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Zusammensetzung und Umsetzung der organischen Substanz in Unterböden unter besonderer Berücksichtigung der Interaktion zwischen Mineralen und organischer Substanz

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 untersucht, um die Ergebnisse der 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.

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.

Der Zusammenhang zwischen Biodiversität und Ökosystemfunktionen in heterotrophen aquatischen Systemen unter Stress

Allochthones organisches Material, wie Falllaub, ist eine zentrale Nährstoff- und Energiequelle für aquatische Ökosysteme. Diese werden durch die Aktivität von Mikroorganismen, im Speziellen aquatische Pilze, für das aquatische Nahrungsnetz zugänglich. Die Pilze tragen zum Einen durch die Produktion von Enzymen direkt zum Falllaubabbau bei. Zum anderen erhöhen sie die Konzentration an Lipiden und Proteinen auf dem Laub und stimulieren somit den Fraß von Zerkleinerern, wodurch sie indirekt zum Laubabbau beitragen. Die Zusammensetzung der Pilzgemeinschaft wird jedoch durch Stressoren anthropogenen Ursprungs beeinflusst, wodurch auch die Fähigkeit der Gemeinschaft beeinträchtigt wird, diese beiden Funktionen wahrzunehmen. In Anlehnung an das Konzept der Verschmutzungsinduzierten Toleranz einer Gemeinschaft, werden aufgrund von Stressoren sensitive durch tolerante Spezies ersetzt, wodurch sich die Toleranz der Gemeinschaft erhöht. Diese erhöhte Toleranz kann stressor-spezifisch sein. In diesem Zusammenhang untersucht das vorliegende Projekt die Toleranz von unbeeinflussten Gemeinschaften relativ zu Gemeinschaften, welche entweder an Mischungen von organischen Mikroverunreinigungen und Nährstoffen (Abwassereinleitung) oder an Fungizide (Weinbau) angepasst sind. Die Effizienz dieser Gemeinschaften Falllaub abzubauen, wird unter zunehmenden Konzentrationen von Nährstoffen und Fungiziden in einem voll-faktoriellen laborbasiertem Testverfahren untersucht. Durch die gleichzeitige Betrachtung der Eigenschaften einzelner Pilzarten (z.B. Enzymaktivität, Amino- und Fettsäurenzusammensetzung) strebt BIO2FUN an die zugrundeliegenden Mechanismen aufzudecken. Darüber hinaus können erste Abschätzungen zu möglichen 'bottom-up' gerichteten Auswirkungen auf die nächst höhere trophische Ebene, den Zerkleinerern, abgeschätzt werden. Diese werden durch Fütterungsexperimente, welche physiologische Reaktionen der Zerkleinerer untersuchen, verifiziert. Damit kann das vorliegende Projekt als Meilenstein für der Interpretation von zukünftigen Studien betrachtet werden, die sich der Rolle aquatischer Pilze in heterotrophen Nahrungsnetzen widmen.

C-Umsatz und C-Festlegung im Boden unter Miscanthus x gigantheus mit Hilfe natürlicher 13C-Abundanz

Angesichts der durch steigende Kohlendioxid (CO2)- Konzentrationen bedingten Klimaerwärmung wird nach Möglichkeiten gesucht, CO2 unter anderem in terrestrischen Senken für längere Zeiträume festzulegen. Am Beispiel von Miscanthus x giganteus (Greef et Deu.) wurde untersucht, ob durch den Anbau von nachwachsenden Rohstoffen eine Kohlenstoff (C)- Festlegung in Böden unterschiedlicher Textur möglich ist. Zu diesem Zweck wird die Methode der natürlichen 13C-Abundanz angewandt. Mit dieser modernen Methode können C-Umsatzzeiten des Gesamtkohlenstoffs im Boden sowie seiner verschieden Pools abgeschätzt werden, aber auch die C-Dynamik auf molekularer Basis durch komponentenspezifische O13C Lipidanalysen untersucht werden. Die Untersuchungen zeigten, dass die unter Miscanthus ermittelten C-Verweilzeiten nur geringfügig länger sind als diejenigen unter Mais. Die jährliche Festlegung von miscanthusbürtigem C in der organischen Bodensubstanz (OBS) bestätigt nur für lehmigen Boden eine höhere C-Sequestrierung von Miscanthus. Es wurde eine vergleichbare C-Akkumulation durch den Miscanthusanbau wie in Grünlandböden festgestellt. Ebenso zeigen Inkubationsexperimente im Miscanthusboden eine ähnliche kumulative CO2-Freisetzung wie in Böden unter Grünland mit einer Tendenz zu geringfügig niedrigeren Freisetzungsraten im Miscanthusboden, Die Anteile von miscanthusbürtigem C am freigesetzten CO2 sind ähnlich wie in Versuchen mit Mais. Es lässt sich eine schnellere Umsetzung des miscanthusbürtigen C in der mikrobiellen Biomasse als leicht umsetzbarer C-Fraktion bestätigen. Die Zugabe leicht verfügbarer organischer Substanzen bewirkte eine verstärkte Mineralisierung der OBS, wobei dieser zusätzlich freigesetzte C entgegen den Erwartungen aus der alten, C3 bürtigen OBS Fraktion stammte. In 13C- Markierungsexperimenten konnte in Miscanthus, Mais, Weizen und Roggen die Verlagerung des kürzlich assimilierten CO2 in Pflanzenteilen verfolgt werden. Eine Verlagerung in den Boden fand hierbei kaum statt. Die O13C-Werte aus den komponentenspezifischen O13C- Lipidanalysen sind vielversprechend für die Diagnose von molekularen Markern und die daraus erfolgende Bestimmung der Umsatzraten. An den CO2- Konzentrationen der Bodenluft und der Herkunft des CO2 konnte der besondere Vegetationszyklus (später Wachstumsbeginn, verzögertes Wurzelwachstum) von Miscanthus wiedergespiegelt werden.

Thermolumineszenz - Messung in pflanzlichen und tierischen Zellen zur Bestimmung des Zellzustandes

Verschiedene Stressfaktoren führen zu oxidativem Stress im Zellgeschehen, d.h. es kommt zur Lipidperoxidation und damit zur Membranschädigung. Die Bestimmung des oxidativen Stresszustands spielt in tierischem und pflanzlichen Gewebe eine große Rolle bei der Beurteilung des zellulären Vitalitätszustandes oder des Entwicklungszustands im Krankheitsgeschehen. Eine Methode, die ohne aufwendige Analysenmethoden eine sichere Basis für die Beurteilung des oxidativen Stresszustands verschiedenster Zellgewebe liefern kann, ist die Thermolumineszenz (TL), die in diesem Vorhaben zur Serienreife geführt werden soll. Für grünes Gewebe ermöglicht diese Methode eine Beurteilung sowohl des Zustandes des Photosyntheseapparates als auch des oxidativen Stresszustandes. Die Thermolumineszenzsignale, die den oxidativen Stresszustand charakterisieren, werden nicht nur von Chlorophyllen, sondern auch von anderen Molekülspezies induziert, so dass auch tierisches Gewebe auf Lipidperoxidationen untersucht werden kann.

Forschergruppe (FOR) 5438: Der urbane Einfluss auf dem mongolischen Plateau: Verflechtungen von Stadtwesen, Wirtschaft und Umwelt, Teilprojekt: Bioarchäologische Studien zu Lebensweise, Ernährung und Gesundheit der Menschen im Mongolenreich

Im Kerngebiet des Mongolenreiches wurden im 13. Jh. n. Chr. Städte gegründet, und dieser Vorgang wirft in der bis dahin von Hirtennomadismus geprägten Steppe nach wie vor ungelöste Fragen auf: Wer bevölkerte diese „implantierten“ Städte? Wie wurden die Städte versorgt? Welche Auswirkungen hatte der neue städtische Lebensstil und das neue Lebensumfeld auf die Ernährungsgewohnheiten und die Gesundheit der Bewohner und der umliegenden Bevölkerung? Dank der jüngsten Entwicklungen auf dem Gebiet der archäologischen Naturwissenschaft können zentrale Fragen zu den Lebensgewohnheiten vergangener Populationen nun durch biomolekulare Untersuchungen an archäologischem Material beantwortet werden. Das beantragte Teilprojekt setzt sich daher zum Ziel, anhand stabiler Isotopen (d13C, d15N und d34S bzw. d18O, d34S und 87Sr/86Sr) menschlicher und tierischer Überreste aus den Siedlungen Karakorum, Khar Khul Khaany Balgas and Bayan Gol Aufschlüsse zu den Ernährungsgewohnheiten der Bewohner und ihrer geographischen Herkunft zugewinnen. In Verbindung mit der Analyse organischer Rückstände (Lipide) an Gefäßkeramik sowie osteologischen und archäologischen Daten zu Geschlecht, Alter und sozialem Status lassen sich Schlüsse für die Versorgungsketten der Städte und die Auswirkungen der durch ihre Gründung ausgelösten Lebensstil- und Umweltveränderungen auf die Gesundheit der lokalen Bevölkerung ziehen. Darüber hinaus soll das Potential weiterführender und bisher weniger etablierter Analyseansätze (u.a. verbindungsspezifische Analyse stabiler Isotope, Schwermetallrückstände und Paläoproteomik) ausgelotet werden.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1685: Ecosystem nutrition: forest strategies for limited phosphorus resources; Ökosystemernährung: Forststrategien zum Umgang mit limitierten Phosphor-Ressourcen, Mikrobielle Umsetzung von Phosphor in Waldböden in Abhängigkeit von der Verfügbarkeit von Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor

Bodenmikroorganismen können Phosphor (P) sowohl mobilisieren als auch immobilisieren und beeinflussen daher stark die P-Verfügbarkeit für Pflanzen. In diesem Projekt stellen wir die Hypothese auf, dass das Verhältnis vom mikrobiellen P zum labilen P, mit der Entwicklung von P erwerbenden zu P recycelnden Ökosystemen zunimmt. Mikrobielle und pflanzliche P-Aufnahme wird mittels 33P untersucht, der in pflanzlicher und mikrobieller Biomasse und in pflanzlichen und mikrobiellen Lipiden quantifiziert wird. In welchem Maß Mikroorganismen P während des Abbaus von organischer Bodensubstanz mineralisieren und immobilisieren, wird mit einem 14C/33P markiertem Monoester überprüft. Die saisonale Dynamik von tatsächlicher und potentieller P-Mobilisierung (33P-Verdünnung und Phosphatase-Aktivität) und mikrobieller P-Immobilisierung wird anhand von Böden, die den Übergang von erwerbenden zu recycelnden Ökosystemen repräsentieren, analysiert. Darüber hinaus wird der Beitrag des P aus der organischen Auflage zum mikrobiellen P anhand eines Feldexperiments untersucht. Die räumlichen Muster mikrobieller und pflanzlicher P-Mobilisierung in der Rhizosphäre werden anhand der Verteilung von saurer und alkalischer Phosphatase-Aktivität (Boden-Zymographie) und Rhizodeposition (14C-Imaging) analysiert.

BioKreativ-1: SymBioÖkonomie - Insekten und ihre symbiontischen Mikroben für die zirkuläre BioÖkonomie

Schwerpunktprogramm (SPP) 1685: Ecosystem nutrition: forest strategies for limited phosphorus resources; Ökosystemernährung: Forststrategien zum Umgang mit limitierten Phosphor-Ressourcen, Microbial P mobilization and immobilization in the rhizosphere and root-free soil (SPP: P Nutrition & recycling)

Soil microorganisms can mobilize and immobilize phosphorus (P), and therefore strongly affect the availability of P to plants. In this project we hypothesize that the ratio of labile P to microbial P increases during the transition from acquiring to recycling ecosystems. Microbial and plant P uptake will be studied with 33P that will be quantified in microbial and plant biomass as well as in lipids. To what extent microorganisms immobilize and mobilize P during decomposition of soil organic matter will be explored with a 14C/33P labeled monoester. Seasonal dynamics of actual and potential P mineralization (33P dilution and phosphatase activity), and microbial P immobilization will be studied with soils of the transition from acquiring to recycling ecosystems. The contribution of litter-derived P will be explored in a litter exclusion experiment in the field. Spatial patterns of microbial and plant P mineralization in the rhizosphere will be explored by analyses of areas of high acid and alkaline (=microbial-derived) phosphatase activity by soil zymography, and their relations with areas of high rhizodeposition (14C imaging). In conclusion, we will analyse mechanisms of actual and potential microbial P mineralization and immobilization, localization, and consequences for P uptake by plants.

Sonderforschungsbereich (SFB) 1127: Chemische Mediatoren in komplexen Biosystemen, Teilprojekt A04: Rolle von Lipidmediatoren in komplexen Wirt-Mikroben-Interaktionen

Wir untersuchen, wie funktionell unterschiedliche M1- und M2-Makrophagen-Phänotypen miteinander kommunizieren, um mikrobielle Infektionen abzuwehren und die Gewebshomöostase im Wirt wiederherzustellen. Dabei konzentrieren wir uns auf Lipidmediatoren als Signalmoleküle, die durch mikrobielle Exotoxine in Makrophagen gebildet werden und damit Phagozyten und andere Immunzellen steuern. Wir prüfen, ob die gezielte Manipulation von Lipidmediatoren mit Wirkstoffen, insb. Naturstoffe aus anderen Organismen, genutzt werden kann, um zelluläre Wirtsfunktionen so zu modulieren, dass mikrobielle Infektionen effektiv bekämpft werden und die Homöstase wiederhergestellt wird.

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