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Maßgeschneiderte Inhaltsstoffe 2.2: CEFOX 2.2, Teilprojekt D

Schadensfrueherkennung bei Fichten durch chemische und mikromorphologische Untersuchungen

Im Rahmen systematischer Untersuchungen an Fichtennadeln unterschiedlichen Jahrgangs und Schaedigungsausmasses wurde den vermuteten Aenderungen der Stoffumsaetze vor allem der ungesaettigten Fettsaeuren von Lipiden durch Einwirkung von Photooxydantien nachgegangen. Dabei steht als gesichertes Ergebnis aus mehreren Gebieten im Nahbereich verschiedener Schadstoffemmitenten fest, dass geschaedigte sowie aeltere Nadeln einen wesentlich geringeren Gehalt an Gesamtfettsaeuren aufweisen. Vor allem die Menge an laengerkettigen ungesaettigten Fettsaeuren nimmt ab, hingegen ist ein vermehrtes Auftreten kuerzerkettiger gesaettigter Fettsaeuren beobachtbar. Die saeulen- und gaschromatographische Auftrennung der Nadelextrakte nach steigender Schadstufe und zunehmender Seneszenz in Lipidklassen laesst eine Abnahme der Phospho- und Glykolipide, im besonderen aber der Cholesterylester erkennen, waehrend der Gehalt an freien Fettsaeuren, Mono-, Di- und Triglyceriden steigt. Das verminderte Vorkommen ungesaettigter Fettsaeuren in geschaedigten Bestaenden geht primaer auf einen Rueckgang der Cholesterylester zurueck. Wie es scheint, kommt den Sterolen eine bedeutende Rolle im Verlauf der Schadprozesse zu. Parallel dazu erfolgen lichtmikroskopische Untersuchungen an aus unfixiertem Material hergestellten Gefrierschnitten, wobei geschaedigte Nadeln einen roten Farbstoff in den Schliesszellen der Stomata sowie im Zentralzylinder einlagern. Dabei duerfte es sich um Gerbstoffe handeln, die aus Phenolen durch Einfluss von Photooxydantien entstehen.

Weg des Kohlenstoffs und Regulation des Saeurestoffwechsels bei Sukkulenten (Crassulaceen-Saeurestoffwechsel)

Sukkulenten, die ueber den Crassulaceen-Saeurestoffwechsel (CAM) verfuegen, vermoegen in der Nacht CO2 aus der Atmosphaere zu binden und dieses in Form von Aepfelsaeure zu speichern. Am folgenden Tag wird die Aepfelsaeure decarboxyliert und das dabei entstehende CO2 ueber den Calvin-Zyklus der Photosynthese zugefuehrt. Diese Form des Kohlenstoffgewinns ermoeglicht einen besonders sparsamen Wasserhaushalt. Es handelt sich also um eine oekologische Anpassung an wasserarme Standorte. In dem vom hier vorliegenden Bericht abgedeckten Zeitraum wurden besonders folgende Teilaspekte des CAM erforscht: 1. Charakterisierung der PEP-Carboxylase, des Schluesselenzyms des CAM und Untersuchung seiner Regulierbarkeit in vivo und in vitro. 2. Vergleich verschiedener Sukkulententypen und verschiedener Organe bzw. Gewebe einer Pflanze hinsichtlich ihrer Faehigkeit CAM durchzufuehren oder nicht. Erkenntnisziel: Erforschung der Voraussetzungen fuer das Zustandekommen des CAM bei Pflanzen. 3. Untersuchung des Weges des Kohlenstoffs im CAM. Besonders untersucht wurde das Problem, ob in den Plastoglobuli der Chloroplasten gespeicherte Lipide im CAM umgesetzt werden.

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 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, 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.

Wirkung von polychlorierten Bipheylon auf pflanzliche Membranen

Die polychlorierten Biphenyle werden in der Natur nicht abgebaut. Wegen ihrer Lipidloeslichkeit stellen sie eine Gefahr nicht nur fuer tierische und menschliche Gewebe dar, sondern beeinflussen auch pflanzliche Zellen. Die bisher beobachtete Anreicherung in Algen soll durch Untersuchung der Veraenderung von Membraneigenschaften analysiert werden.

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.

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