Soil organic matter (SOM) controls large part of the processes occurring at biogeochemical interfaces in soil and may contribute to sequestration of organic chemicals. Our central hypothesis is that sequestration of organic chemicals is driven by physicochemical SOM matrix aging. The underlying processes are the formation and disruption of intermolecular bridges of water molecules (WAMB) and of multivalent cations (CAB) between individual SOM segments or between SOM and minerals in close interaction with hydration and dehydration mechanisms. Understanding the role of these mediated interactions will shed new light on the processes controlling functioning and dynamics of biogeochemical interfaces (BGI). We will assess mobility of SOM structural elements and sorbed organic chemicals via advanced solid state NMR techniques and desorption kinetics and combine these with 1H-NMR-Relaxometry and advanced methods of thermal analysis including DSC, TGADSC- MS and AFM-nanothermal analysis. Via controlled heating/cooling cycles, moistening/drying cycles and targeted modification of SOM, reconstruction of our model hypotheses by computational chemistry (collaboration Gerzabek) and participation at two larger joint experiments within the SPP, we will establish the relation between SOM sequestration potential, SOM structural characteristics, hydration-dehydration mechanisms, biological activity and biogechemical functioning. This will link processes operative on the molecular scale to phenomena on higher scales.
Die Landwirtschaft steht in vielen Teilen Europas vor zwei großen Herausforderungen: Die zunehmende Verknappung des verfügbaren Bodenwassers und eine gleichzeitige Stickstoffreduktion, als Maßnahme die eine Verunreinigung des Grund- und Oberflächenwassers durch Nitrate verhindern soll. Beide Herausforderungen stehen in Wechselwirkung, da eine geringe Verfügbarkeit von Bodenwasser zum einen die Transpiration und die Massenfluss-getriebene Aufnahme von Nährstoffen wie Nitrat (NO3-) und Chlorid (Cl-) verringert. Im Gegenzug hat sich gezeigt, dass die Aufnahme, d. h. das Vorhandensein von NO3- und Cl- im Blatt, die stomatären Bewegungen beeinflussen und somit wiederum einen wichtigen Einfluss auf den Wasserverbrauch der Pflanzen haben. In dem geplanten Projekt soll die Beziehung zwischen dem NO3--zu-Cl--Verhältnis im Boden und der stomatären Bewegung an zwei Kulturpflanzen untersucht werden; der dikotylen Ackerbohne und dem Getreide Gerste. Beide Kulturen unterscheiden sich vermutlich hinsichtlich einer Abhängigkeit von NO3- und Cl- für die Regulierung der stomatären Leitfähigkeit, da der stomatäre Schluss in Gerste von apoplastischem NO3- abhängt, während diese Abhängigkeit bei dikotylen Pflanzen nicht gefunden wurde. Darüber hinaus ist nicht bekannt, ob Gersten- oder Ackerbohnenschließzellen die Aufnahme von NO3- gegenüber Cl- bevorzugen, um die stomatäre Öffnung voranzutreiben. Das Projekt soll den Einfluss des NO3--zu-Cl--Verhältnisses im Boden auf die Stomata in vier Arbeitspaketen (APs) untersuchen, in deren Umfang Versuche auf den Organisationsebenen der Gesamtpflanzen (AP1), von Organ-/Gewebeebene (AP2), auf Einzelzellebene (AP3) und abschließend an individuellen Transportproteinen (AP4) durchgeführt werden sollen. Im AP1 werden verschiedene NO3--zu-Cl--Verhältnisse im Boden mit der Fähigkeit unserer Modellpflanzen, die Stomata sowie die Hydratisierung des Blattes zu regulieren, in Beziehung gesetzt. In AP2 werden wir untersuchen, inwieweit unterschiedliche NO3--zu-Cl--Verhältnissen im Boden die Ionen-, Metaboliten- und Hormonkonzentration (ABA) im Blattapoplasten und im Schließzellsymplasten beeinflussen, während AP3 zeigen soll, in welchem Maße das Anionenangebot (NO3-, Cl-) die stomatären Bewegungen beeinflusst. Im Zuge dessen soll geprüft werden, ob Schließzellen der Ackerbohne und Gerste NO3- oder Cl- für die osmotischen Prozesse bevorzugen, die die stomatären Bewegungen antreiben. Schließlich werden wir uns im WP4 auf die Rolle von NPF-Transportern für der Aufnahme von NO3- und Cl- in Schließzellen sowie auf die Rolle der SLAC1-ähnlichen Anionenkanäle, die diese Anionen wieder aus den Schließzellen herausschleusen können, konzentrieren. Obgleich gezeigt wurde, dass SLAC1-ähnliche Kanäle eine wichtige Rolle bei der Regulation der stomatären Bewegungen spielen, gibt es nur wenige Informationen über die Bedeutung einer NPF-vermittelten Aufnahme von NO3- und Cl- in die Schließzellen.
Ziel von ProbioGel ist, durch synergetische Kombination modifizierter Mikrogele und probiotischer Bakterien (PB) „Engineered Living Materials“ als antibiotikafreie Hauttherapeutika zu entwickeln. Wir erarbeiten grundlegende Designkonzepte und Regeln für die Herstellung eines “lebenden Gel-Hautpflaster-ELMs”, das Bacteriocin-produzierende, Hautpathogene-hemmende PB und funktionale Mikrogel-basierte, makroporöse 3D Scaffolds (MAPs) enthält, die sich wechselseitig beeinflussen. In diesem Projekt werden wir den Vliesstoff, der im etablierten ProbioPad zwischen zwei Membranen eingeschlossen wird, durch ein MAP ersetzen. Dadurch werden die Zell-Zell-Interaktion und die Verfügbarkeit von Nährstoffen durch Diffusion erhöht und somit die Proliferation der PB besser reguliert. Die nicht-lebenden MAP werden mit Haftstellen für die PB modifiziert und können so durch die lebenden PB vernetzt und gestaltet werden. Die MAP werden so modifiziert, dass sie die antimikrobielle Wirksamkeit der PB steuern können, z.B. durch Steigerung der Bacteriocin-Produktion über kontrollierte Freisetzung induktiver Moleküle. Design-Parameter für die mittels In-Mold-Polymerisation oder Mikrofluidik hergestellten stäbchenförmigen Mikrogele, wie Größe, Seitenverhältnis, Steifigkeit, Reaktivität, Biomodifizierung und Reaktionsfähigkeit gegenüber externen Signalen werden systematisch variiert. Untersucht wird, wie diese Parameter die dynamische Struktur der Mikrogele, Bakterienwachstum, Produktion, Diffusion und Freisetzung von Bacteriocinen, antimikrobielle Wirkung und das Upscaling des ProbioGel-ELM beeinflussen. Zusätzlich wird eine Strategie zur biologischen Sicherheit entwickelt, die das Überleben der PB auf die MAPs begrenzt. Zunächst werden die interaktiv und reaktionsfähig designten Mikrogele und die PB wie beim ProbioPad in ein Membran-Encasing zur Ausbildung des MAP-Scaffolds injiziert. Dies gewährleistet die antimikrobielle Wirksamkeit und intrinsische Sicherheit und ermöglicht die klinische Umsetzung. Danach wird die feste Membran durch einen weicheren, mechanisch flexiblen Hydrogelfilm ersetzt, dessen Zusammensetzung und Maschenweite das Entweichen der PB einschränkt. Die antimikrobielle Wirksamkeit des ProbioGels mit den darin enthaltenen Mikrogelen und PB wird mittels Antagonismus-Tests auf Agarplatten gegen definierte pathogene Mikroorganismen und schließlich mit einem ex vivo Hautinfektionsmodell bestimmt. Entscheidend ist die Booster-Freisetzung von therapeutischen Molekülen nach Hautkontakt und Hydratisierung der MAP über das Erkennen eines Signalmoleküls, das von stark infizierten Wunden stammt. Dies führt zu einer kaskadenartigen Anpassung der lebenden PB im nicht-lebenden MAP und zu einer schaltbaren, erhöhten Freisetzung der therapeutischen Moleküle aus dem ProbioGel_ELM. Die Mikrogele - funktionalisiert und für den 3D-Druck - können anderen Forschern im SPP zur Verfügung gestellt werden. Auch adaptive Linker und Biocontainment Strategien können geteilt werden.
Listvenit, der aus ozeanischen Mantel-Peridotiten gebildet wurde, die über karbonathaltige Sedimente überschoben wurden, ist im Oman Ophiolit aufgeschlossen und zeigt einen Karbonatisierungsprozess im Hangenden einer Subduktionszone. Kern BT1 (MOD Mountain) des ICDP Oman Drilling Project (OdP) stellt eine einzigartige Probe karbonatisierter und serpentinisierter Peridotite (inklusive der Basis-Überschiebung) von einer ozeanischen Plattengrenze dar.Unser Ziel ist es, zu den der übergeordneten Ziele des Oman Drilling Project, zum Verständnis des Zusammenspiels von reaktionsgetriebenen und tektonischen Kräften sowie Porendruck während großmaßstäblicher Karbonatisierung beizutragen, und Hypothesen zur strukturellen Entwicklung und Fluidtransportwegen in diesem System zu testen. Zweites Ziel ist es, die Bildung von Adern in diesem komplexen Umfeld besser zu verstehen und ein fundamentales Verständnis für Brüche und Kristallwachstum in diesem System zu entwickeln. Wir planen eine mikro- und makrostrukturelle Studie der Deformations- und Reaktionsstrukturen in Listvenit und serpentinisierten Peridotiden im Oman Ophiolit, basierend auf Daten aus Kern BT1 und Aufschlüssen in der Umgebung von BT1. Mit Hilfe von optischer und Raster-Elektronenmikroskopie (ViP, CL, BIB-SEM, EDX, EBSD) in Verbindung mit Kernbeschreibungen und modernsten analytischen Daten des OdP (XRF, XRD, x-ray CT, Hyperspectral Imaging) legen wir unseren Fokus auf (i) die Mikrostruktur des 'primären' Listvenit, insbesondere der Existenz einer duktilen Scherzone vor oder während der Karbonatisierung, (ii) die verschiedenen Generationen von Störungen, Kataklasiten, Brüchen und Adern, die dieses System beeinflussen, indem wir Deformationsmechanismen und die Überprägungsgeschichte untersuchen, (iii) Mikrostrukturen in syn- und antitaxialen Adern um reaktionsinduzierte von tektonischen Brüchen zu unterscheiden, und schließlich (iv) Mikro- und Nanoporosität und Konnektivität, mit dem Ziel mögliche Fluidwege in der Matrix zu definieren.