Das Projekt "Die Rolle von Viren beim mikrobiellen Schadstoffabbau" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Helmholtz Zentrum München - Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt GmbH, Institut für Virologie durchgeführt. 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.
Das Projekt "Teilprojekt: Mikrobielle Prozesse in der Tiefen Biosphäre der CO2-dominierten aktiven Störungszone in NW Böhmen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Helmholtz-Zentrum Potsdam Deutsches GeoForschungsZentrum durchgeführt. Mikroorganismen wurden bereits in Tiefen von bis zu 3.5 km und bei Temperaturen höher als 100 Grad Celsius nachgewiesen. Mikrobielle Prozesse in der sogenannten Tiefen Biosphäre und die Verknüpfung zu geologischen Prozessen sind jedoch unzureichend untersucht. Limitierende Faktoren für mikrobielles Leben im tiefen Untergrund sind u.a. Temperatur, pH, Redoxpotential, Gasdrücke, Wasser- und Substratverfügbarkeit. Wir stellen die Hypothese auf, dass in aktiven Störungszonen aufgrund einer erhöhten Substratverfügbarkeit mikrobielle Prozesse im Vergleich zu anderen kontinentalen Ökosystemen im tiefen Untergrund schneller ablaufen. Somit könnten Störungszonen als Hot Spots mikrobiellen Lebens im tiefen Untergrund angesehen werden. Als Voruntersuchung zu den geplanten tiefen ICDP-Bohrungen (PIER-ICDP, Probing of Intra-continental magmatic activity: drilling the Eger Rift) soll in der Umgebung eine 100 m tiefe Bohrung im August 2015 abgeteuft werden. Mit Hilfe dieser Studie sollen erste Einblicke in die mikrobielle Populationsstruktur in den CO2-Aufstiegskanälen der Störungszone gewonnen werden. Hierzu werden moderne DNA Hochdurchsatz-Sequenzierungen und geochemische Untersuchungen durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Voruntersuchung werden unser Wissen über die Tiefe Biosphäre in seismisch- und fluid-aktiven Störungszonen erweitern und dazu beitragen, ein optimal abgestimmtes Methodenspekrum für die geplanten ICDP-Bohrungen zu finden. Die finanziellen Mittel für die Bohrung wie auch die geplanten Analysen werden vom GFZ Potsdam bereit gestellt.
Das Projekt "Geringe Konzentrationen mit großer Wirkung: Wie steuern Antibiotika die Verbreitung von Resistenzgenen in der aquatischen Umwelt? (ANTRAQ)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Dresden, Institut für Mikrobiologie, Professur für Allgemeine Mikrobiologie durchgeführt. Die rasante Verbreitung von Antibiotikaresistenzen stellt die Menschheit vor eine der größten Herausforderungen im 21. Jahrhundert (WHO, 2014). Um den Verlust von Antibiotika als wirksame Medikamente zu verhindern, ist neben einem gezielteren Einsatz in der Medizin auch ein umfassendes Verständnis hinsichtlich der Antibiotikaresistenzverbreitung in der Umwelt notwendig. Hierbei ist es insbesondere wichtig, die Mechanismen, die für die Persistenz und die Verbreitung von Resistenzen in der Umwelt eine essentielle Rolle spielen, zu kennen und zu verstehen. Bisherige Studien haben gezeigt, dass Abwasser eine der Haupteintragsquellen für Antibiotika-resistente Bakterien und Resistenzgene darstellt. Mit gereinigtem Abwasser werden außerdem auch Antibiotika eingetragen, die in geringen Konzentrationen praktisch ubiquitär in der aquatischen Umwelt gemessen werden. Laborexperimente mit einzelnen Isolaten oder mit artifiziellen Gemeinschaften begrenzter Diversität haben Hinweise darauf geliefert, dass solche geringen Konzentrationen die Verbreitung von Antibiotikaresistenzen fördern. Basierend auf diesen Ergebnissen ist es allerdings sehr schwierig, den Einfluss dieser geringen Antibiotikakonzentrationen auf das Mikrobiom und Resistom aquatischer Ökosysteme abzuschätzen. Die vorgeschlagenen Experimente tragen dazu bei diese Wissenslücke zu füllen. Mithilfe der neuen und innovativen Methode epicPCR soll der Effekt geringer Antibiotikakonzentrationen auf die Verbreitung von Resistenzgenen in einer komplexen mikrobiellen Gemeinschaft auf Speziesebene untersucht werden. Im Fokus steht außerdem die Frage, ob Pathogene unter Umweltbedingungen Resistenzgene aufnehmen. Um einen tieferen Einblick hinsichtlich genomischer Strukturen, die die Fähigkeit der Aufnahme von Resistenzgenen bestimmen, zu erlangen, sollen die Genome von Escherichia coli Isolaten unterschiedlicher Herkunft (Klinik, Rohabwasser, Flusssediment) dahingehend analysiert und verglichen werden.
Das Projekt "Part 19: BSS and beyond - The structure and function of anaerobic hydrocarbon degrader communities in the environment as traced via gene markers for catabolic key reactions" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Helmholtz Zentrum München - Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt GmbH in der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren e.V., Institut für Grundwasserökologie durchgeführt.
Das Projekt "Mortalität von Zooplankton in Seenökosysteme und seine Rolle im vertikalen Kohlenstofffluss (ZooFlux)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungsverbund Berlin, Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei durchgeführt. Die geplante Studie zielt darauf ab, die Rolle von totem Zooplankton im Kohlenstoffumsatz von aquatischen Ökosystemen zu quantifizieren. Dabei soll die Hypothese getestet werden, dass der mikrobielle Abbau der toten Körper während ihres Absinkens durch die Wassersäule den Abbau von refraktärem organischem Material beschleunigt (Priming). Das Projekt stellt ein gemeinsames Unternehmen eines internationalen Forscherteams aus Deutschland und Russland dar. Um den Beitrag des toten Zooplanktons für den Kohlenstoffkreislauf abzuschätzen, möchten wir Feldbeobachtungen, Laborexperimente und Modellierung miteinander verbinden. In-situ- Messungen der Mortalität und Sinkraten des Zooplanktons mittels Sedimentfallen werden durch Messungen der turbulenten Mischungsbedingungen in der geschichteten Wassersäule mithilfe moderner hydrodynamischer Techniken begleitet. Mikrobielle Besiedlung und Abbauraten des toten Zooplanktons sollen durch Laborversuche quantifiziert werden. Sowohl Feld-, Mesokosmos- und Labordaten sollen für ein erweitertes Modell zur Vorhersage der Retentionszeit der Zooplanktonkörper in der Wassersäule und deren Beitrag zum Kohlenstoffkreislauf verwendet werden. Verschiedene Modellszenarien fokussieren auf die Rolle von Umweltfaktoren für das Absinken und den Abbau von totem Zooplankton und deren mögliche Veränderungen durch klimabedingte Erwärmung des Seenhypolimnions.
Das Projekt "Teilprojekt: Phylogenetische und physiologische Charakterisierung von Mikroorganismen in den tiefen Sedimenten (tiefe Biosphäre) des El'gygytgyn-Krater-Sees" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Helmholtz-Zentrum Potsdam Deutsches GeoForschungsZentrum durchgeführt. Despite the progress that has been made in the field of microbiology in deep subsurface environments in recent years, we still know very little about the diversity and function of deep biosphere microorganisms and their impact on the global geochemical cycles. Therefore For this reason, in the planned project the abundance and diversity of deep biosphere microorganisms in the sediments of the El'gygytgyn Crater Lake will be investigated. The sediments and impact rocks were recovered from the El'gygytgyn Lake in the scope of the ICDP project 'Scientific Drilling at El'gygytgyn Crater Lake' from November 2008 to May 2009. Of particular interest is the understanding of the development, survival and potential metabolic activity along the chronosequence from the oldest to the youngest lake sediments. Because the El'gygytgyn Lake was formed by a meteorite impact 3.6 million years ago, this impact should be taken into consideration to understand the development of microbial life since that time. For this purpose microbiological, molecular ecological and geochemical methods will be applied to analyze the lake sediments. This includes the investigation of small-scale variations within the community structure and their potential metabolic activity along the lake sediment chronosequence. The acquired data will help deepen our knowledge about on the development of microbial communities and variations within the communities in time and space since the meteorite impact.
Das Projekt "Teilprojekt A 04: Aufklärung und Quantifizierung von mikrobiellem Nährstoffkreislauf durch die Messung der wichtigsten funktionellen Proteine" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ, Department Molekulare Systembiologie durchgeführt. Unsere Arbeiten werden quantitative Daten über die beteiligten metabolischen Wege und die Aktivität spezifischer Bakteriengruppen in Abhängigkeit von metabolischen Signaturen an der Erdoberfläche liefern. Wir tragen damit zum besseren Verständnis der mikrobiellen Aktivität und der Ökosystemleistungen im Hainich CZE bei. Unsere Arbeiten umfassen folgende Teilaspekte: (1) gerichtete proteomische Ansätze zur Quantifizierung von Schlüsselenzymen des Stickstoff- und Kohlenstoffkreislaufes in den Grundwasserleitern, (2) Aufklärung von bakteriellen Subpopulationen sowie die funktionelle Bedeutung beim Stickstoff- und Kohlenstoffkreislauf in Kombination mit Durchflusszytometrie, sowie (3) die proteomische Analyse der metabolischen Markierung durch den Einsatz von isotopenmarkiertem Wasser. Wir werden mit unseren Forschungsbeiträgen wichtige Hinweise zum besseren funktionalen Verständnis von biogeochemischen Stoffkreisläufen in der Natur liefern.
Das Projekt "Teilprojekt B 09: Zell-Zell Interaktionen heterotropher Bakterien bei der Besiedlung und dem Abbau von Detritus" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Westfälische Wilhelms-Universität Münster, Fachbereich 13 Biologie, Institut für Molekulare Mikrobiologie und Biotechnologie durchgeführt.
Das Projekt "Ökologie und Evolution von dunklen Materiepilzen in aquatischen Biofilmen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität München, TUM School of Engineering and Design, Institut für Wasser und Umwelt, Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft durchgeführt. In der aquatischen Umwelt zeigen Pilze starke Interaktionen zu einer Vielzahl anderer Organismen, darunter Algen, Metazoen und Bakterien, die die pilzliche Diversifizierung vorangetrieben haben. Die Pilzevolution begann frühzeitlich in der aquatischen Umwelt. Die Verbindungen mit anderen Organismen führten zu vielen biotrophen Lebensweisen und einer großen phylogenetischen Vielfalt. Es ist wahrscheinlich, dass die frühen Wasserpilze bereits die funktionellen Merkmale ausbildeten, die zum Erfolg des Pilzreichs, als eine der vielfältigsten Organismengruppen der Erde, geführt hat. Trotz der recht umfangreichen Studien, die die Komplexität der aquatischen Mikrobiome untersuchen, sind weder die große phylogenetische Vielfalt der aquatischen Pilze noch die Wechselwirkungen der aquatischen Pilze mit anderen Organismen gut beschrieben. Dieses Paradoxon ist das Resultat von zu wenigen Studien, die aquatische Mikrobiome ganzheitlich untersuchen, und ist zudem auch der Tatsache geschuldet, dass die aquatischen Pilze nicht als solche erkannt werden. Wasserpilze erscheinen oft als unbekannte genetische Elemente ohne erkennbare Übereinstimmung mit unseren Datenbanken. Das veranlasste uns dazu, den Begriff Dunkle Materiepilze (DMP) zu etablieren, um die Unbekanntheit der frühen divergierenden Pilzlinien in der aquatischen Umwelt hervorzuheben. Einer der vielversprechendsten aquatischen Lebensräume zur Untersuchung von DMP und deren Wechselwirkungen mit anderen Organismen im kleinen Maßstab ist der aquatische Biofilm. Insbesondere heterotrophe Biofilme können einen hohen Anteil an DMP aufweisen, was die Aufklärung von DMP-Interaktionen und ökologischen Funktionen erleichtert. Es ist völlig unklar, welche organismischen Wechselwirkungen die Determinanten für die DMP in Biofilmen sind und inwieweit DMP die Biofilmstruktur beeinflussen. Das Verständnis der Ökologie und der Evolution von DMP bleibt aufgrund der Komplexität der natürlichen Gemeinschaften eine Herausforderung. Aufgrund der neuen methodischen Entwicklungen ist es nun jedoch möglich, durch Manipulationsexperimente an natürlichen sowie an Modell-Biofilmgemeinschaften eine konzeptionelle Sicht auf die DMP-Ökologie und -Evolution aufzubauen. Das Ziel der vorgeschlagenen Emmy Noether-Forschungsgruppe ist es, die grundlegende Ökologie und Evolution der aquatischen DMP zu verstehen. Durch die Kombination von Mikrodissektion, Hochdurchsatz-Kultivierung und molekularer Sequenzierung der nächsten Generation, werden wir herausfinden, wie und welche Pilz-Interaktionen mit Mikroben die gesamte Struktur und Funktion der mikrobiellen Gemeinschaft beeinflussen. Wir werden auch umfangreiche DMP-Barcode- und Genomdaten generieren, die als Schlüsselressourcen für das Erstellen einer robusten frühen Pilzphylogenie dienen werden, und es uns ermöglicht, die frühe Pilzevolution auf der Grundlage von Phylogenomik und biotrophen Interaktionen zu diskutieren.
Das Projekt "Untersuchung und Quatifizierung des mikrobiellen Abbaus von allochthonem organischen Material durch 'Priming' (MicroPrime)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungsverbund Berlin, Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei durchgeführt. Das Hauptziel dieses Forschungsprojektes ist es, zukünftige Veränderungen im aquatischen Kohlenstoffkreislaufdurch mikrobielle Mechanismen zu charakterisieren, wobei der Priming-Effekt im Vordergrund steht, da er wenig in aquatischen Systemen untersucht ist. In Abhängigkeit der Umweltbedingungen kann Priming den mikrobiellen C-Kreislauf stimulieren oder inhibieren. Daher wollen wir zukünftige Veränderungen in der Rolle von Priming mittels Komponenten-spezifischer Isotopenanalyse (13C/12C von mikrobiellen Phospholipid-Fettsäuren (PFLA)) im Labor und Feld untersuchen. Dafür wollen wir geeignete Protokolle entwickeln, die PFLA Analyse mit molekularen Methoden, z.B. stabile isotope probing -vor allem von Bakterien und Pilzen- miteinander verbinden. Das Ziel ist es, den Einfluss von terrestrischen OC Einträgen auf Priming Effekte zu untersuchen und daher Veränderungen der aquatisch-terrestrischen Kopplung sowie die Rolle globaler Veränderungen für den aquatischen Kohlenstoffkreislauf zu beleuchten. Nach unserem Wissen wird dies die erste Studie sein, die den metabolischen Transfer von labilen und refraktären 13C-markierten OC Pools in einem Ansatz untersucht und es damit ermöglicht, die zugrunde liegenden mikrobiellen Mechanismen des Primings in aquatischen Systemen zu untersuchen. Beide C Pools werden mit unterschiedlicher Pulsierung und Nährstoffkonzentrationen zugegeben, um Effekte der Verfügbarkeit von labilem OM auf Abbauprozesse des refraktären OM zu untersuchen. In der ersten Phase wollen wir Laborexperimente mit definierten Mikroorganismen, deren Fähigkeiten bestimmte Substrate abzubauen bekannt sind, durchführen. Dies erlaubt gezielte Studien zu grundlegenden Mechanismen und Interaktionen von Organismen sowie deren Bedeutung für den OM Abbau. Ein besonderes Augenmerk soll auf die Rolle von aquatischen Pilzen für den Mineralisationsprozess gelegt werden. Zuerst wollen wir die grundlegenden Prozesse des Primings und Synergien zwischen Bakterien und Pilzen untersuchen, um zu quantifizieren, welche OM Pools (labil vs. refraktär) respiriert oder in die mikrobielle Biomasse eingebaut werden. In der zweiten Phase soll die Rolle der charakterisierten Prozesse sowie Interaktionen für den OM-Umsatz für natürliche, komplexe Mikrobengemeinschaften bei unterschiedlichen C-Zugabe Regimes (Simulierung des zukünftigen Anstiegs des C-Eintrages) und unterschiedlicher Nährstoffkonzentrationen (elemental stoichiometry) untersucht werden. In einer dritten Phase sollen diese Studien auf das Freiland mit einer sehr viel höheren Komplexität übertragen werden. Dafür sollen Mesokosmosversuche (http://seelabor.de) durchgeführt werden, wobei vor allem Partikelfluss und Gasflüsse als Ökosystemfunktionen im Vordergrund stehen sollen. Unser modularer Ansatz erlaubt es uns, die Rolle des Priming im C-Kreislauf in der Wassersäule und an aquatisch-terrestrischen Grenzzonen zu quantifizieren und damit die Abschätzung der C-Budgets aquatischer Systeme zu verbessern.
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