The Collaborative Research Centre AquaDiva (SFB 1076), funded by the German Research Foundation (DFG), is concerned with the significance of water (Aqua) and biodiversity (Diva) for the structure, properties and functions of underground habitats. The project aims to answer fundamental questions about the Earth’s Critical Zone, which extends from the vegetation through the soil to the weathered rock and the aquifer (~100 metres): What creatures live there and how do they interact with their environment?
More information 👉 https://www.aquadiva.uni-jena.de/
© Friedrich-Schiller-Universität und DAHLMEDIA
Author & Producer: Petra Dahl
Camera: Jens Kleinert
Sound: Alexander Steeb & Philipp Gründig
Animation & editing: Matthias Gruner
Wasser ist unentbehrlich für das Leben auf der Erde. Wenn es regnet, kann das Wasser Partikel, einschließlich organischer Stoffe und Mikroorganismen, durch den Boden, die ungesättigte Zone und schließlich in die wassergefüllten Zonen, die Grundwasserleiter, transportieren. Aber was genau passiert auf diesem Weg und wie beeinflusst es unser Ökosystem? Die Schnittstelle zwischen Atmosphäre und Geosphäre wird als Kritische Zone bezeichnet. Hier leben die meisten Pflanzen und Tiere, auch wir Menschen. Sie hat wichtige Funktionen wie die Bereitstellung von sauberem Trinkwasser und die Speicherung von Kohlenstoff. Forscher im Sonderforschungsbereich AquaDiva in Jena haben sich zum Ziel gesetzt, die Prozesse in der Kritischen Zone genau zu verstehen. Dazu arbeiten 80 Forscher aus vier Institutionen und verschiedenen Disziplinen eng zusammen. Die Kritische Zone wird zunehmend durch menschliche Aktivitäten wie Landnutzung und Klimawandel beeinträchtigt. Unsere Managementpraktiken gefährden die Qualität unseres Trinkwassers. Die Landwirtschaft ist die Hauptquelle für hohe Nitratkonzentrationen im Grundwasser, aber was ist mit anderen Stoffen, die von der Oberfläche stammen, was ist mit Antibiotika, Viren, Mikroorganismen? Gelangen sie auch in den Untergrund? Werden sie dort im Wasser überleben? In AquaDiva wollen wir verstehen, ob die Filterfunktion des Bodens noch ausreicht, um all diese Stoffe zurückzuhalten. Im Nationalpark Hainich, einem der wenigen alten Buchenwälder in Europa, haben Wissenschaftler eine völlig einzigartige Infrastrukturplattform zur Erforschung der unterirdischen Biodiversität eingerichtet: Das Hainich Critical Zone Exploratory. [Musik] Hier untersuchen sie die Wasser- und Gasströme, die die Oberfläche und die darin lebenden Organismen mit dem Boden, den tieferen Gesteinen und dem Grundwasser verbinden. Eine besonders wichtige Frage für AquaDiva ist, wie das Grundwasser durch Umweltveränderungen beeinflusst wird. Immerhin versorgen natürliche Grundwasservorkommen bis zu 25% der Weltbevölkerung mit sauberem Trinkwasser. Die Wissenschaftler entnehmen regelmäßig Grundwasserproben aus verschiedenen Brunnen bis zu einer Tiefe von 90 m. Sie wollen wissen, wie sich Landnutzung und Wetterextreme, wie starke Regenfälle nach langen Dürreperioden, auf die Qualität des Grundwassers auswirken. Frische Grundwasserproben können in dem im Hainich errichteten Feldlabor sofort analysiert werden, ohne dass sie in weit entfernte Einrichtungen geschickt werden müssen. Die Forscher messen chemische Bestandteile im Grundwasser, aber auch winzige Mikroorganismen wie ultrakleine Bakterien, die ihre Zellgröße minimiert haben, um sich an den Lebensraum anzupassen. Aufgrund ihrer kleinen Genome sind sie auf Beziehungen zu anderen Organismen angewiesen. [Musik] Um Zugang zum Untergrund zu erhalten, werden im Rahmen von AquaDiva Gesteinskerne gebohrt. Diese Bohrlöcher werden zu Grundwasserbrunnen ausgebaut, in denen hochentwickelte Instrumente eingesetzt und Grundwasserproben entnommen werden. Die Wasserproben werden auf gelöste Stoffe, suspendierte Kolloide und Mikroorganismen analysiert. Auch die Gesteinskerne werden auf Mineralogie und die darin vorkommenden Mikroorganismen untersucht, was bereits zu neuen Erkenntnissen geführt hat. Obwohl es sich beim Teileinzugsgebiet Hainich um ein eher kleines Hang-Einzugsgebiet handelt, konnten wir bis zu fünf unterirdische, biogeochemische Zonen identifizieren, Die sich sowohl in der Hydrogeologie bzw. Hydrogeochemie als auch in der mikrobiellen Häufigkeit und Vielfalt unterscheiden. Dies war für die Hydrogeologen, aber auch für die Ökologen überraschend, da solche Standorte normalerweise als homogen und einheitlich angesehen werden. Vor Ort charakterisieren die Forscher die Schichten der frisch entnommenen Bohrkerne anhand ihrer Farbe, Textur, Struktur und Mineralogie. Anhand dieser Daten können sie die geologischen Formationen sowie die Struktur und Eigenschaften der Grundwasserleiter rekonstruieren. Mit speziellen Sonden führen die Forscher auch geophysikalische und hydrogeologische Untersuchungen in der Tiefe durch. Sie wollen zum Beispiel wissen, wie sich schnelle Schwankungen des Bodenwasserspiegels oder lange Dürreperioden auf das Leben unter der Oberfläche auswirken. Ein weiteres Interessengebiet der AquaDiva-Forscher ist der Austausch von Gasen zwischen Atmosphäre, Boden und Grundwasser. Pflanzen, Tiere und Mikroorganismen produzieren und verbrauchen verschiedene Gase, insbesondere Sauerstoff und Kohlendioxid. Mit innovativen Raman-Multigassensoren können sie Tiefenprofile dieser Gase kontinuierlich vor Ort verfolgen und so biotische und abiotische Prozesse unterscheiden. Einer der einzigartigen Aspekte von AquaDiva ist, dass wir versuchen, das unterirdische mikrobielle Leben mit seiner Umwelt zu verknüpfen. Dies können wir durch die Messung von Gasen und Isotopen-Tracern erreichen. Hier messen wir beispielsweise Radiokohlenstoff und können damit das Alter der Kohlenstoffquelle bestimmen, von der sich die Mikroben ernähren. Und wir konnten durch die Untersuchung von Verbindungen, die in mikrobiellen Zellwänden vorkommen, zeigen, dass der fossile Kohlenstoff eine wesentliche Kohlenstoff- und Energiequelle für unterirdisches mikrobielles ist. Informatiker und Computerlinguisten von AquaDiva entwickeln eine Datenmanagementplattform für die riesige Menge an Daten, die bei Labor- und Feldmessungen gesammelt werden. Das Besondere daran ist die semantische Aufarbeitung der Daten, die dadurch viel besser integriert und durchsuchbar sind. Dabei werden sogar Informationen aus externen wissenschaftlichen Veröffentlichungen einbezogen. Darüber hinaus können die Daten zur Modellierung von Hydrodynamik oder Biodiversität verwendet werden. Das multidisziplinäre Team des Sonderforschungsbereichs AquaDiva arbeitet zusammen um neue Erkenntnisse über die Funktionsweise und den Erhalt unseres empfindlichen Grundwassers und Ökosystems zu gewinnen. [Musik]