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Sonderforschungsbereich (SFB) 1357: MIKROPLASTIK - Gesetzmäßigkeiten der Bildung, des Transports, des physikalisch-chemischen Verhaltens sowie der biologischen Effekte: Von Modell- zu komplexen Systemen als Grundlage neuer Lösungsansätze; MICROPLASTICS - Understanding the mechanisms and processes of biological effects, transport and formation: From model to complex systems as a basis for new solut, Teilprojekt A06: Mikroplastik in der Rhizosphäre von Nutzpflanzen - Wirkung auf physikalische, chemische und mikrobiologische Prozesse im Boden

A06 beschäftigt sich im SFB 1357 mit den Auswirkungen von chemisch komplexen und umweltrelevanten Mikroplastik (MP)-Partikel im System Boden-Mikroben-Pflanze mit speziellem Fokus auf Änderungen der Bodenaggregation, der Bodenchemie und der Bodenmikrobiologie in der Rhizosphäre von Nutzpflanzen. Aufbauend auf die 1. Förderperiode (FP) adressiert das Teilprojekt die Frage, welche Eigenschaften von umweltrelevantem MP zu Veränderungen in der Rhizosphäre führen und wie sich diese auf die entsprechenden Pflanzen wie Mais und Erdbeeren auswirken. Dabei legt das Teilprojekt verstärkt Wert auf den Vergleich von konventionellem MP mit bioabbaubaren Kunststoffen, deren Wirkung auf die Bodenchemie und die Bodenmikrobiologie erheblich größer sein könnten. Aus der 2. FP werden zudem Erkenntnisse erwartet, die zur ökotoxikologischen Bewertung von MP für Mikroorganismen in Böden und daher indirekt für Pflanzen beitragen. In einem SFB-übergreifendem Bodenmesokosmen-Experiment werden Fragestellungen aus den Projektbereichen A, B und C im Rahmen der Querschnittsthemen „Migration-Expositionswahrscheinlichkeit“ und „Effekte-Alterung“ an der Schnittstelle Boden untersucht.

Immobilisation of arsenic in paddy soil by iron(II)-oxidizing bacteria

Arsenic-contaminated ground- and drinking water is a global environmental problem with about 1-2Prozent of the world's population being affected. The upper drinking water limit for arsenic (10 Micro g/l) recommended by the WHO is often exceeded, even in industrial nations in Europe and the USA. Chronic intake of arsenic causes severe health problems like skin diseases (e.g. blackfoot disease) and cancer. In addition to drinking water, seafood and rice are the main reservoirs for arsenic uptake. Arsenic is oftentimes of geogenic origin and in the environment it is mainly bound to iron(III) minerals. Iron(III)-reducing bacteria are able to dissolve these iron minerals and therefore release the arsenic to the environment. In turn, iron(II)-oxidizing bacteria have the potential to co-precipitate or sorb arsenic during iron(II)- oxidation at neutral pH followed by iron(III) mineral precipitation. This process may reduce arsenic concentrations in the environment drastically, lowering the potential risk for humans dramatically.The main goal of this study therefore is to quantify, identify and isolate anaerobic and aerobic Fe(II)-oxidizing microorganisms in arsenic-containing paddy soil. The co-precipitation and thus removal of arsenic by iron mineral producing bacteria will be determined in batch and microcosm experiments. Finally the influence of rhizosphere redox status on microbial Fe oxidation and arsenic uptake into rice plants will be evaluated in microcosm experiments. The long-term goal of this research is to better understand arsenic-co-precipitation and thus arsenic-immobilization by iron(II)-oxidizing bacteria in rice paddy soil. Potentially these results can lead to an improvement of living conditions in affected countries, e.g. in China or Bangladesh.

Biogeochemical Processes in Tropical Soils

In recent years science has taken an increased interest in mineralization processes in tropical soils in particular under minimal tillage operations. Plant litter quality and management strongly affect mineralization-nitrification processes in soil and hence the fate of nitrogen in ecosystems and the environment. Plant secondary metabolites like lignin and polyphenols are poorly degradable and interact with proteins (protein binding capacity) and hence protect them from microbial attack. Nitrification, a microbiological process, directly and indirectly influences the efficiency of recovery of N in the vegetation as well as the loss of N (through denitrification and leaching) causing environmental pollution to water bodies and contributes to global warming (e.g. the greenhouse gas N2O is emitted as a by-product of nitrification and denitrification). Nitrifiers comprise a relatively narrow species diversity (at least as known to date) and are generally thought to be sensitive to low soil pH and stress. Despite these properties nitrification occurs in acid tropical soils with high levels of aluminium and manganese. Thus the main objective of the project will be the identification of micro-organisms and mechanisms responsible for mineralization-nitrification processes in acid tropical soils and the influence of long-term litter input of different chemical qualities and minimal tillage options. The project will include the use of stable isotopes (15N, 13C), mass spectrometry, gas chromatography (CO2, N2O), biochemical methods (PLFA) and molecular biology (16s rRNA., PCR, DGGE)

Forschergruppe (FOR) 1525: INUIT - Ice Nuclei research UnIT, Screening und Charakterisierung biologischer Eiskeime und Untersuchung deren Einflusses auf die Eiskeimaktivität von Boden-und Mineralstaub

Mikroorganismen sind im Boden, in kryptogamen Gemeinschaften und in der Atmosphäre von zentraler Bedeutung. Verschiedene Spezies von Bakterien, Pilzen, Flechten und Pollen wurden bereits als Eiskeime, welche eine Eisbildung bei relativ hohen Temperaturen initiieren können, identifiziert, und besonders biologische Bestandteile aus dem Boden sind eine vermutlich bedeutsame Quelle atmosphärischer Eiskeime. Die genauen Quellen biologischer Eiskeime in der Atmosphäre sind jedoch kaum bekannt, obwohl ein potentieller Beitrag dieser, zur Eis- und Niederschlagsbildung mittlerweile von verschiedenen Studien untermauert wird. Aktuelle Untersuchungen verschiedener Boden- und Luftproben zeigen Hinweise, dass verschiedene eisaktive Pilze unterschiedlicher Phyla nicht nur im Boden und in der Luft vorhanden sind, sondern auch häufig in der kultivierbaren Fraktion vorkommen können. Aus diesem Grund befasst sich das vorgeschlagene Projekt mit der Suche nach weiteren bisher unbekannten eisaktiven Mikroorganismen und Bestandteilen aus dem Boden, von Pflanzen und kryptogamen Gemeinschaften und mit der Erforschung ihres Einflusses auf die Eiskeimaktivität des Bodens. Die nötigen Methoden für ein Screening verschiedenster Kulturen z.B. von Cyanobakterien sind in unserem Labor gut etabliert. Zudem sollen die jeweiligen Eiskeime der neu gefundenen eisaktiven Organismen auf molekularer Ebene charakterisiert werden.

Sonderforschungsbereich (SFB) 1211: Evolution der Erde und des Lebens unter extremer Trockenheit, Teilprojekt B05: Böden der Atacama Wüste: Reservoir und Fingerabdruck des Lebens

Böden als Habitat und Reservoir für Pflanzen und Mikroorganismen interagieren äußerst sensitiv mit den unterschiedlichen Lebenswesen, insbesondere unter extremen Bedingungen. Im Rahmen des Projektes gilt es, (i) die organische Materie in Bodenprofilen, sowie entlang potentieller Ausbreitungskorridore zu identifizieren und qualifizieren, (ii) das Vorkommen organischer Materie, Veränderungen des Nährstoffhaushaltes sowie physikalischer Bodeneigenschaften entlang Trajektorien des Mikroklimas und der gegenwärtigen sowie historischen Verbreitung in Verbindung zu bringen und (iii) die Veränderungen der Eigenschaften organischer Materie, des Nährstoffgehalts und stöchiometrischer Dynamiken im Boden mit einer rasch steigenden Wasserverfügbarkeit, zu erörtern.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1803: EarthShape: Earth Surface Shaping by Biota, DeepEarthshape: Geomikrobiologie 'eisenmetabolisierende Bakterien als treibende Kraft für die Verwitterung von Silikat-Mineralen'

Jahrzehntelange Forschung hat die zentrale Rolle von Mikroorganismen für Verwitterungsprozesse in geologischen Systemen gezeigt. Dieser wichtige mikrobielle Beitrag liegt u.a. darin begründet, dass Mikroorganismen Redox-Umwandlungsprozesse von in Mineralien eingeschlossenen Metallen katalysieren können. Im Rahmen dieser bisherigen Untersuchungen wurden v.a. verschiedene Mikroorganismen untersucht, die Eisen(II)-Minerale oxidieren oder Eisenoxid-Minerale reduzieren können, oder es wurde der Effekt von Fe(III)-reduzierenden Mikroorganismen auf Eisen(III)-haltige Tonminerale analysiert. Diese Prozesse mögen wichtige Reaktionen in Verwitterungungsprozessen sein, allerdings sind die erwähnten Minerale selbst Verwitterungsprodukte. Eisen-metabolisierende Bakterien könnten allerdings auch in größerem Maße zur vorherigen Entstehung von verwittertem Bodenmaterial beitragen, allerdings ist die Bedeutung solcher Prozesse bisher nicht bestimmt. Die Ökologie dieser Bakterien in Relation zum Alterungsprozesses des Bodens ist so gut wie unbekannt. Dieses fehlende Wissen der ökologischen Bedeutung ist unter anderem darin begründet, dass Eisen-metabolisierende Bakterien trotz ihrem signifikanten Einfluss auf die Biogeochemie oft in etwas geringerer Zahl, relativ zur gesamten mikrobiellen Population, vorkommen, und dadurch schwieriger zu untersuchen sind. Um den zu erwartenden bedeutenden Effekt von Eisen-metabolisierenden Bakterien auf die Entwicklung des Bodens zu untersuchen, ist eine ausgewählte Kombination aus hochsensiblen molekularen- und wachstums-basierten Experimenten nötig, welche für diese speziellen Mikroorganismen angepasst und entwickelt werden müssen oder bereits entwickelt worden sind. Die Hypothese dieses Projekts ist deshalb, dass sich die Gemeinschaft der Eisen-metabolisierenden Bakterien mit der geologischen Umgebung während der Ausbildung des Bodens gemeinsam mit- und weiterentwickeln wird, und deren Aktivität wiederum die Rate der Bodenausbildung beschleunigen wird. Im Rahmen des hier beantragten Projekts schlagen wir vor, diese Prozesse anhand der drastischen klimatischen Gradienten der chilenischen Küstenkordillere zu untersuchen. Hier kann die Korrelation zwischen Abundanz, Verteilung und Identität der Eisen-metabolisierenden Bakterien und der Art der vorkommenden Eisenquelle entlang des vertikalen Bodenprofiles unter Einwirkung von vier verschiedenen Klimaregimen untersucht werden. Wir werden unter anderem Mikrokosmos-Experimente durchführen, um den Einfluss dieser Bakterien auf die Verwitterungsrate von Eisensilikaten und Raten von Mineraltransformationen zu quantifizieren. Letzten Endes wollen wir damit zeigen, wie diese Mikroorganismen zur Ausgestaltung der Erdoberfläche beitragen.

Climate effects on woody debris on and in Alpine soils

Boden-Dauerbeobachtung

Im Rahmen des vorsorgenden Bodenschutzes werden zur Kennzeichnung und Beobachtung von Veränderungen in Böden in Schleswig-Holstein seit 1989 37 Boden-Dauerbeobachtungsflächen (BDF) betrieben. Das Untersuchungsprogramm umfasst bodenkundliche Feldaufnahmen, bodenphysikalische und bodenchemische Untersuchungen, Wasserstandsmessungen und die Dokumentation betriebsbezogener Daten (Schlagkarteien) sowie vegetationskundliche, flechtenkundliche, bodenzoologische und bodenmikrobiologische Untersuchungen. Die Ziele der Boden-Dauerbeobachtung sind · die Beschreibung des aktuellen Zustandes der Böden, · die langfristige Überwachung der Veränderung der Böden und · die Ableitung von Prognosen für die zukünftige Entwicklung.

Brackish water rewetting of a temperate coastal peatland in NE Germany: Effects on Biogeochemistry, Microorganisms and Greenhouse gas emissions

The rewetting of drained peatlands is a promising measure to mitigate carbon dioxide (CO2) emissions by preventing the further mineralization of the peat soil through aeration. While freshwater rewetted peatlands can be significant methane (CH4) sources in the short-term, in coastal ecosystems the input of sulfate-rich seawater could potentially mitigate these emissions. The purpose of the data collection was to examine whether the presence of sulfate, known as an alternative electron acceptor, can cause lower CH4 production and thus, emissions by favoring the growth of sulfate-reducers, which outcompete methanogens for substrate. We therefore investigated underlying variables such as the methane-cycling microbial community along with CH4 fluxes and set them in context with CO2 fluxes along a transect in a coastal peatland before and directly after rewetting. In this way, a conclusion about the short-term greenhouse gas mitigation potential of brackish water rewetting of coastal peatlands could be drawn. This data collection consists of six data sets, with direct comparisons before and after rewetting of CO2 and CH4 fluxes (Tab. 2) and associated microbial communities (Tab. 1) being the main data. Pore water geochemistry (Tab. 1 and 3) and surface water parameters (Tab. 4) were collected simultaneously to provide potential explanatory variables. The sampling of continuous water level (Tab. 5) within wells and atmospheric weather data (air and soil temperature, relative humidity, photosynthetic photon flux density; Tab. 6) from a weather station was done in addition. Measurements started in June/July/August 2019 after field installation was finalized and were conducted on the drained coastal fen "Polder Drammendorf" on the island of Rügen in North-East Germany. On 26th November 2019, the dike was opened and channeled in order to rewet the peatland with brackish water. Before, the dike separated the peatland from the adjacent bay "Kubitzer Bodden", which is part of a brackish lagoon system connected to the Baltic Sea. Therefore, the peatland was nearly completely flooded and now resembles a shallow lagoon with high fluctuating water levels. We measured along a humidity (pre-rewetting)/water level (post-rewetting) gradient (stations 0-8) towards and across the main North-South oriented drainage ditch, including four stations on the Eastern side of the ditch (1–4), two ditch stations (0, 5) and two stations (6, 7) on the Western side of the ditch. Station 8 was chosen as an additional station farther towards the adjacent bay on the Western side, but was only accessible before rewetting. CH4 and CO2 fluxes (stations 0-7) were calculated from online gas concentrations measurements using laser-based analyzers and manual closed chambers (Livingston, G. P., & Hutchinson, G. (1995). Enclosure-based measurement of trace gas exchange: Applications and sources of error. In P.A. Matson, & R.C. Harriss (Eds.). Biogenic trace gases: Measuring emissions from soil and water (pp. 14–51). Blackwell Science Ltd., Oxford, UK). Soil cores for microbial, dissolved gas concentrations and isotopic analysis were taken using a Russian type peat corer (De Vleeschouwer, F., Chambers, F. M., & Swindles, G. T. (2010). Coring and sub-sampling of peatlands for palaeoenvironmental research. Mires and Peat, 7, 1–10) before and after rewetting. Each time, we took duplicates at stations 1-8 for this rather labor-intensive process and divided the core into four depth sections: surface, 5–20, 20–40 and 40–50 cm. Subsamples for dissolved gases and stable carbon isotope analyses were taken with tip-cut syringes with a distinct volume of 3 ml (Omnifix, Braun, Bad Arolsen, Germany) and immediately placed into NaCl-saturated vials (20 ml, Agilent Technologies, 5182-0837, Santa Clara, USA) leaving no headspace and closed gas-tight using rubber stoppers and metal crimpers (both: diameter 20 mm, Glasgerätebau Ochs, Bovenden, Germany). Absolute abundances of specific functional target genes, including methane- and sulfate-cycling microorganisms, were measured with quantitative PCR (qPCR) after DNA was extracted (GeneMATRIX Soil DNA Purification Kit, Roboklon, Berlin, Germany) and quantified (Qubit 2.0 Fluorometer, ThermoFisher Scientific, Darmstadt, Germany). Surface and pore water parameters were measured in parallel to the gas measurements and soil coring for microbial analyses. Most surface water variables (pH, specific conductivity, salinity, nutrients, oxygen, sulfate and chloride concentrations, DOC/DIC) were measured in-situ using a multiparameter digital water quality meter or taken to the laboratory as water samples for further analysis. Likewise, pore water/soil variables (pH, specific conductivity, nutrients, metals, sulfate and chloride concentrations, CNS) were either measured in-situ or taken to the laboratory as soil samples. While surface water analysis was only conducted in the drainage ditch before rewetting, it was done along the entire transect after rewetting. In contrast, pore water/soil analysis was mostly conducted before rewetting and only repeated occasionally after rewetting where possible.

Beeinflussung und Abbau von Kunststoffen durch Mikroorganismen

Im Rahmen der 'biologischen Materialpruefung' wird im Laboratoriumsverfahren untersucht, inwieweit Kunststoffe gegenueber Mikroorganismen bestaendig sind oder ob sie Angegriffen oder Abgebaut werden koennen. Verwendet werden Reinkulturen niederer Pilze oder Bakterien, definierte Mischkulturen oder - z.B. beim Erd-Eingrabe-Verfahren - die natuerlichen Mikroorganismenfloren des Bodens. Es handelt sich nicht um ein streng abgegrenztes Thema, sondern um eine Reihe von Einzelthemen, deren Abgrenzungen - je nach Fragestellung - entweder durch die chemische Zusammensetzung der Kunststoffe oder aber durch deren Verwendungszweck (z.B. Dichtungsmaterialien, Folien) gegeben sind.

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