Department of Environmental Sciences

Soil is a critical storage pool for carbon in Earth’s surface. How carbon cycling will change in soils as a result of anthropogenic climate forcing remains unclear, in part because of limited mechanistic understanding of how microbial metabolism and diversity combine to affect carbon portioning between microbial biomass and respiration (known as carbon use efficiency or CUE). In central Europe, increased drought frequency and intensity is likely to impact carbon cycling and CUE in soils in the near future, due to changes in the availability of organic matter as moisture content decreases, and to changes in the composition of organic matter input from plants. To improve our process-based understanding of how carbon cycling will change in the soils of central European forests under drought, I propose to develop and apply a novel tool to quantify changes in the central carbon metabolism of soil microbial communities, based on compound-specific hydrogen isotope measurements of phospholipid-derived fatty acids (PLFAs), which are contained in the lipid membranes of living microbes.

Studies with cultured microbes have demonstrated that the hydrogen isotope composition of lipids is highly sensitive to central metabolism, with lipids produced from tricarboxylic acid cycle precursors and intermediates having d²H values that are up to 250 ‰ higher than those from sugar-based metabolisms. Lipid d²H values thus have great potential as indicators of the activity of central metabolic pathways, but have thus far only been employed in aquatic settings and microbial mats, not in soils.

In DRIER, I will initially test the suitability of d²H values of PLFAs as a proxy for net soil microbial metabolism through a series of increasingly complex laboratory experiments beginning with simple co-cultures inoculated with two model bacterial species and progressing to small mesocosms of natural microbiomes from local forest soils. I will then conduct several larger soil mesocosm experiments, evaluating how the metabolism and substrates used by different microbial groups change under drought, and how these changes are influenced by the presence of living plant roots or leaf litter additions. In addition to measuring d²H values of PLFAs from these mesocosms, I will characterize changes in the quality of soil organic matter and the abundance of specific metabolites through high-resolution mass spectrometry, changes in the microbial community composition through 16S amplicon sequencing, and changes in microbial gene expression through metatranscriptomic analyses. Finally, I will determine how soil microbial metabolism changes during a long-term water exclusion experiment in a natural forest at the Swiss Canopy Crane II site in Hölstein, BL. I will collect soil cores at multiple time points from drought and control plots and apply the approach developed in the soil mesocosms to assess shifts in microbial metabolism in response to sustained, multi-year droughts and place these shifts in the context of long-term changes is soil respiration and CUE. I will also conduct full metagenomic analyses from the soil cores to determine how long-term drought affects overall soil microbial community structure, and how this impacts the overall CUE potential of soils over time. Through this cutting-edge, combined multi-omics approach, DRIER will reveal unique insights about the interactions of soil organic matter and microbial metabolism during drought in central European forests and will likely establish PLFA d²H values as a novel, integrated proxy for central metabolism in soil microbes at the community level.

Im Sommer trocknen verschiedene kleine und mittlere Fliessgewässer im Kanton Basel-Landschaft aus. Als Folge des Klimawandels ist zu erwarten, dass Trockenperioden länger und häufiger auftreten und sich die Auswirkungen von Wasserentnahmen noch verschärfen. So konnten entlang der Ergolz bereits beobachtet werden, dass auch die Grundwasserentnahme für die Wasserversorgung den Abfluss von Oberflächenwasser beeinflussen können.

Fliessgewässer stehen in Wechselwirkung mit dem Grundwasser, so existieren entlang von Wasserläufen Bereiche, in denen Flusswasser in den Grundwasserleiter infiltriert, und solche, in denen Grundwasser in das Oberflächengewässer exfiltriert. Vor allem wenn im Sommer mehr Grundwasser entnommen wird, und der Grundwasserspiegel sinkt, kann sich dies auf den Abfluss in den Wasserläufen auswirken. So schreibt das Wasserschutzrecht vor, dass dem Grundwasser nicht mehr Wasser entnommen werden darf, als ihm natürlicherweise zufliesst. Es darf auch nicht so viel Wasser aus einem Grundwasserleiter entnommen werden, dass der Wasserlauf beeinträchtigt wird.

Um diese Auswirkungen abzumildern, sind geeignete betriebliche Massnahmen oder auch Massnahmen zur Wasserrückhaltung erforderlich. So könnten z.B. ein ausgeglichenes Pumpenregime im Laufe des Tages in geringeren Absenkungen des Grundwassers resultieren. Möglich ist auch das Festlegen von Grundwasserständen unterhalb derer im Falle einer Trockenperiode kein Wasser mehr entnommen werden darf. Ein solcher Schwellenwert kann z.B. dem Grundwasserstand entsprechen, der erforderlich ist, um eine gewünschte Wassermenge im Fluss zu erhalten. Eine Möglichkeit, um einerseits das Grundwasserdargebot in Trockenperioden zu erhöhen und dem Trockenfallen der betroffenen Fliessgewässer entgegenzuwirken, ist die künstliche Grundwasseranreicherung der betroffenen Talgrundwasserleiter (Managed Aquifer Recharge MAR). Dabei könnte der Grundwasserspiegel durch die künstliche Infiltration von Oberflächenwasser so angehoben werden, dass dieser hydraulisch höher liegt als das Fliessgewässer, und damit Grundwasser in das Oberflächengewässer exfiltrieren kann (Managed Surface Water Recharge MSWR). Die künstliche Grundwasseranreicherung soll dabei bei Mittel- und Hochwasserabfluss (im Winter und den Übergangsjahreszeiten) stattfinden, während sommerlicher Niedrigwasserperioden könnte dann vergleichsweise «kühles» Grundwasser in die Fliessgewässer exfiltrieren. Neben einer quantitativen Optimierung, einschliesslich einer Erhöhung des Grundwasserdargebots und der Grundwasserexfiltration während Niedrigwasserperioden, würde auch eine ökologische Aufwertung von Flussabschnitten (Massnahme bzgl. Hitzestress) erzielt.

Für den Pilotstandort im Bereich der Wüeri östlich von Sissach wurde ein Oberflächen- und Grundwasserbeobachtungssysteme aufgebaut (insgesamt 9 Grundwassermessstellen und 3 Pegelmessungen in den Oberflächengewässern Ergolz und Homburgerbach). Gegenwärtig wird ein Grundwasser- und Wärmetransportmodell aufgebaut und parametrisiert. Anschliessend werden nach einer Kalibrierung sowie Validierung des Modells für den Pilotstandort Modellszenarien und Feldversuche formuliert. Mittels Modellszenarien sollen die oben aufgeführten hydraulischen Bedingungen (kontinuierlicher Betrieb und hydraulische Schwellenwerte) als auch MAR-MSWR-Konzepte untersucht werden. Gegenwärtig werden auch in Zusammenarbeit mit der Scherrer AG Abflussmessungen in der Ergolz bei Niedrigwasser vorgenommen, welche eine weitere Validierung der Modelle erlauben.

The ICDP-funded Bushveld Drilling Project (BVDP) aims to generate a continuous vertical stratigraphic sequence of the mineral and resources-rich Bushveld Igneous Complex (BIC) in South Africa. Within this framework, a specific focus is directed towards gathering water-related data, aimed at enhancing the understanding of deep groundwater systems in relation to water and energy security. The present project complements the already ongoing and funded collaborative activities between the Hydrogeology group of UniBas, the main partner's group at University of the Free State, and the BVDP, via the addition of state-of-the-art measurements of radio-noble gases dissolved in water. The determination of the radio-noble gas isotope concentrations of ³⁹Ar, ³⁷Ar, ⁸⁵Kr, and ⁸¹Kr, alongside the already planned analyses of classic environmental tracers [i.e., stable water isotopes (∂¹⁸O, ∂²H), atmospheric noble gas concentrations (He, Ar, Kr, Xe), and other ratio isotopes (³H,³He, and ⁴He)] will allow the characterization (i) of the residence times and flow dynamics of the suspected hundreds-of-thousands- to millions-of-years old deep groundwater, which in turn enables the assessment of the spatial extents and hydraulic properties of the different lithological units in the BIC, (ii) of the origins of suspected large amounts of dissolved CH₄, which in turn enables assessment of the potential for using CH₄ from the BIC for sustainable energy production, and (iii) enable estimating the quantity, quality, and vulnerability of groundwater and therefore the suitability for using it as a drinking water source.

Die Schweizerisch-Liechtensteinische Stiftung für archäologische Forschungen im Ausland (SLSA) hat 2023 ein marokkanisch-schweizerisch-deutsches Team bei der Durchführung ethnoarchäologischer Forschungen zu Marktplätzen unterstützt. Ziel dieser Arbeiten war es, auf zwei aktiven traditionellen Wochenmärkten sowie auf einem Viehmarkt im Atlasgebirge (Marokko) Vergleichsdaten zu sammeln, die dabei helfen sollen, Marktplätze aus früheren Epochen archäologisch zu identifizieren und besser zu verstehen.

Im Auftrag der Flughafen Zürich AG und in Zusammenarbeit mit der Geo Explorers AG führt die AUG durchflusszytometrische Messungen für einen Testbrunnen am Flughafen Zürich durch. Im Rahmen des Projekts «Geothermische Energie für den Flughafen Zürich» und der Untersuchung des Untergrunds für geothermische Speicheranwendungen wird kontinuierlich mit unserem Online-Durchflusszytometer BactoSense gemessen. Ziel ist es, die Mikrobiologie des Tiefengrundwassers und ihren Zusammenhang mit der Grundwassernutzung zu erforschen.

Eine hydrogeologische Modellierung des Grundwasserkörpers entlang der Vorderen Frenke unterhalb der ARA Frenke 2 in Niederdorf soll als Grundlage für die Ausarbeitung von Massnahmen zur künstlichen Grundwasseranreicherung der Talgrundwasserleiter (Managed Aquifer Recharge – MAR & Managed Surface Water Recharge – MSWR) dienen.

Im Dezember 2024 wurden die Oberflächen- und Grundwasserüberwachungssysteme (insgesamt 7 Standorte) fertiggestellt und an 5 Standorten neue Bohrlöcher gebohrt und mit Messsystemen ausgestattet. Zusammen mit zwei Messsystemen in der Vorderen Frenke kann somit der Gradient zwischen dem Oberflächengewässer und dem Grundwasser bestimmt werden (Einfluss auf In- bzw. Exfiltration). Mit den Informationen der Bohrungen können die Modellgeometrien erstellt und mit dem Vorliegen eines ausreichenden Datensatzes ein Grundwasser- und Wärmetransportmodell parametrisiert werden. Anschliessend werden Modellszenarien der Grundwasseranreicherung definiert und berechnet sowie für die Verifizierung der Modellierungen und auf Grundlage der ersten Modellierungsergebnisse Feldversuche durchgeführt. Welche Standorte für Feldversuche sich am besten eignen, lässt sich auf Grundlage der ersten Modellierungsergebnisse eruieren. Mögliche Feldversuche können, zur Ermittlung von Grundwasserfliesszeiten, die Durchführung von Markierversuchen und, zur Erfassung von Grundwasser-Aufstössen, Temperaturmessungen im Uferbereich von ausgewählten Segmenten der Vorderen Frenke umfassen. Grundwasserfliesszeiten, welche vorgängig anhand eines Markierversuchs ermittelt wurden, fliessen im Rahmen der Validierung in das Modell mit ein (evtl. Nachkalibrierung).

Untersuchung von Tierknochen aus Brandgräbern

80% of Switzerland's drinking water is originating from groundwater. Climate change-induced droughts and increased demand for irrigation put groundwater under considerable pressure and cause widespread concern. In 2021, two popular initiatives were launched to protect groundwater and 2 parliamentary motions concerning groundwater were accepted in 2022/23. Now, for more than 3000 wells capture zones have to be delineated until 2035, and 4000km of rivers have to be restored within the next 70 years. Groundwater modelling plays an important role in tackling these challenges. However, the robustness of the current modelling practice is undermined by the poor characterisation of the subsurface, the computational challenges to jointly simulate surface- and groundwater and by the large resulting uncertainties. Consequently, stakeholders have to deal with complex issues but cannot fully exploit the potential of modelling to help them make relevant decisions.

In this project, we are addressing these shortcomings by (1) Employing cutting-edge mass-spectrometry technology to expand the available tracer methods with non-toxic gas tracers injected into the subsurface. This will greatly expand the spatial and temporal scales of available tracer methods and open new pathways to subsurface characterisation. (2) Building on the latest generation of integrated surface-subsurface hydrological models (ISSHM). This will allow joint consideration of the surface, the subsurface, and the operational infrastructure. Through the direct simulation of tracers, the model calibration is also far more robust and unique. (3) Providing the technological and computational means for real-time data assimilation in ISSHMs. This will guarantee that the model is always close to the real system state and thus can be continuously used to support operational decision-making. We have demonstrated the technical feasibility of all of these developments in our previous work.

This BRIDGE Discover project allows us to move this fundamental research to an operational level by collaborating among the three institutions through 12 coordinated work packages. In close collaboration with the relevant stakeholders, we develop and assess the efficiency of our hydrogeological service for two pilot studies: one to increase the efficiency of irrigation for agriculture, and the second one to predict the influence of a renaturation on well capture zones.