Forschungsthemen und -schwerpunkte
Überblick zu grundlagen- und anwendungsorientierter Forschung am Lehrstuhl für Hydrogeologie der Universität Jena
Lichtstadt Jena repräsentiert die interdisziplinären Profillinien LIGHT, LIFE, LIBERTY
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Grundlagenorientierte Forschungsschwerpunkte
Säulen für reaktive und biologische TransportexperimenteDie Prozessforschung in natürlichen und anthropogen beeinflussten, belebten, heterogenen Systemen auf unterschiedlichen Skalen definiert das Leitmotiv für unsere Forschungsarbeiten (Bio-Geo-Interaktionen). Ziel ist es, zu einem vertieften mechanistischem Verständnis von Architektur, Dynamik und der Funktionen von Geo- und Pedosystemen zu gelangen. Das bedeutet, die komplexen Wechselwirkungen, Antagonismen und Synergismen der physikalischen, chemischen und biologischen Prozesse aufzuklären, Theorien zu bilden, und in geeigneten mathematischen Modellvorstellungen zu abstrahieren und zu beschreiben. Dabei wird immer deutlicher, dass die Phänomene auf der Kontinuumskala, wie zum Beispiel dem Pedon eines land- oder forstwirtschaftlichen Schlages, durch biogeochemische und biophysikalische Prozesse und Eigenschaften kontrolliert und beeinflusst werden, die auf der molekularen und atomaren Skala ablaufen. Eine der zentralen wissenschaftlichen Herausforderungen ist es daher, die dabei auftretenden extremen Skalenübergänge, die neun Größenordnungen im Raum (vom nm zum m) und bis zu 21! Größenordnungen in der Zeit (fs-Gs) umfassen können, quantitativ zu fassen und mechanistisch zu beschreiben.
Eine wesentliche Voraussetzung hierfür ist es, ein "Bild" vom Aufbau und der Struktur, mithin der "Architektur" natürlicher poröser Medien und ihrer zeitlichen Veränderung zu erhalten. Mit der Forschung in der Hydrogeologie in Jena versuchen wir daher, ein Fenster in den opaken Untergrund Boden, Ungesättigte Zone und Grundwasserleiter zu schaffen. Die Kombination modernster bildgebender spektroskopischer, mikroskopischer und tomographischer Verfahren mit der prozessorientierten mathematischen Modellbildung sowie der Modellierung quantenchemischer Prozesse stellt dabei einen vielversprechenden Ansatz dar, mit dem es möglich wird, die Struktur natürlicher poröser Medien zur rekonstruieren, ihre zeitliche Dynamik quantitativ abzubilden sowie den Zusammenhang von Struktur und Funktion aufzuklären. Dabei stehen nanopartikuläre bzw. kolloidal natürliche sowie synthetische Mischphasen immer wieder im Fokus, da diese in vielfältger Weise die Eigenschaften und Funktionen von natülichen porösen Medien beeinflussen. Dieser integrative experimentelle und theoretische Ansatz wird in der Grundlagenforschung in der Hydrogeologie in Jena im Rahmen von unterschiedlichen Projekten und mit verschiedenen Projektpartnern systematisch verfolgt.
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Anwendungsorientierte Forschungsschwerpunkte
Entnahme einer GrundwasserprobeEin weiteres Aufgabenfeld hat die Hydrogeologie in Jena im anwendungsorientierten Bereich der Geo- und Pedopotentiale Thüringens sowie in der Bodentechnologie. Bei ersterem steht die Erkundung, Beurteilung, und Nutzbarmachung der Böden und des Untergrunds im Hinblick auf Geothermie, Stoff- und Energiespeicherung/Sequestrierung, sowie das Reinigungsvermögen natürlicher poröser Medien im Vordergrund. Letzteres zielt auf die systematische Entwicklung von bodenbasierten Techniken zur Lösung von Problemen im vorsorgenden und nachsorgenden Grundwasser- und Bodenschutz und bei der Sanierung und Rekultivierung.
Durch die gezielte Verstärkung und Optimierung von natürlich ablaufenden Prozessen sowie die Verwendung und intelligente Kombination von Bodenmaterialien und Bodenprozessen werden Verfahren und Methoden zu Schutz und Sanierung entwickelt. Klassische Beispiele hierfür sind Pflanzenkläranlagen, Mieten, Deponieabdeckungen, Geruchs- und Gasfilter (z.B. für Ausgasungen aus tieferen Bodenschichten, Friedhöfen). Jüngere innovative Konzepte, die hier an der Hydrogeologie in Jena verfolgt werden, sind die "intelligenten Flächenfilter", bei denen es um den Rückhalt und den Abbau von unerwünschten Stoffen geht, die durch menschlich Tätigkeiten direkt oder diffus auf und in Böden gelangen.
Der Bereich der Sanierungstechnik, hier insbesondere der Bodentechnologie, gewinnt eine immer größere wirtschaftliche Bedeutung. Denken wir nur an die systematische Zerstörung und Vergiftung der Bodenressourcen und Grundwasserreservoire in Südamerika, den Tigerstaaten, Indien und China. Hier erwachsen Probleme, die bereist jetzt direkte Auswirkungen auf die Gesundheit und die Lebenserwartung der Menschen haben. China hat dieses Problem mittlerweile erkannt und wird mittelfristig entgegensteuern. Das wird eine Nachfrage nach intelligenter und bezahlbarer Schutz- und Sanierungstechnik mit sich bringen. Die Forschungsthemen der Hydrogeologie an der Friedrich-Schiller-Universität in Jena im Anwendungsbereich sind Entwicklung innovativer Sanierungstechniken, Entwicklung von "intelligenten Flächenfiltern" und Pedo-/Geopotentiale Thüringens.
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Hydrogeosphäre und Leistungen der Critical Zone
BodensickerwasserDie Hydrogeosphäre ist zentrales Bindeglied zwischen den globalen Informations-, Stoff- und Energiekreisläufen. So entstammen fast 25% des atmosphärischen Kohlenstoffs aus biologischen Prozessen, die in Böden ablaufen. Böden enthalten doppelt soviel Kohlenstoff wie die gesamte Atmosphäre und dreimal soviel Kohlenstoff, wie in der gesamten Vegetation gespeichert ist. Doch nicht nur die globalen Stoffkreisläufe werden durch die "dünne Haut der Erde" kontrolliert. Eine zentrale Funktion haben die unterirdischen Kompartimente der Critical Zone als Puffer-, Speicher-, Filter- und Umwandlungsmedium für Wasser, aber auch für gelöste und partikuläre Stoffe. Die Qualität des Trinkwassers, dass zu einem großen Teil den Grundwasserreservoiren, den Flüssen und Seen entstammt, wird in entscheidender Weise bestimmt durch die Eigenschaften der Böden, der Ungesättigten Zone und Aquifere, durch die und über die es geflossen ist.
Der Schutz, die Sicherung und Wiederherstellung dieser für unser Überleben so zentralen Funktionen sind dabei untrennbar geknüpft an ein Verständnis der biogeochemischen und biogeophysikalischen Prozesse und Mechanismen, die die Grundlage dieser Funktionen sind.
So sollte Grundwasser nicht aussehen: starke Trübung durch Eisensulfid
Nahezu 70 % des Trinkwassers in Deutschland stammt aus Grundwasser. Dessen noch verhältnismäßig gute Qualität resultiert aus dem Zusammenwirken natürlicher physikalischer, chemischer und biologischer Prozesse. Fundamentale Grundlage der (unterirdischen) Ökosystemleistungen „sauberes Trinkwasser“, „Biodiversität“ und „Bodenfruchtbarkeit“ sind u. a. Bodenfunktionen, die im wachsendem Ausmaß bedroht und beeinträchtigt werden.
Besonders die Auswirkungen des Klima- und Landnutzungswandels und dem damit zunehmenden Nutzungsdruck auf Boden- und Grundwasserressourcen sind besorgniserregend. Vorsorgender und nachsorgender Boden- und Grundwasserschutz sind damit eine der wichtigsten F&E-Aufgaben am Lehrstuhl für Hydrogeologie.
Die Vorsorge zielt dabei auf die Entwicklung von Verfahren, die den Eintrag von Fremdstoffen unterbinden bzw. zu deren Elimination führen (u.a. durch "intelligente Flächenfilter"). Die Nachsorge zielt auf die Abminderung und Abwehr von Gefahren, die von eingetretenen Umweltschäden ausgehen. Fokus liegt dabei auf der Entwicklung und Optimierung von Kombinationsverfahren unter Ausnutzung und Verstärkung natürlicher, standortspezifischer, physikalischer, geochemischer und (mikro-) biologischer Prozesse.
Publikationen
Projekte
EU - SoilCAM
Thüringen/EU - Biogeothermie
EU - AQUATERRA
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Wälder im (Klima-)Wandel ...
Waldökosysteme: in der MoosschichtWälder sind neben den landwirtschaftlich genutzten Flächen und den Mooren die zentralen Schlüsselglieder für unsere Bemühungen, die unvermeidlichen Folgen des Klimawandels abzumildern, aber auch im Rahmen des Klimaschutzes die natürlichen Kohlenstoffsenkenfunktion insbesondere des „Bodens unter unseren Füßen“ zu verstärken. Unabdingbar ist hierfür jedoch die Notwendigkeit zur Anpassung der Nutzungsformen und Bewirtschaftungsstrategien dieser Ökosysteme. Häufig wird bei der Maßnahmenentwicklung zur Anpassung unserer Wälder an die Folgen des Klimawandels übersehen, dass Wälder zahlreiche, der Biomasseproduktion in Form von Holz gleichwertige, essenzielle und damit unverzichtbare Ökosystemleistungen erbringen. Dies sind ihr Vermögen, bei entsprechender Nutzung als effiziente und nachhaltige Kohlenstoffsenken fungieren zu können, ihr Beitrag zur Lokalklimaregulation, zur Reinigung des Sickerwassers, zur Neubildung von Grundwasser weit über die Ausdehnung der Wälder hinaus, zur Bodenfruchtbarkeitsentwicklung, zur ober- und unterirdischen Biodiversität, zum ober- und unterirdischen Genpool, zur „Produktion“ von Nichtholzprodukten (z.B. Wildtiere, Grüne Pharmazeutika), aber auch die Bedeutung unserer Wälder für die mentale und physische Erholung und Freizeitgestaltung. Die Entwicklung von Strategien für resiliente Wälder, die eine nachhaltige Nutzung auch in der Zukunft ermöglichen, sollte diese Vielzahl an Ökosystemleistungen simultan berücksichtigen, mithin auf einem systemisch-synoptischen Ansatz basieren.
Abgestorbener Fichtenbestand
Im Rahmen der F-, E- & D-Studie – einer Teilstudie zu Vorsorgender & nachsorgender Boden- und Grundwasserschutz unter den Bedingungen des Klima- und Landnutzungswandels – zielen wir gemeinsam mit unseren Partnern unter anderem aus Kommunen, Behörden der Wald-, Forst- und Wasserwirtschaft, Waldbesitzern und Waldbesitzervereinigungen, darauf ab, mittels eines systemisch-synoptischen und quantitativen Forschungsansatzes, Bewirtschaftungs- und Nutzungsformen zu entwickeln und zu demonstrieren, deren Ziel die simultane Optimierung multipler Ökosystemleistungen (Totsche, 2021; Totsche 2022) ist und die sich eben nicht nur auf die Maximierung einer singulären Nutzung oder Funktion, etwa der Biomasseproduktion, beschränkt. Die im Rahmen unserer Arbeiten gefundenen und verfolgten systemischen Lösungswege sind dabei primär „von der Natur inspiriert“, stellen also naturbasierte Lösungen dar, schließen aber technische Lösungsansätze keinesfalls aus. Insbesondere werden die naturbasierten Lösungswege dann mit technischen Maßnahmen gekoppelt, wenn durch diese Kopplung im Rahmen der Optimierung eine markante Steigerung des Schutzes, der Wiederherstellung oder der Effizienz der multiplen Ökosystemleistungen erreicht werden kann. Die Arbeiten im Rahmen dieser Studie finden aktuell in diversen Gebieten in ausgewählten Mittelgebirgsregionen Mittel- und Südostdeutschlands statt (vgl. Kohlhepp et al. 2017Externer Link). Die Gebietsauswahl erfolgte unter der Maßgabe, die für die Nutzung und Neubildung von Grundwasser wichtigsten Standorte und Lithologien mit überregionaler Bedeutung abzudecken, in denen - nicht nur in Deutschland - Grundwasser zur Trinkwassergewinnung genutzt wird (vgl. Lehmann und Totsche, 2020Externer Link).
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Publikationen zum F,E&D-Projekt
Totsche, K.U. (2022): Empfehlung prototypischer Maßnahmen für Wasserrückhalt und Grundwasserneubildung in Forst- und Waldeinzugsgebieten. Bericht. HyGeo FSU. S. 1-21.
Totsche, K. U. et al.(2021): Analyse und Beurteilung klimawandelbedingter Veränderungen in Forst und Wald und deren Auswirkungen auf das Grundwasser. Endbericht. HyGeo FSU. S. 1-49
Lehmann, R., Totsche, K. U. (2020) Multi-directional flow dynamics shape groundwater quality in sloping bedrock strata. Journal of Hydrology 580, 124291. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2019.124291Externer Link
Kohlhepp B., Lehmann R., Seeber P., Küsel K., Trumbore S. E., Totsche K. U. (2017) Aquifer configuration and geostructural links control the groundwater quality in thin-bedded carbonate-siliciclastic alternations of the Hainich CZE, central Germany. Hydrol. Earth Syst. Sci. 21, 6091-6116. https://doi.org/10.5194/hess-21-6091-2017Externer Link
REM-EDX-Aufnahme von Kaolinitbooklets in Sandstein
Mikroaggregate sind in etwa staubkorngroße, aus diversen mineralischen und biotischen Komponenten gebildete und durch natürliche organische „Klebstoffe“ stabilisierte, dreidimensionale, poröse Strukturen, die sich im Zuge der Bodenbildung aus dem Ausgangsgestein unter dem Einfluss von Klima- und Lebewesen im Boden bilden oder gebildet haben.
Sie sind ein, wenn nicht der wichtigste Lebensraum für Mikroorganismen in Böden und grundlegend für die Speicherung, Umwandlung und den Transport von Kohlenstoff und Wasser sowie zahlreicher Nähr- und Schadstoffe. Mikroaggregate sind aber auch von zentraler Bedeutung für die Filter-, Puffer-, und Speicherfunktion von Böden. Das Wissen um die Bildung, Eigenschaften und Transformation der Mikroaggregate ist jedoch noch lückenhaft.
Projekte
Kluft in Kalkstein der Trochitenkalk-Fm. (Oberer Muschelkalk)
Die Aerationszone, die auch schwebende Grundwasserkörper und den Schwankungsbereich des phreatischen Grundwassers umfasst, weist vor allem in topographischen Grundwasserneubildungsgebieten große Mächtigkeiten auf.
Insbesondere in Sedimentgesteinen bieten vielfältige Gesteinstypen, Hohlraumgefüge und Verwitterungsgrade eine Vielzahl von (Mikro-)Habi-taten. Der Beitrag mikrobieller Gemeinschaften im variabel wassergesättigten Regolith und Festgestein der Aerationszone zum unterirdischen Stoffumsatz und Herausbildung der Grundwasserbeschaffenheit ist jedoch nahezu unbekannt. Auch werden trotz des beachtlichen Speicher- und Reaktionsraums Aerationszonen in Monitoringprogrammen und hydrologischen und hydrogeologischen Modellen nahezu vernachlässigt.
Projekte
siltiger Intraklast in Sandstein (Mittlerer Buntsandstein)
Böden und Gesteine besitzen eine multifunktionale heterogene Struktur, die v. a. durch die vielfältigen Grenzflächen gekennzeichnet ist. Unsere Forschung zielt auf ein vertieftes, mechanistisches Verständnis der Wechselwirkungen und Prozesse, die an belebten biogeochemischen Grenzflächen ablaufen.
Die am Lehrstuhl zur Verfügung stehende experimentelle Ausstattung erlaubt eine skalenübergreifende Beobachtung von biogeochemischen Interaktionen von der Skala der Bodenhorizonte bis auf die Skala von Molekülen und Atomen.
Projekte
Visualisierung des modellierten Fließfeldes im Porensystem eines Aquifergesteins
Dem Bereich der analytischen und numerischen, direkten und inversen Modellbildung und Simulation kommt eine zentrale und integrierende Rolle im Rahmen des integrativen Forschungsansatzes in der Hydrogeologie zu. Neben der Tatsache, dass Modelle ein wichtiges Werkzeug zur Falsifikation wissenschaftlicher Theorien darstellen, sind die komplexen Zusammenhänge und Wechselwirkungsgeflechte des Prozessgeschehens in natürlichen porösen Medien oftmals nur unter Verwendung mathematischer Modelle integrativ und synoptisch zu erfassen.
In breitem Umfang entwickeln und verwenden wir analytische und numerische Modelle von der atomaren Skala über die Aggregat- und Pedonskala bis hin zur Kleineinzugsgebietsskala. Auf der atomaren Skala befassen wir uns mit der Modellierung der Bildung, des Wachstums und der Wiederauflösung von (pedogenen) Mineralen sowie von Wechselwirkungen von Schadstoffen an Fest-Flüssig-, Fest-Gas- und Flüssig-Gas-Grenzflächen. Auf der Aggregat- und Pedonskala liegt der Fokus auf der Simulation gekoppelter physikalischer, chemischer und biologischer Prozesse sowie der Parameteridentifikation durch inverse numerische Verfahren. Ein weiteres Feld stellt die computergestützte Entwicklung und Optimierung von Experimentdesigns zur eindeutigen Identifikation von biologischen, chemischen und physikalischen Prozessen und Parametern des reaktiven Stofftransports dar. Auf der Feldebene beschäftigen wir uns mit der Simulation und Parameteridentifikation von Strömungs- und Transportprozessen in heterogenen 3-dimensionalen Pedo- und Geosystemen sowie mit der computergestützten Überwachung des (Schad-)Stofftransports und der Phasenverteilung im Untergrund (Fluid, Stoff- und Energieflussmodellierung) bis hin zur Skala von Kleineinzugsgebieten. Die Modellanwendung dient dabei auch der Unterstützung der Entwicklung und Optimierung von nicht-invasiven/minimalinvasiven Verfahren zur Erkundung pedo- und geohydraulischer Strukturen im Untergrund.
Projekte
So sollte Grundwasser nicht aussehen: aufschwimmende Ölphase!
Die Reaktion von (Schad-)Stoffen mit den Oberflächen eines natürlichen porösen Mediums resultiert im Phänomen der Retardation, also eines Rückhalts der Stoffe an der Festmatrix. Ein Verständnis der (Schad-)Stoffausbreitung bedarf also der umfassenden Beschreibung der Interaktionen zwischen Flüssig-, Fest- und Gasphase. Insbesondere bei Sorbenten in kolloidaler Größe kann aber die Festphase selbst Teil der mobilen Phase werden und damit trägervermittelt eigentlich immobile, hydrophobe (Schad-)Stoffe transportieren.
Projekte