SSF NOVEL TRACERS - Erforschung von biogeochemischen Tracern (Umwelt- und künstliche DNA, organischer Kohlenstoff) zur Identifizierung des Zwischenabflusses

• Antragsteller: Professor Dr. Peter Chifflard; Professor Dr. Florian Leese
• Fachliche Zuordnung: Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 453746323

Die Entschlüsselung von Fließwegen und Herkunftsräumen des Zwischenabflusses (SSF) sowie der unterirdischen hydrologischen Konnektivität ist durch unterschiedliche Prozessvorstellungen und wenigen direkten Messmöglichkeiten begrenzt. Es werden Tracer benötigt, mit denen Herkunftsräumen und Fließwege von SSF räumlich identifiziert werden können. Die über die Umwelt-DNA (eDNA) abgeleitete Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften sowie die räumlichen Unterschiede der optischen Eigenschaften wasserlöslicher organischer Substanz (WSOM; Absorption und Fluoreszenz) in Böden bietet eine bisher wenig beachtete Möglichkeit. In Abhängigkeit von topographischen und bodenkundlichen Eigenschaften bilden sich spezifische Habitate für mikrobielle und makrobiologische Bodengemeinschaften, die als räumliche eDNA-Muster kartiert und zur Lokalisierung der Herkunftsgebiete von SSF genutzt werden können. Die Anwendung künstlicher Tracer-DNA bietet die Möglichkeit, mit geringem technischem Aufwand und hohem Informationsgehalt hinsichtlich der unterirdischen Fließwege mehrere kontrollierte Experimente durchzuführen. Trotzdem fehlt bisher noch eine umfangreiche und konsequente Bewertung der Anwendbarkeit dieser biochemischen Tracer im Hinblick auf den SSF. Es ist das Ziel des Projektes, das Potenzial von eDNA, künstlich aufgebrachter Tracer-DNA und optischer Eigenschaften von WSOM als nicht-konservative Tracer für zur Identifizierung von SSF und der unterirdischen Konnektivität in vier Einzugsgebieten im Mittel- und Hochgebirge (Sauerland, Erzgebirge, Schwarzwald, Alpen) zu bewerten. In diesen werden an 12 Hängen an jeweils 10 Bodenprofilen Bodenproben entnommen, um die Verteilung von eDNA und WSOM über das Bodenprofil und im Hang zu erfassen. Die zeitliche Variabilität des Exports von eDNA und WSOM aus dem Boden wird während natürlicher Niederschlagsereignisse an einem mit einem Trench versehenen Hang in jedem Einzugsgebiet untersucht, wozu Wasserproben des unterirdischen Abflusses in verschiedenen Bodentiefen entnommen werden. Um genaue Fließwege des SSF in der Hangskala zu identifizieren werden an zwei Hängen künstliche DNA-Tracer eingesetzt und deren Transport durch Beregnungsexperimente aktiviert. Zur Untersuchung der eDNA und WSOM im Labor, werden eine Reihe modernster Laborgeräte und Methoden (TOC-Analysator, Fluoreszenzspektrometrie, Hochdurchsatz-Amplikonsequenzierung, real-time PCR) angewandt. Der Einsatz vielfältiger statistischer Verfahren (z.B. PARAFAC, Cluster-, Netzwerkanalyse) wird helfen, zeitliche und räumliche Muster zu erkennen, um Herkunftsräume von SSF zu identifizieren und biochemische Signaturen als Tracer für SSF zu erkennen.Diese systematische Untersuchung von eDNA und WSOM in Mittel- und Hochgebirgslandschaften ermöglicht es, diese biochemischen Tracer grundlegend zu bewerten. Darüber hinaus wird eine einzigartige Datenbank für die Ableitung biogeochemischer Signaturen geschaffen, um Herkunftsräume und Fließwege von SSF zu identifizieren.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5288: Schnell und unsichtbar: Zwischenabfluss durch einen interdisziplinären Multi-Standort-Ansatz bezwingen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Kooperationspartner: Dr. Kyle Boodoo