Natürliche Kolloide, einschließlich Nanopartikel, sind in der Umwelt ubiquitär und wichtige Sorptionspartner für Arzneimittel wie Antibiotika. Es ist jedoch fast nichts darüber bekannt wie Abwasserbehandlung sowie Bodentyp die Prävalenz von Kolloiden und kolloidassoziierter Antibiotika modulieren. Auch Auswirkungen von Kolloiden auf die Bioverfügbarkeit von Antibiotika im Boden sind unklar. Wir stellen die Hypothese auf, dass i) große Teile der Antibiotika im Abwasser, im Boden und im Sickerwasser an Kolloide gebunden sind, und dass ii) eine Veränderung der Abwasserqualität sowie iii) verschiedene Bodentypen die Zusammensetzung der Kolloide sowie den Anteil der daran gebundenen Antibiotika verändern. Wir gehen davon aus, dass iv) die Bindung von Antibiotika an Kolloide deren Bioverfügbarkeit und die Selektion von Antibiotikaresistenzgenen verringert, während die Pflanzenaufnahme von Antibiotika nicht durch Abwasserbehandlung beeinflusst wird, da dadurch zwar geringere Gesamtkonzentrationen verglichen zum unbehandelten Abwasser erreicht werden, diese jedoch besser verfügbar sind. Um diese Hypothesen zu testen, werden wir i) Antibiotika in der kolloidalen und echt gelösten Phase von unbehandeltem Abwasser, Boden und Sickerwasser des Säulen- und Feldexperiments im Phaeozem analysieren. Um Veränderungen in der Kolloid-Antibiotika Assoziation aufzuklären, die ii) durch Veränderungen der Abwasserqualität und iii) des Bodentyps verursacht werden, werden wir Antibiotika in gelöster und kolloidaler Form in mit behandeltem und unbehandeltem Abwasser bewässerten Leptosolen und Vertisolen analysieren (Säulen- und Feldexperiment). Die Auswirkungen von iv) Kolloiden auf Bioverfügbarkeit und Selektion von Antibiotikaresistenzgenen, wird durch ein Satellitenexperiment zusammen mit SP 3 bewertet, in dem minimale Hemmkonzentrationen und Wachstumskurven für Bakterien in Lösungen in An- und Abwesenheit von Bodenkolloiden bestimmen werden. Um reale Böden mit unterschiedlichen Kolloidzusammensetzungen aus verschiedenen Bodentypen einzubeziehen, werden wir dort zusätzlich Antibiotikakonzentrationen sowie minimale selektive Konzentrationen unter Verwendung isogenresistenter und anfälliger Stämme in der echt gelösten und kolloidalen Fraktion des zentralen Inkubationsexperiments bestimmen. Die v) Pflanzenaufnahme von Antibiotika wird im zentralen Säulen- und Feldversuch quantifiziert. Zum besseren Verständnis der an der Antibiotikabindung beteiligten Kolloidphasen erfassen wir die kolloidale Größenverteilung sowie ihre Zusammensetzung mittels Feldflussfraktionierung für alle Abwasser- und Bodenproben. Die Verknüpfung der Informationen über Kolloid-Antibiotikum-Wechselwirkungen mit den Gesamtkonzentrationen (SP 2) und mikrobiologischen Parametern aus den anderen Teilprojekten liefert eine einmalige Chance, erstmalig ein tieferes Verständnis zu erhalten, welche Rolle Kolloide für die Mobilität und Bioverfügbarkeit von Antibiotika in Böden unter Abwasserbewässerung spielen.
Ein Brennpunkt steigenden Nahrungsmittelbedarfs ist das Albertine Rift in Afrika. Diese Region leidet unter massiver Bodendegradation aufgrund von steilen Hängen, hoher Frequenz von erosiven Starkniederschlägen und einer geringen Vegetationsbedeckung über die gesamte Vegetationsperiode. Aus dem hohen Landnutzungsdruck auf Bodenressourcen resultieren zahlreiche soziale und ökologische Probleme (Ernährungsunsicherheit, politische Unruhen, Migration). Da der Bodenverlust auf ackerbaulich genutzten Flächen die Bodenneubildung in der Region substanziell übersteigt, ist die landwirtschaftliche Nutzbarkeit der Bodensysteme zeitlich begrenzt. Flächen mit einem vollständigen Verlust der Bodenoberfläche verlieren dauerhaft das Potenzial eine gesunde Biozönose zu beherbergen. Dabei ist die Zeitskala bis zum endgültigen Verlust der Bodenoberfläche sehr heterogen und wird durch die lokale Bodenerosionsrate und die Tiefe des Bodens bis zum Ausgangsgestein bestimmt. Solozori hat zum Ziel die Bodendegradationsdynamik und ihre Auswirkungen auf die landwirtschaftliche Produktivität, die Bodenqualität und schließlich den Zusammenbruch der Ökosystemleistungen im tropischen Afrika zu verstehen und zu quantifizieren. Solozori untersucht das Ruwenzori-Gebirge von Uganda, in welchem ein hoher Landnutzungsdruck besteht und zur Entwaldung und ackerbaulichen Nutzung von steilen Hängen führt. Diese Ackerflächen sind einer enorm hohen Degradationsgeschwindigkeit ausgesetzt, welche ihre Ertragsfähigkeit aufgrund flacher Böden innerhalb von Jahrzehnten verlieren. Aufgrund dieser flachen Böden ist die Region ein ideales Beispiel für die Untersuchung von Prozessen im Zusammenhang mit begrenzten Bodenressourcen, die langfristig die Nahrungsmittelsicherheit gefährden und die Chancen einer erfolgreichen Wiederaufforstung verhindern. Solozori nutzt Fernerkundungsinformationen zur Erschließung der Landnutzungsgeschichte und Vegetationsmuster, während topografische Landschaftsmerkmale und Fallout-Radionuklide Aufschluss über die langfristigen Bodenumverteilungsraten geben. Diese Bodenumverteilungsraten werden mit den vorhandenen Bodenressourcen (Bodentiefe bis zum Ausgangsgestein) verglichen, um die räumliche Ausdehnung und die verbleibende Zeit bis zum Verlust der Anbauflächen des Rwenzori-Gebirges zu ermitteln. Solozori ist ein Beispielprojekt zur Demonstration von Ertragseffekten vor dem Hintergrund von sich verknappenden Bodenressourcen. Solozori dient damit dem dringend notwendigen Verständnis über langfristige Bodendegradationsprozesse, welche die Grundlage zur Entwicklung von nachhaltigen Agroökosystemnutzungsstrategien sind, um den Landnutzungsdruck auf Waldressourcen zu verringern und den dramatischen Verlust von bodenbezogenen Ökosystemleistungen einzudämmen. Solozori setzt den Verlust von Ackerland in eine zeitliche Dimension, was den Handlungsbedarf zum Schutz von Bodensystemen der afrikanischen Tropen auf einer neuen Ebene veranschaulicht.
In forest ecosystems ectomycorrhizal fungi are responsible for the mobilization of mineral nutrients from soil organic matter (SOM) resulting in a marked increase in productivity of their symbiotic host plants. In return the fungi obtain a significant amount of photosynthetic products from these plants, allowing the formation of an extensive hyphal system. These hyphae constitute a major part of soil biomass and, ultimately, a major source for SOM formation. While plant-fungal nutrient exchange has been analyzed extensively, this proposal is focused on the fungal contribution to SOM formation and on the processes leading to the acquisition of nutrients by the fungi. These two processes will be studied separately and in a quantitative way using isotopic labeling in soil bioreactors. Analysis of the fate of 13C labeled fungal material (Laccaria bicolor) in soil bioreactors will tell how fast and to what extent the various fractions of hyphal biomass are transformed into non-living SOM. As potential molecular or structural markers for SOM formation from fungal hyphae we will analyze characteristic remnants of fungal hyphae in SOM using scanning electron microscopy, DNAfragments using a PCR approach for the fungal rRNA internal transcribed spacerregions and biochemical markers like fatty acids and ergosterol. The impact of ectomycorrhizal mycelia supported by Pinus sylvestris plantlets on 13C- and 15N-labeled SOM and on microbial biomass will be analyzed in separate soil bioreactor experiments.
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.
Die Gründung von Städten hat das Hirten-Nomadentum und die Umwelt in der Mongolei grundlegend verändert. Jedoch ist nicht bekannt, wie die Versorgung einer städtischen Bevölkerungsagglomeration im Herzen der mongolischen Steppe aufrechterhalten wurde und wie diese von der umgebenden Umwelt getragen wurde. In unserem Projekt werden wir daher die frühere Landnutzung und die Brandhistorie im Zusammenhang mit paläoklimatischen Veränderungen und dem Aufstieg und Niedergang der Städte erforschen. Auf lokaler Ebene wollen wir dabei untersuchen, ob und wie sich die Abfallentsorgung zwischen nomadischen und städtischen Haushalten zu bestimmten Zeiten unterscheidet. Zum Verständnis regionaler Prozesse analysieren wir kolluviale Ablagerungen in der Annahme, dort Hinweise auf die damalige Landwirtschaft zu finden. Durch Untersuchungen von Seekernen erwarten wir schließlich Informationen darüber, wie urbane und nicht-urbane Phasen mit überregionalen Brandereignissen und der Ausbreitung von Gehölzen korrelieren. Um diese Ziele zu erreichen, werden Nährstoffe, Isotopenzusammensetzungen und Biomarker analysiert, die in der Umwelt stabil sind: Zur Lokalisierung der organischen Abfälle untersuchen wir unterschiedliche P-Formen, zusätzlich liefern Sterole und Gallensäuren Informationen über deren Herkunft, z.B. menschlichen oder tierischen Ursprungs. Zum eventuellen Nachweis eines Anbaus von C4-Pflanzen, erfassen wir die Stabil Isotopen-Zusammensetzung der organischen Bodensubstanz; mittels Lignin-Analysen unterscheiden wir ehemals bewaldete und unbewaldete Gebiete. Zur Rekonstruktion von Feuerregimen werden Analysen von schwarzem Kohlenstoff und (methylierten) polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen durchgeführt. Insgesamt werden wir damit zu einem besseren Verständnis beitragen, wie die Versorgung der Städte mit den damaligen Umwelt- und Landnutzungsbedingungen zusammenhängt.
Es sollen Paläo- und rezente Böden in den Becken- und Schwemmfächerbereichen des Gaxun Nur-Systems (Abb. 1) untersucht werden. Die Ziele dieser Untersuchungen sind: 1. Das Paläoklima zu rekonstruieren, 2. die Entwicklung und 3. die Ökofunktionen der Böden zu erfassen. Zur Rekonstruktion des Paläoklimas werden relikte sowie fossile Böden untersucht, die datierbar sind bzw. bekanntes Alter haben. Dabei werden vor allem Paläoböden von Wadi- und Strandterrassen bevorzugt untersucht. Die Verwitterungsart und Verwitterungsintensität dieser Böden sollen durch Geländearbeit, mineralogische und geochemische Untersuchungen sowie über Stoffbilanzen erfaßt werden. Ziel dieser Untersuchungen ist die Ableitung pedogener Klimaindikatoren.An rezenten Böden sollen 1. der Einfluß der hohen Kontinentalität auf bodenbildende Prozesse (Bioturbation, kryoklastische und chemische Verwitterung) und 2. Wichtige Ökofunktionen (z.B. Verdunstung, Grundwasserneubildung, Kapillarer Aufstieg, Versalzung) bestimmt werden. Mit Hilfe von Satellitenaufnahmen und geophysikalischen Methoden soll eine Regionalisierung der Daten erfolgen, so daß es möglich wird, für bestimmte Teilgebiete Boden. und Landeignungskarten sowie Karten über den Wasserhaushalt (z.B. Grundwasserneubildung, Kapillarer Aufstieg) und die Versalzungs- sowie Erosionsgefährdung zu erstellen.
Die semiaride argentinische Pampa umfasst verschiedene Vegetationstypen, die sich auf humusreichen Böden äolischen Ursprungs etabliert haben und periodisch von natürlich auftretenden Bränden betroffen sind. Diese Übergangszone zwischen regengespeister Landwirtschaft und trockeneren, meist als Weide genutzten Flächen, weist kleinräumig heterogene Bodeneigenschaften auf. Während die Lössböden mit teilweise hohem Feinsandgehalt als stabil gelten, solange sie durch die dichte natürliche Graslandvegetation oder physikalische und biologische Krusten geschützt sind, führt zunehmender Landnutzungsdruck einschließlich Landwirtschaft und Beweidung zur Zerstörung der Vegetationsdecke. Gerade die gemeinsamen Auswirkungen von Landnutzungsdruck, klimawandelbedingter erhöhter Niederschlagsvariabilität und häufigerem Feuer können die Empfindlichkeit des gesamten Ökosystems erhöhen, sind aber bisher nicht umfassend erforscht und bewertet worden. Als einen Schlüsselfaktor untersuchen wir die Auswirkungen von Bränden auf die Erodierbarkeit des Bodens, einschließlich der damit in Verbindung stehenden Emissionen von Staub und Feinstaub auf lokaler bis regionaler Skala. Wir konzentrieren uns auf verschiedene Bodenoberflächen mit den Vegetationstypen Grasland, Buschland und lichter Wald mit entsprechenden Schlüsselparametern in Bezug auf prozentuale Oberflächenbedeckung, dem Anteil und der Stabilität von Krusten, der Rauheit und dem Substrat. Außerdem erforschen wir Variabilitäten in Bezug auf die räumlich-zeitliche Ausdehnung und die Temperatur der Brände auf Boden und Oberfläche sowie deren Auswirkungen auf Winderosion und Staubemissionen. Auf der Grundlage von Messungen vor und nach einem Brand, einschließlich erodiertem Material, Bodenproben und mobilen Windkanalmessungen erheben wir dringend benötigte Daten bezüglich des Zusammenspiels der genannten Faktoren. Die Proben werden quantitativ und qualitativ analysiert, um Informationen über die Umverteilung von mineralischem und organischem Material zu gewinnen. Um die lokal erhobenen Daten auf eine regionale Skala zu skalieren, werden GIS-Anwendungen und eine angepasste Modellierung eingesetzt. Ziel des Projektes ist ein vertieftes Prozessverständnis des intensiv anthropogen beeinflussten Landschaft-Boden-Feuer-Nexus Pampa einschließlich der Quantifizierung von mobilisierten Sedimenten und Nährstoffen.
Teilprojekt E7 hat in Phase 1 (als F3) Methoden zur Analysen von schwarzem Kohlenstoff entwickelt und, in Phase 2 (als D6), auf verschiedene geoarchäologische Archive angewendet, um Paläoumwelt- und menschliche Einflüsse auf die lokale Brandgeschichte zu rekonstruieren. Die Feuersignale korrelieren mit menschlicher Aktivität und Paläoklima . Ziel ist, die Feuersignale aus den Geoarchiven und archäologischen Fundstellen des SFB von NE-Afrika bis zum Balkan zwischen 190-15 kaBP zu vernetzen, auch durch räumliche Modellierung der Transportweiten von Brandrückständen. Wir erwarten, dass die Interaktion zwischen Feueraktivität, Paläoklima und menschlicher Mobilität sich entlang des Korridors von Afrika nach Europa verändert. Die Synthese der natürlichen und menschlichen Feuergeschichte wird helfen, die Rolle von Feuern für unseren 'Unseren' Weg nach Europa zu verstehen.
During microbial turnover of organic chemicals in soil, non-extractable residues (NER) are formed frequently. Studies on NER formation usually performed with radioisotope labelled tracer compounds are limited to localisation and quantitative analyses but their chemical composition is left unknown. Recently, we could show for 2,4-dichlorophenoxyacetic acid and ibuprofen that during microbial turnover in soil nearly all NER were derived from microbial biomass, since degrading bacteria use the pollutant carbon for their biomass synthesis. Their cell debris is subsequently stabilised within soil organic matter (SOM) forming biogenic NER (bioNER). It is still unknown whether bioNER are also formed during biodegradation of other, structurally different compound classes of organic contaminants. Therefore, agricultural soil will be incubated with labelled compounds of five classes of commonly used and emerging pesticides: organophosphate, phenylurea, triazinone, benzothiadiazine and aryloxyphenoxypropionic acid. The fate of the label will be monitored in both living and non-living SOM pools and the formation of bioNER will be quantified for each compound over extended periods of time. In addition, soil samples from long-term lysimeter studies with 14C-labelled pesticide residues (e.g. triazine, benzothiazole and phenoxypropionic acid group) will be also analysed for bioNER formation. The results will be summarised to identify the metabolic conditions of microorganisms needed for bioNER formation and to develop an extended concept of risk assessment including bioNER formation in soils.
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