To understand impacts of climate and land use changes on biodiversity and accompanying ecosystem stability and services at the Mt. Kilimanjaro, detailed understanding and description of the current biotic and abiotic controls on ecosystem C and nutrient fluxes are needed. Therefore, cycles of main nutrients and typomorph elements (C, N, P, K, Ca, Mg, S, Si) will be quantitatively described on pedon and stand level scale depending on climate (altitude gradient) and land use (natural vs. agricultural ecosystems). Total and available pools of the elements will be quantified in litter and soils for 6 dominant (agro)ecosystems and related to soil greenhouse gas emissions (CO2, N2O, CH4). 13C and 15N tracers will be used at small plots for exact quantification of C and N fluxes by decomposition of plant residues (SP7), mineralization, nitrification, denitrification and incorporation into soil organic matter pools with various stability. 13C compound-specific isotope analyses in microbial biomarkers (13C-PLFA) will evaluate the changes of key biota as dependent on climate and land use. Greenhouse gas (GHG) emissions and leaching losses of nutrients from the (agro)ecosystems and the increase of the losses by conversion of natural ecosystems to agriculture will be evaluated and linked with changing vegetation diversity (SP4), vegetation biomass (SP2), decomposers community (SP7) and plant functional traits (SP5). Nutrient pools, turnover and fluxes will be linked with water cycle (SP2), CO2 and H2O vegetation exchange (SP2) allowing to describe ecosystem specific nutrient and water characteristics including the derivation of full GHG balances. Based on 60 plots screening stand level scale biogeochemical models will be tested, adapted and applied for simulation of key ecosystem processes along climate (SP1) and land use gradients.
Aktuelle Publikationen und Tagungen zum Thema Biomonitoring belegen, dass die Anwendung molekularer Biomarker in Biotaproben zur Identifikation von Umwelteinflüssen auf genetischer Ebene immer mehr an Bedeutung zunimmt. Das Ziel dieser Studie war es daher zu überprüfen, ob die Verwendung von Biomarkern auf genetischer Ebene in Jahreshomogenatproben der Umweltprobenbank (UPB) des Bundes prinzipiell ebenfalls möglich ist. Im Rahmen dieser Machbarkeitsstudie wurden Untersuchungen mit archivierten Muskulatur- und Leberproben von Brassen (Abramis brama) durchgeführt, da diese zum einen im UPB-Programm schon langjährig beprobt werden. Zum anderen sind Fische in der aquatischen Umwelt einer Vielzahl von Schadstoffen ausgesetzt, so dass sich hier viele potentielle Anwendungen ergeben. Weiterhin liegen für Fische umfangreiche Daten aus genetischen Untersuchungen im Labor vor. So ist es durch die Ableitung aus den bekannten Gensequenzen des Zebrabärblings (Danio rerio), einer mit dem Brassen verwandten Spezies, gelungen, Gene zu identifizieren, die im Brassen durch unterschiedliche Stressoren reguliert werden. Es konnten sowohl Marker detektiert werden, die wirkstoff-unspezifisch reguliert werden, als auch solche, die als wirkstoff-spezifisch anzusehen sind. Als Wirkstoff-unspezifischer Marker konnte das Gen des so genannten Hitzeschockproteins (HSP; heat shock protein) identifiziert werden. HSP wird durch die unterschiedlichsten Stressoren sehr schnell reguliert und repräsentiert dahingehend einen Indikator, der Auskunft darüber gibt, in welchem allgemeinen Stresszustand sich der untersuchte Organismus befand. Als Wirkstoffspezifische Marker wurden die Gene des Metallothioneins, das durch verschiedene Schwermetalle, und des Vitellogenins, das durch östrogenwirksame Substanzen in der Expression stark beeinflusst werden, gewählt. Für diese Gene konnte in Brassenlebern eine von den Expositionsbedingungen abhängige Aktivität nachgewiesen werden. So zeigten Fische von belasteten Standorten im Vergleich zu einem Referenzstandort eine höhere Expression dieser Gene. Die vorliegende Studie zeigt damit prinzipiell, dass molekulare Biomarker auch in Brassenproben der Umweltprobenbank des Bundes im Sinne eines retrospektiven Monitoring erfolgreich Anwendung finden können. Mit Hilfe der DNA-Microarray Technik wird es nun möglich, entsprechende Untersuchungen auf eine Vielzahl relevanter Gene auszuweiten und an einer großen Probenzahl durchzuführen. Damit könnten die bisher schon erfolgreich durchgeführten retrospektiven Untersuchungen von UPB-Proben zur Exposition von Fischen gegenüber Schadstoffen mit Daten zu möglichen Effekten auf genetischer Ebene ergänzt werden. Da Biomarker geschlechtsspezifisch unterschiedlich reagieren können (z.B. Vitellogenin), wird empfohlen, insbesondere die Brassen für die UPB zukünftig nach Geschlechtern getrennt zu beproben und einzulagern, um so die Anwendungsmöglichkeiten noch zu erweitern.
In Projekt P2 werden wir die Chrolonolgie und Intensität der menschlichen Besiedelung der Bale-Mountains untersuchen und deren Auswirkungen auf die Entwaldung des Sanetti-Plateaus durch Feuer. Um diese Zusammenhänge zu untersuchen, werden wir uns auf folgende Punkte konzentrieren:1. In Zusammenarbeit mit Projekt P1 (Archäologie) werden wir Chronologie (mittels Radio-Kohlenstoff- und Optisch stimulierter Lumineszenz-Datierungen) und Art und Intensität der menschlichen Besiedelung untersuchen. Hierzu dienen Anthrosole unter Felsvorsprüngen und Höhlen als Archive und molekulare Marker als Landnutzungs-Indikatoren, wie z.B. Phosphor-Mapping (Birk et al. 2007), Benzolpolycarbonsäuren (Glaser et al. 1998) und Sterole und Gallensäuren als Fäkalbiomarker (Birk et al. 2012). 2. In Zusammenarbeit mit den Projekten P3 (Basis-Umweltdaten-Erhebung) und P7 (Erd-Käfer) werden wir typische Standortseigenschaften (Böden und Topographie) erhoben. Diese Daten erlauben uns die Rekonstruktion der ehemaligen Erica-Ausbreitung sowie von gegenwärtigen reellen und potenziellen Erica-Standorten. 3. Mit der gleichen Intension werden wir potenzielle molekulare Erica-Marker untersuchen wie z.B. Cutin und Suberin (Spielvogel et al. 2014), CuO lignin und Monosaccharide (Spielvogel et al. 2007; Eder et al. 2010), Phytolithe (Iriarte et al. 2010), n-Alkane, Stabilisotopen-Signaturen (Glaser und Zech 2005).Sollten keine Erica-spezifischen Biomarker gefunden werden, wenden wir Metabolomics-Techniken an, um zwischen Erica und Gras-Vegetation im Boden zu unterscheiden.4. Um mögliche Interaktionen zwischen der menschlichen Besiedelung und der zeitlichen und räumlichen Dynamik der Erica-Vegetation zu identifizieren, werden Sedimente von konkaven glazialen Ablagerungen auf dem Sanetti-Plateau mit den oben beschriebenen molekularen Markern untersucht. Wir gehen davon aus, dass die Chronologie und Intensität von Feuer die Dynamik der Erica-Vegetation bestimmt. In Zusammenarbeit mit P4 (Paleoökologie, Pollen) und P5 (Paleoclimatologie, 18O-Zucker) werden wir identifizieren, ob das Brennen der Erica-Standorte mehr durch die menschliche Besiedelung oder durch paläoklimatische Fluktuationen bestimmt wird.
Die lakustrinen Ablagerungen an den beiden ICDP Sites Chalco (Zentralmexiko) und Petén Itzá (nördliches Guatemala) eröffnen die Gelegenheit Ursachen und Folgen eines sich veränderten kontinentalen Klimas in den nördlichen Neotropen während des letzten Glazial-/Interglazialzyklus zu rekonstruieren. Trotz ihrer vergleichsweise nahen geographischen Lage, zeigen beide Archive deutliche Unterschiede hinsichtlich ihrer klimatischen Entwicklung, insbesondere während des Zeitintervalls zwischen 85 und 50 tausend Jahren, der letzten Vereisungsphase und der Kältephase des Heinrich Stadials (HS) 1. Um die zeitliche und räumliche Entwicklung des Klimas und dessen Effekt auf aquatische und terrestrische Ökosysteme in den nördlichen Neotropen, einer Region von zentraler Bedeutung für globale Klimadynamiken zu rekonstruieren, planen wir beide ICDP Sites mit einem Multiproxyansatz zusammen mit Paläoklimamodellierung in hoher Auflösung zu untersuchen.Unser Ansatz umfasst Untersuchungen beider sedimentärer Archive mit Hilfe von bulk-geochemischen Methoden, Biomarkern und organischen Temperaturproxies mit Paläobioindikatoren und Paläoklimasimulationen über den Zeitraum des letzten Glazial-/Interglazialzyklus (ca. 135 Tausend Jahre) um den (1) Effekt von Klimaveränderungen auf aquatische und terrestrische Ökosysteme (z.B. während der HS 1 bis 6) zu bestimmen und (2) den Einfluss von sich veränderten Ozeanströmungsmustern, wie der Atlantic Meridional Overturning Circulation und der Pacific Ocean Circulation, insbesondere während ausgezeichneter Kalt- und Warmphasen, auf das regionale Klima und das Ökosystem der nördlichen Neotropen festzulegen. Um die proxybasierten Klimarekonstruktionen der Chalco und Petén Itzá Ablagerungen in einen transregionalen Kontext zu stellen, werden wir unsere Ergebnisse mit denen von anderen kontinentalen und marinen Klimaarchiven aus den Neotropen vergleichen. Potentielle 'climate forcing mechanisms' werden mit Hilfe von hoch-aufgelösten Paläoklimasimulationen unter der Verwendung des 'Community Earth System Model (CESM 1)' für Zeitintervalle, die durch kontrastierenden Klimabedingungen zwischen beiden Lokationen ausgezeichnet sind, bestimmt. Ziel der Untersuchungen ist die detaillierte Rekonstruktion der räumlichen und zeitlichen Entwicklung der Klimageschichte der nördlichen Neotropen in Abhängigkeit von sich verändernden Ozeanzirkulationsmustern über die letzten 135 tausend Jahre zu verstehen und zu untersuchen wie und in welcher Geschwindigkeit sich aquatische und terrestrische Ökosysteme an beiden ICDP Lokationen an sich ändernde Umweltbedingungen angepasst haben. Dies ist von entscheidender Bedeutung um vorherzusagen, wie sich die sensiblen Ökosysteme der Neotropen unter einem sich zu erwartendem trockeneren und wärmeren Klima entwickeln werden.
This data set contains values on the cheilanthane (tricyclic terpenoids) ratios of C22/C21 and C24/23 from Mesoproterozoic to Silurian rocks of global distribution. Lipid extractions were performed following standard protocols. The yield was contamination-controlled via exterior vs. interior comparison of individual peak concentrations. Values were obtained via integration of multiple-reaction-monitoring (MRM) measurements. In comparing our data of cheilanthane ratios to that reported for younger rocks and oils, we noticed consistently lower C24/C23 values in our samples, suggesting a bimodal character of cheilanthane distribution in time. We tentatively attribute this to the rise of a source of oxidatively decarboxylated cheilanthatriol derived from ferns. Fossil cheilanthanes likely represent a composite mixture of various biological sources, whose secular patterns may record more than the Paleozoic rise of terrestrial plants presented here.