien belegen bereits das Auftreten verschiedener Speziestransformationsprozesse im Boden und Grundwasser und einer damit verbundenen Variation der Hg-Isotopie. Wir postulieren, dass die Hg-Isotopensignaturen im Boden und Grundwasser Hg-Speziestransformationsprozesse abbilden und somit eine Bestimmung dieser Prozesse an Fest-/Flüssigphasengrenzen sowie zwischen verschiedenen Hg-Festphasen-Pools möglich ist.
Neben der Untersuchung umfangreicher Grundwasser - und Bodenproben sollen Laborversuche zur Bestimmung der Hg-Fraktionierung während einzelnen Speziesumwandlungsprozessen durchgeführt werden. Für ein tieferes Verständnis der biogeochemischen Prozesse der Hg-Speziesumwandlung im Grundwasser soll, basierend auf den gewonnenen Daten, darüber hinaus ein Modell zum reaktiven Hg-Transport im Grundwasser entwickelt werden, das auch die Implementierung der Isotopenfraktionierung beinhaltet. Die erstmalige Kombination von Hg-Speziationsverfahren (Pyrolyse-Thermodesorption) und der Hg-Isotopenbestimmung (Kaltdampf-MC-ICP-MS) in Flüssig-, Fest-, und Gasproben wird unsere Möglichkeiten die Mobilität und Speziation von Hg, nicht nur in den untersuchten kontaminierten Systemen, sondern auch in unbelasteten Boden-Grundwassersystemen signifikant verbessern. Im Gegensatz zur Anwendung von Hg-Isotopendaten zur Ermittlung von Kontaminationsquellen ist die Verwendung als Prozessanzeiger bisher nicht beschrieben. Zudem liegen in der Fachliteratur keine Daten zur Hg-Isotopie in Grundwässern vor. Das beantragte Projekt ist eine Kooperation zwischen Partnern mit sich ergänzenden Expertisen im Bereich der anorganischen Hg-Speziation (Prof. Dr. Harald Biester, Technische Universität Braunschweig) und dem Bereich Hg-Isotopenanalyse (Dr. habil. Jan Wiederhold, Universität Wien).
Projektbeteiligte: Dr. David McLagan, Prof. Dr. Harald Biester
Evidence of increasing concentrations of dissolved organic matter (DOM) in the surface waters of temperate regions of the Northern Hemisphere is rapidly accumulating. This is largely ascribed to enhanced DOM release from accelerated decay of organic matter from catchment soils, in particular peat deposits, and subsequent DOM transport through streams and rivers into lakes and reservoirs. Besides the importance of DOM for the global carbon cycle and climate projections, “browning” of drinking water reservoirs by DOM brings along many environmental problems and issues related to management, such as declining quality of drinking water, increased expenses on chemicals and increases in heavy metal contamination.
Even though DOM quality is one of the key parameters in DOM dynamics, its molecular composition and its relation to land-use, vegetation of the catchment, peat hydrology or heavy metal transport are hardly understood. Moreover, peatlands and forest soils in mountainous areas are often contaminated by heavy metals (Pb, Hg, Zn etc.) and arsenic as a result of centuries of mining activities. We propose research on a drinking water reservoir in the Harz Mountains (Eckertalstausee) and its catchment, where the phenomenon of DOM increase has been recognized for several years now. Even though it is generally assumed that the elevated DOM discharge is associated with peat decomposition, direct evidence of peat as the major DOM and heavy metal source is not available. We propose to monitor the molecular composition of the DOM in the Eckerstausee reservoir, its main tributary, the Ecker stream, and several other streams that drain either peatlands or soils under coniferous forests, for a period of 12 months. We aim to understand the seasonal and spatial variability in DOM load, its sources and its role as a vehicle for trace elements as a function of the molecular DOM composition.
Different from other studies DOM composition analyses will focus on solid phase Pyrolyse-GC-MS and Thermally assisted Hydrolysis and Methylation -GC-MS measurements supported by spectroscopic methods and trace element analyses. Hence, this proposal will contribute to filling a gap in our knowledge on the biogeochemical cycle of DOM, more particularly to identify the main suppliers of DOM and trace pollutants to drinking water reservoirs, using the Eckertalstausee as a natural laboratory.
Projektbeteiligte: Dr. Marta Perez-Rodriguez, Prof. Dr. Harald Biester
Im Rahmen der Kooperation der Arbeitsgruppe "Umweltgeochemie" der TU Braunschweig mit dem Institut für Geografie an der Universität Costa Rica (UCR) in San José werden im Biologischen Reservat Antonio Manuel Brenes (ReBAMB) geochemische Untersuchungen zum Verhalten von Spurenelementen durchgeführt. Das Gebiet liegt in einem tropischen prämontanen Regenwald und ist geprägt von steilen Hängen, tropischem Klima und seinem vulkanischen Ursprung.
