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The Arctic ecosystem, a reservoir of genetic microbial diversity, represents a virtually unlimited source of microorganisms that could interact with human beings. Despite continuous exploration of Arctic habitats and description of their microbial communities, bacterial phenotypes commonly associated with pathogenicity, such as hemolytic activity, have rarely been reported. In this study, samples of snow, fresh and marine water, soil, and sediment from several habitats in the Arctic archipelago of Svalbard were collected during Summer, 2017. Bacterial isolates were obtained after incubation on oligotrophic media at different temperatures and their hemolytic potential was assessed on sheep blood agar plates. Partial (alpha) or true (beta) hemolysis was observed in 32 out of 78 bacterial species. Genes expressing cytolytic compounds, such as hemolysins, likely increase the general fitness of the producing microorganisms and confer a competitive advantage over the availability of nutrients in natural habitats. In environmental species, the nutrient-acquisition function of these compounds presumably precedes their function as toxins for mammalian erythrocytes. However, in the light of global warming, the presence of hemolytic bacteria in Arctic environments highlights the possible risks associated with these microorganisms in the event of habitat melting/destruction, ecosystem transition, and re-colonization.
With Arctic ground as a huge and temperature-sensitive carbon reservoir, maintaining low ground temperatures and frozen conditions to prevent further carbon emissions that contrib-ute to global climate warming is a key element in humankind’s fight to maintain habitable con-ditions on earth. Former studies showed that during the late Pleistocene, Arctic ground condi-tions were generally colder and more stable as the result of an ecosystem dominated by large herbivorous mammals and vast extents of graminoid vegetation – the mammoth steppe. Characterised by high plant productivity (grassland) and low ground insulation due to animal-caused compression and removal of snow, this ecosystem enabled deep permafrost aggrad-ation. Now, with tundra and shrub vegetation common in the terrestrial Arctic, these effects are not in place anymore. However, it appears to be possible to recreate this ecosystem local-ly by artificially increasing animal numbers, and hence keep Arctic ground cold to reduce or-ganic matter decomposition and carbon release into the atmosphere.
By measuring thaw depth, total organic carbon and total nitrogen content, stable carbon iso-tope ratio, radiocarbon age, n-alkane and alcohol characteristics and assessing dominant vegetation types along grazing intensity transects in two contrasting Arctic areas, it was found that recreating conditions locally, similar to the mammoth steppe, seems to be possible. For permafrost-affected soil, it was shown that intensive grazing in direct comparison to non-grazed areas reduces active layer depth and leads to higher TOC contents in the active layer soil. For soil only frozen on top in winter, an increase of TOC with grazing intensity could not be found, most likely because of confounding factors such as vertical water and carbon movement, which is not possible with an impermeable layer in permafrost. In both areas, high animal activity led to a vegetation transformation towards species-poor graminoid-dominated landscapes with less shrubs. Lipid biomarker analysis revealed that, even though the available organic material is different between the study areas, in both permafrost-affected and sea-sonally frozen soils the organic material in sites affected by high animal activity was less de-composed than under less intensive grazing pressure. In conclusion, high animal activity af-fects decomposition processes in Arctic soils and the ground thermal regime, visible from reduced active layer depth in permafrost areas. Therefore, grazing management might be utilised to locally stabilise permafrost and reduce Arctic carbon emissions in the future, but is likely not scalable to the entire permafrost region.
Organic matter characteristics in yedoma and thermokarst deposits on Baldwin Peninsula, west Alaska
(2018)
As Arctic warming continues and permafrost thaws, more soil and sedimentary organic matter (OM) will be decomposed in northern high latitudes. Still, uncertainties remain in the quality of the OM and the size of the organic carbon (OC) pools stored in different deposit types of permafrost landscapes. This study presents OM data from deep permafrost and lake deposits on the Baldwin Peninsula which is located in the southern portion of the continuous permafrost zone in west Alaska. Sediment samples from yedoma and drained thermokarst lake basin (DTLB) deposits as well as thermokarst lake sediments were analyzed for cryostratigraphical and biogeochemical parameters and their lipid biomarker composition to identify the below-ground OC pool size and OM quality of ice-rich permafrost on the Baldwin Peninsula. We provide the first detailed characterization of yedoma deposits on Baldwin Peninsula. We show that three-quarters of soil OC in the frozen deposits of the study region (total of 68 Mt) is stored in DTLB deposits (52 Mt) and one-quarter in the frozen yedoma deposits (16 Mt). The lake sediments contain a relatively small OC pool (4 Mt), but have the highest volumetric OC content (93 kgm(-3)) compared to the DTLB (35 kgm(-3)) and yedoma deposits (8 kgm(-3)), largely due to differences in the ground ice content. The biomarker analysis indicates that the OM in both yedoma and DTLB deposits is mainly of terrestrial origin. Nevertheless, the relatively high carbon preference index of plant leaf waxes in combination with a lack of a degradation trend with depth in the yedoma deposits indi-cates that OM stored in yedoma is less degraded than that stored in DTLB deposits. This suggests that OM in yedoma has a higher potential for decomposition upon thaw, despite the relatively small size of this pool. These findings show that the use of lipid biomarker analysis is valuable in the assessment of the potential future greenhouse gas emissions from thawing permafrost, especially because this area, close to the discontinuous permafrost boundary, is projected to thaw substantially within the 21st century.
The Mackenzie Delta (MD) is a permafrost-bearing region along the coasts of the Canadian Arctic which exhibits high sub-permafrost gas hydrate (GH) reserves. The GH occurring at the Mallik site in the MD is dominated by thermogenic methane (CH4), which migrated from deep conventional hydrocarbon reservoirs, very likely through the present fault systems. Therefore, it is assumed that fluid flow transports dissolved CH4 upward and out of the deeper overpressurized reservoirs via the existing polygonal fault system and then forms the GH accumulations in the Kugmallit-Mackenzie Bay Sequences. We investigate the feasibility of this mechanism with a thermo-hydraulic-chemical numerical model, representing a cross section of the Mallik site. We present the first simulations that consider permafrost formation and thawing, as well as the formation of GH accumulations sourced from the upward migrating CH4-rich formation fluid. The simulation results show that temperature distribution, as well as the thickness and base of the ice-bearing permafrost are consistent with corresponding field observations. The primary driver for the spatial GH distribution is the permeability of the host sediments. Thus, the hypothesis on GH formation by dissolved CH4 originating from deeper geological reservoirs is successfully validated. Furthermore, our results demonstrate that the permafrost has been substantially heated to 0.8-1.3 degrees C, triggered by the global temperature increase of about 0.44 degrees C and further enhanced by the Arctic Amplification effect at the Mallik site from the early 1970s to the mid-2000s.
Multi-year index-based insurance for adapting Water Utility Companies to hydrological drought
(2020)
The sustainability of water utility companies is threatened by non-stationary drivers, such as climate and anthropogenic changes. To cope with potential economic losses, instruments such as insurance are useful for planning scenarios and mitigating impacts, but data limitations and risk uncertainties affect premium estimation and, consequently, business sustainability. This research estimated the possible economic impacts of business interruption to the Sao Paulo Water Utility Company derived from hydrological drought and how this could be mitigated with an insurance scheme. Multi-year insurance (MYI) was proposed through a set of "change" drivers: the climate driver, through forcing the water evaluation and planning system (WEAP) hydrological tool; the anthropogenic driver, through water demand projections; and the economic driver, associated with recent water price policies adopted by the utility company during water scarcity periods. In our study case, the evaluated indices showed that MYI contracts that cover only longer droughts, regardless of the magnitude, offer better financial performance than contracts that cover all events (in terms of drought duration). Moreover, through MYI contracts, we demonstrate solvency for the insurance fund in the long term and an annual average actuarially fair premium close to the total expected revenue reduction.
Mountain ecosystems are commonly regarded as being highly sensitive to global change. Due to the system complexity and multifaceted interacting drivers, however, understanding current responses and predicting future changes in these ecosystems is extremely difficult. We aim to discuss potential effects of global change on mountain ecosystems and give examples of the underlying response mechanisms as they are understood at present. Based on the development of scientific global change research in mountains and its recent structures, we identify future research needs, highlighting the major lack and the importance of integrated studies that implement multi-factor, multi-method, multi-scale, and interdisciplinary research.
In den letzten drei Jahrzehnten wurden in einigen Seen und Feuchtgebieten in bewaldeten Einzugsgebieten Nordost-Brandenburgs sinkende Wasserstände beobachtet. In diesen Gebieten bestimmt die Grundwasserneubildung im Einzugsgebiet maßgeblich das Wasserdargebot der Seen und Feuchtgebiete, die deshalb hier als grundwasserabhängige Landschaftselemente bezeichnet werden. Somit weisen die sinkenden Wasserstände auf einen Rückgang der wegen des geringen Niederschlagsdargebotes ohnehin schon geringen Grundwasserneubildung hin. Die Höhe der Grundwasserneubildung ist neben den hydroklimatischen Randbedingungen auch von der Landnutzung abhängig. Veränderungen in der Waldvegetation und der hydroklimatischen Randbedingungen bewirken Änderungen der Grundwasserneubildung und beeinflussen somit auch den Wasserhaushalt der Seen und Feuchtgebiete. Aktuell wird die Waldvegetation durch Kiefernmonokulturen dominiert, mit im Vergleich zu anderen Baumarten höherer Evapotranspiration. Entwicklungen in der Forstwirtschaft streben die Verringerung von Kiefernmonokulturen an. Diese sollen langfristig auf geeigneten Standorten durch Laubmischwälder ersetzt werden. Dadurch lassen sich eine geringere Evapotranspiration und damit eine höhere Grundwasserneubildung erreichen. In der vorliegenden Arbeit werden am Beispiel des Redernswalder Sees und des Briesensees die Ursachen der beobachteten sinkenden Wasserstände analysiert. Ihre Wasserstände nahmen in den letzten 25 Jahren um mehr als 3 Meter ab. Weiterhin wird untersucht, wie die erwarteten Klimaänderungen und Veränderungen in der Waldbewirtschaftung die zukünftige Grundwasserneubildung und den Wasserhaushalt von Seen beeinflussen können. Die Entwicklung der Grundwasserneubildung im Untersuchungsgebiet wurde mit dem Wasserhaushaltsmodell WaSiM-ETH simuliert. Die Analyse der Wechselwirkungen der Seen mit dem regionalen quartären Grundwasserleitersystem erfolgte mit dem 3D-Grundwassermodell FEFLOW. Mögliche zukünftige Veränderungen der Grundwasserneubildung und der Seewasserstände durch Klimaänderungen und Waldumbau wurden mit Szenarienrechnungen bis zum Jahr 2100 analysiert. Die modellgestützte Analyse zeigte, dass die beobachteten abnehmenden Wasserstände zu etwa gleichen Anteilen durch Veränderungen der hydroklimatischen Randbedingungen sowie durch Veränderungen in der Waldvegetation und damit abnehmenden Grundwasserneubildungsraten zu erklären sind. Die zukünftigen Entwicklungen der Grundwasserneubildung und der Wasserstände sind geprägt von sich ändernden hydroklimatischen Randbedingungen und einem sukzessiven Wandel der Kiefernbestände zu Laubwäldern. Der Waldumbau hat positive Wirkungen auf die Grundwasserneubildung und damit auf die Wasserstände. Damit können die Einflüsse des eingesetzten REMO-A1B-Klimaszenarios zum Ende des Modellzeitraumes durch den Waldumbau nicht kompensiert werden, das Sinken des Wasserstandes wird jedoch wesentlich reduziert. Bei dem moderateren REMO-B1-Klimaszenario werden die Wasserstände des Jahres 2008 durch den Waldumbau bis zum Jahr 2100 überschritten.
Model-Based attribution of high-resolution streamflow trends in two alpine basins of Western Austria
(2017)
Several trend studies have shown that hydrological conditions are changing considerably in the Alpine region. However, the reasons for these changes are only partially understood and trend analyses alone are not able to shed much light. Hydrological modelling is one possible way to identify the trend drivers, i.e., to attribute the detected streamflow trends, given that the model captures all important processes causing the trends. We modelled the hydrological conditions for two alpine catchments in western Austria (a large, mostly lower-altitude catchment with wide valley plains and a nested high-altitude, glaciated headwater catchment) with the distributed, physically-oriented WaSiM-ETH model, which includes a dynamical glacier module. The model was calibrated in a transient mode, i.e., not only on several standard goodness measures and glacier extents, but also in such a way that the simulated streamflow trends fit with the observed ones during the investigation period 1980 to 2007. With this approach, it was possible to separate streamflow components, identify the trends of flow components, and study their relation to trends in atmospheric variables. In addition to trends in annual averages, highly resolved trends for each Julian day were derived, since they proved powerful in an earlier, data-based attribution study. We were able to show that annual and highly resolved trends can be modelled sufficiently well. The results provide a holistic, year-round picture of the drivers of alpine streamflow changes: Higher-altitude catchments are strongly affected by earlier firn melt and snowmelt in spring and increased ice melt throughout the ablation season. Changes in lower-altitude areas are mostly caused by earlier and lower snowmelt volumes. All highly resolved trends in streamflow and its components show an explicit similarity to the local temperature trends. Finally, results indicate that evapotranspiration has been increasing in the lower altitudes during the study period.
The Arctic is considered as a focal region in the ongoing climate change debate. The currently observed and predicted climate warming is particularly pronounced in the high northern latitudes. Rising temperatures in the Arctic cause progressive deepening and duration of permafrost thawing during the arctic summer, creating an ‘active layer’ with high bioavailability of nutrients and labile carbon for microbial consumption. The microbial mineralization of permafrost carbon creates large amounts of greenhouse gases, including carbon dioxide and methane, which can be released to the atmosphere, creating a positive feedback to global warming. However, to date, the microbial communities that drive the overall carbon cycle and specifically methane production in the Arctic are poorly constrained. To assess how these microbial communities will respond to the predicted climate changes, such as an increase in atmospheric and soil temperatures causing increased bioavailability of organic carbon, it is necessary to investigate the current status of this environment, but also how these microbial communities reacted to climate changes in the past. This PhD thesis investigated three records from two different study sites in the Russian Arctic, including permafrost, lake shore and lake deposits from Siberia and Chukotka. A combined stratigraphic approach of microbial and molecular organic geochemical techniques were used to identify and quantify characteristic microbial gene and lipid biomarkers. Based on this data it was possible to characterize and identify the climate response of microbial communities involved in past carbon cycling during the Middle Pleistocene and the Late Pleistocene to Holocene. It is shown that previous warmer periods were associated with an expansion of bacterial and archaeal communities throughout the Russian Arctic, similar to present day conditions. Different from this situation, past glacial and stadial periods experienced a substantial decrease in the abundance of Bacteria and Archaea. This trend can also be confirmed for the community of methanogenic archaea that were highly abundant and diverse during warm and particularly wet conditions. For the terrestrial permafrost, a direct effect of the temperature on the microbial communities is likely. In contrast, it is suggested that the temperature rise in scope of the glacial-interglacial climate variations led to an increase of the primary production in the Arctic lake setting, as can be seen in the corresponding biogenic silica distribution. The availability of this algae-derived carbon is suggested to be a driver for the observed pattern in the microbial abundance. This work demonstrates the effect of climate changes on the community composition of methanogenic archae. Methanosarcina-related species were abundant throughout the Russian Arctic and were able to adapt to changing environmental conditions. In contrast, members of Methanocellales and Methanomicrobiales were not able to adapt to past climate changes. This PhD thesis provides first evidence that past climatic warming led to an increased abundance of microbial communities in the Arctic, closely linked to the cycling of carbon and methane production. With the predicted climate warming, it may, therefore, be anticipated that extensive amounts of microbial communities will develop. Increasing temperatures in the Arctic will affect the temperature sensitive parts of the current microbiological communities, possibly leading to a suppression of cold adapted species and the prevalence of methanogenic archaea that tolerate or adapt to increasing temperatures. These changes in the composition of methanogenic archaea will likely increase the methane production potential of high latitude terrestrial regions, changing the Arctic from a carbon sink to a source.
Die Elbe und ihr Einzugsgebiet sind vom Klimawandel betroffen. Um die Wirkkette von projizierten Klimaveränderungen auf den Wasserhaushalt und die daraus resultierenden Nährstoffeinträge und -frachten für große Einzugsgebiete wie das der Elbe zu analysieren, können integrierte Umweltmodellsysteme eingesetzt werden. Fallstudien, die mit diesen Modellsystemen ad hoc durchgeführt werden, repräsentieren den Istzustand von Modellentwicklungen und -unsicherheiten und sind damit statisch.
Diese Arbeit beschreibt den Einstieg in die Dynamisierung von Klimafolgenanalysen im Elbegebiet. Dies umfasst zum einen eine Plausibilitätsprüfung von Auswirkungsrechnungen, die mit Szenarien des statistischen Szenariengenerators STARS durchgeführt wurden, durch den Vergleich mit den Auswirkungen neuerer Klimaszenarien aus dem ISI-MIP Projekt, die dem letzten Stand der Klimamodellierung entsprechen. Hierfür wird ein integriertes Modellsystem mit "eingefrorenem Entwicklungsstand" verwendet. Die Klimawirkungsmodelle bleiben dabei unverändert. Zum anderen wird ein Bestandteil des integrierten Modellsystems – das ökohydrologische Modell SWIM – zu einer "live"-Version weiterentwickelt. Diese wird durch punktuelle Testung an langjährigen Versuchsreihen eines Lysimeterstandorts sowie an aktuellen Abflussreihen validiert und verbessert.
Folgende Forschungsfragen werden bearbeitet: (i) Welche Effekte haben unterschiedliche Klimaszenarien auf den Wasserhaushalt im Elbegebiet und ist eine Neubewertung der Auswirkung des Klimawandels auf den Wasserhaushalt notwendig?, (ii) Was sind die Auswirkungen des Klimawandels auf die Nährstoffeinträge und -frachten im Elbegebiet sowie die Wirksamkeit von Maßnahmen zur Reduktion der Nährstoffeinträge?, (iii) Ist unter der Nutzung (selbst einer sehr geringen Anzahl) verfügbarer tagesaktueller Witterungsdaten in einem stark heterogenen Einzugsgebiet eine valide Ansprache der aktuellen ökohydrologischen Situation des Elbeeinzugsgebiets möglich?
Die aktuellen Szenarien bestätigen die Richtung, jedoch nicht das Ausmaß der Klimafolgen: Die Rückgänge des mittleren jährlichen Gesamtabflusses und der monatlichen Abflüsse an den Pegeln bis Mitte des Jahrhunderts betragen für das STARS-Szenario ca. 30 %. Die Rückgänge bei den auf dem ISI-MIP-Szenario basierenden Modellstudien liegen hingegen nur bei ca. 10 %. Hauptursachen für diese Divergenz sind die Unterschiede in den Niederschlagsprojektionen sowie die Unterschiede in der jahreszeitlichen Verteilung der Erwärmung. Im STARS-Szenario gehen methodisch bedingt die Niederschläge zurück und der Winter erwärmt sich stärker als der Sommer. In dem ISI-MIP-Szenario bleiben die Niederschläge nahezu stabil und die Erwärmung im Sommer und Winter unterscheidet sich nur geringfügig.
Generell nehmen die Nährstoffeinträge und -frachten mit den Abflüssen in beiden Szenarien unterproportional ab, wobei die Frachten jeweils stärker als die Einträge zurückgehen. Die konkreten Effekte der Abflussänderungen sind gering und liegen im einstelligen Prozentbereich. Gleiches gilt für die Unterschiede zwischen den Szenarien. Der Effekt von zwei ausgewählten Maßnahmen zur Reduktion der Nährstoffeinträge und -frachten unterscheidet sich bei verschiedenen Abflussverhältnissen, repräsentiert durch unterschiedliche Klimaszenarien in unterschiedlich feuchter Ausprägung, ebenfalls nur geringfügig.
Die Beantwortung der ersten beiden Forschungsfragen zeigt, dass die Aktualisierung von Klimaszenarien in einem ansonsten "eingefrorenen" Verbund von ökohydrologischen Daten und Modellen eine wichtige Prüfoption für die Plausibilisierung von Klimafolgenanalysen darstellt. Sie bildet die methodische Grundlage für die Schlussfolgerung, dass bei der Wassermenge eine Neubewertung der Klimafolgen notwendig ist, während dies bei den Nährstoffeinträgen und -frachten nicht der Fall ist.
Die zur Beantwortung der dritten Forschungsfrage mit SWIM-live durchgeführten Validierungsstudien ergeben Diskrepanzen am Lysimeterstandort und bei den Abflüssen aus den Teilgebieten Saale und Spree. Sie lassen sich zum Teil mit der notwendigen Interpolationsweite der Witterungsdaten und dem Einfluss von Wasserbewirtschaftungsmaßnahmen erklären. Insgesamt zeigen die Validierungsergebnisse, dass schon die Pilotversion von SWIM-live für eine ökohydrologische Ansprache des Gebietswasserhaushaltes im Elbeeinzugsgebiet genutzt werden kann. SWIM-live ermöglicht eine unmittelbare Betrachtung und Beurteilung simulierter Daten. Dadurch werden Unsicherheiten bei der Modellierung direkt offengelegt und können infolge dessen reduziert werden. Zum einen führte die Verdichtung der meteorologischen Eingangsdaten durch die Verwendung von nun ca. 700 anstatt 19 Klima- bzw. Niederschlagstationen zu einer Verbesserung der Ergebnisse. Zum anderen wurde SWIM-live beispielhaft für einen Zyklus aus punktueller Modellverbesserung und flächiger Überprüfung der Simulationsergebnisse genutzt.
Die einzelnen Teilarbeiten tragen jeweils zur Dynamisierung von Klimafolgenanalysen im Elbegebiet bei. Der Anlass hierfür war durch die fehlerhaften methodischen Grundlagen von STARS gegeben. Die Sinnfälligkeit der Dynamisierung ist jedoch nicht an diesen konkreten Anlass gebunden, sondern beruht auf der grundlegenden Einsicht, dass Ad-hoc-Szenarienanalysen immer auch pragmatische Vereinfachungen zugrunde liegen, die fortlaufend überprüft werden müssen.