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Generationenübergreifende Anpassungstrategien an Ozeanversauerung und -erwärmung in Fischen

Anthropogene CO2 Emissionen werden zum Teil von den Ozeanen absorbiert und führen zu erniedrigten marinen pH und Karbonatwerten, dieser Prozess wird Ozeanversauerung genannt. Ozeanversauerung geht mit Ozeanerwärmung einher, zusammen bedrohen beide Umweltveränderungen das Leben im Meer. Fische wurden bisher als recht unempfindlich gegenüber diesen Veränderungen im Meerwasser eingeschätzt, da sie über hoch entwickelte Säure-Base- und Ionenregulation verfügen. Daher haben nur wenige physiologische Studien den Einfluss von Hyperkapnie auf die Physiologie und das Verhalten von Fischen untersucht, und häufig wurden dabei auch CO2 Partialdrücke eingesetzt, die weit jenseits der vom IPCC prognostizierten Werte für die nahe Zukunft liegen. Weiterhin wurden bisher nur wenige Lebensstadien untersucht, obwohl es immer mehr Anhaltspunkte dafür gibt, dass besonders die frühen Lebensstadien, die noch nicht über voll ausgeprägte homeostatische Kapazitäten und Verhaltenrepertoire verfügen, besonders empfindliche gegenüber OAW reagieren. Weiterhin lassen viele aktuelle Studien eine integrative Analyse von physiologischen Antworten auf zellulärer, Gewebe- und Ganztierebene vermissen, außerdem fehlt uns ein generelles Verständnis des evolutionären (generationenübergreifenden) Anpassungspotentials von Fischen an den Klimawandel. FITNESS versucht kritische Wissenslücken zu schließen, indem die synergistischen Auswirkungen von OAW auf Zell-, Gewebe- und Ganztierebene an verschiedenen Lebensstadien (Embryonen, Larven, Jungfische und Adulte) an warm-temperaten Wolfsbarschen (Dicentrarchus labrax) untersucht werden. Dabei untersucht FITNESS die physiologischen Reaktionen zwischen F0 und F1 Generationen von Fischen, von denen bereits die Elterntiere verschiedenen OAW-Szenarien ausgesetzt waren; weiterhin werden auch Wildpopulationen untersucht. Damit bereitet FITNESS den Weg für eine ganzheitlichere Analyse der Populationsakklimatisation und -adaptation, indem phänotypische Veränderungen mit Darwin'schen Fitnessfaktoren verknüpft und die Vererbbarkeit physiologischer Schlüsselparameter untersucht werden. Um weiterhin unser Ursache-Wirkungs-Verständnis von OAW voran zu treiben, werden konzeptionelle Modelle eingesetzt, die die Antworten auf Zell-, Gewebe- und Ganztierebene parametrisieren und in physiologisch-bioenergetische Modelle einfließen lassen, um mögliche Anpassungskapazitäten und Abstriche in Wachstum, Reproduktion und Mortalitätsrisiko abzuschätzen. FITNESS profitiert dabei von den großzügigen Aquakulturkapazitäten in Frankreich, in denen eine große Anzahl von Fischen (größer als 1000) über zwei Generationen hinweg sowohl unter Labor- als auch unter Feldbedingungen verfolgt werden kann. Weiterhin kommen FITNESS die enge Zusammenarbeit mit aktuellen Ozeanversauerungsprojekten in Deutschland (BIOACID) und Portugal zugute, die sich mit Kalt- bzw. Warmwasserfischen beschäftigen und somit Vergleiche über einen weiten Bereich von Temperaturfenstern erlauben.

Barrierefreie Modellregion für Integrativen Tourismus - Teilthema: 'Landschaft, Umwelt, Klima und Gesundheit - Untersuchung und Bewertung der natürlichen Ressourcen'

Deutsche Mittelgebirge haben im Tourismus und Erholungswesen einen festen Platz. Sie zeichnen sich durch vielfältige Landschaftsbilder und naturräumlich bedingte klimatische Besonderheiten aus. Diese Besonderheiten sollen in ihrer Bedeutung für Menschengruppen mit eingeschränkter Bewegungsmöglichkeit untersucht werden. Nach erfolgreich abgeschlossenen Vorstudien wurden die Antragsformalitäten abgewickelt. Organisatorische Probleme, die nicht durch die FHE verschuldet wurden, führten zu erheblichen Verzögerungen. Derzeitiger Stand: - Ein positives Fachgutachten von Prof. Dr. O. Herbarth /UFZ Leipzig liegt vor. - Der Projektantrag wurde über die Geschäftsstelle des Gesamtprojektes zusammen mit vier weiteren Anträgen (darunter dem von Prof. Dr. Gather) an das BMBF weitergeleitet. - Es liegt die mündliche Mitteilung vor, dass das Fachgutachten des BMBF positiv ausgefallen ist. Ein positiver Bescheid für den Beginn des Hauptprojektes wird in Kürze erwartet.

Aktivität und Stoffumsatz mikrobieller Nahrungsnetze im arktischen und antarktischen Meereis

Das Meereis ist ein einzigartiger Lebensraum für eine Gemeinschaft aus Pflanzen und Tieren, die ein im Meereis ausgebildetes Solekanalsystem besiedeln. Während ein guter Kenntnisstand über die mesoskalige Verteilung (ca. 10 cm) und die Zusammensetzung dieser Gemeinschaften vorliegt, ist die kleinskalige Verteilung (1 cm) und die Interaktionen der Organismen dieser Gemeinschaften nur wenig bekannt. Das Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist die Untersuchung der kleinskaligen Verteilung der Organismen und der Struktur des Nahrungsnetzes, das von ihnen gebildet wird. Dabei soll insbesondere der Einfluß der inneren Oberfläche des Meereises auf den Aufbau des Nahrungsnetzes berücksichtigt werden. Von der Vermutung ausgehend, dass ein großer Anteil der eisassoziierten Bakterien- und Algenbiomasse in Form von Biofilmen vorliegt, soll die Biomasse und Aktivität an Oberflächen gebundener Bakterien und Algen mit der von frei in der Sole lebenden Organismen verglichen werden. Ein weiterer Schwerpunkt liegt in der Untersuchung von bakterien- und algenfressenden Protozoen und der Quantifizierung ihrer Bedeutung für den Stoffumsatz im Meereis.

Gekoppeltes Modell der photosynthetischen Primärproduktion und des Wasserhaushalts auf Blatt- und Bestandesebene - Integration der Wirkungen von erhöhtem CO2, Hitze- und Trockenstress bei Winterweizen (Triticum aestivum L.)

Leistungsfähige Kulturpflanzenmodelle sind unverzichtbar, um die komplexen Wirkungen von Umwelt-einflüssen einschließlich des Klimawandels auf die Biomasse- und Ertragsbildung von Kulturpflanzen besser zu verstehen und voraussagen zu können. In Mitteleuropa werden diese Zusammenhänge durch das Wechselspiel der positiven Effekte einer ansteigenden CO2-Konzentration und der möglichen negativen Folgen einer zunehmenden Lufttemperatur und gleichzeitig verstärkt auftretender Hitze- und Trockenstressperioden dominiert. Die Kenntnisse über das Zusammenwirken dieser Faktoren, die zu erwartenden Auswirkungen und die Zuverlässigkeit diesbezüglicher Modell-simulationen sind jedoch mit großen Unsicherheiten behaftet. Das beantragte Projekt übernimmt im Projektverbund die Weiterentwicklung gekoppelter Prozess basierter Modelle der photosynthetischen Primärstoffbildung und des Wasserhaushalts auf Blatt- und Bestandesebene, deren Erweiterung zur Beschreibung der kombinierten Wirkungen von erhöhtem CO2, Hitze- und Trockenstress und die Spezifizierung dieser Modelle für Weizen. Die weiterentwickelten Prozessmodule sollen in den Partnergruppen Kage und Ewert zur Verbesserung komplexer Kulturpflanzenmodelle genutzt werden. Die Grundlage der Modellierung bilden öko- und ertragsphysiologische Untersuchungen zur Wirkung von erhöhtem CO2, Hitze- und Trockenstress. Hierzu werden im beantragten Projekt Versuche unter klimatisierten Bedingungen und Messungen des Bestandesgaswechsels im Freiland durchgeführt.

Steuerung und Bilanzierung von Kohlenstoffakquisition, Wasserumsatz und Wachstum im Mistel-Wirt-System in Abhängigkeit von Klima, Wasserversorgung und Nährstoffangebot

Im ersten Schritt des Vorhabens sollen die Reaktionsmuster des CO2- und H2O Blattgaswechsels von Mistel-Wirt-Paaren bezüglich Mikroklima und Lebensform des Wirts (immer- oder wechselgrün) im Jahreslauf möglichst kontinuierlich untersucht werden, um diese bis heute offen gebliebenen Informationslücke zu schliessen. Dabei soll die Hypothese überprüft werden, derzufolge Misteln vielfach mehr als ihre Wirte transpirieren, um über den Transpirationsstrom Nährstoffe des Wirtes, insbesondere Stickstoff, an sich zu binden. Es sollen hierzu auch Düngungsversuche an getopften Mistel-Wirt-Paaren durchgeführt und dabei besonderes Augenmerk auf die Nettophotosynthese und Wasserumsatz gelegt werden. Weiterhin wird die unterschiedliche Reaktion der beiden pflanzlichen Komponenten auf Wasserstress untersucht. Im fortgeschrittenen Stadium der Untersuchungen ist es das Ziel, über Kronenphotosynthese und deren Bilanzierung die C-Allokationsmuster des Parasiten zu bestimmen. Aufgrund des hohen Mistelbefalls von Forstbeständen und Obstbäumen, insbesondere im Raum Baden-Württemberg, ist diese Grundlagenforschung unmittelbar vor einem angewandten Hintergrund zu sehen.

Kompostduengungsversuch

Versuchsfrage: a) Wie wirkt die Anwendung von Gruengut- und Bioabfallkompost in Wechselwirkung mit einer mineralischen N-Ergaenzungsduengung auf Ertrag und Qualitaet der Ernte sowie Bodenfruchtbarkeitsparameter in einem Dauerfeldversuch? - Fruchtfolge betriebsueblich- 12 Duengungsstufen, davon 8 durch Kompost-Duengung in 2 verschieden Arten, 4-fache Wiederholung.

Untersuchungen zum biogenen und anthropogenen Anteil der Ethylenemission und -immission in einem unter Ozonstress stehendem älteren Fichten-Buchen-Mischbestand

Ethylen spielt eine bedeutsame Rolle in Bildungs- und Abbauprozessen troposphärischen Ozons. Zudem kommt Ethylen in der Wechselwirkung zwischen Biosphäre und Atmosphäre eine besondere Bedeutung zu. So kann es durch Bildung von Ozon indirekt zu einer Schädigung von pflanzen führen, andererseits wird unter Stressbedingungen, z.B. unter erhöhten ambienten Ozonkonzentrationen, Ethylen von Pflanzen abgegeben. Ethylen wird jedoch auch von anthropogenen Quellen emittiert. Ziel des Vorhabens ist die Untersuchung des biogenen und anthropogenen Anteils der Ethylenemission und -immission in einem unter Ozonstress stehendem Waldgebiet. Das Vorhaben wird im besonderen auf die Ethylenemission von Buchen eingehen. Mittels gaschromatographischer Online-Messung von Ethylen, Isopren sowie Acetylen sollen die Emissions- und Immissionsgänge im Tagesverlauf sowie während einer Vegetationsperiode erfasst werden. Isopren wird nur durch biogene Prozesse emittiert. Für Acetylen sind keine biogenen Quellen bekannt. Somit ist über die gleichzeitige Messung von Acetylen und Isopren eine Diskriminierung des biogenen Anteils der Ethylenemissionen und -immissionen möglich. Als weitere Absicherung des biogenen Ethylenanteils soll die in der Ethylenbiosynthese wichtige Ethylenvorstufe 1-Aminocyclopropan1-Carboxylsäure berücksichtigt werden.

Stabilisierung von organischer Substanz durch Schichtsilikate - Natur und Umsatzverhalten der Wechselwirkungsprodukte

Mit dem Vorhaben werden Zusammenhänge zwischen Kohlenstoffspeicherung und Tonmineralogie aufgedeckt und quantitativ beschrieben. Mit dem Versuchsansatz wird die Ermittlung von Stabilisierungsprozessen und -raten natürlicher organischer Substanzen ermöglicht. Langjährige Düngervorenthaltung führt im Boden bei weiter andauernden Nährstoffentzügen durch Pflanzen sowohl a) zu einer Abnahme des relativen Anteiles an leicht umsetzbarer organischer Substanz als auch b) zu einer Veränderung in der Tonmineralassemblage. Dies impliziert Änderungen in der Natur und Stabilität der vorherrschenden Ton-Humus-Assoziationen. Solche Veränderungen sollen auf kurz-, mittel- und langfristigen Zeitskalen an Böden aus Dauerversuchen aufgesucht und quantifiziert werden. Dazu werden Experimente herangezogen, die in den Jahren 1902, 1956 und 1982 angelegt wurden. Folgende Fragen sollen durch das Vorhaben beantwortet werden: A) welche Mechanismen stehen hinter der protektiven Wirkung des Mineralkörpers gegenüber organischen Substanzen, B) welchen Einfluß hat die Tonmineralogie auf Stabilisierungsraten der organischen Substanz, C) welchen Einfluß hat die Tonmineralassemblage auf die Menge und Qualität der mit Tonmineralen assoziierten organischen Substanz, D) gibt es Transferpfade aus dem Pool der leicht umsetzbaren ('labilen') organischen Substanz in den Pool der durch Wechselwirkung mit Tonmineralen stabilisierten Ton-Humus-Assoziationen, E) welche Transferraten gelten hier.

Biofilme, Makromoleküle und organische Restsubstanzen als Matrizen bei der Bildung von Organo- und Biomineralen - Geobiologische Faktoren bei der Evolution der Biomineralisation

Durch vergleichende Analyse von Organo- und Biomineralen aus evolutionsbiologisch zunehmend komplexeren Systemen - von Organofilmen (Ooide) über Biofilme zu Poriferen - sollen systemspezifische Wechselwirkungen zwischen Makromolekülen und Mineralphasen sowie Steuerungsmechanismen der Mineralbildung aufgezeigt werden. Dazu werden aus verschiedenen Habitaten (Hartwasserseen, Salzseen, Sodaseen, Meerwasser) makromolekulare Überzüge (Organofilme), polysaccharidreiche phototrophe und heterotrophe Biofilme sowie proteinreiche heterotrophe BiofilmMetazoen-Gemeinschaften (Riffhöhlen) untersucht. Ausgehend von der hydrochemischen Charakterisierung der Habitate, wird eine biochemische Charakterisierung der primären organischen Substanzen und Matrix sowie der Restsubstanzen in den assoziierten Mineralisaten durchgeführt. Eine strukturelle und mikrobiologische Analyse der beteiligten Organo- und Biofilme folgt (histochemische Färbungen, Applikation von Oligonukleotidsonden zur in situ Identifikation nicht-phototropher Bakterien - FISH). In kontrollierten Experimenten wird mittels kultivierter Mikroorganismen, Labor-Biofilme und extrahierter organischer Substanzen eine Fällung induziert. Die aus den Fallbeispielen abgeleiteten Steuerungsmechanismen der Mineralisation werden unter dem Mikroskop u.a. mit Ionen- und pH-sensitive Fluorochromen zur qualitativen Messung von chemischen Mikrogradienten und durch elektronenoptische Charakterisierung der Fällungsprodukte verifiziert. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Produktion und dem Abbau Ca2+-adsorbierender extrazellulärer polymerer Substanzen (EPS), die in Organo- und Biofilmen bezüglich Nukleation, Fällung und Gefügebildung von entscheidender Bedeutung sind und Voraussetzungen für eine enzymatisch gesteuerte Biomineralisation darstellen.

Charakterisierung, Transport und Deposition von Silica-Polymeren in ausgewählten monocotyledonen und dicotyledonen Holzgewächsen

Si-Einschlüsse in holzbildenden Pflanzen sind vielfach beschrieben und dienen für verschiedene chemische und biologische Fragestellungen als wichtiges Merkmal. Über Aufnahme, Transport und Deposition liegen jedoch nur lückenhafte Kenntnisse vor. Im Vorhaben sollen folgende Themenkomplexe bearbeitet werden: i) Aufnahme und Ferntransport, ii) Primärausscheidung, iii) Struktur und chemische Komposition. Als Objekte sind Bambus (Monocotyledone) sowie tropische Laubbaumarten (Dicotyledone) vorgesehen. Chemische Analysen (IR und Raman, simultane Thermoanalyse/STA, Thermogravimetrie/TG, Differential Thermoanalyse/DTA, Massenspektrometrie/MS, Si K-XANES-Spektroskopie) werden zur Identifizierung der Aufnahme- und Ferntransportform an Wurzelgewebe und Kapillarsaft durchgeführt sowie an Geweben der Deposition. Mit Licht- und Elektronenmikroskopie werden Si-Verbindungen in den Zielzellen lokalisiert, Kompartimenten zugeordnet (intrazellulärer Transport) und mit TEM/EDX und TEM/EELS charakterisiert. Für Bambus wird beispielhaft die extrazelluläre Deposition in der Zellwand untersucht, um Befunde zu Wechselwirkungen zwischen organischer Matrix und Si-Einlagerung zu erhalten. Folgende Ergebnisse werden erwartet: i) Identifizierung der Si-Transportform in Wurzel und Kapillarsaft, ii) Lokalisierung und Identifizierung deponierter Si-Verbindungen, iii) feinstrukturelle Charakterisierung Si-deponierender Zellen und nicht-deponierender Nachbarzellen.

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