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Bienenfutter - Ernährungsökologie von Bienen in einer Welt im Wandel

Zu verstehen, wie anthropogene Faktoren Einfluss auf die Ernährungsökologie bedrohter Tierarten nimmt, stellt einen zentralen Ansatz dar, um Reaktionen auf Umweltveränderungen vorherzusagen und gefährdete Arten schützen zu können. Besonders für Bestäubungsinsekten wie Hummeln ist dieses Verständnis bedeutsam, da bei vielen dieser Arten große Rückgänge in ihren Beständen zu verzeichnen sind. Diese Entwicklung lässt sich womöglich zum Teil auf Mangel- und Fehlernährung zurückführen. Mithilfe dieser Forschungsarbeit möchten wir verstehen, wie die Ernährungsökologie von Bombus terrestris von Landnutzung und Infektionskrankheiten beeinflusst wird - Krankheiten sind ein zunehmendes Problem, da kommerzielle Imkerei die Verbreitung von Erregern begünstigt. Um dieses Verständnis zu erreichen, haben wir unsere Untersuchungen in drei Phasen eingeteilt. In der ersten Phase untersuchen wir die Interaktion von Aminosäuren und deren Einfluss auf B. terrestris’ Fitness und Nährstoffhaushalt. Dazu wenden wir eine hochmoderne Technik in der Ernährungsökologie an, das sogenannte ‘exome matching’. In diesem Verfahren lassen sich anhand von Sequenzdaten der individuelle Bedarf der Aminosäurezusammensetzung ableiten. Diese Erkenntnisse stellen eine Grundlage für unser Verständnis und die weitere Erforschung der Ernährungsökologie von Hummeln dar. Zudem wird in diesem Zuge das exome matching -Verfahren auf Hummeln optimiert. In Phase 2 werden wir uns der Frage widmen, in wie weit Aminosäuren mit den anderen beiden zentralen Nahrungskomponenten (Kohlenhydrate und Fette) interagieren und diese Interaktion Einfluss auf B. terrestris‘ Fitness und Immunität nimmt. Wir untersuchen die bevorzugte Nahrungszusammensetzung in gesunden Individuen und Hummeln, bei denen eine Immunantwort provoziert wurde. Dies wird uns durch die aussagekräftige Methode des ‚dietary mapping‘ ermöglicht, dem ‚Geometric Framework of Nutrition‘. Die Ergebnisse werden zeigen, wie sich die Aufnahme bestimmter Makronährstoffe auf die Fitness von Hummeln auswirkt und sich die Ansprüche an die Zusammensetzung der Nahrung durch eine Immunantwort verändern. In Phase 3 untersuchen wir, wie sich die unterschiedliche Zusammensetzung von Pollen in diversen landwirtschaftlichen Umgebungen auf das reale Nahrungssammelverhalten von Hummeln auswirkt. Dies gibt Aufschluss über den Einfluss von Landwirtschaft auf die Ernährung von Hummeln. Indem wir Daten aus dem Feld und Labor vereinen, können wir Schlüsse darüber ziehen, ob exome matching und Geometric Framework of Nutrition fundierte Vorhersagen über das Nahrungssammelverhalten von Hummeln in der Natur treffen können. Es soll gezeigt werden, wie Umweltveränderungen die Ernährungsökologie von Arten beeinflussen und so zu einer Beeinträchtigung von Ökosystemdienstleistungen wie der Bestäubung führen können. Das durch dieses Projekt generierte Wissen kann somit eingesetzt werden, um Bestäuberverluste zu reduzieren.

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.

Assoziationen zwischen der internen Exposition von perfluorierten Substanzen (PFAS) und dem Risiko von Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Typ 2 Diabetes in der EPIC-Potsdam Studie

Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) sind eine komplexe Gruppe von künstlich hergestellten Chemikalien mit einzigartigen wasser- und ölabweisenden Eigenschaften. Sie werden seit Jahrzehnten für die Herstellung zahlreicher Verbraucherprodukte verwendet, z. B. für antihaftbeschichtete Kochgeschirre, atmungsaktive Textilien oder Lebensmittelverpackungen. Die Aufnahme über Lebensmittel und Trinkwasser ist der Hauptexpositionsweg des Menschen. Aufgrund der beobachteten Assoziationen zwischen der Konzentration von PFAS im Blut und den Blutfettwerten (besonders LDL-Cholesterin) wird vermutet, dass PFAS eine Rolle für das Risiko von Herz-Kreislauf- Erkrankungen spielen könnten. Auch der Zusammenhang mit dem Risiko von Typ 2 Diabetes wird diskutiert. Der Bekanntheitsgrad von PFAS in der Öffentlichkeit und ihre Untersuchung in wissenschaftlichen Studien hat erst in den letzten Jahren zugenommen. Aus diesem Grund gibt es bis heute nur sehr wenige Studien, die den Zusammenhang zwischen PFAS und der Inzidenz von Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Typ 2 Diabetes untersucht haben. Daher hat diese Studie zum Ziel, die Zusammenhänge zwischen den Baseline-Konzentrationen von PFOS/PFOA und anderen perfluorierten Verbindungen im Blut und dem Risiko für Entstehung eines Herzinfarkts, Schlaganfalls und / oder einer Herzinsuffizienz und Typ 2 Diabetes während der Nachbeobachtung in einer Fall-Kohortenstudie der European Prospective Investigation into Cancer and Nutrition (EPIC)-Potsdam Studie zu untersuchen. Zudem sollen Assoziationen im Querschnitt zwischen Konzentrationen von PFOS, PFOA und anderen perfluorierten Verbindungen im Blut und Biomarkern des Lipidmetablismus (Gesamtcholesterin, LDL-Cholesterin, HDL-Cholesterin, Triglyceride), des Glucosemetabolismus (Glucose und HbA1c), des Leberstoffwechsels (GGT, GPT), der Harnsäure und des hsCRP in der repräsentativen Subkohorte untersucht werden. Zudem sollen auch die Zusammenhänge zwischen PFAS und bestimmten Lebensmitteln oder Lebensmittelgruppen (z.B. Fleisch, Fisch) zu untersuchen werden.

Impact of urbanisation on the allergenicity of birch pollen grains

Evidence is compelling for a positive correlation between urbanisation and increment of allergic sensitisation and diseases. The reason for this association is not clear to date. Some data point to a pro-allergic effect of anthropogenic factors on susceptible individuals. Data analysing the impact of environmental - natural and anthropogenic - factors on the allergenicity of allergen carriers such as pollen grains are scarce, and if applicable only taken from in vitro experimental designs. This study will analyse one of the most common allergy inducers in northern Europe - the birch pollen. Under natural exposure conditions, birch pollen will be analysed with respect to their allergenicity. Within an interdisciplinary research team this study will evaluate the effect of natural (e.g. soil, climate, genetic background) and anthropogenic (e.g. traffic pollutants) factors on birch pollen in a holistic approach including analysis of allergen bioavailability, release of pollen associated lipid mediators from birch pollen grains, in vitro immunostimulatory activity and in vivo allergenic potential. These data collected in the time course of three years will significantly add to our understanding how urbanisation and climate change influence the allergenicity of birch pollen and will help us in the future to set up primary prevention studies.

Isolierung stabiler Fraktionen der organischen Bodensubstanzen und Charakterisierung ihrer Bindung an Mineraloberflächen

Mit den Verfahren der analytischen Pyrolyse (Pyrolyse-Gaschromatographie / Massenspektrometrie und Pyrolyse-Feldionisation Massenspektrometrie) sind bisher qualitative Aussagen über molekulare Bausteine der gebundenen organischen Bodensubstanzen (OBS) und relative quantitative Vergleiche ihrer Anteile und thermischen Stabilität in Proben mit ähnlicher Herkunft möglich. Ein Ziel des Projektes ist es, die Verfahren im Hinblick auf ihre quantitative Aussagefähigkeit weiterzuentwickeln. Dazu wird für einzelne wichtige Verbindungsklassen wie Lipide, N-Verbindungen, Kohlenhydrate und Ligninbausteine geprüft, inwiefern durch interne Eichung und Korrelation mit den Ergebnissen komplementärer naßchemische und spektroskopische Untersuchungen verbesserte quantitative Aussagen über die molekulare Zusammensetzung gewonnen werden können. Die Untersuchungen werden an GesamtBodenproben und den mineralisch gebundenen Anteilen der OBS (Partikelgrößenfraktionen) aus den Extremvarianten der Feldversuche in Halle und Bad Lauchstädt durchgeführt, um neue Erkenntnisse über die Ursachen für die Stabilisierung von Fraktionen der OBS zu erarbeiten. Die verbesserten Verfahren werden den anderen AGs im Schwerpunkt kooperativ verfügbar gemacht.

Konsequenzen der Massenvermehrung phytophager Insekten für Ökosystem-Funktionen auf verschiedenen Zeitskalen in Kiefernwäldern Nordost-Deutschlands; Auswirkungen von Massenvermehrungen phytophager Insekten auf biogeochemische Prozesse und mikrobiologische Aktivitäten in Baumkronen und Böden

Insektenkalamitäten können Menge und chemische Zusammensetzung von gelöster und partikulärer organischer Substanz (DOM, POM) innerhalb des Transfers zwischen Baumkronen und Boden verändern. Dies kann mikrobielle Aktivitäten in der Phyllosphäre und im Boden beeinflussen, was zu veränderten C und N Umsätzen führt. Projektziel ist, die C und N Verbindung zwischen Kronenraum und Boden in 60-jährigen Kiefernwäldern (Pinus silvestris L.) unter Insektenbefall zu untersuchen. Um die Hypothese zu testen, dass Massenvermehrung von herbivoren Insekten den C und N Umsatz in Kiefernwäldern steigert, wird (1) der Eintrag quantifiziert: DOM und POM Flüsse vom Kronenraum in den Boden, (2) Mechanismen bewertet: Effekte durch leicht- und schwerabbaubare Verbindungen in DOM und POM (Phenole, Lipide, Kohlenhydrate, Proteine, freie Aminosäuren) auf Kronen- und Bodenmikroorganismen (mikrobielle Biomasse, Enzymaktivitäten), sowie biogeochemische Prozesse (C-Mineralisierung) im Boden und (3) Konsequenzen quantifiziert: Treibhausgasemissionen (THG) und flüchtige organische Verbindungen (VOCs) vom Boden. Veränderte C und N Pfade werden über neu entwickelte Algorithmen modelliert, um langfristige Auswirkungen auf ökosystemarer Ebene abzuschätzen. Damit wird der Kurzschluss zwischen erhöhter DOM und POM Produktion im Kronenraum durch Herbivore einerseits, mit C und N Einträgen im Boden und Umsatzprozesse andererseits analysiert und modelliert.

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 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.

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.

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