Die Stabilisierung von organischer Sustanz (OM) und von Nährstoffen im Boden ist an ihre Bindung an Minerale gekoppelt. Mineraloberflächen, im weiteren auch Mineralosphäre genannt, sind Zonen, in denen das Aufeinandertreffen von reaktiven Oberflächen und Bodenmikroorganismen zu komplexen biogeochemische Prozessen und Wechselwirkungen führt. Das Wechselspiel von mikrobieller Besiedlung sowie Sorption bzw. Freisetzung von organischer Substanz und Nährstoffen hat unmittelbare Auswirkungen auf die Speicherung und Verfügbarkeit von Kohlenstoff und Nährstoffen. Die Richtungen und Rückkopplungen der aufgrund von Umwelteinflüssen und Ökosystemfaktoren ablaufenden Entwicklungen sind nur unzureichend verstanden. Mit dem vorgeschlagenen Projekt nutzen wir die einmalige Gelegenheit, dass auf allen Versuchsflächen der Biodiversitäts-Exploratorien frische, unverwitterte Minerale (Illit, ein Tonmineral, und Goethit, ein Eisenoxid) seit 2015 den natürlichen Bodenbedingungen ausgesetzt sind. Auf diesen, durch unterschiedliche Eigenschaften gekennzeichneten Mineraloberflächen, planen wir eine koordinierte, interdisziplinäre Untersuchung der Auswirkungen von Landnutzung und Biodiversität auf die Veränderungen von mikrobiellen Gemeinschaften, der organischen Substanz und von Nährstoffen. Wir vermuten, dass sowohl Art und Intensität der Landnutzung als auch die Biodiversität Einfluss nehmen auf: (1) die Akkumulation und Zusammensetzung mineral-assoziierter organischer Substanz, (2) den Beitrag von Pflanzen und Mikroorganismen zur mineral-assoziierten organischen Substanz, (3) die Zusammensetzung der sich etablierenden mikrobiellen Gemeinschaften, (4) die Stabilität der mineral-assoziierten organischen Substanz, (5) die Nährstoffakkumulation in der Mineralosphäre sowie (6) die Eigenschaften der Mineralosphäre als Funktion der Bodentiefe. Diese Aspekte werden an den exponierten Mineralen sowie in dem sie umgebenden Boden untersucht. Dazu nutzen wir eine Reihe komplementärer, moderner Methoden aus den Bereichen Mineralogie, Biogeochemie, Mikrobiologie und Mikrobieller Ökologie. Folgende Eigenschaften sollen an den Mineralen zu untersucht werden: Oberflächeneigenschaften und der Nährstoffakkumulation, Radiokohlenstoffalter, chemische Zusammensetzung und Stabilität der mineral-assoziierten organischer Substanz, Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft, und Enzymaktivitäten. Unser gemeinschaftlicher Forschungsansatz wird erstmalig detaillierte und umfassende Einblicke in die sich unter unterschiedlichen Umweltbedingungen unter Grünland und Wald entwickelnden Mineralosphären ermöglichen.
Subsoils are an often neglected nutrient source for crops. The mobilisation and use of this potential nutrient source is an important factor in sustainable land use. Nutrient accessibility, release, and transport are strongly dependent on soil structure and its dynamics controlled by spatiotemporally variable physical functions of the pore network. A well structured soil, for example, with numerous interconnected continuous biopores will enhance root growth and oxygen availability and hence nutrient acquisition. In contrast to soils with a poorly developed structure nutrient acquisition is limited by restricted root growth and reduced aeration. The goal of this research project is to investigate different preceding crops and crop sequences in developing characteristic biopore systems in the subsoil and to elaborate their effect on the functional performance of pore networks with respect to nutrient acquisition. The main research question in this context is how soil structure evolves during cultivation of different plant species and how structure formation influences the interaction of physical (water and oxygen transport, shrinking-swelling) biological (microbial activity, root growth) and geochemical processes (e.g. by creating new accessible reaction interfaces). In order to study and quantify pore network architectures non-invasively and in three dimensions X-ray computed microtomography and 3D image analysis algorithms will be employed. The results will be correlated with small- and mesoscale physical/chemical properties obtained from in situ microsensor (oxygen partial pressure, redox potential, oxygen diffusion rate) and bulk soil measurements (transport functions, stress-strain relationships) of the same samples. This will further our process understanding regarding the ability of various crop sequences to form biopore systems which enhance nutrient acquisition from the subsoil by generating pore network architectures with an efficient interaction of physical, biological and geochemical processes.
Organic matter (OM) composition and dynamic in subsoils is thought to be significantly different from those in surface soils. This has been suggested by increasing apparent 14C ages of bulk soil OM with depth suggesting that the amount of fresh, more easily degradable components is declining. Compositional changes have been inferred from declining ä13C values and C/N ratios indicative for stronger OM transformation. Beside these bulk OM data more specific results on OM composition and preservation mechanisms are very limited but modelling studies and results from incubation experiments suggest the presence and mineralization of younger, 'reactive carbon pool in subsoils. Less refractory OM components may be protected against degradation by interaction with soil mineral particles and within aggregates as suggested by the very limited number of more specific OM analysis e.g., identification of organic compound in soil fractions. The objective of this project is to characterize the composition, transformation, stabilization and bioavailability of OM in subsurface horizons on the molecular level: 1) major sources and compositional changes with depth will be identified by analysis of different lipid compound classes in surface and subsoil horizons, 2) the origin and stabilization of 'reactive OM will be revealed by lipid distributions and 14C values of soil fractions and of selected plant-specific lipids, and 3) organic substrates metabolized by microbial communities in subsoils are identified by distributional and 14C analysis of microbial membrane lipids. Besides detailed analyses of three soil profiles at the subsoil observatory site (Grinderwald), information on regional variability will be gained from analyses of soil profiles at sites with different parent material.
Makronährstoffe, wie Phosphor, sind wichtig für das Wachstum von Meeresmikroorganismen, wie Phytoplankton. Diese sind sehr bedeutsam für die marine Nährstoffkette und Biologie. Verschiedene Phytoplanktonarten emittieren klimarelvante organische Verbindungen, z.B. DMS, welches in der Atmosphäre zu Schwefelsäure oxidiert wird und anschließend zur Bildung neuer Aerosolpartikel beiträgt. Diese können weiterhin als potentielle Wolkenkondensaktionskeime dienen. Informationen über die Verfügbarkeit von Phosphor für diese Mikroorganismen sind somit essentiell für ein besseres Verständnis der Ozean-Atmosphären-Wechselwirkung. Der Haupteintrag von Phosphor in den offenen Ozean erfolgt vorwiegend über atmosphärische Deposition. Informationen über atmosphärische Phosphorkonzentrationen, die Bioverfügbarkeit und Quellen sind notwendig, um den Verbleib in den Ozeanen zu verstehen. Dabei werden vor allem in den Regionen des tropischen Nord- und Südost-Atlantik immer noch Daten benötigt. Die wenigen verfügbaren Daten basieren zumeist auf kurzzeitigen Schiffsmessungen, die in ihrer Anwendung auf langfristige Prognosen und jahreszeitlichen Zyklen sehr begrenzt sind. Um das Verständnis über die Phosphorverfügbarkeit, -quellen, und -bioverfügbarkeit in diesen ozeanischen Gebieten zu verbessern, sollen größenaufgelöste Langzeitmessungen zur Bestimmung des Phosphorgehalts von Aerosolpartikeln durchgeführt werden. Weiterhin werden analytische Methoden entwickelt und optimiert (basierend auf der Kombination von drei Techniken). Diese sollen eine empfindliche Bestimmung von löslichem als auch dem Gesamtphosphor in feinen Partikeln ermöglichen, aufgrund der geringen Aerosolmasse in dieser Größenfraktion. Die ermittelten Daten werden benutzt, um wichtige Quellen des Phosphors in diesen Regionen zu charakterisieren, die Rolle von unterschiedlichen Quellen wie Mineralstaub, Biomassenverbrennung, sowie anthropogenen Verbrennungsaerosols auf die Speziation (organische und anorganische Zusammensetzung), Löslichkeit und atmosphärische Prozessierung des Phosphors, sowie ihre saisonale Variabilität zu untersuchen. Darüber hinaus soll eine regionale Staubmodellsimulation angewendet werden, um den Aerosoltransport und die Staupdeposition in diesen Regionen besser zu beschreiben. Die Ergebnisse sind wichtig für kombinierte Modelle zur Ozean-Atmosphäre Wechselwirkung und das Verständnis der wichtigsten Faktoren, die den Verbleib von atmosphärischem Phosphor im Ozean beeinflussen.
Hintergrund: Obwohl Nanopartikel und Kolloide (NPC) als Vektoren für P-Verluste und P-Neuverteilungen in Waldsystemen fungieren, fehlen grundsätzlichen Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen steuernden Umweltfaktoren und dem Schicksal, Transport und der zusammensetzung von NPC und ihrer P-Beladung. Wir postulieren, dass hydrologisch bedingte NPC-Verluste und -umverteilungen eine dreifache Gefahr für das langfristige biogeochemische Recycling von P in Waldökosystemen und damit die Ökosystemernährung darstellen. Projektziel: Aufklärung der Bedeutung und Steuerung von NPC-Verlusten und -umverteilungen für die langfristige Effizienz des P-Recycling in Waldökosystemen. Projekt-Hypothesen: Mobile Kolloide in Waldökosystemen entstammen hauptsächlich dem organischen Oberboden (alle WPs), (ii) Laterale Flüsse vom kolloidalen P während Starkregenereignissen begrenzen langfristig die maximale P-Wiederverwertungseffizienz von Waldökosystemen (WP1), (iii) P ist überwiegend mit organischen Kolloiden assoziiert und größtenteils bioverfügbar, was eine weitere Limitierung der P-Wiederverwertung im Wald darstellt (WP2), (iv) Die Kolloidverlagerung in Wäldern führt zu P-reichen und P-armen Stellen (laterale Umverteilung) bzw. zu einem P-Transfer aus oberflächennahen organischen Horizonten zum mineralischen Unterboden und damit zu einer P-Festlegung in diesem Horizont (WP3), und (v) Abnehmende atmosphärische Einträge von organischen Säuren und Kalkung erhöhen den pH Wert und reduzieren das austauschbare bzw. gelöste Al3+ im Waldoberboden, was die Mobilisierung bzw. den Verlust von kolloidalem P fördert (WP4). Methodik: Wir werden die Konzentration und Zusammensetzung von Kolloiden in den Wasserproben i) aus den Streulysimetern, ii) aus dem lateralen Fluss in Bodeneinschnitte (trenches) und iii) aus den Oberläufen von Bächen an den Versuchsstandorten in Bad Brückenau, Conventwald, Vessertal und Mitterfels bestimmen. Die Kolloide werden mittels Feld Fluss Fraktionierung fraktioniert bzw. isoliert und in Kombination mit ICP-MS, TOC und TN Analyse, sowie TEM gekoppelt mit Energiedispersiver Röntgenspektroskopie charakterisiert. Aufgaben/Arbeitspakete: WP1: Entnahme von Wasserproben aus dem lateralen Fluss in Bodeneinschnitten (trenches) (mit Puhlmann/Weiler und Julich/Feger). Entsprechend unserer Hypothese sollte die Gesamtmenge von NPCs aus präferenziellen Fließwegen, dem lateralen Fluss und den Oberläufen der freigesetzten Menge aus der organischen Bodenoberschicht gleich sein. WP2: Untersuchung der Bioverfügbarkeit der NPC aus dem 'interflow' und den Oberläufen durch Inkubationsexperimente mit Enzymen um Phosphatester und Inositol-Phosphate nachzuweisen (mit Kaiser/Hagedorn/Niklaus). (Text gekürzt)
Problemstellung: Moorassoziierte Fliessgewaesser erhalten aus den benachbarten, organisch gepraegten Lebensraeumen einen erheblichen Stoff- und Energieeintrag, dabei spielen vor allem Huminstoffe ein quantitativ bedeutende Rolle. Zielsetzung: Fuer die Haidgauer Ach im Wurzacher Ried (Lkr. Ravensburg) wurde exemplarisch untersucht, inwieweit sich dieser Eintrag auf Limnochemie und die Makrozoobenthoszoenose des Gewaessers auswirkt. Die limnochemischen Untersuchungen erfassten Menge und Dynamik der eingetragenen organic matter Frachten und deren Quellen. Das Zoobenthos wurde quantitativ auf zoenotischer Ebene sowie auf der Ebene einzelner biomassebestimmender Populationen durchgefuehrt. Um direkte Auswirkungen geloester organischer Stoffe auf aquatische Evertebraten zu hinterfragen, wurden ionenregulative Epithelien nach Exposition unter experimentellen Bedingungen mit dem Elektronenmikroskop untersucht. Die Ergebnisse belegen einen potamalisierenden Effekt der 'organic matter' Eintraege. Innerhalb der Zoenose traten zusaetzliche graduelle Verschiebungen auf, die beispielsweise auf die hohe Mobilisierung der organischen Partikel oder die Reduktion der Bioverfuegbarkeit von Calcium durch die geloesten organischen Stoffe zurueckzufuehren waren. Erste Ergebnisse zur Auswirkung der erhoehten Huminstoffgehalte auf subzellulaerer Ebene ergaben, dass Chloridzellen von Koecherfliegenlarven bei hohen Huminstoffgehalten vergroesserte Bereiche mit glattem endoplasmatischen Retikulum aufweisen. Diese Veraenderungen in der Ultrastruktur deuten damit einen moeglicherweise toxischen Effekt von Huminstoffen unter neutralen Bedingungen an, der zu einer Anpassungsreaktion auf zellulaerem Niveau fuehrt. Stand der Arbeit: Datenerhebung und experimentelle Versuche abgeschlossen, statistische Auswertung der Daten und Texterstellung laeuft.
Exp. 370 diente der Erforschung des oberen Temperaturlimits der Tiefen Biosphäre vor dem Kap Muroto im Nankai Graben vor Japan. Dieser Standort ist charakterisiert durch einen extrem hohen Wärmefluss und sehr hohe Temperaturen, die an der Grenzfläche des Sediments zur Kruste bis zu 120 Grad C erreichen können. Dies entspricht der Maximaltemperatur bei der Leben bisher im Labor nachgewiesen wurde. Dieser Temperaturbereich umfasst ebenfalls den Bereich in dem Katagenese stattfindet, der thermische Zerfall von organischem Material zu flüssigen und flüchtigen Kohlenwasserstoffen. Es wird vermutet, dass dieses durch Katagenese gebildete labile und sauerstoffreiche oxidierte organische Material eine direkte Nahrungsquelle für die Mikrobengemeinschaften in diesen Sedimenten ist und somit eine direkte Kopplung der abiotischen und biotischen Zone darstellt. Die Hauptfragen in diesem Projekt sind: Welche und wieviele Mikroorganismen befinden sich in den Sedimenten nahe des Temperaturmaximums mikrobiellen Lebens? Bis in welche Tiefe, und können diese nachgewiesen werden? Wie ist mikrobielles Leben an diese extremen Bedingungen angepasst? Welche bioverfügbaren Verbindungen werden bei erhöhten Temperaturen aus dem organischen Material freigesetzt und inwieweit stellen diese eine Verknüpfung der tiefen Geo- und Biosphäre im Nankai Graben dar? Hierfür wird ein umfassender geochemischer Ansatz vorgeschlagen, der zum einen das Erstellen von Tiefenprofilen molekularer Lebenssignaturen vorsieht und zum anderen diese mit einer detaillierten Charakterisierung von löslichem und unlöslichem organischen Material (Kerogen) verknüpft. Diagnostische Biomoleküle wie z.B. intakte polare Membranlipide und Chinone werden hierbei mittels ultra-sensitiven massenspektrometrischen Methoden identifiziert und quantifiziert. Qualität und Bioverfügbarkeit des organischen Materials bei erhöhten Temperaturen soll mit einer Kombination aus Elementaranalyse und massenspektrometrischen, spektroskopischen und pyrolytischen Methoden untersucht werden. Zusätzlich wird die Bildung von potentiellen organische Substrate für die Mikrobengemeinschaften mittels wässriger Pyrolyse in Laborversuchen getestet. Diese Arbeiten stehen im direkten Bezug zu fundamentalen Fragen der Erforschung der Tiefen Biosphäre und versprechen wichtige Einblicke in Hinblick auf die Verteilung von tief versenktem Leben und der Faktoren welche dessen Ausbreitung limitiert.
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.
Der biogeochemische Eisenkreislauf stellt ein wichtiges Reaktionsnetzwerk dar, welches einen direkten Einfluss auf umweltrelevante Prozesse in Sedimenten hat. Eisen(II)-oxidierende und Eisen(III)-reduzierende Bakterien kontrollieren zu großen Teilen die (Im)Mobilisierung von Eisen in Sedimenten. Unser klassisches Verständnis vom sedimentären Eisenkreislauf beschreibt, dass die Hauptsubstratquelle (Eisen(II) für Eisen(II)-oxidierende Bakterien die mikrobiellen Eisen(III)-reduktion ist, welcher typischerweise in tieferen Zonen von Redox-stratifizierten Sedimenten ansässig ist. Bislang wurde der Prozess der Eisen(III)-Photoreduktion nicht als signifikante Eisen(II) Quelle in limnische Sedimente betrachtet. In dem beantragten Forschungsprojekt, stellen wir die Hypothese auf, dass die Photoreduktion von Eisen(III) in limnischen Sedimenten eine zusätzliche Eisen(II)-Quelle für Eisen(II)-oxidierende Bakterien in den obersten (teilweise) oxischen und Lichtdurchfluteten Sedimentschichten darstellt. Zu diesem Zweck werden wir hochaufgelöste Licht und geochemische Messungen (O2, gelöstes Fe(II), pH, H2O2) mit Mikrosensoren durchführen und die Eisenmineralogie als Funktion der Lichtqualität (Wellenlänge) und Lichtquantität (Intensität) in Süßwassersedimenten bestimmen. Darüber hinaus werden wir den Einfluss von natürlichen organischen Material auf die Eisen(III)-Photoreduction untersuchen. Zusätzlich werden wir die Rolle von reaktiven Sauerstoffspezies auf die Bioverfügbarkeit von produzierten Eisen(II) in oxischen Sedimenten bestimmen. Dieses Forschungsprojekt untersucht einen Prozess der bislang in Sedimenten vernachlässigt wurde und öffnet die Türen zu einem neuen Verständnis des biogeochemischen Eisenkreislaufs und den assoziierten Eisen(II) Stoffflüssen entlang sedimentärer Redoxgradienten.
Evidence is compelling for a positive correlation between urbanisation and increment of allergic sensitisation and diseases. The reason for this association is not clear to date. Some data point to a pro-allergic effect of anthropogenic factors on susceptible individuals. Data analysing the impact of environmental - natural and anthropogenic - factors on the allergenicity of allergen carriers such as pollen grains are scarce, and if applicable only taken from in vitro experimental designs. This study will analyse one of the most common allergy inducers in northern Europe - the birch pollen. Under natural exposure conditions, birch pollen will be analysed with respect to their allergenicity. Within an interdisciplinary research team this study will evaluate the effect of natural (e.g. soil, climate, genetic background) and anthropogenic (e.g. traffic pollutants) factors on birch pollen in a holistic approach including analysis of allergen bioavailability, release of pollen associated lipid mediators from birch pollen grains, in vitro immunostimulatory activity and in vivo allergenic potential. These data collected in the time course of three years will significantly add to our understanding how urbanisation and climate change influence the allergenicity of birch pollen and will help us in the future to set up primary prevention studies.
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