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Environmental Determinants of Microbial Biopolymer Degraders in Agricultural Soil

The structural polysaccharides cellulose and chitin of plants, fungi, and arthropods are major components of organic matter in agricultural soils. These biopolymers are carbon sources of soil microbial communities linked to soil redox processes. Soil aggregates of waterunsaturated soil form natural boundaries of oxic conditions outside and oxygen-limited conditions inside. These biogeochemical interfaces lead to a highly heterogeneous oxygen distribution on a millimetre scale. The effects and mechanisms of the toxicity of herbicides on biopolymer degrading communities in such highly compartmentalized soils have not been resolved. The proposed study is a continuation of a project funded within Priority Program 1315 'Biogeochemical Interfaces in Soil'. The preceding project resolved phylogenetic identities of known and novel prokaryotes linked to cellulose degradation under both oxic and anoxic conditions, and demonstrated that the acidic herbicides Bentazon and MCPA impair microbial processes involved in cellulose degradation. The proposed project will (I) identify chitin-degrading prokaryotes, fungi, and protists that are active in oxic and anoxic microzones, (II) determine the tolerance of various cellulolytic and chitinolytic taxa to Bentazon and MCPA, (III) characterize key chitin-degraders, and (IV) will quantitatively assess oxygen distribution in during biopolymer degradation in an agricultural soil. Central methods will include stable isotope probing, analyses of 16S rRNA, 18S rRNA, and chitinase genes, HPLC, GC, and oxygen sensing via analysis of fluorescence dyes.

Einfluss pestizider Mehrfachbehandlungen auf den Abbau von Herbiziden im Boden und auf bodenmikrobielle Leistungen

Die Wirkung von Fungiziden, Insektiziden und Wachstumsregulatoren auf den Abbau verschiedener Herbizide wird unter Labor- und Feldbedingungen untersucht. Die Wirkung dieser Pestizidkombination auf die mikrobielle Aktivitaet des Bodens wird ebenfalls untersucht.

Kontinuierliche Biotestverfahren

Der Algen-, Leuchtbakterien- sowie BSB-Test sind Testverfahren, die Reaktionen von Mikroorganismen auf Umweltveraenderungen quantitativ erfassen. Diese Messverfahren sind in Rechtsvorschriften festgelegt. Die Erweiterung auf kontinuierliche, auch prozessbegleitende Messverfahren setzt Aenderungen in den apparativen Ausfuehrungen voraus, die hier weiter optimiert bzw. den Erfordemissen des Labors fuer Bioverfahrenstechnik angepasst werden. Mit dem modifizierten Algentest ToxAlarm der Firma LAR zur Bestimmung der Guetequalitaet von Gewaessern wird die Toxitaet verschiedener Herbizide, Insektizide und Metallverbindungen mit guter Reproduzierbarkeit bestimmt. Eine eigene kontinuierlich arbeitende Biofloureszenzmesseinrichtung kommt zur Toxitaetspruefung von Tensiden fuer die situ-Bodensanierung zum Einsatz. BSB on line Messungen mit dem Biomonitor von LAR dienen vor allem der Prozesskontrolle bei der aeroben Abwasserreinigung. Die Zeitverzoegerung der Messwerte betraegt etwa sieben Minuten. Eine fuenftaegige Inkubationsphase ist nicht mehr erforderlich. Die erhaltenen Werte dienen als Mass fuer die Belastung der Klaeranlage und koennen sofort beruecksichtigt werden. Es gelingt, die Reproduzierbarkeit der Messwerte zu verbessern.

Lernen mit der WasserFarm - Hydroponik in der Bildung

Zielsetzung: Die auch hierzulande zunehmenden Dürreperioden und sinkenden Grundwasserstände rücken das Thema wassereffiziente Nahrungsmittelproduktion vermehrt in den Fokus. Dennoch fehlt im laufenden Schulbetrieb häufig der Bezug oder die Möglichkeit, zusammenhängende Prozesse praxisnah zu erkunden, zu erleben und zu verstehen. Schülerinnen und Schülern diese wichtigen Lernprozesse zu ermöglichen und im Sinne des BNE-Ansatzes interdisziplinäre, reflexive und forschende Gestaltungskompetenzen an Schulen zu fördern, ist wesentlicher Inhalt des vorliegenden Projekts 'WasserFarm'. Zentrale Bestandteile der 'WasserFarm' sind die Schulung von Lehrpersonal, die Vermittlung von Basiswissen der hydroponischen Kultivierung und systemspezifischer Inhalte mit MINT-Bezug sowie die Unterstützung eines partizipativen Lern- und Verständnisprozesses von Schülerinnen und Schülern bezüglich globaler Nachhaltigkeit. Hydroponik ist eine erdlose und damit standortunabhängige Anbaumethode von Pflanzen. Die Pflanzen werden dabei durch eine Nährstofflösung mit allen wichtigen Nährstoffen versorgt. Durch die kontinuierliche Wiederverwendung des Wassers, also die Kreislaufführung dieser wasserbasierten Nährstofflösung, zeichnet sich der hydroponische Anbau durch eine hohe Ressourceneffizienz und die Vermeidung von umweltbelastenden Nährstoffüberschüssen, Pestiziden, Insektiziden und Herbiziden aus. Ziel des Projektes ist es, durch ein objektbezogenes interdisziplinäres Schulungskonzept einen Lernrahmen zu schaffen, in dem Schülerinnen und Schülern durch Partizipation und Mitgestaltung fächerübergreifende Themen wie die nachhaltige Lebensmittelproduktion, Funktionsweisen von Kreislauftechnologien, Nährstoff- und Wasserkreisläufe, Ressourceneffizienz erlernen und so ein Bewusstsein für globale Herausforderungen und Lösungsansätze im Sinne der Sustainable Development Goals entwickeln können. Darüber hinaus soll den Schülerinnen und Schülern das Wissen und die Mittel mitgegeben werden, um auch eigenständig eine Hydroponikanlage einrichten und betreiben zu können. Dadurch sollen deren Nachhaltigkeits- und Gestaltungskompetenzen gefördert und ein Bewusstsein für globale Herausforderungen und Lösungsansätze in Zeiten des Klimawandels geweckt werden. Das Projekt wird an drei Pilotschulen in zwei Bundesländern (Brandenburg, Schleswig-Holstein) durchgeführt.

Mikrobieller Abbau der Thiocarbamate diallate und Triallate in verschiedenen Boeden

Hochleistungssensorik für smarte Pflanzenschutzbehandlung (HOPLA), Teilvorhaben: Künstliche Intelligenz für eine effizientere Unkrautdetektion in Smart Spraying Anwendungen

Entwicklung der Praxistauglichkeit eines kostengünstigen und einfachen Maisuntersaatverfahrens für verschiedene Klimaregionen und Bodenarten

Wechselwirkungen zwischen Herbiziden und Insektiziden

Es soll untersucht werden, wie sich der Einfluss der Herbizide, die weltweit in ungeheurem Umfang angewandt werden, auf die Toxizitaet der Insektizide beim Warmblueter auswirkt, zum einen in vivo, zum andern in vitro.

Chemischer Mitteleinsatz im Pflanzenbau

Die modernen Fruchtfolgeforschung am Institut hat sowohl die Schwaechen hackfruchtintensiver als auch getreidereicher Anbausysteme deutlich werden lassen. Bei intensiver mineralischer und organischer Duengung sowie entsprechender Bodenbearbeitung ist es in beiden Systemen moeglich, den Fruchtbarkeitszustand des Bodens auf ein hohes Niveau anzuheben. Die entsprechende Transformation in Leistung bzw. Ertrag bleibt vielfach aus, da sie durch tierische und pilzliche Schaderreger unterbrochen bzw. verhindert wird. Diesen Engpass zu vermeiden, werden in den Faellen, in denen eine Sanierung mit Acker- und Pflanzenbaulichen Massnahmen nicht moeglich ist, in den hackfruchtbetonten Fruchtfolgen Nematizide, in den Getreidefolgen systemische Fungizide in verschiedenen Konzentrationen eingesetzt. Der artspezifischen Verunkrautung wird durch Herbizide auf neuer Wirkstoffbasis begegnet.

Verhalten von Herbiziden in Gewaessern

Durch die Anwendung von Herbiziden in Gewaessern ist eine Beeintraechtigung des Wassers selbst sowie der Wasseroekologie moeglich. Mit Hilfe von Biotesten sollen derartige Veraenderungen nachgewiesen werden. Hierfuer sind geeignete Testorganismen erforderlich, die sowohl Aufschluss darueber geben, um welche Wirkstoffe es sich handelt, als auch eine ausreichende Empfindlichkeit erkennen lassen, damit selbst Spuren von Aktivsubstanzen angezeigt werden. Neben dem Nachweis von Wirkstoffen interessierte bei diesem Forschungsvorhaben vor allem die Beeinflussung der Wasserqualitaet. Hier ist es insbesondere die Sauerstoffkonzenerqualitaet. Hier ist es insbesondere die Sauerstoffkonzentration, deren Veraenderung zu einer erheblichen Beeintraechtigung der Biozoenose des Wassers fuehren kann. Aus diesem Grunde wurde daher vorrangig der Einfluss von verschiedenen Wasserherbiziden auf diese Konstante untersucht.

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