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Ecosystem Engineering: Sediment entrainment and flocculation mediated by microbial produced extracellular polymeric substances (EPS)

Sediment erosion and transport is critical to the ecological and commercial health of aquatic habitats from watershed to sea. There is now a consensus that microorganisms inhabiting the system mediate the erosive response of natural sediments ('ecosystem engineers') along with physicochemical properties. The biological mechanism is through secretion of a microbial organic glue (EPS: extracellular polymeric substances) that enhances binding forces between sediment grains to impact sediment stability and post-entrainment flocculation. The proposed work will elucidate the functional capability of heterotrophic bacteria, cyanobacteria and eukaryotic microalgae for mediating freshwater sediments to influence sediment erosion and transport. The potential and relevance of natural biofilms to provide this important 'ecosystem service' will be investigated for different niches in a freshwater habitat. Thereby, variations of the EPS 'quality' and 'quantity' to influence cohesion within sediments and flocs will be related to shifts in biofilm composition, sediment characteristics (e.g. organic background) and varying abiotic conditions (e.g. light, hydrodynamic regime) in the water body. Thus, the proposed interdisciplinary work will contribute to a conceptual understanding of microbial sediment engineering that represents an important ecosystem function in freshwater habitats. The research has wide implications for the water framework directive and sediment management strategies.

Nitrogen supply of grassland and its belowground productivity as influenced by stocking rate, management and availability of water

Aktivität und Stoffumsatz mikrobieller Nahrungsnetze im arktischen und antarktischen Meereis

Das Meereis ist ein einzigartiger Lebensraum für eine Gemeinschaft aus Pflanzen und Tieren, die ein im Meereis ausgebildetes Solekanalsystem besiedeln. Während ein guter Kenntnisstand über die mesoskalige Verteilung (ca. 10 cm) und die Zusammensetzung dieser Gemeinschaften vorliegt, ist die kleinskalige Verteilung (1 cm) und die Interaktionen der Organismen dieser Gemeinschaften nur wenig bekannt. Das Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist die Untersuchung der kleinskaligen Verteilung der Organismen und der Struktur des Nahrungsnetzes, das von ihnen gebildet wird. Dabei soll insbesondere der Einfluß der inneren Oberfläche des Meereises auf den Aufbau des Nahrungsnetzes berücksichtigt werden. Von der Vermutung ausgehend, dass ein großer Anteil der eisassoziierten Bakterien- und Algenbiomasse in Form von Biofilmen vorliegt, soll die Biomasse und Aktivität an Oberflächen gebundener Bakterien und Algen mit der von frei in der Sole lebenden Organismen verglichen werden. Ein weiterer Schwerpunkt liegt in der Untersuchung von bakterien- und algenfressenden Protozoen und der Quantifizierung ihrer Bedeutung für den Stoffumsatz im Meereis.

Veredelung von Nassgrünland-Biomasse zu Plattformchemikalien, Verpackungen, Faserguss und Papier, Teilvorhaben 3: Plattformchemikalien aus Nasswiesenbiomasse

EDELNASS fokussiert auf die stoffliche Verwertung von Aufwüchsen von wiedervernässten Moor-Grünland, welches heterogen in der Artenzusammensetzung ist und oft Bewirtschaftungseinschränkungen unterliegt (z.B. Erntezeitpunkt). Biomasse und ihre Standortparameter von 5 Moorstandorten in ganz Deutschland werden analysiert und hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit in 2 Verwertungsverfahren untersucht, getestet und bewertet: (i) Umwandlung in Bioraffinerien zu den biobasierten, hochwertigen Basischemikalien HMF und Furfural und der Optimierung der Verfahren an der Universität Hohenheim. Ebenso wird Lignin als weiteres Produkt hergestellt. Das HMF kann zur Herstellung des recyclebaren, biobasierten Hochleistungskunststoff PEF weiterverarbeitet werden, woraus die Hochschule Albstadt-Sigmaringen nachhaltige Verpackungslösungen entwickelt, (ii) Das Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie stellt zusammen mit seinen Partnern Faserstoffe aus der Biomasse her und verarbeiten diese weiter zu Papieren und Fasergussformteilen. Kopplungspotentiale von Stoffströmen der Rohstofffraktionen zwischen den Verfahren untersucht, indem Zwischen- und Nebenprodukte der Verfahren in die jeweils anderen Prozesse eingespeist werden. Ziel der Untersuchungen ist es, neue Wertschöpfungsketten auf der Grundlage von Nasswiesen-Bewirtschaftung zu entwickeln, die eine produktive Nutzung von Nassgrünland mit dem Erreichen von Naturschutz- und Klimaschutzzielen verbindet. Für eine zukünftige Honorierung von Ökosystemdienstleistungen vernässter Moore werden Datengrundlagen erstellt: CO2-Bilanz der Verfahren und möglicher Produkte (inkl. bodenbürtiger Emissionen), Entwicklung von Artenvielfalt und Wasserqualität. Die Kosten von der Rohstoffbereitstellung bis zum Endprodukt werden analysiert, um geeignete Betriebsmodelle für die einzelnen Verfahren abzuleiten und beispielhaft in Moorregionen zu projektieren.

Veredelung von Nassgrünland-Biomasse zu Plattformchemikalien, Verpackungen, Faserguss und Papier, Teilvorhaben 2: Entwicklung und exemplarische Realisierung von Verfahren zur Gewinnung und Aufbereitung von Faserrohstoffen für den Einsatz im Sektor Pulp & Paper

EDELNASS fokussiert auf die stoffliche Verwertung von Aufwüchsen von wiedervernässten Moor-Grünland, welches heterogen in der Artenzusammensetzung ist und oft Bewirtschaftungseinschränkungen unterliegt (z.B. Erntezeitpunkt). Biomasse und ihre Standortparameter von 5 Moorstandorten in ganz Deutschland werden analysiert und hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit in 2 Verwertungsverfahren untersucht, getestet und bewertet: (i) Umwandlung in Bioraffinerien zu den biobasierten, hochwertigen Basischemikalien HMF und Furfural und der Optimierung der Verfahren an der Universität Hohenheim. Ebenso wird Lignin als weiteres Produkt hergestellt. Das HMF kann zur Herstellung des recyclebaren, biobasierten Hochleistungskunststoff PEF weiterverarbeitet werden, woraus die Hochschule Albstadt-Sigmaringen nachhaltige Verpackungslösungen entwickelt, (ii) Das Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie stellt zusammen mit seinen Partnern Faserstoffe aus der Biomasse her und verarbeiten diese weiter zu Papieren und Fasergussformteilen. Kopplungspotentiale von Stoffströmen der Rohstofffraktionen zwischen den Verfahren untersucht, indem Zwischen- und Nebenprodukte der Verfahren in die jeweils anderen Prozesse eingespeist werden. Ziel der Untersuchungen ist es, neue Wertschöpfungsketten auf der Grundlage von Nasswiesen-Bewirtschaftung zu entwickeln, die eine produktive Nutzung von Nassgrünland mit dem Erreichen von Naturschutz- und Klimaschutzzielen verbindet. Für eine zukünftige Honorierung von Ökosystemdienstleistungen vernässter Moore werden Datengrundlagen erstellt: CO2-Bilanz der Verfahren und möglicher Produkte (inkl. bodenbürtiger Emissionen), Entwicklung von Artenvielfalt und Wasserqualität. Die Kosten von der Rohstoffbereitstellung bis zum Endprodukt werden analysiert, um geeignete Betriebsmodelle für die einzelnen Verfahren abzuleiten und beispielhaft in Moorregionen zu projektieren.

Erfassung oekologischer Grundlagen fuer den Aufwuchs von Riffkorallen in tropischen Hafenanlagen (Beispiel Eilat)

In tropischen Meeren stellen vielraeumig gegliederte Hafenanlagen z.T. gute Ansiedlungsmoeglichkeiten fuer Korallen dar. Die natuerlich und anthropogen bedingten Voraussetzungen fuer Entwicklung und Nichtgedeihen von Riffkorallen-Gemeinschaften werden an verschiedenen Hafenanlagen bei Eilat untersucht. Messung von Stroemung, Licht, O2, Sedimentation mit Hilfe der Tauchmethode. Ergaenzende Experimente an der Ruhr-Universitaet. Besonderes Augenmerk gilt dem Einfluss der Sedimentation auf das Korallenwachstum.

Nitrataustrag bei Guelleduengung auf Dauergruenland

Einfluss von mineralischer Duengung sowie von Guelleduengung auf den Nitrataustrag mit dem Sickerwasser und Auswirkung von Guelleverduennung und Nachregnen auf die NH4- Verluste sowie auf die Bedeckung des Aufwuchses mit Guelle.

Abrupte Veränderungen von Süßwasserökosystemen unter Einwirkung von multiplen Stressoren wie steigenden Temperaturen, Nährstoffen und Pestiziden

Flache Süßwasser-Lebensräume bieten wichtige Ökosystem-Funktionen, sind aber von multiplen Stressoren bedroht. Während die Reaktion auf den globalen Klimawandel wahrscheinlich eher graduell ist, sind abrupte Veränderungen möglich, wenn kritische Schwellenwerte durch zusätzliche Effekte lokaler Stressoren überschritten werden. Die Analyse dieser Effekte ist komplex, da Stressoren additiv, synergistisch oder antagonistisch wirken können. CLIMSHIFT zielt auf ein mechanistisches Verständnis von Stressor-Interaktionen, die auf flache aquatische Ökosysteme wirken. Diese sind aufgrund ihrer hohen Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisse, der großen Ufer-Grenzfläche und der Grundwasser-Konnektivität besonders anfällig für Klimaerwärmung und Stoffeinträge aus landwirtschaftlichen Einzugsgebieten. Die komplexen Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Primärproduzenten sowie assoziierten Konsumenten führen zum Auftreten stabiler Regime, und multiple Stressoren können nichtlineare Übergänge zwischen diesen Regimen auslösen, mit weitreichenden Folgen für entscheidende Ökosystemprozesse und -funktionen. Unsere Haupthypothese ist, dass erhöhte Temperaturen die negativen Auswirkungen der landwirtschaftlichen Stoffeinträge, die Nitrat, organische Pestizide und Kupfer enthalten, verstärken. Submerse Makrophyten, Periphyton und Phytoplankton als Primärproduzenten werden kombiniert mit Schnecken, die Periphyton und Pflanzen fressen, sowie benthischen und pelagischen Phytoplankton-Filtriern, Dreissena und Daphnien. Wir testen unterschiedliche Expositionsszenarien auf zwei räumlichen Skalen, Mikrokosmen im Labor und Mesokosmen im Freiland, um Effekte auf individueller, gemeinschaftlicher und ökosystemarer Ebene zu verstehen. Während des gesamten Projekts werden die Experimente durch Modellierungen ergänzt, um kritische Schwellwerte zu simulieren und Stress-Interaktionen vorherzusagen. Die Modellentwicklung wird in Zusammenarbeit mit allen Arbeitspaketen durchgeführt, um empirische Ergebnisse zu integrieren, unterschiedliche räumliche und zeitliche Skalen zu verknüpfen und Ergebnisse zu extrapolieren. Wir erwarten, dass kombinierte Stressoren zu plötzlichen Verschiebungen der Gemeinschaftsstruktur führen. Submerse Makrophyten werden voraussichtlich durch Phytoplankton oder benthische Algen ersetzt, mit Konsequenzen für wichtige Ökosystemfunktionen. Die Stärke unseres Antrages liegt darin, dass ökotoxikologische Stressindikatoren der Organismen wie Wachstum und Biomarker mit funktionalen Gemeinschafts-/Ökosystemansätzen kombiniert werden, die den Metabolismus und die Dynamik des Ökosystems betrachten. Das kombinierte Know-how von 5 Laboren mit komplementärem Fachwissen und allen notwendigen Einrichtungen wird die spezifische Projektfähigkeit sicherstellen. Unsere Ergebnisse sollen dazu beitragen, safe operating spaces/sichere Handlungsräume für eine nachhaltige Landwirtschaft und das Management von flachen aquatischen Ökosystemen in einer sich verändernden Welt zu definieren.

Verwertung des Aufwuchses von vernässtem Grünland für die Erzeugung von regenerativer Energie sowie Kohlen zur CO2-Speicherung, Teilvorhaben: Naturschutzfachliche Bewertung

Biofilme, Makromoleküle und organische Restsubstanzen als Matrizen bei der Bildung von Organo- und Biomineralen - Geobiologische Faktoren bei der Evolution der Biomineralisation

Durch vergleichende Analyse von Organo- und Biomineralen aus evolutionsbiologisch zunehmend komplexeren Systemen - von Organofilmen (Ooide) über Biofilme zu Poriferen - sollen systemspezifische Wechselwirkungen zwischen Makromolekülen und Mineralphasen sowie Steuerungsmechanismen der Mineralbildung aufgezeigt werden. Dazu werden aus verschiedenen Habitaten (Hartwasserseen, Salzseen, Sodaseen, Meerwasser) makromolekulare Überzüge (Organofilme), polysaccharidreiche phototrophe und heterotrophe Biofilme sowie proteinreiche heterotrophe BiofilmMetazoen-Gemeinschaften (Riffhöhlen) untersucht. Ausgehend von der hydrochemischen Charakterisierung der Habitate, wird eine biochemische Charakterisierung der primären organischen Substanzen und Matrix sowie der Restsubstanzen in den assoziierten Mineralisaten durchgeführt. Eine strukturelle und mikrobiologische Analyse der beteiligten Organo- und Biofilme folgt (histochemische Färbungen, Applikation von Oligonukleotidsonden zur in situ Identifikation nicht-phototropher Bakterien - FISH). In kontrollierten Experimenten wird mittels kultivierter Mikroorganismen, Labor-Biofilme und extrahierter organischer Substanzen eine Fällung induziert. Die aus den Fallbeispielen abgeleiteten Steuerungsmechanismen der Mineralisation werden unter dem Mikroskop u.a. mit Ionen- und pH-sensitive Fluorochromen zur qualitativen Messung von chemischen Mikrogradienten und durch elektronenoptische Charakterisierung der Fällungsprodukte verifiziert. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Produktion und dem Abbau Ca2+-adsorbierender extrazellulärer polymerer Substanzen (EPS), die in Organo- und Biofilmen bezüglich Nukleation, Fällung und Gefügebildung von entscheidender Bedeutung sind und Voraussetzungen für eine enzymatisch gesteuerte Biomineralisation darstellen.

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