Das im Boden vorkommende Bakterium Agrobacterium tumefaciens infiziert eine Vielzahl von Pflanzenarten und verursacht die Wurzelhalsgallenkrankheit. Es überträgt bakterielle DNA zusammen mit Effektorproteinen in Wirtszellen. Diese T-DNA (Transfer-DNA) wird stabil in das Pflanzengenom integriert, und die Expression der darin kodierten Onkogene führt zu Zellproliferation und Tumorbildung. Die Fähigkeit, DNA in das Wirtsgenom zu übertragen, hat A. tumefaciens zu einem der wichtigsten Werkzeuge in der pflanzlichen Gentechnik gemacht. Allerdings sind viele Pflanzenarten weiterhin schwierig zu transformieren, und es ist unklar, woran das liegt. Dies ist auch eine Folge unseres unzureichenden Wissens über die molekularen Voraussetzungen auf Seiten der Wirtszellen. In einer Reihe unabhängiger Experimente haben wir beobachtet, dass eine veränderte Sphingolipidzusammensetzung von Arabidopsispflanzen die Agrobakterien-Transformationseffizienz signifikant beeinflusst. Pflanzliche Sphingolipide wie Glucosylceramide und Glucosylinositolphosphorylceramide (GIPCs) sind vorwiegend in Nanodomänen der Plasmamembran lokalisiert. Frühere Studien in Arabidopsis haben gezeigt, dass Sphingolipide die Funktion von membranständigen Rezeptoren und Calciumkanälen beeinflussen können, welche für verschiedene Signaltransduktionsprozesse wichtig sind. Sphingolipide könnten daher in verschiedenen Phasen der Agrobacterium-Transformation eine Funktion haben, z. B. durch Beeinflussung membranständiger Rezeptoren, die Abwehrreaktionen auslösen, oder durch die Interaktion mit bakteriellen Proteinen des Typ-IV-Sekretionssystems während des T-DNA-Transfers durch die Plasmamembran. Dieses Projekt zielt daher darauf ab, diejenigen pflanzlichen Sphingolipid-Spezies zu identifizieren, die die Agrobacterium-Transformationseffizienz beeinflussen, und die Funktion dieser Lipide während der verschiedenen Transformationsstadien zu charakterisieren. Um die Auswirkungen verschiedener Sphingolipidprofile auf die Transformationseffizienz zu ermitteln, setzen wir einen etablierten in vivo Transformationseffizienztest ein. In diesem werden wir unsere Sammlung von Arabidopsis-Mutantenlinien mit veränderter Sphingolipidzusammensetzung, sowie eine Reihe von pharmakologischen und Temperatur-Behandlungen testen. Zur Identifizierung der relevanten Sphingolipide setzen wir Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie und anschließende Massenspektrometrie (UPLC-MS/MS) ein. Anschliessend werden wir analysieren, in welcher Phase der Transformation diese Lipide beteiligt sind. Dazu werden wir im in vivo System Wachstum, Anheftung und die Expression von Virulenzgenen der Bakterien testen und parallel dazu die Abwehrreaktion der Pflanze und die subzelluläre Lipidzusammensetzung analysieren. Wir erwarten, dass die Charakterisierung dieser Sphingolipid-abhängigen Prozesse in der Wirtszelle unser Verständnis der Mechanismen der Pflanzentransformation durch Agrobakterien entscheidend verbessern wird.
Die zeitliche und räumliche Rekonstruktion der Intensitätsschwankungen der Klimaphänomene mit Fernwirkung wie die El Nino/La Nina-Ereignisse, der Nordatlantischen Oszillation und des Monsun-Phänomens, die einen nachhaltigen Einfluss auf das globale Klima/Wettergeschehen haben, sind von großem sozio-ökonomischen Interesse. Jedoch sind die Intensitätsschwankungen bisher weder zeitlich noch räumlich ausreichend erfasst, um eindeutige Aussagen über die Bedeutung dieser Phänomene für die Vergangenheit und die Zukunft des globalen Klimageschehens zu machen. Die Ursache ist u.a. darin zu suchen, dass die notwendigen 'Proxie-Daten' zur zeitlichen und räumlichen Charakterisierung dieser Phänomene weder simultan noch in ausreichender zeitlicher und räumlicher Dichte aufgenommen werden konnten. Die neueren instrumentell-analytischen Fortschritte in der Massenspektrometrie durch die Kombination von Thermionenmassenspektrometrie (TIMS) mit der ICPMS-Technik erlaubt nun die simultane und präzise Messung von Element- und Isotopenverhältnissen bei hohem Probendurchsatz. Hinzu kommt, dass jetzt Element- und Isotopenverhältnisse gemessen werden können, die sich bisher nur mit hohem analytischem Aufwand oder gar nicht haben bestimmen lassen. Mit Hilfe dieser neuen Technik wollen wir räumlich hochaufgelöste Zeitreihen simultan gemessener 'Proxies' für den westlichen und östlichen Indischen Ozean aufnehmen, um die Perioden und Intensitätsschwankungen der großen klimatischen Phänomene mit Fernwirkung zu studieren und zu vergleichen.
Organische Schwefelkomponenten sind abundant in marinen Sedimenten. Diese Verbindungen werden v.a. durch die abiotische Reaktion anorganischer Schwefelverbindungen mit Biomolekülen gebildet. Wegen seiner Bedeutung für globale Stoffkreisläufe, für die Nutzung von Erdöllagerstätten und für die Erhaltung des Paleorecords, gibt es eine Vielzahl von Studien zum Thema. Sehr wenig Aufmerksamkeit wurde allerdings wasserlöslichen Komponenten geschenkt, die beim Prozess der Sulfurisierung entstehen und als gelöster organischer Schwefel (DOS) in die Meere gelangen können. Anhand der wenigen verfügbaren Informationen ist Schwefel vermutlich das dritthäufigste Heteroelement im gelösten organischen Material (DOM) der Meere, nach Sauerstoff und Stickstoff. Einige Schwefelverbindungen, insbesondere Thiole, sind für die Verbreitung von Schadstoffen aber auch essenzieller Spurenstoffe verantwortlich. Wichtige klimarelevante Schwefelverbindungen entstehen aus DOS. Daher spielt der marine DOS-Kreislauf eine Rolle für die Meere und Atmosphäre. Trotz seiner Bedeutung sind die Quellen marinen DOS, seine Umsetzung im Meer und Funktion für Meeresbewohner unbestimmt. Auch ist die molekulare Zusammensetzung von DOS unbekannt. In diesem Projekt werden wir Pionierarbeit in einem neuen Forschungsfeld der marinen Biogeochemie leisten. Wir wollen grundlegende Fragen bzgl. der Bildung und Verteilung von nicht-flüchtigem DOS im Meer beantworten. Unsere wichtigsten Hypothesen:* Bildung von DOS:(1) Sulfatreduzierende Sedimente sind wesentlich für die Bildung von DOS.(2) Reduzierte Schwefelverbindungen (v.a. Thiole) dominieren in Zonen der DOS-Entstehung.(3) DOS wird v.a. über abiotische Sulfurisierung in der Frühdiagenese gebildet.* Transport und Schicksal von DOS im Ozean:(4) DOS wird von sulfat-reduzierenden intertidalen Grundwässern an das Meer abgeben.(5) In der Wassersäule oxidiert DOS schnell (z.B. zu Sulfonsäuren).(6) DOS aus intertidalen Sedimenten ist in oxidierter Form auf den Kontintentalschelfen stabil.Neben dem wissenschaftlichen Ziel der Beantwortung dieser Hypothesen, wird das Projekt drei Promovierenden (eine in Deutschland und zwei in Brasilien) die außergewöhnliche Gelegenheit bieten, ihre Doktorarbeiten im Rahmen eines internationalen Projektes durchzuführen. Wir werden die Stärken beider Partner in Feld- und Laborstudien und Elementar-, Isotopen- und molekularen Analysen kombinieren. Wir werden unterschiedliche Regionen im deutschen Wattenmeer und in brasilianischen Mangroven (Rio de Janeiro and Amazonien) beproben, sowie die benachbarten Schelfmeere. Sulfurisierungsexperimente werden die Feldstudien ergänzen. Zur quantitativen Bestimmung und molekularen Charakterisierung von DOS werden wir neue Ansätze anwenden, die von den beiden Arbeitsgruppen entwickelt wurden. Dabei kommen u.a. ultrahochauflösende Massenspektrometrie (FT-ICR-MS), und andere massenspektrometrischen und chromatographischen Methoden zu Anwendung.
Der Gang des durch atmosphärische Kernwaffentests erzeugten radioaktiven Kohlenstoffs 14C durch die Biosphäre und organische Bodenbestandteile bis hin zur refraktären Fraktion soll durch Beschleuniger-Massenspektrometrie-Messungen (AMS) verfolgt werden. Die geringen benötigten Probenmengen des AMS-Meßverfahrens (0,1 bis 1 mg Kohlenstoff) erlauben eine detaillierte Aufgliederung des Bodenmaterials in signifikante physikalische und chemische Fraktionen, wodurch die Dynamik der Stabilisierungsprozesse natürlicher organischer Substanzen in Böden sichtbar gemacht werden kann. Archivproben von landwirtschaftlichen Versuchsstandorten liefern Proben aus den letzten 50 Jahren, wodurch die Stabilisierungsprozesse mit unterschiedlichen Zeitkonstanten und geeigneter Zeitauflösung erfaßt werden können. Zudem wird hierdurch auch der Einfluß der Bodenvariabilität geklärt. Die Beprobung und Probenaufbereitung für AMS soll in enger Zusammenarbeit mit anderen am Schwerpunktprogramm beteiligten Forschergruppen geplant und durchgeführt werden.
Ziel des Projektes ist die Untersuchung der Isotopensignatur von Holz aus verschiedenen Regionen (innerhalb Österreichs, außerhalb Österreichs, Tropenholz, etc.), um zu erforschen in wieweit sich diese Signaturen regional unterscheiden und zu eruieren, ob mittels dieser Signaturen eine regionale Unterscheidung und Zuordnung möglich ist. Erste Studien (siehe Referenzen) zeigen erfolgversprechende Ansätze dieser Methode, die auf den Unterschieden der regionalen Umweltbedingungen (Klima, Boden, geographische Lage, etc.) beruht. Weiters wird diese Methode auch zur Kontrolle der deklarierten Herkunft von Lebensmitteln angewendet, so dass auch von dieser Seite das erfolgversprechende Potential bestätigt wird.
Hildesheim. Von der Probenahme bis zur Analytik: Das staatlich anerkannte Landeslabor des Niedersächsischen Landesbetriebs für Wasserwirtschaft, Küsten- und Naturschutz (NLWKN) behält die Gewässerqualität, die Grundwassergüte und die Strahlenbelastung in Niedersachsen genau im Blick. Mit den wachsenden Herausforderungen und Aufgaben für die Wasserwirtschaft steigt aktuell auch hier das Arbeitsaufkommen, denn: Immer mehr Proben aus ganz Niedersachsen kommen an den sieben Standorten des Landeslabors unter die Lupe. Moderne Technik erfasst dabei Konzentrationen von Elementen bis in den Mikrogrammbereich bei Wasser-, Sediment- und Schwebstoffproben. Von der Probenahme bis zur Analytik: Das staatlich anerkannte Landeslabor des Niedersächsischen Landesbetriebs für Wasserwirtschaft, Küsten- und Naturschutz (NLWKN) behält die Gewässerqualität, die Grundwassergüte und die Strahlenbelastung in Niedersachsen genau im Blick. Mit den wachsenden Herausforderungen und Aufgaben für die Wasserwirtschaft steigt aktuell auch hier das Arbeitsaufkommen, denn: Immer mehr Proben aus ganz Niedersachsen kommen an den sieben Standorten des Landeslabors unter die Lupe. Moderne Technik erfasst dabei Konzentrationen von Elementen bis in den Mikrogrammbereich bei Wasser-, Sediment- und Schwebstoffproben. Aurich, Brake, Hildesheim, Lüneburg, Meppen, Stade und Verden: Quer über Niedersachsen verteilt liegen die sieben Standorte des Landeslabors. Hinzu kommen vier Probenahmestützpunkte in Braunschweig, Cloppenburg, Göttingen und Sulingen. Insgesamt über 150 Mitarbeitende sind im Landeslabor tätig. Alleine am größten Laborstandort in Hildesheim kümmern sich 74 Fachkräfte und Auszubildende in den Bereichen Ökotoxikologie, Radiochemie, der organischen und anorganischen Analytik sowie in der Probenahme darum, die Umwelt im Land zu überwachen. Dabei kann das NLWKN-Labor in Hildesheim auf eine lange Tradition zurückblicken: Seit 100 Jahren werden hier bereits verschiedene Proben untersucht, zum Beispiel Wasserproben aus Oberflächengewässern und des Grundwassers. „In den letzten Jahren haben wir einen starken Anstieg bei den Proben von Oberflächengewässern und dem Grundwasser erlebt. Während 2022 noch circa 4.600 Wasserproben untersucht wurden, waren es 2024 schon circa 5.700“, so Sven Landsgesell, Leiter des Hildesheimer Labors. „Pro Woche untersuchen wir alleine am Standort Hildesheim 700 bis 800 Probenflaschen“, ergänzt er. Über 581.000 Einzelbestimmungen kamen so in 2024 an allen NLWKN-Laborstandorten im Land zusammen. Zum Vergleich: 2021 waren es noch knapp 452.000. Die Gewässerproben werden dabei in ganz Niedersachsen von NLWKN-Personal entnommen und dann zu den jeweiligen Laborstandorten gebracht. Bereits bei der Probenahme sind ein großes Maß an Sorgfalt und Genauigkeit gefragt, denn hier können schnell Proben durch Fremdmaterial oder unsachgemäße Probenahme verunreinigt werden. Im Labor angekommen, werden die Bestandteile der Wasserproben mittels Spezialverfahren wie zum Beispiel der Massenspektrometrie, Hochleistungsflüssigkeitschromatografie oder Ionenchromatografie analysiert: Dabei wird mit modernster Technik im Bereich Mikrogramm pro Liter gemessen. „Schon die Konzentration eines Zuckerwürfels in einem See würde bei unserer Analytik auffallen“, erklärt Landsgesell. „Aufgrund der technischen Entwicklung ist unsere Arbeit in den letzten Jahrzehnten dabei immer komplexer geworden“, so der Laborfachmann. „Wir haben hohe Arbeitsstandards, und dafür benötigen wir natürlich qualifiziertes Fachpersonal. Deshalb bilden wir auch alle zwei Jahre vier neue Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter zu Chemielaborantinnen und Chemielaboranten aus.“ Mitarbeitende wie die studierten Umweltchemikerinnen Joana List, Syaleen Sharuddin und Chemielaborant Hannes Haacke. Haacke hat seine Ausbildung im Hildesheimer NLWKN-Labor absolviert. Dort arbeitet er nun seit anderthalb Jahren im Bereich der Elementanalytik und untersucht die Wasserproben, die von den Kolleginnen und Kollegen der Probenahme ins Labor gebracht werden. Eine große Rolle spielt dabei die Überwachung der Einhaltung gesetzlich festgelegter Grenzwerte von Substanzen wie Nitrat, Phosphor oder Arsen. Ebenso ist die sogenannte Einleiterüberwachung bei der Kontrolle von Oberflächengewässern eine wichtige Aufgabe der Laborstandorte in Niedersachsen: Die Labore kontrollieren, ob sich Unternehmen, die Abwasser im Rahmen ihrer Produktionsabläufe in Gewässer leiten, auch an die hierfür geltenden gesetzlichen Auflagen halten. Haacke und seine Kollegen überprüfen dazu, wie hoch die Werte bestimmter chemischer Elemente in jeder Wasserprobe sind. Sollte ein Grenzwert überschritten werden, wird eine Zweitprobe herangezogen. „Weist auch jene auffällige Werte auf, geben wir dem Betreiber und gegebenenfalls den regional zuständigen Behörden Bescheid, damit sie den Unregelmäßigkeiten nachgehen und bei Bedarf die notwendigen Schritte einleiten können“, erklärt Laborleiter Landsgesell. Neben der analytischen Umweltüberwachung nimmt der NLWKN auch Aufgaben der Notifizierung, also der Prüfung und Anerkennung anderer Labore wahr. „Der NLWKN spricht die staatliche Anerkennung für private Laboratorien aus, wenn diese nachweisen können, dass sie umfangreichen Qualitätskriterien genügen“, so Landsgesell. Im Jahr 2024 waren insgesamt 26 private Labore durch den NLWKN notifiziert. Zeichnungen von Daphien im Labor in Hildesheim. Die Krebstierchen werden als Kleinstorganismen dort in der Ökotoxikologie bei Tests genutzt. (Foto: Lisa Neumann/NLWKN) Zwei Daphnien, eine Gattung von Krebstieren, in einer Testlösung in der Ökotoxikologie im Labor in Hildesheim. Beim sogenannten „Daphientest“ wird geschaut, wie die Tierchen auf Proben reagieren (Bild: Neumann/NLWKN)
Zur Anreicherung und Isolierung von polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (= PAH) wurde ein PAH-spezifisches Anreicherungsverfahren entwickelt. In mehreren Proben (Weichbraunkohle, Garsdorf; Matt- und Glanzbraunkohle, Bogovina und Banovici) wurde der Gehalt an Fluoranthen, Pyren, Benzofluoranthene, Benzo(e)pyren, Benzo(a)pyren, Perylen, Benzi(ghi)perylen u.a. bestimmt. Die Identitaet dieser Verbindungen wurde mit der GC-MS-Kombination bestaetigt. Die gaschromatographisch bestimmten Gehalte lagen z.B. fuer Benzo(a)pyren zwischen 0.07 und 0.20 mg/kg Kohle. In erheblich hoeheren Konzentrationen wurden 6 weitere Verbindungen isoliert, deren UV- und Massenspektren auf substituierte PAH hindeuten. Ebenso werden Torfproben aus Hoch- und Niedermooren auf ihren Gehalt an PAH untersucht und der Versuch unternommen, zwischen dem PAH-Gehalt einer Torfschicht und ihrem Alter Korrelationen herzustellen.
Ziel der Studie war, die vorgeschlagenen Moeglichkeiten zur Bestimmung der Quellen polyzyklischer Aromaten zu ueberpruefen. Diskutiert werden: die Mengenverhaeltnisse von Benzo(a)pyren zu Benzo(ghi)perylen und zu Coronen, das Vorkommen einzelner Verbindungen, die Profile schwefelhaltiger Di- und Polyzyklen, die vollstaendigen Profile, die Intensitaeten homologer Polyzyklenserien. Das Ergebnis ist, dass keine dieser Ueberlegungen zur Herkunftsbestimmung polyzyklischer Aromaten nuetzlich ist. Es wird erwogen, ob manche Vorschlaege einfach durch die unzureichende Analytik veranlasst wurden. In diesem Zusammenhang werden wichtige Analysenverfahren und damit erhaltene Ergebnisse diskutiert. Fuer Zimmeroefen mit Leistungen bis zu 9 kW wird folgende Abschaetzung gegeben: Die gesamten Polyzyklenemissionen von Gasofen, Oelofen und Kohleofen verhalten sich naeherungsweise wie 0,001:1:100. Bei solchen Verhaeltnissen wird schon die Unterscheidung zwischen den Beitraegen von Feuerungen schwierig, da bei einem geringen Anteil von Kohleheizungen deren Emissionen ueberwiegen. Mit der Hochaufloesungs-Niedervolt-Massenspektrometrie wurden bisher in verschiedenartigen Umweltproben stets sehr viele Verbindungstypen nachgewiesen. Diese Vielfalt und damit die analytische Problematik werden durch neuartige graphische Profile veranschaulicht. Wegen der Schwierigkeiten der exakten Strukturbestimmung von Polyzyklen in Umweltproben wird erneut die Frage gestellt, ob es sinnvoll ist, am Grundsatz der Analyse einzelner Verbindungen festzuhalten.
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