CryptXchange: Biosphäre-Atmosphäre-Interaktionen von Kryptogamengemeinschaften am Amazon Tall Tower Observatory (ATTO) und ihre Bedeutung über räumliche Skalen hinweg (FWF, 2023-2026)
Das Amazonasbecken in Südamerika beherbergt das größte zusammenhängende Waldgebiet der Erde, in dem fast die Hälfte des Kohlenstoffs in der Vegetation der Erde gespeichert ist. Darüber hinaus spielt der Amazonas-Regenwald eine Schlüsselrolle bei der Erhaltung der globalen Artenvielfalt und des Klimas.
Im Amazonas-Regenwald sind die Oberflächen von Bäumen und Sträuchern mit Pilzen, Flechten, Algen und Moosen bewachsen. Alle diese Organismen gehören zur Gruppe der Kryptogamen, die keine Blüten bilden, sondern sich im Verborgenen vermehren. Kryptogamen wachsen gewöhnlich in Gemeinschaften, die sehr eng miteinander verflochten sein können. Eine erste grobe Schätzung ergab, dass etwa ein Drittel der Stämme, Äste und Blätter des Amazonas-Regenwaldes mit Kryptogamen bedeckt sind. Das entspricht einer Fläche von rund 50 Millionen Quadratkilometern, also mehr als fünfmal so groß wie die USA. Trotz dieses hohen Bewuchses stehen die Kryptogamengemeinschaften im Regenwald nur selten im Mittelpunkt von Studien. Die wenigen Studien, die durchgeführt wurden, befassen sich vor allem mit der Erfassung der Artenvielfalt und ihrer Beziehungen. Ihre funktionelle Bedeutung für die Austauschprozesse mit der Atmosphäre wurde dagegen bisher kaum berücksichtigt.
Das Amazon Tall Tower Observatory (ATTO; www.attoproject.org) bietet eine ideale wissenschaftliche Plattform, um durch Kryptogamen bedingte Austauschprozesse zwischen Biosphäre und Atmosphäre und deren Einfluss auf die Atmosphärenchemie, Aerosole (d. h. feste oder flüssige Partikel in der Atmosphäre), Wolken und die Waldvielfalt zu untersuchen. Die Forschungsinfrastruktur befindet sich 150 Kilometer nordöstlich von Manaus in einem relativ unberührten Teil des Amazonas-Regenwaldes. Die Infrastruktur umfasst einen 325 Meter und zwei 80 Meter hohe Forschungstürme, um die Konzentration einer Vielzahl von Spurengasen sowie die mikroklimatischen Bedingungen über lange Zeiträume detailliert aufzuzeichnen.
Das Projekt konzentriert sich auf fünf Forschungsfragen: Wie groß sind Deckung und Vielfalt der wichtigsten Kryptogamengruppen (Flechten, Moose, Pilze, Algen)? Wie hoch ist die Wasserspeicherkapazität von Moosen und wie schwankt diese in Abhängigkeit von mikroklimatischen Bedingungen wie Temperatur und Lichtintensität? Wie viel organischer Kohlenstoff wird von Moosen gespeichert und über welchen Zeitraum? Wie und in welchem Umfang werden biologische Aerosolpartikel von Kryptogamen freigesetzt? Wie wird die Freisetzung und Aufnahme von gasförmigen organischen Bestandteilen durch Kryptogamen kontrolliert und in welchem Ausmaß geschieht dies?
Diese kombinierte Analyse der verschiedenen Ökosystemfunktionen von Kryptogamen wird wesentlich zu einer Einordnung der funktionellen Bedeutung dieser Gemeinschaften beitragen.
CC biocrust: Auswirkungen des Klimawandels auf biologische Bodenkrusten und deren Ökosystemleistungen in alpinen Regionen (FFG, 2024-2027)
In CCbiocrust wollen wir die Auswirkungen des Klimawandels (Climate Change: CC) auf biologische Bodenkrusten (Biokrusten) und die von ihnen erbrachten Ökosystemleistungen untersuchen. In einem ersten Projektteil werden wir ein CC-Experiment in der hochalpinen Region des Großglockners etablieren, um die Auswirkungen von erhöhten Temperaturen und reduzierter Schneedecke auf Biokrusten zu untersuchen. Da nicht klar ist, wie schnell CC-Effekte unter Freilandbedingungen messbar sein werden, werden wir in einem zweiten Projektteil CC-Experimente in einem innovativen Klimakammeransatz im Labor durchführen.
Dieser duale Projektansatz sichert erste Ergebnisse bereits in einem frühen Stadium des Projekts, aber auch verlässliche Langzeitergebnisse unter natürlichen Feldbedingungen. In beiden experimentellen Ansätzen wird ein komplexer Satz von Biokrusten-Parametern und deren funktionellen Eigenschaften untersucht. Dazu gehören die Biokrusten-Bedeckung und die Biodiversität, einschließlich der mikrobiellen und protistischen Diversität, sowie wichtige funktionelle Eigenschaften, zu denen die photosynthetische Kohlenstoffbindung, die Auswirkungen auf die Bodenstabilität und die Nährstoffbereitstellung gehören.
Mit diesem Projekt werden umfangreiche Erkenntnisse über die Auswirkungen des Klimawandels auf Biokrusten und ihre Ökosystemleistungen gewonnen. Diese Informationen werden den Akteuren, wie Landbewirtschaftern und Naturschützern, helfen, die Rolle und die potenzielle Gefährdung von Biokrusten zu verstehen und sich an die für die nahe Zukunft erwarteten Veränderungen anzupassen, um das Funktionieren der hochalpinen Umwelt zu sichern.
Emission von salpetriger Säure (HONO) aus dem Boden: zugrundeliegende Mechanismen und Auswirkungen auf Megastädte und die umliegende Umwelt (OeAD, 2023-2025)
Die Luftverschmutzung ist ein großes Umweltproblem, mit dem die Welt konfrontiert ist, und trägt zu fast 8 % aller Todesfälle weltweit bei. Gasförmige salpetrige Säure (HONO) hat einen großen Einfluss auf die Atmosphärenchemie und die Luftqualität, da die Photolyse von HONO eine Schlüsselrolle bei der Bildung von Hydroxylradikalen (OH) spielt und OH-Radikale die Oxidationskapazität der Atmosphäre steuern und die Produktion von Sekundärschadstoffen regulieren. Der Boden ist eine wichtige HONO-Quelle, wie Experimente zum HONO-Austausch im Labor und kurzfristige HONO-Flussmessungen im Feld zeigen. Die detaillierten Mechanismen der HONO-Emissionen aus dem Boden und die langfristigen HONO-Emissionseigenschaften von Böden sind jedoch noch unklar, so dass Vorhersagen und Simulationen von HONO-Emissionen aus dem Boden schwierig bleiben.
In diesem Projekt werden wir sowohl kurzfristige (um eine große räumliche Abdeckung zu erreichen) als auch langfristige Messungen der HONO-Flüsse verschiedener Bodentypen in städtischen und ländlichen Gebieten von Shanghai, einer typischen Megastadt in China, durchführen, indem wir ein zeitlich hochauflösendes In-situ-Bodenflussmesssystem verwenden. Neben der Messung der Bodeneigenschaften werden wir die wichtigsten Mechanismen und Parameter erforschen, die die HONO-Emissionen aus Böden steuern. Anhand der neu identifizierten Bodenemissionsmechanismen werden wir unsere zuvor entwickelten prozessbasierten Modelle für HONO-Emissionen (d.h. DBM und BOYAN) testen und weiter verbessern. Darüber hinaus werden wir die Auswirkungen der intensiven Landentwicklung in Megastädten, der intensiven Landwirtschaft und ihrer Wechselwirkungen auf die Luftqualität quantifizieren. Diese Ergebnisse werden wissenschaftliche Beweise für politische Empfehlungen zum richtigen Umgang mit Böden und Luftqualität liefern.
Insgesamt wird diese Arbeit ein umfassendes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Biosphäre und Atmosphäre und der Rolle menschlicher Störungen in den biogeochemischen Kreisläufen der Erde vermitteln.
Soil MCG: In situ Tracking von unsichtbaren Stoffen im Boden: Eine Fallstudie zum Stickstoffkreislauf im Boden durch gleichzeitige Überwachung von Bodenmikroben, Bodenchemikalien und Bodengasen (ÖAW, 2024-2026)
Böden sind eine der wichtigsten natürlichen Ressourcen der Erde und dienen als Kohlenstoff- und Wasserspeicher/Filter, die die Grundlage für unsere Nahrung bilden. Daher ist es wichtig, die Böden zu schützen und ihre wichtigen Ökosystemfunktionen und -leistungen zu sichern. Böden spielen eine zentrale Rolle in den biogeochemischen Kreisläufen von Wasser, Kohlenstoff, Stickstoff und allen anderen für das Leben wichtigen Elementen. Unter den essenziellen Elementen benötigen die meisten Organismen für ihr Wachstum reaktive Formen von Stickstoff (N) wie Ammonium (NH4+) und Nitrat (NO3-). Die Verfügbarkeit dieser Nährstoffe hängt von der mikrobiellen N-Transformation ab, zu der zwei wichtige biochemische Prozesse gehören - Nitrifikation und Denitrifikation. Wenn Böden eine N-Limitierung aufweisen, kann die Düngung der wichtigste Faktor sein, der bei der Bodenbewirtschaftung zu berücksichtigen ist. Eine Erhöhung des N-Gehalts im Boden fördert das Pflanzenwachstum, hat aber auch ungünstige Nebenwirkungen für die Umwelt, wie die Auswaschung von N-Verbindungen in Grundwasserleiter und die Freisetzung von gasförmigem N in die Atmosphäre. Ein angemessener Einsatz von Düngemitteln könnte dazu beitragen, diese schädlichen Emissionen zu minimieren, aber eine solche Optimierung hängt in hohem Maße von einem mechanistischen Verständnis der Stickstoffprozesse im Boden ab.
Im Rahmen des vorgeschlagenen Projekts soll ein interdisziplinärer Messaufbau für den Boden nicht nur im Labor, sondern auch unter Feldbedingungen entwickelt werden, um die Konzentration von anorganischem N in Lösungen, die Flüsse von CO2- und N-Gasen und die mikrobiellen Aktivitäten über genetische Verbindungen, d. h. nicht sichtbare Bodenbestandteile, zu messen. Um diese nicht sichtbaren Bodenbestandteile in situ zu verfolgen, wollen wir die Stärken der Open-Flow-Mikroperfusions-Technologie (OFM) für die kontinuierliche Probenahme mikrobieller Metaboliten mit der Online-Überwachung von Bodengasemissionen unter Verwendung der dynamischen Kammermethode kombinieren, unterstützt durch ein mechanistisches Modell zur Untersuchung mikrobieller Prozesse im Zusammenhang mit dem biogeochemischen Kreislauf von Kohlenstoff und Stickstoff. Mit diesem neu entwickelten Messaufbau wollen wir Wissenslücken schließen, um globale Umweltherausforderungen, wie Lebensmittelsicherheit, Treibhausgasregulierung und Bodenverschmutzung zu bewältigen.
Biopatina auf Gebäuden im städtischen Umfeld: Biofilter, CO2-Senken und Kühlsysteme mit ästhetisch-architektonischer Wirkung (WWTF, 2025-2028)
In den letzten Jahren hat das wachsende gesellschaftliche Bewusstsein für die negativen Auswirkungen des Klimawandels und die hohe Umweltverschmutzung die Notwendigkeit erhöht, nachhaltige Praktiken einzuführen und eine grünere, gesündere Umwelt zu fördern, insbesondere in den Innenstädten. In diesem Projekt schlagen wir vor, die auf städtischen architektonischen Oberflächen natürlich vorkommenden Biopatina als eine wartungsarme Methode der Stadtbegrünung zu nutzen (anstatt sie zu entfernen). Die Haupthypothese ist, dass Biopatina atmosphärische Schadstoffe absorbieren und als wertvolle Kohlenstoffsenken fungieren können, dass sie natürliche Biofilter und Bioremediationssysteme sein können, die Feinstaub und Staub zurückhalten, aber auch kühlende Auswirkungen auf das Mikroklima des Gebäudes haben können. Daher besteht das Hauptziel dieses Projekts darin, diese Aspekte von Biopatina in städtischen Gebieten zu untersuchen, um ihr Potenzial, zu einer besseren Umwelt beizutragen, umfassend zu erkunden. Um dies zu erreichen, ist ein hochgradig interdisziplinäres Unterfangen erforderlich, weshalb unser Projekt Geomikrobiologie, Materialökologie, Umweltphysik und kunstbasierte Methoden zusammenführt. Mittels quantitativer wissenschaftlicher Methoden (Gas- und Staubaustauschmessungen, Molekularbiologie, physikalisch-chemische Techniken) werden Daten von Biopatina auf repräsentativen Oberflächen in Wien gewonnen, die als Grundlage für die Hochskalierung lokaler Messungen auf einen größeren Maßstab und die Entwicklung von Vorhersagemodellen dienen sollen. Der wissenschaftliche Ansatz wird durch den Einsatz von partizipativen, Kunst-basierten Projekten unterstützt, um ein größeres öffentliches Bewusstsein und eine größere Akzeptanz von Biopatina auf Denkmälern und in der Architektur der Stadt zu erreichen.