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Algen als Indikatoren fuer Umweltbelastungen

In Suesswasserseen treten jedes Jahr Sukzessionen von Plankton-Algen auf, die ein charakteristisches Zeitmuster zeigen. Waehrend das Zeitmuster im Grundtyp durch den Gewaessertyp, die klimatischen Faktoren und durch trophische Wechselwirkungen mit dem Zooplankton determiniert wird, verursachen anthropogene Umweltfaktoren (Duengemittel, Biozide etc.) charakteristische Modulationen oder Entgleisungen dieser Muster, z.B. im besonderen 'Algenblueten'. Anhand von Daten aus dem Halterer Stausee - ein Trinkwasserreservoir der Gelsenwasser AG - werden Zeitreihenanalysen des Planktons einschliesslich multivarianter Kreuzkorrelationen mit chemischen Parametern durchgefuehrt. Ziel dieser Untersuchung ist das Identifizieren von belastungsspezifischen Typen des Sukzessionsmusters der Algen. Ein Sonderthema dieses Forschungsprojektes ist das Erproben von Algenmischpopulationen in kontrollierten Durchfluss-Fermenten. Am Beispiel der Schwermetalle Cadmium und Quecksilber wird ein Monitor-System aus der Wildform und eine heterotrophe Mutante von Euglena gracilis entwickelt.

Entwicklung von ressourceneffizienten und umweltentlastenden Düngestrategien mithilfe innovativer Saatgutbehandlungen

Zielsetzung: Die Pflanzennährstoffe Stickstoff und Phosphat sind fundamental wichtig für ein gesundes Wachstum und hohe Erträge. Doch ein Überschuss an Nährstoffen kann durch Auswaschung ins Grundwasser und durch Oberflächenabfluss in Flüsse und Meere gelangen. Durch die Intensivierung der Landwirtschaft geraten zudem auch landwirtschaftlich genutzte Ökosysteme aus der Balance. Anfällige Pflanzenbestände mit geringer Resilienz sind die Folge. Ein steigender Pflanzenschutzmitteleinsatz wird somit vielerorts notwendig. Der Pestizid-Einsatz stellt jedoch eine weitere Gefahr für die Umwelt auf verschiedenen Ebenen dar und stört das ökologische Gleichgewicht, gefährdet die Wasserqualität und wirkt sich durch die Akkumulation von Rückständen in der Umwelt auf die gesamte Nahrungskette aus. Für eine zukunftsfähige Landwirtschaft stehen Landwirt*innen vor der Herausforderung, Düngemittel und Pflanzenschutzmittel auf das geforderte umweltverträgliche Maß zu reduzieren, ohne dabei die Nahrungsmittelsicherheit zu gefährden. Unter den Bedingungen der novellierten Düngeverordnung muss die Düngemenge bundesweit in nitratbelasteten roten Gebieten 20 % unter dem durchschnittlichem Düngebedarf liegen. Ebenso müssen zusätzliche Auflagen bei der Phosphor-Düngung in gelben Gebieten mit hoher Eutrophierung von Oberflächengewässern durch Phosphor/Phosphat eingehalten werden. Die stark angestiegenen Dünger- und Betriebsmittelpreise kommen erschwerend hinzu. Es braucht eine Landwirtschaft, die umweltfreundlich wirtschaftet und trotzdem bezahlbare Lebensmittel erzeugt. Der durch SeedForward angestrebte Lösungsweg beschreibt die Erprobung von ressourceneffizienten Düngestrategien, die bei reduziertem Düngereinsatz gleichbleibend hohe Erträge ermöglichen. Dies gelingt durch eine verbesserte Ressourcennutzung der Pflanzen, welche auf eine höhere Nährstoffeffizienz der Pflanze zurückzuführen ist, die durch die SeedForward Saatgutbehandlung hervorgerufen wird. An den Kulturen Mais, Getreide und Raps werden neben den Saatgutbehandlungen zusätzlich innovative Mikroorgansimen eingesetzt, denn der Einsatz dieser pflanzenförderlichen Mikroorganismen in Kombination mit der Saatgutbehandlung kann ihren Effekt noch verstärken. Die in dem Projekt geplante Vorgehensweise ermöglicht es, standortbezogene Einsparungen zu prognostizieren und zielgerichtet auszuschöpfen, um die Transformation zu einer zukunftsfähigen Agrarlandnutzung zu unterstützen und die Umwelt zu schützen.

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.

Kombinationswirkungen von Umweltchemikalien auf die Rueckstandsbildung bei Wildtieren

Feststellung messbarer Rueckstaende im Wildtier bei gleichzeitiger Aufnahme von Wirkstoff-Kombinationen aus der Nahrung und ihr Einfluss auf die Verteilung und Rueckstandsbildung im Tierkoerper. Die Umweltchemikalien werden allein und in Kombination im Koernerfutter verabreicht. In regelmaessigen Abstaenden werden Organ- und Depotfett- und Muskelproben entnommen. Die Rueckstaende werden gaschromatisch bestimmt. Ueber den gesamten Zeitraum wird mit geeigneten Parametern die biologische Leistungsfaehigkeit ermittelt. Feststellung moeglicher gegenseitiger Beeinflussung im Sinne von Synergismus oder Antagonismus.

Versoehnung von Oekonomie und Oekologie

In der Diskussion ueber oekologisches Wirtschaften sind Stagnationserscheinungen unverkennbar. Sie sind Ausdruck eines resignativen oder eines betriebswirtschaftlichen Ueber-Pragmatismus, in dem oekologisches Wirtschaften aufgeschicktes Marketing reduziert zu werden droht. Diese Arbeit ist als Sammlung theoretischer und praxisbezogener Beitraege zur Ueberwindung des Dilemmas konzipiert. Sie enthaelt Arbeiten von Autor/inne/n, die innovative Ideen zum Verhaeltnis von Oekonomie und Oekologie liefern, kritische Schlussfolgerungen aus der politischen oder lebensweltlichen Praxis (ueber umweltfreundliche Stoffkreislaeufe und die'Oekonomie des Vermeidens') ziehen sowie neue Felder und Instrumente oekologischen Wirtschaftens (oekologische Produktpolitik, Oeko-Bilanz, Oeko-Audit) nach Nutzen und Folgen beurteilen. Bezugspunkt vieler Beitraege ist das Leitbild des 'sustainable development', dessen Verkuerzung auf Umweltfreundlichkeit freilich zurueckgewiesen wird.

Strahlenbelastung des fliegenden Personals

Piloten und FlugbegleiterInnen gehoeren zu den Personen, die einer hohen Strahlenbelastung am Arbeitsplatz ausgesetzt sind. Die kosmische Strahlung in Flughoehe besteht ausschliesslich aus Sekundaerstrahlung (hauptsaechlich Neutronen und Gammastrahlung), die in Wechselwirkung von primaeren Teilchen mit den Atomen der Lufthuelle erzeugt wird. Die Exposition des Flugpersonals ist zudem abhaengig von der Flughoehe, der geomagnetischen Breite und der solaren Aktivitaet. Aufgrund der Komplexitaet des kosmischen Strahlenfeldes ist allerdings der Umfang der Exposition schwer zu bestimmen, und physikalische Messungen geben keinerlei Hinweise auf die biologische Wirksamkeit dieser Strahlung. Ueber Chromosomenanalysen in den peripheren Lymphozyten des menschlichen Blutes konnte in einer Pilotstudie an Personal aus dem Interkontinentalverkehr eine hochsignifikant erhoehte Strahlenbelastung festgestellt werden. Die Chromosomenanalyse eines weiteren Untersuchungskollektivs, das aus einer Gruppe von Concordepiloten besteht, steht kurz vor dem Abschluss. Ergebnisse aus strahlenbiologischen Experimenten im CERN, Genf, belegten eine sehr hohe biologische Wirksamkeit der kosmischen Strahlung im Niederdosisbereich. Die Resultate dieser Versuchsreihe (in-vitro) sollen mit den Ergebnissen aus den in-vivo Ansaetzen verglichen und im Hinblick auf die biologisch Wirksamkeit kleiner Dosen von Neutronen bewertet werden. Die Ergebnisse sollen der Einfuehrung des Strahlenschutzes fuer das Flugpersonal dienen.

Nachhaltige Altlastenbewältigung unter Einbeziehung des natürlichen Reinigungsvermögens, Entwicklung eines Simulationstools zur Prognose der Ausbreitung und des Abbaus von Schadstoffen in der gesättigten und der vadosen Zone

Ziel ist dabei unter anderem, eine Datenbasis für die Modellierung des Schadstoffabbaus und der Schadstoffausbreitung zu schaffen, die in ein sechstes Teilprojekt einfließt. Dieses wird von Mitarbeitern der Professoren Knabner und Rüde bearbeitet und befasst sich standortübergreifend mit der mathematischen Modellierung von Transport-, Rückhalte- und Abbauprozessen mittels moderner und effizienter Verfahren. Für die numerische Simulation wird ein Prognoseinstrument entwickelt, das belastbare Risikoeinschätzungen liefern soll. Aufgrund der anspruchsvollen Struktur der Probleme - Systeme von gekoppelten, nichtlinearen partiellen Differentialgleichungen - werden auch Techniken der Höchstleistungssimulation eingebracht. An jedem untersuchten Standort soll das Verständnis der im Untergrund ablaufenden Prozesse so vertieft werden, dass nicht nur der momentane Zustand beschrieben werden kann, sondern auch langfristige Prognosen möglich sind. Angesichts von rund 13300 altlastverdächtigen Flächen in Bayern ist es von großer volkswirtschaftlicher Bedeutung, neben der Entwicklung von kostengünstigen und praxisorientierten Technologien zur Altlastensanierung die natürlichen Selbstreinigungskräfte der Umwelt zu nutzen. Um angemessen handeln zu können, brauchen Behörden und andere Entscheidungsträger eine zuverlässige Antwort auf die Frage: Wie groß ist das natürliche Potenzial eines Altlastenstandortes, sich selbst zu reinigen?

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.

Wechselwirkungen von Mikroorganismen und Schwermetallen in Mikrohabitaten des Bodens

Schwermetallbelastungen der Bodenmikroflora führen zu funktionellen Störungen, Proteindenaturierung und Störungen der Integrität von Zellmembranen. Effekte der toxischen Wirkung von Schwermetallen auf Bodenmikroorganismen wurden in der Vergangenheit vornehmlich an Böden mittels funktioneller Parameter nachgewiesen, ohne die räumliche Anordnung von Mikroorganismen und deren strukturelle Diversität zu berücksichtigen. Ziel dieses Projektes ist es, die Wirkungen von Schwermetallen auf Bodenmikroorganismen in Mikrohabitaten (Sand-, Schluff- und Tonfraktion) zu untersuchen. Dabei wird zunächst in zwei unterschiedlich texturierten Böden überprüft, ob Pilze und Bakterien verschiedene Lebensräume im Boden besiedeln, in denen sie selektiv durch Schwermetalle beeinflusst werden können. Klärschlammbeaufschlagte Böden werden herangezogen, um der Frage der Maskierung der Schwermetallwirkung durch organische Substanz nachzugehen. Das Ziel dieser Untersuchungen wird es sein, die Wirkung der Schwermetalle von der Wirkung der organischen Substanz in Mikrohabitaten zu trennen. Strukturelle Parameter wie Phospholipidfettsäuremuster und DGGE-Profile werden Aussagen zur mikrobiellen Gemeinschaftsstruktur von schwermetallbelasteten Böden und Korngrößenfraktionen liefern. Informationen zur funktionellen Diversität von Mikroorganismen in Mikrohabitaten werden durch die Bestimmung einiger ausgewählter Bodenenzyme gewonnen. Insgesamt werden die Ergebnisse dieses Projektes einen umfassenden Beitrag zum Verständnis der Wechselwirkungen von Schwermetallen und Bodenmikroorganismen auf der Ebene der Mikrohabitate leisten, wobei insbesondere die strukturelle Analyse der Organismengemeinschaft neue Erkenntnisse zur Interpretation funktioneller Störungen in Bodenökosystemen liefert.

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.

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