Einer der global größten Kohlenstoffspeicher ist die organische Bodensubstanz (OBS), welche eine zentrale Quelle für die Pflanzennährstoffe Stickstoff (N) und Phosphor (P) darstellt. Bodenmikroorganismen sind die Hauptakteure beim Umsatz der OBS und damit ein zentrales Bindeglied zwischen Kohlenstoff- (C) und Nährstoffkreisläufen. Sie sind jedoch stark durch Phagen (also Viren, die Bakterien befallen) beeinflusst. In Ozeanen sterben täglich 20% der bakteriellen Zellen durch Phagen, was zu einem Umsatzpfad („viral shunt“) führt, der große Mengen organischer Substanz und damit assoziierter Nährstoffe aus bakterieller Biomasse freisetzt. Das erhöht die Produktivität der Ozeane und speichert C in bakteriellen Rückständen. Trotz ihrer hohen Abundanz in Böden wurden Phagen in der Bodenbiogeochemie kaum berücksichtigt. Meine Nachwuchsgruppe wird erstmals untersuchen wie die Biophysik des Mikrohabitats die Infektion durch Phagen und damit bakterielle Sterberaten steuert. Wir werden herausfinden, ob hierdurch ein vergleichbarer „viral shunt“ in Böden vorliegt und quantifizieren dessen Auswirkung auf Nährstoff- und CO2-Feisetzung sowie auch der Speicherung von C. Wir möchten gezielt über phänomenologische Beschreibungen hinausgehen und zugrundeliegende Mechanismen aufklären. Bodenmikrohabitate werden mit modernsten bildgebenden Verfahren zur Aufklärung mikroskaliger Strukturen charakterisiert: 3D Wasserverteilung im Habitat durch synchrotronbasierte Mikrotomographie, Verteilung der OBS mit Rasterelektronenmikroskopie und Mineralogie der Porenoberflächen mittels Raman-Mikrospektroskopie. Phagen aus Böden werden isoliert und ihre Phage-Habitat-Interaktionen erfasst, um so die Relevanz des Mikrohabitats für die Phagenausbreitung zu eruieren. Der Einfluss des Mikrohabitats auf die Infektionsrate und damit auf Stoffkreisläufe wird mittels der Kopplung molekularer Methoden mit Isotopenanwendungen untersucht werden, und zwar i) 18O-DNA Markierung (SIP) zur Erfassung der Phagenbildung sowie des bakteriellen Zellsterbens, ii) der Bestimmung der Abundanz relevanter funktioneller Gene und iii) der Quantifizierung der Mineralisationsraten durch Isotopenverdünnung. Der Einsatz isotopisch markierter Phagen (13C, 15N, 33P) wird die phageninduzierte Änderungen der Elementflüsse aufzeigen. Damit wird erstmal ein mechanistisches Verständnis erlangt, wie Bodenphagen in Interaktion mit ihrem Habitat biogeochemische Kreisläufe von globaler Bedeutung beeinflussen. Des Weiteren wird der Einfluss dynamischer Änderungen des Mikrohabitats auf Phagen untersucht sowie evolutionäre Anpassungen der Phagen an ihre Habitate. Detailliertes Prozessverständnis ist hier von höchster Relevanz um die Auswirkung anthropogener Aktivität oder des Klimawandels auf Bodenphagen vorherzusagen. Daher werden diese Erkenntnisse final in ein dynamisches Modell integriert, um erstmals die Vorhersage phageninduzierter Prozesse in Böden zu ermöglichen - für deren Einsatz in Landnutzung und Landwirtschaft.
Humanpathogene Bakterien, die Resistenzen gegen mehrere Antibiotikaklassen aufweisen, stellen ein Risiko für die öffentliche Gesundheit dar und werden als eine der größten globalen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts betrachtet. Einige der Resistenzgene dieser Bakterien wurden im Boden, der ein großes Reservoir von Antibiotikaresistenzen darstellt, aufgespürt und könnten z.B. über das Grundwasser oder Wildtiere verbreitet werden. In diesem Projekt soll die Dynamik des Antibiotikaresistenzpools im Boden entlang eines breiten Spektrums von Landnutzungstypen und -intensitäten innerhalb der drei Biodiversitäts-Exploratorien untersucht werden. Um eine robuste Abschätzung von Landnutzungseffekten auf die Abundanz von Antibiotikaresistenzgenen zu erlangen, wird Boden-DNA von allen Grünland-EP Und Wald-VIP Plots mittels quantitativer Echtzeit-PCR analysiert. Landnutzungsinduzierte Veränderungen von Gemeinschaftsprofilen antibiotikaresistenter Bodenbakterien werden innerhalb eines Mikrokosmenexperimentes aufgedeckt. Dieses Experiment schließt die Quantifizierung und Erfassung der zeitlichen Dynamik bakterieller Gemeinschaften ein. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Erfassung landnutzungsbedingter Variationen des Vorkommens von Plasmiden, da diese mobilen genetischen Elemente eine wesentliche Quelle für Antibiotikaresistenzgene sind und zu deren Verbreitung beitragen. Diesbezüglich wird die Abundanz von IncP-1 Plasmiden, die mehrere Antibiotikaresistenzen kodieren können und Gentransfer zwischen entfernt verwandten Bakterien erlauben, bestimmt. Die Gesamtdiversität Antibiotikaresistenz-vermittelnder zirkulärer Plasmide wird unter Verwendung einer long-read-Sequenzierungstechnologie abgeschätzt. Außerdem wird eine funktions-basierte Durchmusterung von zuvor konstruierten Bodenmetagenombanken vorgenommen. Dadurch werden Unterschiede der Vielfalt von Antibiotikaresistenzgenen und -mechanismen zwischen analysierten Landnutzungsintensitäten enthüllt. Kenntnisse über Antibiotikaresistenz in Böden, die unterschiedlichen Landnutzungstypen und -intensitäten ausgesetzt sind, werden dringend benötigt, um Konsequenzen anthropogener Aktivitäten bzgl. der Ausbreitung von multiresistenten Bakterien vorhersagen zu können. In diesem Projekt werden Auswirkungen von Landnutzung auf das Antibiotikaresistenz-Reservoir und -Transferpotential des Bodens untersucht. Zudem werden Korrelationen zwischen der Antibiotikaresistenz im Boden und abiotischen (z.B. Konzentrationen von Schwermetallen) sowie biotischen Faktoren (z.B. Abundanz pilzlicher Taxa) aufgedeckt.
Dieses Projekt untersucht mikrobiell vermittelte Schlüsselprozesse im Zuge des Nitrat-Eintrages in bzw. Stickstoffverlustes aus den Kalkstein-Aquiferen des Hainich CZE. Unsere Untersuchungen befassen sich mit Änderungen von Nitrifikationspotential und Nitrifikanten-Gemeinschaften von den Baumkronen bis hin zu den Aquiferen, inklusive einer Abschätzung der möglichen Rolle der vollständigen Nitrifikation (Comammox), sowie mit der Relevanz der anaeroben Ammonium-Oxidation (Anammox) im Vergleich zur Denitrifikation für Stickstoff-Verluste aus dem Grundwasser. Unter Verwendung von 15N-basierten Techniken, quantitativer PCR, Illumina Amplikon-Sequenzierungen und Single Cell Genomics werden Aktivitätsmessungen von Nitrifikation, Anammox und Denitrifikation zu räumlichen Verbreitungsmustern und transkriptioneller Aktivität der entsprechenden mikrobiellen Gruppen in Beziehung gesetzt.
Methan (CH4) ist das zweitwichtigste Treibhausgas und trägt wesentlich zur globalen Erwärmung bei. Im Jahr 2021 wurden weltweit politische Anstrengungen beschlossen, um die stark angestiegenen Methanemissionen einzudämmen. Das Bodenmikrobiom ist die wichtigste terrestrische Methansenke und stark von der Landnutzung beeinflusst. Eine große Herausforderung für die Landwirtschaft ist die Anpassung der Landnutzungsintensität von Grünländern, um produktive und gleichzeitig nachhaltige Produktionssysteme zu gewährleisten. Zwei grundlegend unterschiedliche Gruppen von Mikroben sind für den CH4-Kreislauf entscheidend. Methanotrophe Bakterien wirken als biologische Senke, indem sie atmosphärisches CH4 oxidieren, während methanogene Archaea in anoxischen Zonen, Aggregaten und tieferen Bodenschichten Methan produzieren. Im Rahmen des vorangegangenen Projekts haben die Partner (1) die negativen Auswirkungen von hoher Landnutzungsintensität auf methanotrophe Bakterien in Grünlandböden und (2) die hohe saisonale Dynamik des Mikrobioms aufgezeigt, die entscheidet, ob Grünland eine Quelle oder eine Senke für CH4 ist. Im Rahmen des neuen Projektantrages MetGrass werden wir daher die Auswirkungen einer geringeren Intensität der Grünlandnutzung auf Methanotrophe und Methanogene untersuchen. Hierfür werden wir uns an den etablierten gemeinsamen Grünlandexperimenten REX und LUX beteiligen. Wir werden vier komplementäre Hypothesen testen, mit den übergeordneten Zielen, festzustellen, (1) wie die De-Intensivierung zu Veränderungen in der Artenzusammensetzung und Abundanz von Methanotrophen und Methanogenen führt, (2) wie dies mit veränderten Methanflüssen zusammenhängt und (3) wie schnell diese Veränderungen sind. In Arbeitspaket (AP) 1 werden wir die langfristigen Erholungseffekte der CH4-Senkenfunktion und der Methanotrophen in Grünlandböden nach einer De-Intensivierung untersuchen. WP2 untersucht die kurzfristigen Reaktionen von Methanotrophen und Methanogenen auf einzelne Bewirtschaftungsmaßnahmen (z. B. Düngung und Mahd). In WP3 wollen wir ein mikrobiombasiertes Vorhersagemodell für Methanflüsse in Grünlandböden entwickeln. WP4 wird den Kipp-Punkt der Methan-Senkenfunktion eines Grünlandbodens bei steigenden Düngungsraten identifizieren und dadurch ein mechanistisches Verständnis der zugrunde liegenden Mikrobiomdynamik liefern. Wir werden eine einzigartige Kombination methodischer Ansätze anwenden, die den interdisziplinären Charakter des MetGrass-Teams widerspiegelt. MetGrass wird in der Lage sein, (a) drängende Fragen zu den Auswirkungen einer De-Intensivierung der Landnutzung auf die funktionelle Vielfalt und Aktivität dieser wichtigen Bodenmikroorganismen in Grünländern zu beantworten und (b) die Grundlage für die Verbesserung der Grünlandbewirtschaftung im Hinblick auf eine nachhaltige Landnutzung zu liefern.
Böden beherbergen die komplexesten Lebensgemeinschaften der Erde und sind lebenswichtige Ressourcen, die der Menschheit wichtige Ökosystemleistungen und Ernährungssicherheit bieten. Aufgrund der Komplexität der Böden und der immensen organismischen Vielfalt wurden bisher für keinen Boden eindeutige Zusammenhänge zwischen der Zusammensetzung des Mikrobioms (sowohl taxonomisch als auch funktionell), der mikrobiellen Physiologie und den Energieflüssen hergestellt. Tatsächlich gab es keine einzige Methode, um die Diversität, Abundanz und Gemeinschaftszusammensetzung der Bodenmikrobiota und der Bodenfauna mit hoher taxonomischer Auflösung zu bewerten. Die Doppel-RNA-Metatranskriptomik ermöglicht nun solche ganzheitlichen Zählungen über phylogenetische Domänen und trophische Ebenen hinweg auf der Grundlage von rRNA und mRNA. Dies hat das Potenzial, mechanistische Verbindungen zwischen trophischen Interaktionen im Mikrobiom und Energie- und Kohlenstoffflüssen entlang der bakteriellen und pilzlichen Energiekanäle herzustellen. MYXED-UP 2 sieht die Untersuchung einer vernachlässigten Gruppe von Mikroorganismen im Nahrungsnetz des Bodens vor: die räuberischen Bakterien. Wir wollen die Rolle der räuberischen Myxobakterien im Nahrungsnetz des Bodens und ihre Fähigkeit, das Mikrobiom sowie die Energie- und Stoffflüsse zu modulieren, explizit identifizieren. Zu diesem Zweck haben wir uns zu einem interdisziplinären Konsortium aus insgesamt fünf Arbeitsgruppen aus den Bereichen Bodenbiologie, Biogeochemie, Mikrobiologie und Modellierung zusammengetan, das sich dieser Herausforderung durch eine einzigartige Kombination von Fachwissen und zentralen Laborexperimenten stellen wird. In Experimenten mit natürlichen mikrobiellen Konsortien werden wir die Auswirkungen von Nematoden und Myxobakterien auf die Struktur des Mikrobioms und die Energie- und Stoffflüsse untersuchen. Die hochintegrierten Experimente werden reichhaltige und heterogene Datensätze liefern, die letztlich in die Modellierung des mikrobiellen Wachstums und des Umsatzes spezifischer funktioneller Gilden in den Mikrokosmen einfließen werden. Im Rahmen der gemeinsamen Forschung wird MYXED-UP2 mit Hilfe der quantitativen Metatranskriptomik einen umfassenden Einblick in Mikrobiome geben, der Verbindungen zwischen Mikrobiom-Mitgliedern und Thermodynamik herstellen wird. In Arbeitspaket 2 wollen wir die Auswirkungen der “Death pathways” (räuberische Myxobakterien vs. Bakteriophagen) auf die Zusammensetzung der bakteriellen und pilzlichen Nekromasse verstehen.
Protisten stellen den größten Teil der eukaryotischen Vielfalt im Boden dar. Ihre Zellzahlen können Hunderttausende und mehr pro Gramm Boden erreichen, und sie weisen ein breites Spektrum funktioneller Gruppen auf, die eng mit terrestrischen Kohlenstoffflüssen verknüpft sind (z. B. Heterotrophe, Saprotrophe und sogar Phototrophe). Ihre Rolle im Kohlenstoffkreislauf im Leben, als mikrobielle Räuber, und insbesondere im Tod, als mikrobielle Nekromasse (NM), ist jedoch nahezu uncharakterisiert. Aufbauend auf dem Rahmen des SPP SoilSystems untersucht dieses Projekt die Rolle und den Beitrag der Protistanprädation und der Protistan-NM zu den Kohlenstoffflüssen im Boden. In einer Reihe kontrollierter Mikrokosmos-Experimente charakterisieren wir zunächst den Verbrauch von Protistan-NM im Vergleich zu Pilz- und Bakterien-NM durch das Bodenmikrobiom. Durch DNA-SIP mit 13C-markierter Protistan-Nekromasse identifizieren wir organismische Präferenzen und verfolgen den Kohlenstofftransfer innerhalb der mikrobiellen trophischen Netzwerke des Bodens für verschiedene NM-Pools. Mittels Kalorimetrie werden wir untersuchen, wie Protistan-NM im Vergleich zu den besser bekannten bakteriellen und pilzlichen NM-Pools zu den Energieflüssen im Boden beiträgt. In einem zweiten Mikrokosmos-Experiment werden wir untersuchen, ob der Gehalt an organischer Bodensubstanz als wichtige Randbedingung den Verbrauch von Protistan-NM durch Bodenmikrobiota und ihre Netzwerke beeinflusst. Schließlich werden wir im Rahmen des gemeinsamen Experiments „Funktionale Komplexität“ ermitteln, wie Bodenmanagement Bodenprotistan-Gemeinschaften moduliert, wie die Komplexität dieser Gemeinschaften zu emergenten Eigenschaften des Bodenmikrobioms (d. h. Resistenz und Widerstandsfähigkeit) durch Prädation beiträgt, und feststellen, ob die Dynamik von Protistan-Gemeinschaften nach Störungen den Kohlenstoffkreislauf über einen Komplexitätsgradienten hinweg beeinflusst. Zusammengenommen werden diese Experimente, die im Rahmen des SPP-Konsortiums kollaborativ durchgeführt werden, die Hypothesen AC von SoilSystems untersuchen und gleichzeitig die bislang umfassendste Analyse des Beitrags lebender und toter Protisten zum Kohlenstoffkreislauf und zu den Energieflüssen im Boden liefern.
In Phase I des Projekts A06 wiesen wir eine abnehmende Diversität in Protisten-Gemeinschaften unter Einwirkung multipler Stressoren nach und wir zeigten eine Verschiebung der Nahrungspräferenz von Protisten unter Salzstress in Bezug auf Proteobakterien und Actinobakterien. In Phase II werden wir uns auf die zugrundeliegenden Mechanismen konzentrieren, die zu den beobachteten Reaktionen der mikrobiellen Gemeinschaft und Verschiebungen der Nahrungspräferenzen führen, und diese Erkenntnisse auf die Erholung von Stressoren und insbesondere auf die Analyse der Auswirkungen von Dürre und der Erholung von Dürre ausdehnen.
Dieses Projekt untersucht die Folgen von Transportprozessen für Virus-Wirt-Wechselwirkungen, mikrobielle Gemeinschaften und deren Funktionen im Hainich CZE. Vornehmlich in Laborexperimenten werden wir mittels zusammengesetzter Phagen-Wirts-Paare und Proben aus dem Hainich CZE (i) die Ausbreitung von Phagen verfolgen und marine Phagen als Transporttracer verwenden, (ii) die Wirkung transportierter Phagen auf Interaktionsnetzwerke, die Zusammensetzung bakterieller Gemeinschaften und deren Funktionen bewerten und (iii) das Potenzial natürlicher chemischer Verbindungen in der Critical Zone (einschließlich der Mycosphäre) zur Induktion von Prophagen beschreiben. Im Projekt soll eine Vielfalt von Methoden eingesetzt werden, z. B. enzymatische Assays, virale Metagenomik und Stabilisotopentechniken.
Die Akkumulation von Methan (CH4) in sauerstoffhaltigen Wasserschichten wurde kürzlich für viele Binnengewässern und Ozeangebiete beschrieben. In unserem DFG-Projekt Aquameth (GR1540/21-1) haben wir daher die wichtigste Literatur in einem Review zusammengefasst und die möglichen Mechanismen für dieses Phänomen im Stechlinsee evaluiert. Indem wir ein online System für CH4 Messungen entwickelt haben, konnten wir die enge Kopplung der räumlich-zeitlichen Dynamik von Algen (z.B. Blaualgen und Cryptophyten) und CH4 in den oxischen Wasserschichten des Sees zeigen. Obwohl der vor kurzem beschriebene Methylphosphonat-Metabolismus im See vorkommt, haben wir zahlreiche Hinweise, dass Algen das CH4 während der Photosynthese direkt produzieren. Jedoch sind die genauen Mechanismen sowie der Anteil des im sauerstoffreichen Wasser gebildeten CH4 am gesamten CH4 Fluss in die Atmosphäre unklar. Durch die Kombination der Expertise von zwei etablierten Arbeitsgruppen, die sich ideal ergänzen, möchten wir die genaue Chemie und Biologie der CH4 Bildungs- und Oxidations-prozesse untersuchen, um die Rolle von Seen für den regionalen und globalen CH4 Kreislauf besser zu verstehen. Daher soll das komplette CH4 Budget von zwei Seen detailliert quantifiziert werden, d.h. CH4-Quellen und -Senken werden mit einem Massenbalance-Ansatz untersucht und mit in situ Inkubationsexperimenten verknüpft. Unsere zwei ausgesuchten Seen (Stechlinsee und Willersinnweiher) repräsentieren zwei Hauptseentypen der gemäßigten Zone (tief/Nährstoff-arm und flach /Nährstoff-reich), die gut von beiden Institutionen untersucht und biogeochemisch charakterisiert wurden. In diesen Seen hängen die spezifischen Prozesse der CH4 Bildung, Akkumulation und Freisetzung in die Atmosphäre von dem komplizierten Wechselspiel von physikalischen, chemischen und biologischen Faktoren sowie bestimmten Organismen ab. Daher ist unser Hauptziel, dieses komplizierte Wechselspiel zwischen Umweltvariablen und den CH4 Prozessen und ihre globale Bedeutung zu entschlüsseln. Unser Hypothesen sind: (1) Die Methanproduktion ist direkt mit der Photosynthese verbunden und CH4 kann bei bestimmten Umweltbedingungen, z.B. Nährstofflimitation, direkt von photo-autotrophen Organismen gebildet werden. (2) Die Methanbildung ist von der -oxidation durch die räumlich-zeitliche Trennung der methanotrophen Aktivität in sauerstoffhaltigen Wasserkörpern entkoppelt. (3) Methan an der Temperatursprungschicht ist das Produkt aus einem komplizierten Wechselspiel von biologischen, chemischen und physikalischen Prozessen. (4) Die erhöhten CH4 Konzentration in der oberen oxischen Wasserschicht erleichtert den Gasaustausch mit der Atmosphäre. Obwohl die CH4 Anreicherung in den oberen Wasserschichten stark vernachlässigt wurde, könnte sie eine wichtige fehlende Verbindung im globalen CH4 Budget sein. Um diese Hypothesen zu überprüfen, sollen Feld- und Labormessungen gemeinsam durch beide Teams durchgeführt werden.
Die Verunreinigung unserer Wasserressourcen mit organischen Schadstoffen, wie etwa Öl-bürtigen Kohlenwasserstoffen, ist ein ernstzunehmendes Problem und hat vielerorts bereits zu einer chronischen Belastung des Grundwassers geführt. Der biologische Abbau ist der einzige natürliche Prozess, der im Untergrund zu einer Schadstoffreduktion führt. Als Steuergrößen gelten hier die Anwesenheit von Abbauern (Mikroorganismen) und die Verfügbarkeit von Elektronenakzeptoren und Nährstoffen. In den letzten Jahren wurde zudem die Bedeutung dynamischer Umweltbedingungen (z.B. Hydrologie) als wichtige Einflussgröße erkannt. Ein wichtiger Aspekt wurde jedoch bisher nicht in Betracht gezogen, nämlich die Rolle der Viren bzw. Phagen. Viren sind zahlenmäßig häufiger als Mikroorganismen und ebenso ubiquitär vorhanden. Mittels verschiedener Mechanismen können sie einen enormen Einfluss auf die mikrobiellen Gemeinschaften ausüben. Einerseits verursachen sie Mortalität bei ihren Wirten. Andererseits können sie über horizontalen Gentransfer den Wirtsstoffwechsel sowohl zu dessen Vorteil als auch Nachteil modifizieren. In den vergangenen Jahren konnten verschiedene mikrobielle Phänomene der Aktivität von Viren zugeschrieben werden. Die klassische Ansicht, dass Viren ausschließlich Parasiten sind, ist nicht mehr zutreffend. Als Speicher und Überträger von genetischer Information ihrer Wirte nehmen sie direkten Einfluss auf biogeochemische Stoffkreisläufe sowie auf die Entstehung neuer Schadstoffabbauwege. Biogeochemische Prozesse in mikrobiell gesteuerten Ökosystemen wie dem Grundwasser und die dynamische Entstehung und Anpassung an neue Nischen als Folge von Veränderungen der Umweltbedingungen kann nur verstanden werden, wenn der Genpool in lytischen und lysogenen Viren entsprechend mit berücksichtigt wird. Das Projekt ViralDegrade stellt Paradigmen in Frage und möchte eine völlig neue Perspektive hinsichtlich der Rolle der Viren beim mikrobiellen Schadstoffabbau eröffnen, welche zur Zeit noch als Black Box behandelt werden. ViralDegrade postuliert, dass Viren (i) durch horizontalen Gentransfer und den Einsatz von metabolischen Genen den Wirtsstoffwechsel modulieren (Arbeitshypothese 1) und (ii) für den temporären Zusammenbruch von dominanten Abbauerpopulationen und, damit verbunden, für den Wechsel zwischen funktionell redundanten Schlüsselorganismen verantwortlich sind (Arbeitshypothese 2). Sorgfältig geplante Labor- und Felduntersuchungen und vor allem der kombinierte Einsatz von (i) neu entwickelten kultivierungsunabhängigen Methoden, wie etwa dem Viral-Tagging, und (ii) ausgewählten schadstoffabbauenden aeroben und anaeroben Bakterienstämmen, garantieren neue Erkenntnisse zur Rolle der Viren beim mikrobiellen Schadstoffabbau sowie ähnlichen mikrobiell gesteuerten Prozessen. Ein generisches Verständnis der Vireneinflüsse wird zudem zukünftig neue Optionen für die biologische Sanierung eröffnen.
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