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Funktion und Struktur subsystemspezifischer mikrobieller Gemeinschaften im Benthos der südlichen und zentralen Nordsee und deren Rolle in Stoff- und Energieaustauschprozessen

Aktuelle Modelle zur Beschreibung benthischer Prozesse in der Nordsee behandeln nur unvollständige Ausschnitte aus dem Gesamtsystem. Dies ist auf eine nur lückenhafte Kenntnis über die im Benthos ablaufenden Prozesse zurückzuführen. Im beantragten Forschungsvorhaben soll die strukturelle und funktionelle Charakterisierung benthischer mikrobieller Gemeinschaften in verschiedenen durch die Markofauna definierten Subsysteme der südlichen und zentralen Nordsee (Deutsche Bucht, Niederländische Küste, Oyster Ground, Doggerbank, östliche Nordsee, Skagerrak und Kattegat) untersucht werden. Zum Verständnis benthischer Prozesse soll zusätzlich der qualitative und quantitative Eintrag von organischem Material sowie dessen Umsetzung im System betrachtet werden. Durch parallele Untersuchungen der Makrofaunastruktur (Dr. I. Kröncke, Forschungsinstitut Senckenberg) werden Aufschlüsse über die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Größenklassen und deren Rolle am Transfer von organischem Material in den einzelnen Subsystemen erwartet. Aus dem Zusammenhang von Struktur und Funktion komplexer Gemeinschaften, die in diesem Umfang bislang noch nicht in der Nordsee untersucht wurden, werden Hinweise auf die Bedeutung verschiedenen benthischer Systeme für den Stoff- und Energieaustausch erwartet. Daher können die aus dem beantragten Forschungsvorhaben erwarteten Ergebnisse maßgeblich zum Verständnis benthischer Prozesse beitragen und der Modellierung zugeführt werden. Hauptauftragnehmer im Ausland: University Northeastern Boston; Boston.

Nachhaltige Entwicklung der Bundeswasserstraßen, Integriertes Flussauenmodell INFORM

Flussauen mit ihrem typischen Muster von unterschiedlichen Lebensräumen sind in Mitteleuropa stark gefährdet. Die Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) hat daher das Integrierte Flussauenmodell INFORM (Integrated Floodplain Response Model) für den Einsatz an Bundeswasserstraßen erstellt, mit dem ökologische Modellierungen durchgeführt werden können. Das modular aufgebaute Modellsystem INFORM verknüpft hydrologische, hydraulische, morphologische und bodenkundliche Modelltechniken mit ökologischen Modellen. Dabei werden vor allem sogenannte Lebensraumeignungsmodelle (Habitatmodelle) angewendet. Solche Modelle beschreiben die potentielle Eignung eines Standortes als Lebensraum für bestimmte Arten und / oder Artengruppen anhand der Ausprägung mehrerer abiotischer Standortparameter. Die Bearbeitung folgt prinzipiell dem Wirkungspfad Abfluss - Flusswasser - Grundwasser - Boden - Biotik unter Berücksichtigung morphologischer Einflüsse, des direkten Einflusses der Überflutung und der (landwirtschaftlichen) Nutzung. Die Bewertung der prognostizierten Veränderungen erfolgt an Hand von Gesetzen und Verordnungen und beinhaltet auch die Auswirkungen des menschlichen Handelns.

Die Funktion von Bodenmikroorganismen bei der Mineralisierung und Stabilisierung der organischen Substanz in Mikrohabitaten

Das Ziel dieses Projektes ist es, die Funktion von Bodenmikroorganismen für die Mineralisierung von organischen Substanzen an der Grenzfläche zwischen Boden und Streustoffen zu ermitteln. Mikrokosmos-Experimente im Labor sollen den Zusammenhang zwischen der Sukzession von mikrobiellen Lebensgemeinschaften, der Substratverfügbarkeit an der Grenzfläche zwischen Streu und Boden und der Produktion von Bodenenzymen, die für den Abbau von organischen Verbindungen verantwortlich sind klären. Ein besonderer Schwerpunkt soll darauf gelegt werden, den Zusammenhang zwischen Lokalisation und Funktion der Bodenorganismen in ihrem Habitat zu erfassen. Die Übertragbarkeit der in den Laborexperimenten gewonnenen Daten auf die Situation im Freiland soll durch die Untersuchung der kleinräumigen Variabilität bodenmikrobiologischer Prozesse im Freiland (jeweils zwei ackerbauliche und zwei forstlich genutzte Standorte) überprüft werden.

Zyklische Redoxreaktionen organischer Kohlenstoffverbindungen in Binnengewässern

Das vorliegende Forschungsprojekt zielt auf die Verknüpfung zweier, bisher als unabhängig angesehener, aquatischer Transport- und Transformationsprozesse:(a) In tiefen Gewässern können sich Wasserkörper unterschiedlicher Dichte stabil übereinander schichten. Die dort ablaufenden Umsatzprozesse werden so räumlich entkoppelt und es kommt zur Bildung einer aquatischen Grenzzone. Bei deren Durchtritt können sich physikochemische Parameter, wie etwa die Sauerstoffverfügbarkeit, abrupt ändern.(b) Die Verfügbarkeit des Elektronen-Akzeptors Sauerstoff entscheidet über die Reaktionspfade, auf denen aquatische Mikroorganismen Energie gewinnen. Unter Ausschluss von Sauerstoff können sie gelöstes organisches Material als alternativen Elektronen-Akzeptor nutzen. Die Elektronen werden von redox-aktiven Verbindungen innerhalb des organischen Materials (Quinone) aufgenommen die daraufhin antioxidativ, also empfindlich auf Änderungen der Sauerstoffverfügbarkeit reagieren. Die hohe räumliche- und zeitliche Dynamik aquatischer Grenzzonen in Binnengewässern haben zur Folge, dass antioxidatives organisches Material vom sauerstoffarmen in sauerstoffreiche Wasserkörper transportiert werden kann. Die dort rasch ablaufende Re Oxidation macht gelöstes organisches Material daher zu einem vollständig regenerierbaren Elektronenakzeptorsystem. Mikrobielle Konsortien, die ihre Energiegewinnung an diesen zyklisch regenerierten organischen Elektronenakzeptor koppeln, könnten einen entscheidenden Beitrag zum Kohlenstoffumsatz in aquatischen Grenzzonen leisten. Mikroorganismen beeinflussen maßgeblich, zu welchem Anteil umgesetztes organisches Material als Kohlendioxid oder als Methan in die Atmosphäre entweicht oder stattdessen dem Kohlenstoffkreislauf durch Sedimentation entzogen wird. Da Grenzzonen durch überproportional hohe Reaktionsraten und Biodiversität gekennzeichnet sind, ist die Kenntnis der dort ablaufenden Material- und Energieflüsse von großer Bedeutung für das grundlegende Verständnis des Kohlenstoffumsatzes in Binnengewässern. Die Binnenseen der borealen Zone haben großen Anteil an den globalen Süßwasservorräten und sind durch zukünftig steigende Frachten terrestrischen organischen Kohlenstoffs gefährdet. Das beantragte Forschungsprojekt hat daher zum Ziel, durch Prozessstudien auf verschiedenen Skalen und mechanistische Modellierung einen wichtigen Beitrag zu einem besseren Verständnis der Rolle organischen Materials als Elektronendonor und -akzeptor in diesen dynamischen Ökosystemen zu leisten.

Klima-, Meeresspiegel- und Ökosystementwicklung in triassischen und jurassischen Sauerstoffmangelsystemen

Im Rahmen des SFB 275 (Universität Tübingen) wurden innerhalb der ersten Antragsphase (1995-1997) die Schwarzschiefer des Unteren Toarciums SW-Deutschlands bearbeitet. In der zweiten Antragsphase (1998-2000) wurde/wird die Schwarzschiefer-Genese in verschiedenen Ablagerungsmilieus unterschiedlicher Zeitscheiben untersucht. Eine Förderung von weiteren zwei Jahren wird beantragt, um die Datenbasis stratigraphisch zu erweitern und ein Synthese-Modell für die Schwarzschieferbildung in Trias und Jura zu erarbeiten.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1374: Biodiversitäts-Exploratorien; Exploratories for Long-Term and Large-Scale Biodiversity Research (Biodiversity Exploratories), Teilprojekt: Resilienz der Invertebratengemeinschaften in Grünlandböden

Den Ausgangspunkt für RESOILIENCE bildet das Konzept der Resilienz als Voraussetzung für die Entwicklung nachhaltiger Managementstrategien. Vor diesem Hintergrund sollen die bislang völlig unbekannten Mechanismen der Resilienz und Resistenz von Bodentiergemeinschaften erforscht werden. Wesentliche Ziele sind: (1) die Eröffnung innovativer Wege zum wissenschaftlichen Verständnis struktureller und funktioneller Reaktionen der Bodenfauna auf Management-bedingte Störungen, und (2) die Analyse grundlegender Prozesse, welche die Strukturierung von Invertebratengemeinschaften unter den variablen Umweltbedingungen im Boden steuern. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf das Spektrum der Managementintensitäten, die auf den Grünlandflächen der DFG Biodiversitätsexploratorien auftreten. Dies bietet die einmalige Chance für eine großflächige Langzeituntersuchung, weil wir so die Ergebnisse unserer Freilanderfassungen aus den Jahren 2009 und 2011 mit den Ergebnissen einer erneuten Erfassung, die für das Jahr 2018 geplant ist, vergleichen können. Aufwändige Feld- und Mikrokosmos-Experimente zur gezielten Analyse wichtiger Aspekte der Erholung nach Bodenstörungen dienen der Spezifizierung, Generalisierung und Validierung der Befunde aus den Freilanduntersuchungen. Der für RESOILIENCE entwickelte konzeptionelle Rahmen basiert auf drei Bausteinen: Merkmalsbasierte Assembly Analyse, die Ergän-zung störungsbedingter Assembly-Prozesse um die zeitliche Dimension ('successional assembly') und Transient Population Dynamics. Die wesentlichen Messgrößen umfassen nahezu alle Taxa der Bodenfauna (überwiegend auf Artniveau), Struktur des Bodennahrungsnetzes, Isotopensignatur der Konsumenten, Bodenprozesse (z.B. Spurengasfreisetzung, C- und N-Umsatz) und mikrobielle Parameter (PLFA). Ein inhärentes Ziel ist es, die Möglichkeiten, die sich aus dem beispiellosen Datensatz von RESOILIENCE ergeben, für die Weiterentwicklung statistischer Verfahren und Messgrößen zur Analyse biologischer Erholungsprozesse im Boden zu nutzen.

Spatial Modelling in Ecology with Special Focus on Biodiversity

Sonderforschungsbereich (SFB) 1076: Forschungsverbund zum Verständnis der Verknüpfungen zwischen der oberirdischen und unterirdischen Biogeosphäre, Teilprojekt A03: Reaktion der mikrobiellen Gemeinschaft auf den Eintrag von Oberflächensignalen in Grundwässer des Hainich CZE

Dieses Projekt erforscht die Bedeutung von Chemolithoautotrophie und Oberflächeneintrag als Quellen von reduziertem Kohlenstoff für die mikrobielle Gemeinschaft in den Hainich-Aquiferen mittels Mikrokosmen-Experimenten. Basierend auf Raman-Mikrospektroskopie in Kombination mit Isotopenmarkierungs-Experimenten wird eine neue Methode zur Hochdurchsatzsortierung von Zellen etabliert um metabolisch aktive mikrobielle Subpopulationen zu isolieren. Mittels Metagenomanalyse kann dann gezielt deren Rolle in den biogeochemischen Kreisläufen im Grundwasser untersucht werden.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1158: Antarctic Research with Comparable Investigations in Arctic Sea Ice Areas; Bereich Infrastruktur - Antarktisforschung mit vergleichenden Untersuchungen in arktischen Eisgebieten, Artbildung und Anpassung antarktischer Asselspinnen: Bewertung des Einflusses genetischer Drift und natürlicher Selektion durch vergleichende populationsgenomische und morphologische Analysen

Die Erforschung von Artbildungs- und Anpassungsprozessen ist zentral, um zu verstehen, wie Biodiversität entsteht und auf wechselnde Umweltbedingungen reagiert.. Ein idealer Ort für solche Studien ist das Südpolarmeer: Es beherbergt eine reiche und hochgradig endemische Fauna. Neuere Studien zeigen, dass viele benthische Arten aus Gruppen von genetisch distinkten Kladen bestehen, die als früher übersehene Arten pleistozänen Ursprungs interpretiert werden. Diese kryptischen Arten können durch molekulare Methoden (z. B. DNA-Barcoding) und z.T. auch durch morphologische Analysen unterschieden werden. Es wird angenommen, dass die Artbildung per Zufall erfolgte, als ehemals große Populationen während glazialer Maxima in kleinen allopatrischen Refugien isoliert wurden, wo sie starker genetischer Drift ausgesetzt waren. Alternative Artbildungsmodelle wurden bislang wegen fehlender molekularer Methoden kaum erforscht. Studien aus anderen Ökosystemen zeigen, dass ökologische Artbildung, d.h. Aufspaltungsereignisse durch unterschiedliche Selektion, ein naheliegendes alternatives Artbildungsmodell ist. In dem hier vorgestellten Projekt sollen erstmals hochauflösende genomische Methoden zusammen mit morphologischen Analysen benutzt werden, um konkurrierende Artbildungsmodelle für das Südpolarmeer zu testen. Als Fallstudie sollen hierfür Muster genetischer Drift und Selektion in einer besonders erfolgreichen Gruppe benthischer Arten des Südpolarmeeres untersucht werden, den Asselspinnen (Pycnogonida). Aufbauend auf vorangehenden Studien sollen genomische Muster neutraler und nicht neutraler Marker bei zwei Artkomplexen untersucht werden: Colossendeis megalonyx und Pallenopsis patagonica. Diese beiden Artkomplexe von Asselspinnen sind aufgrund mehrerer Merkmale hervorragende Modelle für die Themen dieses Antrages: 1) Es existieren zahlreiche genetisch divergente kryptische Arten, 2) erste morphologische Unterschiede wurden gefunden, 3) die weite Verbreitung der Vertreter sowohl auf dem antarktischen Kontinentalschelf als auch in weniger von den Vereisungen betroffenen subantarktischen Regionen, 4) ihre geringe Mobilität. Sollte eine durch genetische Drift bedingte allopatrische Artbildung in glazialen Refugialpopulationen der Hauptantrieb der Evolution sein, ist zu erwarten, dass Zufallsfixierung neutraler Allele und Signaturen von Populations-Bottlenecks in stark vereisten Gebieten am höchsten sind. Wenn andererseits natürliche Selektion der Hauptantrieb der Artbildung war, so sind starke Signaturen von Selektion auf Geno- und Phänotyp zu erwarten. Diese sollte am stärksten bei sympatrischen Arten sein (Kontrastverstärkung). Die Variation entlang von Genomen soll untersucht werden, um das Ausmaß zufälliger bzw. nicht zufälliger Variation einzuschätzen. Das vorgeschlagene Projekt wird ein wichtiger erster Schritt einer systematischen Erforschung der relativen Bedeutung von genetischer Drift und Selektion für die Evolution im Südpolarmeer sein.

Einfluß des Abbaus von Laubstreu auf den Transport von Schwermetallen im Boden

An der Eidgenössischen Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft (WSL) in Birmensdorf, Schweiz, wird von 2000 bis 2004 ein multidisziplinäres Modell Ökosystem-Experiment durchgeführt. Ziel dieses Großprojekts ist es, Stoffflüsse zu untersuchen und die Reaktionen von Pflanzen- und Organismengemeinschaften auf chronische Belastungen (Cd, Cu, Zn, sauerer Regen) zu verfolgen bzw. zu verstehen. Mit den Resultaten sollen die Risiken von Begrünung, Aufforstung und Bodenstabilisierung mit Pflanzen abgeschätzt werden können. Der verwendete landwirtschaftliche Oberboden wurde mit Filterstaub aus der metallverarbeitenden Industrie vermischt. Die daraus resultierenden Schwermetallbelastungen des Versuchsbodens betragen für Cd 10 ppm, für Cu 400 ppm und für Zn 2700 ppm. Das Projekt 'Einfluss des Abbaus von Laubstreu auf den Transport von Schwermetallen im Boden' untersucht die Änderung der Metall-Komplexbildung für Kupfer und Zink während des Streuabbaus. In wässrigen Streuextrakten wird das Ausmaß der Komplexierung mit Hilfe der Gleichgewichts-Ionenaustausch-Methoden bestimmt. Die Charakterisierung der Bindung erfolgt mit Infrarotspektroskopie (FTIR), die organischen Säuren im Extrakt werden mit der Gaschromatographie bestimmt. Untersucht werden Proben aus Freilandversuchen.

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