SSF Novel Tracers - Biogeochemische Tracer (Umwelt- DNA, gelöster organischer Kohlenstoff) und deren Transport und Transformation entlang des Kontinuums Hang-Uferzone-Fließgewässer

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

Informationen zu unterirdischen Fließwegen, Herkunftsräumen und Konnektivität des Zwischenabflusses sind bislang durch verschiedene Einschränkungen und die begrenzten direkten Messmöglichkeiten eingeschränkt. Um dieses Defizit zu überwinden, wurde das Potenzial biologischer Tracer – insbesondere Umwelt-DNA (eDNA) und wasserlöslicher organischer Kohlenstoff (WSOC) – basierend auf ihren räumlich differenzierten optischen Eigenschaften untersucht. In der ersten Phase der Forschungsgruppe „Fast and invisible: Conquering Subsurface Stormflow (FOR 5288)“ wurde gezeigt, dass Einzugsgebiete räumlich und vertikal mittels dieser Tracer charakterisiert werden können. Dies unterstreicht ihr Potenzial zur Identifizierung von Quellbereichen und unterirdischen Fließwegen auf Punkt- und Hangskala. Allerdings ist weiterhin unklar, ob sich die biologischen Signale aus Bodenprofilen am Hang bis in den Bach zurückverfolgen lassen oder ob und wie sie während des Transports über die Uferzone verändert werden. Ziel des Projekts ist daher die Untersuchung und Modellierung des Transports und der Transformation von eDNA und WSOC entlang des Hang-Uferzone-Bach-Kontinuums auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen. Hierzu werden experimentelle und modellbasierte Ansätze kombiniert. Räumlich erfolgt eine Fokussierung auf die intensiv instrumentierten Hänge in vier Einzugsgebieten in Deutschland und Österreich, ausgestattet mit Trenches zur direkten Erfassung von Zwischenabfluss sowie Grundwasserrohren oberhalb und unterhalb der trenches (Uferzone) sowie verteilt in den Einzugsgebieten (jeweils ca. 80 Grundwasserrohre). Zeitlich werden sowohl ereignisbasierte als auch kontinuierliche Beprobungen durchgeführt, um saisonale und hydrologische Variationen des Exports beider Tracer zu erfassen. 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 entlang des Kontinuums Hang-Uferzone-Fließgewässer zu erkennen. Zur Erfassung der Transformationsprozesse und zur Quantifizierung des Exports von eDNA und WSOC kommen Methoden des maschinellen Lernens sowie transportzeitbasierte Reaktivitätsmodelle zum Einsatz. Diese ermöglichen ein besseres Verständnis biogeochemischer Prozesse und die Integration biologischer Tracer als neue methodische Instrumente zur Kalibrierung und Validierung hydrologischer Modelle.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5288: Schnell und unsichtbar: Zwischenabfluss durch einen interdisziplinären Multi-Standort-Ansatz bezwingen
• Internationaler Bezug: Italien, Österreich
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Florian Leese
• Kooperationspartner: Dr. Enrico Bertuzzo; Dr. Kyle Boodoo