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Haushalt und Flüsse des wurzelbürtigen Kohlenstoffs in Nahrungsketten

Rhizodeposition der Pflanzen ist eine wichtige primäre Kohlenstoff- (C) und Energiequelle für Bodenorganismen. Die Ziele dieses Projektes sind die Abschätzung des C-Eintrages durch Mais in den Boden, die Verfolgung des wurzelbürtigen C in der ganzen Nahrungskette im Boden und die Aufstellung von C-Bilanzen. Mais wird in der 13CO2- und 14CO2-Atmosphäre markiert, um zwischen den wurzelbürtigen und bodenbürtigen C zu unterscheiden und den Haushalt des wurzelbürtigen C zu bestimmen. Der Einbau von wurzelbürtigem C in Mikroorganismen, Nematoden, Collembolen und Predatormakrofauna wird quantifiziert. 14C-Phosphor-Imaging der Wurzel ermöglicht es Hotspots der Rhizodeposition und der Exsudation zu lokalisieren. 13C-Pulsmarkierung wird die Empfindlichkeit der Koppelung des 13C mit Biomarker der Bakterien und Pilze (PLFA, Ergosterol) und Collembolen (neutrale Lipide) wesentlich erhöhen. Die Verzögerung zwischen der Photoassimillation der Pflanze, Wurzelexsudation in die Rhizosphäre und Einbau vom wurzelbürtigen C in die einzelnen Organismen wird bestimmt. Dies wird die Aufstellung und Modellierung des C-Flusses durch die Nahrungsketten im Boden ermöglichen. Durch mehrfache 13C-Pulsmarkierung von Mais wird eine hohe 13C-Anreicherung der Mikroorganismen erreicht, um anschließend die aktivsten Spezies in der Rhizosphäre mit Hilfe von Stable Isotope Probing (SIP) zu bestimmen.

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.

Umsatzraten und Herkunft von Lipiden in Ackerböden: Zeitlich aufgelöste strukturelle und isotopische Charakterisierung der Lipidfraktionen einer natürlich markierten Schwarzerde

Lipide haben wahrscheinlich große Bedeutung für die Stabilisierung organischer Substanz in Böden, sie wurden aber bisher mittels moderner strukturchemischer und isotopischer Methoden nur wenig untersucht. Durch die Kombination dieser Methoden sollen erstmals gleichzeitg Aussagen über Herkunft (Pflanzen, Bakterien, Pilze) und Umsatzraten (d13C) der Lipide auf molekularer Ebene ermöglichen. Der Nutzungswechsel von Roggen- (C3-) zu Mais-Monokultur (C4-Pflanze) markierte die zugeführte Biomasse strukturell und isotopisch. Die Nutzung von Rückstellproben ermöglicht eine über vier Jahrzehnte zeitlich aufgelöste Auswertung dieses landwirtschaftlichen Freilandversuchs. Die Lipide sollen mit einer Kombination moderner struktureller, spektroskopischer und isotopischer Analysetechniken der Bodenchemie, organischen Geochemie und Biochemie untersucht werden. Untersuchungen sollen an Gesamtböden und ausgewählten PartikelgrößenFraktionen erfolgen. Die Bodenlipide werden erstmalig über eine automatisierte sequentielle Flüssigkeitschromatographie in folgende Fraktionen getrennt: a) Aliphaten, b) Ketone/Alkohole, c) Fettsäuren, d) Aromaten, e) basische Lipide und f) hochpolare Biopolymere. Diese Fraktionen sollen anschließend strukturell identifiziert (13C NMR, GC-MS) und die Fraktionen a) bis c) gesamt- und komponentenspezifisch (GC-irmMS) d 13C-isotopisch charakterisiert werden.

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.

Forschergruppe (FOR) 5116: Kommunikation in der Wirtspflanzen-Mikroben-Interaktion durch extrazelluläre RNA, Teilprojekt: Charakterisierung des Pilz-ausgelösten cross-kingdom RNAi in der arbuskulären Mykorrhizasymbiose

Arbuskuläre Mykorrhiza (AM) ist eine Symbiose zwischen etwa 80 % der Landpflanzen und Pilzen der Glomeromycotina, die auf dem Austausch von Nährstoffen beruht. Die Pilze erhalten von der Pflanze organischen Kohlenstoff in Form von Zuckern und Lipiden. Im Gegenzug liefern sie der Pflanze mineralische Nährstoffe und fördern so die Produktivität und Gesundheit der Pflanze. Damit die Symbiose ausgebildet werden kann, müssen die Wurzeln besiedelt werden. Die Besiedlung der Wurzeln durch AM-Pilze ist ein mehrstufiger Prozess, der durch einen pflanzlichen Signalweg gesteuert wird, der der Kompatibilität zwischen den Symbiosepartnern zugrunde liegt. Chitinfragmente und andere mögliche kleine Moleküle, die von den Pilzen freigesetzt werden, können jedoch kurzfristige Abwehrreaktionen auslösen, die unterdrückt werden müssen, um eine symbiontische Besiedlung zu ermöglichen. Es wurde gezeigt, dass pathogene Pilze und Oomyceten kleine RNAs in Pflanzenzellen einschleusen können, um silencing von Immunitätsgenen auszulösen, ein Phänomen, welches als cross-kingdom-RNAi bezeichnet wird. Anhand der Modell-Leguminose Lotus japonicus und des Modell-AM-Pilzes Rhizophagus irregularis haben wir Hinweise dafür gefunden, dass cross-kingdom-RNAi auch in der AM-Symbiose auftritt. Hier wollen wir verstehen: i) welche Pilzstrukturen und Pflanzenzelltypen an Cross-Kingdom-RNAi in der AM-Symbiose beteiligt sind und ii) welche Rolle der Pflanzengene, gegen die die sRNAs der Pilze gerichtet sind in der Symbiose spielen können. Für AM Pilze wurde bisher keine Wirtsspezifität beschrieben, und es stellt sich die Frage, ob cross kingdom RNAi dazu beiträgt, dass AM Pilze ein breites Spektrum von Wirtspflanzen besiedeln können. Daher wollen wir untersuchen, ob iii) eine AM Pilz Art bei der Besiedlung zweier unterschiedlicher Wirtspflanzen die gleichen oder unterschiedliche sRNAs produziert und ob diese sRNAs auf orthologe Gene abzielen.

SP1.1 Dynamische Anreicherungsprozesse von organischer Substanz in der SML

Der Oberflächenfilm (SML) ist die oberste dünne Schicht des Ozeans und Teil jeglicher Wechselwirkung zwischen Luft und Meer, wie Gasaustausch, atmosphärische Deposition und Aerosolemission. Die Anreicherung von organischer Materie (OM) in der SML modifiziert die Luft-Meer-Austauschprozesse, aber welche OM-Komponenten selektiv angereichert werden, sowie warum und wann sie dies tun, ist weitgehend unbekannt (Engel et al., 2017). Unsere bisherige Forschung hat gezeigt, dass Biopolymere aus photoautotropher Produktion wichtige Komponenten der SML sind und den Luft-Meer-Austausch beeinflussen, indem sie als Biotenside (Galgani et al., 2016; Engel et al., 2018) und als Quelle primärer organischer Aerosole (Trueblood et al., 2021) wirken. Die Motivation unseres Projektes ist es daher, die dynamischen Anreicherungsprozesse von OM in der SML aufzuklären und zu beschreiben, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf der Auflösung der OM-Quellen liegt. Mit unserem Modellierungsansatz ist es das Ziel, unser mechanistisches Verständnis der Zusammenhänge zwischen den Wachstumsbedingungen des Planktons, der Produktion und der Freisetzung von Biomolekülen, einschließlich potentieller Tenside, und der Akkumulation von OM in der SML zu konsolidieren. Eine solche Modellentwicklung wird in hohem Maße von den Ergebnissen und Erkenntnissen der verschiedenen Teilprojekte des BASS-Konsortiums profitieren. Umgekehrt ist es unsere Motivation, ein Modell zu etablieren, das als Synthesewerkzeug für die Interpretation und Integration von Feld-, Mesokosmen- und Labormessungen der OM-Anreicherung in der SML anwendbar wird.Relevanz für die Forschungsgruppe BASS - SP1.1 wird die Quellen, die Menge und die biochemische Zusammensetzung von OM in der SML entschlüsseln und damit wichtige Informationen für alle BASS-Teilprojekte liefern. Der primäre Ursprung von OM im Oberflächenozean ist die photosynthetische Produktion und die wichtigsten biochemischen Komponenten von frisch produzierter OM, d.h. Kohlenhydrate, Aminosäuren und Lipide, unterliegen der mikrobiellen Verarbeitung (SP1.2) und Photoreaktionen innerhalb der SML (SP1.3, SP1.4) und füllen auch den Pool der gelösten organischen Substanz (DOM) auf (SP1.5). Die Modellentwicklung in SP1.1 stellt eine Verbindung zwischen der Produktion von OM und ihrer Anreicherung innerhalb der SML her und zielt darauf ab, die entsprechenden Auswirkungen auf den Luft-Meer-Gasaustausch (SP2.1) zu bestimmen, indem Änderungen des Impulsflusses auf den Ozeanoberflächenschichten (SP2.2) sowie des Auftriebs (SP2.3) berücksichtigt werden. Das vorgeschlagene SML-Submodell wird auf der Grundlage der Ergebnisse aus SP1.4 und SP2.3 verfeinert. Ergebnisse aus den Modellsensitivitätsanalysen werden ergänzende Informationen über oberflächenaktive Eigenschaften verschiedener OM Komponenten und deren Auswirkungen auf Luft-Meer-Austauschprozesse liefern, die innerhalb von BASS ausgewertet werden.

14C content of specific organic compounds in subsoils

Organic matter (OM) composition and dynamic in subsoils is thought to be significantly different from those in surface soils. This has been suggested by increasing apparent 14C ages of bulk soil OM with depth suggesting that the amount of fresh, more easily degradable components is declining. Compositional changes have been inferred from declining ä13C values and C/N ratios indicative for stronger OM transformation. Beside these bulk OM data more specific results on OM composition and preservation mechanisms are very limited but modelling studies and results from incubation experiments suggest the presence and mineralization of younger, 'reactive carbon pool in subsoils. Less refractory OM components may be protected against degradation by interaction with soil mineral particles and within aggregates as suggested by the very limited number of more specific OM analysis e.g., identification of organic compound in soil fractions. The objective of this project is to characterize the composition, transformation, stabilization and bioavailability of OM in subsurface horizons on the molecular level: 1) major sources and compositional changes with depth will be identified by analysis of different lipid compound classes in surface and subsoil horizons, 2) the origin and stabilization of 'reactive OM will be revealed by lipid distributions and 14C values of soil fractions and of selected plant-specific lipids, and 3) organic substrates metabolized by microbial communities in subsoils are identified by distributional and 14C analysis of microbial membrane lipids. Besides detailed analyses of three soil profiles at the subsoil observatory site (Grinderwald), information on regional variability will be gained from analyses of soil profiles at sites with different parent material.

Implementierung der Elektroimpulsbehandlung von Hefen zum Upcycling agroindustrieller Reststoffe zu Bioschmierstoffen, Teilvorhaben 1: Prozessentwicklung und Produktcharakterisierung

Ziel des Vorhabens ist es, die Elektroimpulsbehandlung (EIB), ein innovatives und energieeffizientes Aufschlussverfahren für mikrobielle Biomasse, erstmals auf ölproduzierende Hefen anzuwenden. Als primäres Produkt sollen intrazellulär gespeicherte Lipide gewonnen werden und auf ihre Einsatzfähigkeit als Bioschmierstoff geprüft werden. Als Alleinstellungsmerkmal bietet die EIB die Möglichkeit einer echten Kaskadenprozessierung, der sequenziellen Gewinnung mehrerer Inhaltsstoffe aus mikrobieller Biomasse. Diese Eigenschaft soll genutzt werden, um Lipide und Proteine abzutrennen. Die Proteinfraktion soll auf Einsatzfähigkeit als Futtermittelzusatz geprüft werden. Um die Produktion der oleogenen Hefen kosteneffizient zu halten, sollen Reststoffe aus der Landwirtschaft, wie Melasse und C5/C6-Zuckermischfraktionen z.B. aus Weizenstroh oder Rohglycerin aus der Biodieselherstellung, als Substratquellen eingesetzt werden. An vier Hefestämmen soll der Substrateinfluss auf die Produktbildung, d.h. auf Produktmenge und -qualität, und auf die Prozessierbarkeit mittel EIB, d.h. auf erzielbare Ausbeute und auf Qualität des Extrakts, untersucht und optimiert werden. Ein weiterer Fokus der Prozessentwicklung liegt auf der Identifikation nachhaltiger Lösemittel Extraktionssysteme und der ökonomischen Lösemittel Rückgewinnung. Ausgewählte Hefe/Substrat-Paarungen sollen dann unter den gefundenen Prozessbedingungen bis in den Pilotmaßstab kultiviert und verarbeitet werden, um eine detailliertere Analyse der Produkteigenschaften durchzuführen. Auf der Basis der gewonnenen Ergebnisse wird eine techno-ökonomische Bewertung der EIB-unterstützten Gewinnung von Lipiden und Proteinen aus oleogenen Hefen vorgenommen. Im Stakeholderdialog werden abschließend Randbedingungen für eine Markteinführung von Schmierstoffen und Futtermittelzusätzen aus oleogenen Hefen erarbeitet, um im Projektanschluss diese Wertschöpfungskette möglichst industrienah einführen zu können.

Implementierung der Elektroimpulsbehandlung von Hefen zum Upcycling agroindustrieller Reststoffe zu Bioschmierstoffen

Ziel des Vorhabens ist es, die Elektroimpulsbehandlung (EIB), ein innovatives und energieeffizientes Aufschlussverfahren für mikrobielle Biomasse, erstmals auf ölproduzierende Hefen anzuwenden. Als primäres Produkt sollen intrazellulär gespeicherte Lipide gewonnen werden und auf ihre Einsatzfähigkeit als Bioschmierstoff geprüft werden. Als Alleinstellungsmerkmal bietet die EIB die Möglichkeit einer echten Kaskadenprozessierung, der sequenziellen Gewinnung mehrerer Inhaltsstoffe aus mikrobieller Biomasse. Diese Eigenschaft soll genutzt werden, um Lipide und Proteine abzutrennen. Die Proteinfraktion soll auf Einsatzfähigkeit als Futtermittelzusatz geprüft werden. Um die Produktion der oleogenen Hefen kosteneffizient zu halten, sollen Reststoffe aus der Landwirtschaft, wie Melasse und C5/C6-Zuckermischfraktionen z.B. aus Weizenstroh oder Rohglycerin aus der Biodieselherstellung, als Substratquellen eingesetzt werden. An vier Hefestämmen soll der Substrateinfluss auf die Produktbildung, d.h. auf Produktmenge und -qualität, und auf die Prozessierbarkeit mittel EIB, d.h. auf erzielbare Ausbeute und auf Qualität des Extrakts, untersucht und optimiert werden. Ein weiterer Fokus der Prozessentwicklung liegt auf der Identifikation nachhaltiger Lösemittel Extraktionssysteme und der ökonomischen Lösemittel Rückgewinnung. Ausgewählte Hefe/Substrat-Paarungen sollen dann unter den gefundenen Prozessbedingungen bis in den Pilotmaßstab kultiviert und verarbeitet werden, um eine detailliertere Analyse der Produkteigenschaften durchzuführen. Auf der Basis der gewonnenen Ergebnisse wird eine techno-ökonomische Bewertung der EIB-unterstützten Gewinnung von Lipiden und Proteinen aus oleogenen Hefen vorgenommen. Im Stakeholderdialog werden abschließend Randbedingungen für eine Markteinführung von Schmierstoffen und Futtermittelzusätzen aus oleogenen Hefen erarbeitet, um im Projektanschluss diese Wertschöpfungskette möglichst industrienah einführen zu können.

Implementierung der Elektroimpulsbehandlung von Hefen zum Upcycling agroindustrieller Reststoffe zu Bioschmierstoffen, Teilvorhaben 2: Biomasseproduktion auf Reststoffen

Ziel des Vorhabens ist es, die Elektroimpulsbehandlung (EIB), ein innovatives und energieeffizientes Aufschlussverfahren für mikrobielle Biomasse, erstmals auf ölproduzierende Hefen anzuwenden. Als primäres Produkt sollen intrazellulär gespeicherte Lipide gewonnen werden und auf ihre Einsatzfähigkeit als Bioschmierstoff geprüft werden. Als Alleinstellungsmerkmal bietet die EIB die Möglichkeit einer echten Kaskadenprozessierung, der sequenziellen Gewinnung mehrerer Inhaltsstoffe aus mikrobieller Biomasse. Diese Eigenschaft soll genutzt werden, um Lipide und Proteine abzutrennen. Die Proteinfraktion soll auf Einsatzfähigkeit als Futtermittelzusatz geprüft werden. Um die Produktion der oleogenen Hefen kosteneffizient zu halten, sollen Reststoffe aus der Landwirtschaft, wie Melasse und C5/C6-Zuckermischfraktionen z.B. aus Weizenstroh oder Rohglycerin aus der Biodieselherstellung, als Substratquellen eingesetzt werden. An vier Hefestämmen soll der Substrateinfluss auf die Produktbildung, d.h. auf Produktmenge und -qualität, und auf die Prozessierbarkeit mittel EIB, d.h. auf erzielbare Ausbeute und auf Qualität des Extrakts, untersucht und optimiert werden. Ein weiterer Fokus der Prozessentwicklung liegt auf der Identifikation nachhaltiger Lösemittel Extraktionssysteme und der ökonomischen Lösemittel Rückgewinnung. Ausgewählte Hefe/Substrat-Paarungen sollen dann unter den gefundenen Prozessbedingungen bis in den Pilotmaßstab kultiviert und verarbeitet werden, um eine detailliertere Analyse der Produkteigenschaften durchzuführen. Auf der Basis der gewonnenen Ergebnisse wird eine techno-ökonomische Bewertung der EIB-unterstützten Gewinnung von Lipiden und Proteinen aus oleogenen Hefen vorgenommen. Im Stakeholderdialog werden abschließend Randbedingungen für eine Markteinführung von Schmierstoffen und Futtermittelzusätzen aus oleogenen Hefen erarbeitet, um im Projektanschluss diese Wertschöpfungskette möglichst industrienah einführen zu können.

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