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Wirkungen wasserlöslicher organischer Substanzen auf die Stabilisierung und den Abbau organischer Bodensubstanz

Mikrobielle Umsetzungsprozesse im Boden verlaufen fast ausschließlich unter Beteiligung einer gelösten Phase, da alle lebenden Zellen von einem Wasserfilm umgeben sind, durch den Substrate hindurchdiffundieren müssen, oder über den Exoenzyme und andere Exsudate abgegeben werden. Bei der Mineralisierung organischer Substanzen kommt daher der gelösten organischen Substanz (DOM) als Substrat für Mikroorganismen eine entscheidende Rolle zu. In dem Vorhaben wird der Frage nachgegangen, ob bestimmte streu- und wurzelbürtige DOM-Komponenten wie Kohlenhydrate oder Phenole darüberhinaus die mikrobielle Aktivität in einem Maße fördern oder hemmen können, daß von ihnen Auswirkungen auf den Abbau oder die Stabilisierung der organischen Bodensubstanz auftreten können. Zur Untersuchung solcher 'Priming Effekte' sollen umfangreiche Inkubationsversuche durchgeführt werden, bei denen die Wirkung unterschiedlicher gelöster 14C-markierter Einzelverbindungen und von DOM-Lösungen unterschiedlicher 13C-Signatur auf die Mineralisierung von Modellsubstanzen und der organischen Substanz verschiedener Bodenproben ermittelt wird. Ein daraus berechneter Priming Index gibt Auskunft darüber, inwieweit es durch die zugesetzten DOM-Lösungen zu einem verstärkten oder vermindertem Abbau der organischen Bodensubstanz kommt

Untersuchungen zum Einfluss von UV-Strahlung auf das System arktischer Daphnien/Futteralgen in Bezug auf Reproduktion, Schutzmechanismen, Überleben und UV-Toleranz unter Labor- und natürlichen Bedingungen

In dem geplanten Projekt sollen die Auswirkungen von UV-Strahlung sowohl auf Daphnien als auch auf deren Futteralgen untersucht werden. Dies soll Einblicke in die komplexen Wirkweisen von solarer UV-Strahlung auf biotische Systems, wie sie in arktischen Kleingewässern zu finden sind, erlauben. Veränderungen im Wachstum, Protein- und Kohlenhydratgehalt, sowie im Gehalt an Pigmenten, Lipiden und möglicher Schutzsubstanzen (MAAs) der UV-bestrahlten Futteralgen sollen dokumentiert und deren Einfluss auf die UV-Toleranz, die Lebensdauer und die Reproduktionsfähigkeit von Daphnien getestet werden. Schwerpunktmäßig soll die Rolle der in die Fetttröpfchen der Daphnien eingelagerten pflanzlichen Carotinoide und die Lipidreservestoffe der Daphnien untersucht werden. Darüber hinaus soll festgestellt werden, ob der Gehalt an UV-Schutzsubstanzen (Mycosporin like Amino Acids) durch UV-Bestrahlung in den Algen bzw. den Daphnien beeinflusst werden kann. Die im Labor gewonnenen Ergebnisse werden im Freiland unter natürlichen Bedingungen überprüft.

Species discrimination of plant roots by Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy

Comprehension of belowground competition between plant species is a central part in understanding the complex interactions in intercropped agricultural systems, between crops and weeds as well as in natural ecosystems. So far, no simple and rapid method for species discrimination of roots in the soil exists. We will be developing a method for root discrimination of various species based on Fourier Transform Infrared (FTIR)-Attenuated Total Reflexion (ATR) Spectroscopy and expanding its application to the field. The absorbance patterns of FTIR-ATR spectra represent the chemical sample composition like an individual fingerprint. By means of multivariate methods, spectra will be grouped according to spectral and chemical similarity in order to achieve species discrimination. We will investigate pea and oat roots as well as maize and barnyard grass roots using various cultivars/proveniences grown in the greenhouse. Pea and oat are recommendable species for intercropping to achieve superior grain and protein yields in an environmentally sustainable manner. To evaluate the effects of intercropping on root distribution in the field, root segments will be measured directly at the soil profile wall using a mobile FTIR spectrometer. By extracting the main root compounds (lipids, proteins, carbohydrates) and recording their FTIR-ATR spectra as references, we will elucidate the chemical basis of species-specific differences.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1685: Ecosystem nutrition: forest strategies for limited phosphorus resources; Ökosystemernährung: Forststrategien zum Umgang mit limitierten Phosphor-Ressourcen, Kopplung zwischen pilzlichem Phosphat- und pflanzlichem Zuckerexport in der Ektomykorrhizasymbiose

Essentiell für die Nährstoffversorgung von Waldbäumen ist die Assoziation ihrer Wurzelsysteme mit Bodenpilzen. In angepassten Feinwurzeln (Ektomykorrhizen) wird Phosphat vom Pilzpartner an die Pflanze abgegeben, wobei gleichzeitig seine Versorgung mit pflanzlichem Zucker erfolgt. Die Versorgung des jeweiligen Partners erfolgt dabei wechselseitig. Exportiert einer der Partner eine ungenügende Nährstoff- Metabolitmenge, vermindert auch der andere Partner die Versorgung. Wie dieser Stoffaustausch auf der zellulären Ebene organisiert wird, ist bisher kaum verstanden. Während bisher keine pilzlichen Phosphatexporter bekannt sind, sind Kandidaten für den pflanzlichen Zuckerexport identifiziert. Einige Mitglieder einer neuen Genfamilie pflanzlicher Zuckertransporter (SWEETs) werden in der Modellpflanze Pappel Mykorrhiza-spezifisch induziert und konnten von uns im Rahmen von Vorarbeiten als funkti-onelle Glukoseexporter charakterisiert werden. Ziel des Projekts ist es, mit Hilfe dieser SWEET Gene die Steuerung des pflanzlichen Kohlenhydratexports sowie den Zusammenhang zwischen pilzlicher Kohlenhydrat- und pflanzlicher Phosphatversorgung in der Symbiose auf der molekularen Ebene aufzuklären. Hierzu soll einerseits die Signalkette entschlüsselt werden, die zu einer Mykorrhiza-spezifischen Induktion der SWEET Gene führt. Durch transgene Pappeln, bei denen a) die Expression ausgewählter SWEET Gene unterdrückt bzw. b) bei denen der Kohlenhydratfluss Richtung Pilzpartner moduliert wurden, soll die Auswirkung der veränderten Kohlenhydratversorgung des Pilzpartners auf die pflanzliche Phosphatversorgung analysiert werden. Methodisch soll dies durch Kohlenhydratflussanalysen sowie in vivo Imaging geschehen. Unklar ist bisher, ob der für Pappeln postulierte Mechanismus der pilzlichen Kohlenhydratversorgung auch in anderen Waldbäumen abläuft, und ob unterschiedliche Mykorrhizapilze vergleichbare Effekte in der Pflanze induzieren. Untersucht werden soll hierzu die Expression von SWEET Homologen der Fichte in von natürlichen Standorten isolierten Mykorrhizen, die mit unterschiedlichen Pilzpartnern gebildet wurden. Weiterhin soll analysiert werden, ob und gegebenenfalls wie sich der Phosphatgehalt des Bodens auf die Expression der identifizierten Mitglieder der SWEET-Genfamilie auswirkt. Fernziel ist hierbei zu ergründen, ob unterschiedliche Pilzpartner durch die Beeinflussung der SWEET Gen Expression unterschiedliche Zuckermengen für eine gegebene Phosphatmenge erhalten können.

Neue natürliche Produkte und Enzyme aus außergewöhnlichen Pilzen, Bioökonomie International 2024: FunNPE - Neue natürliche Produkte und Enzyme aus außergewöhnlichen Pilzen

Biopositive Wirkungen der ultravioletten Strahlung

Physiologisch dosierte Bestrahlungen mit ultraviolettem Licht haben guenstige Wirkungen auf das immunologische Abwehrsystem und auf die Kreislaufregulation. Entsprechende Befunde wurden bisher bei Bewohnern einer geriatrischen Einrichtung (Immunologie) und bei Teilnehmern einer koronaren Sportgruppe (Kreislaufmessungen) erhoben.

Synthetischer Ansatz zur kontrollierten Herstellung von Materialien aus Kohlenhydraten, von NANO-Technologie zur BULK-Produktion

Menge, Zusammensetzung und Umsetzung der organischen Substanz im Unterboden

Das Wissen über die Menge, Zusammensetzung und Umsetzung der organischen Substanz in Böden der gemäßigten Breiten beschränkt sich bis auf wenige Ausnahmen auf die Oberböden (A-Horizonte und Auflagen). Hier finden sich die höchsten Konzentrationen der organischen Substanz. Jüngere Inventurarbeiten haben nun gezeigt, dass auch im Unterboden (B- und Cv-Horizonte) beträchtliche Mengen an organischer Substanz, allerdings in niedrigen Konzentrationen vorliegen. Ziel des geplanten Vorhabens ist es, (1) die Menge der organischen Substanz im Unterboden zu erfassen, (2) ihre Zusammensetzung und Herkunft zu bestimmen und (3) ihre Umsetzbarkeit zu erfassen. Daraus sollen Rückschlüsse auf die Stabilisierungsmechanismen der organischen Substanz im Unterboden gezogen werden. Nach einer Inventur der Bodenprofile an den SPP-Standorten (C-Gehalte, 14C-Alter) erfolgt die Erfassung der Zusammensetzung der organischen Substanz mittels Festkörper-13C-NMR-Spektroskopie. Die Zusammensetzung der Lipid-, Polysaccharid- und Ligninfraktion soll Hinweise auf die Herkunft der stabilisierten organischen Substanz differenziert nach oberirdischen, unterirdischen Pflanzenrückständen und mikrobiellen Resten geben. Abbauversuche unter kontrollierten Bedingungen im Labor und die Erfassung des 14C-Alters des freigesetzten CO2 sollen Aufschluß über die Umsetzbarkeit des 'jungen' und 'alten' C im Unterboden geben. Dabei werden jeweils die Profile über die gesamte Entwicklungstiefe betrachtet, um die Unterbodenhorizonte in Bezug zu den Oberböden und zu den Ergebnissen anderer AG im SPP zu setzen. Darauf aufbauend können dann in den nächsten Phasen des SPP die Eigenschaften der organischen Substanz im Unterboden und die Regulation der C-Umsetzungen im Unterboden untersucht werden.

Konsequenzen der Massenvermehrung phytophager Insekten für Ökosystem-Funktionen auf verschiedenen Zeitskalen in Kiefernwäldern Nordost-Deutschlands; Auswirkungen von Massenvermehrungen phytophager Insekten auf biogeochemische Prozesse und mikrobiologische Aktivitäten in Baumkronen und Böden

Insektenkalamitäten können Menge und chemische Zusammensetzung von gelöster und partikulärer organischer Substanz (DOM, POM) innerhalb des Transfers zwischen Baumkronen und Boden verändern. Dies kann mikrobielle Aktivitäten in der Phyllosphäre und im Boden beeinflussen, was zu veränderten C und N Umsätzen führt. Projektziel ist, die C und N Verbindung zwischen Kronenraum und Boden in 60-jährigen Kiefernwäldern (Pinus silvestris L.) unter Insektenbefall zu untersuchen. Um die Hypothese zu testen, dass Massenvermehrung von herbivoren Insekten den C und N Umsatz in Kiefernwäldern steigert, wird (1) der Eintrag quantifiziert: DOM und POM Flüsse vom Kronenraum in den Boden, (2) Mechanismen bewertet: Effekte durch leicht- und schwerabbaubare Verbindungen in DOM und POM (Phenole, Lipide, Kohlenhydrate, Proteine, freie Aminosäuren) auf Kronen- und Bodenmikroorganismen (mikrobielle Biomasse, Enzymaktivitäten), sowie biogeochemische Prozesse (C-Mineralisierung) im Boden und (3) Konsequenzen quantifiziert: Treibhausgasemissionen (THG) und flüchtige organische Verbindungen (VOCs) vom Boden. Veränderte C und N Pfade werden über neu entwickelte Algorithmen modelliert, um langfristige Auswirkungen auf ökosystemarer Ebene abzuschätzen. Damit wird der Kurzschluss zwischen erhöhter DOM und POM Produktion im Kronenraum durch Herbivore einerseits, mit C und N Einträgen im Boden und Umsatzprozesse andererseits analysiert und modelliert.

FT-IR Spektroskopie als schnelle Methode zur Bestimmung der biochemischen Zusammensetzung pflanzlicher Biomasse

Will man in ökologischen Stoffkreisläufen auch die Energieumsätze bestimmen, ist es erforderlich, den Nahrungswert der einzelnen Stufen in der Nahrungskette zu kennen. Für aquatische Stoffkreisläufe sind die Energieumsätze bislang nicht genau genug untersucht, um einigermaßen genaue Bilanzen aufstellen zu können, da eine ausreichend empfindliche und genaue Analytik nicht verfügbar ist. In dem Vorhaben soll die quantitative spektroskopische Bestimmung von Fetten, Kohlenhydraten und Proteinen, wie sie aus der Lebensmittelanalytik bekannt ist, so verfeinert werden, daß sie auf Phytoplankton anwendbar wird.

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