Pflanzliche Öle werden als energiereiche Reservestoffe in Speicherorgane von Pflanzen eingelagert. Sie sind chemisch gesehen Ester aus Glycerin und drei Fettsäuren.
In Deutschland konzentriert sich der Ölsaatenanbau auf Raps, Sonnenblume und Lein. Im Freistaat Sachsen dominiert auf Grund der Standortbedingungen und vor allem der Wirtschaftlichkeit eindeutig der Raps. Der maximal mögliche Anbauumfang von Raps liegt aus anbautechnischer Sicht bei 25 % der Ackerfläche und ist noch nicht ausgeschöpft (Sachsen 2004: 17 %).
Für den landwirtschaftlichen Anbau kommen eine Reihe weiterer ölliefernder Pflanzenarten oder spezieller Sorten in Betracht. Interessant sind sie aus der Sicht der Verwertung insbesondere, wenn sie hohe Gehalte einzelner spezieller Fettsäuren aufweisen. Bei der Verarbeitung können dann aufwändige Aufbereitungs- und Trennprozesse eingespart und die Synthesevorleistung der Natur optimal genutzt werden. Der Anbauumfang ist jedoch meist noch sehr gering. Beispiele sind Nachtkerze und Iberischer Drachenkopf, aber auch Erucaraps und ölsäurereiche Sonnenblumensorten.
a) stoffliche Verwertung
In der stofflichen Verwertung reichen die Einsatzfelder pflanzlicher Öle von biologisch schnell abbaubaren Schmierstoffen, Lacken und Farben, über Tenside, Kosmetika, Wachse bis zu Grundchemikalien, aber auch Bitumen.
b) energetische Verwertung
Desweiteren können Pflanzenöle in Fahrzeugen, stationären oder mobilen Anlagen energetisch verwertet werden. Für den breiten Einsatz ist derzeit vor allem Biodiesel geeignet. Dieser kommt als reiner Kraftstoff zum Einsatz, seit 2004 auch in Beimischung zu Dieselkraftstoff. Eine weitere Möglichkeit eröffnet sich durch die Verwendung von reinem Rapsöl.
Pflanzenmanagement- und Agrarsysteme erlangen international eine steigende Bedeutung. In der vorliegenden Studie werden Pappeln und Weiden mit einheimischen Pflanzenspezies kombiniert, um Agrarsysteme weiter zu verbessern. Zwei in landwirtschaftlichen Systemen relevante Schadstoffe (Cadmium und Stickstoff) wurden ausgewählt, um die Pflanzen bezüglich Phytoremediation und Effizienz von Schadstoffanreicherung in Pflanzenteilen zu untersuchen. Pflanzen-Mikroben-Interaktionen spielen eine Hauptrolle in Agrarsystemen, weshalb mikrobielle Veränderungen in der Rhizosphäre durch Schadstoffeintrag in Böden einen wichtigen Schwerpunkt darstellen. Um solche Veränderungen in einer pflanzenspezifischen, mikrobiellen Gemeinschaft zu detektieren werden Phospholipidfettsäuren (PLFA) im Boden bestimmt, da diese in allen lebenden Zellen vorkommen und nach Zelltod rasch abgebaut werden. Die erzielten Ergebnisse werden mit DNA-basierten Methoden zur Bestimmung mikrobieller Gemeinschaften verglichen. Weiterhin soll die Analytik von Terpenen, Flavonoiden und Fettsäuren im Pflanzenmaterial Auskunft über pysiologische Veränderungen von Pflanzen geben, welche durch die verschiedenen Schadstoffe ausgelöst werden. Ein 13CO2 Puls, welcher vor der Ernte appliziert wird, ermöglicht eine genaue Untersuchung, wie Pflanzenstoffwechsel und Kohlenstofftranslokation in die Rhizosphäre durch Schadstoffe verändert werden. In diesem Zusammenhang wird die Stabilisotopenanalytik von PLFA und DNA verglichen, sowie weitere 13C-Analysen des Pflanzenmaterials durchgeführt. Um den Schwerpunkt von Pflanzenmanagement Systemen zu vertiefen werden weitere Analysen von Pflanzenteilen (Wurzeln, Stamm, Blätter, Früchte, Samen) bezüglich Cadmium und Stickstoff durchgeführt. Massiv kontaminiertes Pflanzenmaterial kann für die Biogasproduktion verbrannt und anschließend zum Recycling kompostiert werden. Pflanzenteile mit hohem Stickstoffgehalt und fehlender Akkumulation von Cadmium kann als Tierfutter in Wintermonaten verwendet werden; eine Verwendung für kommerzielle Produkte ist ebenfalls denkbar und soll im Rahmen des Forschungsantrags untersucht werden.
Die Verteilung von Kohlenstoff (C), die Umwandlung organischer Stoffe und die Immobilisierung von Nährstoffen folgen vermutlich bestimmten räumlichen Mustern im Wurzel-Boden-System. Gemäß dem grundliegenden Verständnis der Rhizosphärendynamik beginnt die räumliche Verteilung mit der Wurzelexsudation an der Pflanzenwurzel und führt zu allmählichen Veränderungen in der Chemie und Biologie der Rhizosphäre. In Phase 1 stellten wir die Hypothese auf, dass die Morphologie der Wurzeln und die Eigenschaften des Bodens, insbesondere seine Textur, die Verteilung von C steuern. Wir erarbeiten Mittel zur Analyse der C-Ausbreitung im Mikrometerbereich und beobachteten erhebliche Unterschiede, die überwiegend durch die Wurzelmorphologie gesteuert wurden. Wir stellten ferner die Hypothese auf, dass die Umwandlung von C durch Mikroben erfolgt, die organische Substanzen wie Polysaccharide, Phospholipidfettsäuren und Fettsäuren bilden, und konnten dies im Millimeterbereich verfolgen.Diese Ergebnisse führen nun zu folgenden neuen Hypothesen, dass i) der C-Ausbreitung durch Wurzelexsudation die Immobilisierung organisch gebundener Nährstoffe an Orten mit geringem Umsatz, sogenannten cold spots, folgt, und dass diese Stellen in bestimmten Regionen der Rhizosphäre auftreten, ii ) in Böden mit geringem Abbau der Wurzelbiomasse (wie in Phase 1 für sandigen Boden beobachtet) die Immobilisierung von Nährstoffen in der Rhizosphäre zunimmt und so mit der Pflanzenernährung konkurriert, und iii) bei Trockenheit sich die Mobilisierungsprozesse von Nährstoffen von der Bodenlösung zu Pilznetzwerken verlagert.Wir werden weiterhin Ansätze im 2D-Mikrometerbereich wie die Überwachung des Laserablations-Isotopenverhältnisses für C-Umsatzanalysen verwenden (LA-IRMS), und auf NanoSIMS für N-Verteilungsanalysen erweitern sowie SEM-EDX/WDX einbeziehen, um die Immobilisierung von Nährstoffen wie N und P über einen räumlich-stöchiometrischen Ansatz zu verfolgen. Unseren in Phase 1 etablierten Ansatz zur Probenahme im Millimeterbereich, der uns ermöglicht die organische Substanz in Rhizosphärengradienten chemisch zu charakterisieren, nutzen wir nun um immobilisierten N und P mithilfe von komponenten- oder fraktionsspezifischen d13C- und d15N-Analysen an mikrobieller Nekromasse zu analysieren (Aminozucker und organisch gebundener P). Mit diesen Hypothesen haben wir enge Anknüpfung zu den Projekten P3, P8, P13, P19, P21, P24 und P25. Wir werden einen neuen räumlichen Datensatz zur Verteilung organischer Stoffe in Rhizosphären erstellen, um die Prozesse der C-Verteilung, Nährstoffimmobilisierung und -mobilisierung unter verschiedenen externen und internen Kontrollen wie z.B. Bodeneigenschaften, Wurzelmorphologie und Dürre, zu verstehen. Diese Daten können dann in Simulations- und Modellierungsansätze implementiert werden, die ebenfalls im SPP 2089 integriert sind, so dass unser neues Wissen auch auf andere Böden und Pflanzenarten übertragen werden kann.
Lipide haben wahrscheinlich große Bedeutung für die Stabilisierung organischer Substanz in Böden, sie wurden aber bisher mittels moderner strukturchemischer und isotopischer Methoden nur wenig untersucht. Durch die Kombination dieser Methoden sollen erstmals gleichzeitg Aussagen über Herkunft (Pflanzen, Bakterien, Pilze) und Umsatzraten (d13C) der Lipide auf molekularer Ebene ermöglichen. Der Nutzungswechsel von Roggen- (C3-) zu Mais-Monokultur (C4-Pflanze) markierte die zugeführte Biomasse strukturell und isotopisch. Die Nutzung von Rückstellproben ermöglicht eine über vier Jahrzehnte zeitlich aufgelöste Auswertung dieses landwirtschaftlichen Freilandversuchs. Die Lipide sollen mit einer Kombination moderner struktureller, spektroskopischer und isotopischer Analysetechniken der Bodenchemie, organischen Geochemie und Biochemie untersucht werden. Untersuchungen sollen an Gesamtböden und ausgewählten PartikelgrößenFraktionen erfolgen. Die Bodenlipide werden erstmalig über eine automatisierte sequentielle Flüssigkeitschromatographie in folgende Fraktionen getrennt: a) Aliphaten, b) Ketone/Alkohole, c) Fettsäuren, d) Aromaten, e) basische Lipide und f) hochpolare Biopolymere. Diese Fraktionen sollen anschließend strukturell identifiziert (13C NMR, GC-MS) und die Fraktionen a) bis c) gesamt- und komponentenspezifisch (GC-irmMS) d 13C-isotopisch charakterisiert werden.
Die Nahrungsstrategien vieler Bodentiere, insbesondere der Mikrofauna, sind nur unzureichend bekannt. Meist erfolgt eine generelle Einteilung nach vorwiegend morphologischen Kriterien. Nahrungsnetzanalysen und Modelle verlangen jedoch nach einer genauen trophischen Klassifizierung. Im geplanten Forschungsprojekt werden zwei biochemische Methoden eingesetzt: Phospholipidfettsäuren als Biomarker für den Transfer von Kohlenstoff in der Nahrungskette und das 15N/14N-Isotopenverhältnis als Indikator für die trophische Stellung der Bodenfauna. Vergleichende Analysen sollen Aufschluss geben über Herkunft und trophische Anreicherung von Stickstoff und Fettsäuren, sowie physiologische Aspekte (z.B. Biosynthese) untersuchen. In Mikrokosmen werden hierzu Nahrungsketten simuliert (Mikroflora (Bakterien, Pilze), Sekundärzersetzer (Nematoden), Räuber (Milben, Collembolen). Daneben erfolgen Manipulationen des physiologischen Stoffwechselzustandes (Proteingleichgewicht, Nahrungsmangel) und Untersuchungen an Freilandfauna. Die zugrunde liegenden biochemischen und physiologischen Mechanismen der trophischen Anreicherung von 15N in einer Nahrungskette wurden bisher nur in wenigen kontrollierten Laborstudien untersucht. Zudem sind Fettsäuremuster von Bodentieren kaum bekannt. Letztere zur Klassifizierung von Nahrungsstrategien zu nutzen, bietet einen neuen und viel versprechenden Ansatz zur Analyse von Bodennahrungsnetzen.