When organic material is available, soil microorganisms may either take up simple organic molecules directly and release the surplus nitrogen (N) into the soil in the form of ammonium (NH4+), or they may mineralize organic N first and take it up in the form of NH4+. The route of N uptake has implications for the competition for N between microorganisms and plants and therefore for the N nutrition of crops. The objective of the proposed study is to gain a better understanding of the factors controlling the relative importance of the two N utilization routes by soil microorganisms. In a first step, an assay to determine the extent of the extracellular deamination of amino acids in soil shall be developed and tested. In a second step, the new assay shall be applied in laboratory incubations in combination with other methods, namely gross N mineralization, mineralization of amino acid-N, and natural 15N abundance of the microbial biomass, to determine the factors affecting the relative importance of the two N uptake routes. In a third step, the same methods shall be applied in a field study, which will focus of the temporal effects of fertilization management, including organic and mineral fertilizers, and the interactions with crops.
In the frame of the project microbial turnover processes of phosphorous shall be investigated in forest soils and drivers for the corresponding populations as well as their activity pattern shall be described. Furthermore microbial transport and uptake systems for phosphorous should be characterized to understand the competition between plants and microbes for phosphorous in more detail, in relation to the availability of phosphorous and other nutrients. Therefore it is planned to investigate different soil compartments with different nutrient amounts (litter layer - rhizosphere - bulk soil). To reach the described goal molecular metagenomic methods will be used to characterize the structure and function of microbial communities as well as to describe the regulation of selected important pathways. In addition quantitative real time PCR and enzymatic measurements will be used to describe the abundance and activity of the corresponding populations and to describe their relevance for P turnover in the different soil compartments under investigation. With this we hope to reconstruct mainly the microbial phosphorous cycle and give important data to improve the model development of P dynamics in forest soils.
Zink ist ein für Pflanze, Tier und Mensch essentielles Spurenelement, welches jedoch bei extrem hohen Gehalten auf Pflanzen und Mikroorganismen toxisch wirken kann. Die Zn-Konzentration in der oberen kontinentalen Erdkruste (Clarkewert) beträgt 52 mg/kg, sie kann aber in Abhängigkeit vom Gesteinstyp stark schwanken. Die mittleren Zn-Gehalte (Median) der sächsischen Hauptgesteinstypen liegen zwischen 11 bis 140 mg/kg, der regionale Clarke des Erzgebirges beträgt ca. 79 mg/kg. Sphalerit (Zinkblende) führende polymetallische La-gerstätten können lokal zu zusätzlichen geogenen Zn-Anreicherungen in den Böden führen. Anthropogene Zn-Einträge erfolgen vor allem durch die Eisen- und Buntmetallurgie bzw. durch die Zn-verarbeitenden Industrien (Farben, Legierungen, Galvanik) und durch Großfeuerungsanlagen. Im Bereich von Ballungsgebieten sind Zn-Anreicherungen relativ häufig zu beobachten. Anthropogene Zn-Einträge sind in der Landwirtschaft durch die Verwendung von organischen und mineralischen Düngemitteln möglich. Für unbelastete Böden gelten Zn-Gehalte von 10 bis 80 mg/kg als normal. Die regionale Verbreitung der Zn-Gehalte in den sächsischen Böden wird vor allem durch die geogene Prägung der Substrate bestimmt; niedrige bis mittlere Gehalte sind über den periglaziären Sanden und Lehmen im Norden und den Lössböden in Mittelsachsen (10 bis 50 mg/kg) sowie den Verwitterungsböden über den Festgesteinen des Erzgebirges/Vogtlandes (50 bis 150 mg/kg) zu erwarten. Innerhalb der Grundgebirgseinheiten treten über den polymetallischen Lagerstätten des Erzgebirges, in Abhängigkeit von der Intensität der Vererzung, deutliche positive Zn-Anomalien auf (Freiberg, Annaberg-Buchholz - Marienberg, Aue - Schwarzenberg). Böden über Substraten mit extrem niedrigen Zn-Gehalten (Granit von Eibenstock, Orthogneise der Erzgebirgs-Zentralzone, Osterzgebirgischer Eruptivkomplex, kretazische Sandsteine) treten als negative Zn-Anomalien im Kartenbild in Erscheinung. Verstärkte Zn-Akkumulationen sind in den Auenböden des Muldensystems festzustellen. Auf Grund der höheren geogenen Grundgehalte im Wassereinzugsgebiet, dem Auftreten Zn-führender polymetallischer Vererzungen und insbesondere der Bergbau- und Hüttentätigkeit im Freiberger Raum, kommt es vor allem in den Auenböden der Freiberger und Vereinigten Mulde zu hohen Zn-Konzentrationen (Mediangehalte 370 bzw. 240 mg/kg). Für die Wirkungspfade Boden-Mensch sowie Boden-Pflanze wurden keine Prüf- und Maßnahmenwerte für Gesamtgehalte in der Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung (BBodSchV) festgeschrieben, da Zn bei der Gefahrenbeurteilung nur von geringer Bedeutung ist.
Die kürzlich beendete IODP Exp. 385 (Guaymas Basin Tectonics and Biosphere, Sept.-Nov. 2019) bohrte acht Stellen im Guaymas Basin, einem jungen Rift Becken im Golf von Kalifornien, das sich durch aktiven Vulkanismus und hohe Ablagerungsraten von organisch reichen Sedimente auszeichnet, bedingt durch die hohe Primärproduktivität im darüber liegenden Wasser, sowie dem starken Eintrag von terrigenen Sedimenten. Die Expedition erbohrte Kerne mit organisch reichen Sedimenten die von vulkanischen Sills unterbrochen werden. Die Mikrobiologie war eines der zentralen Forschungsthemen dieser Expedition. Ein großer Probensatz zur Quantifizierung von Sulfatreduktionsraten, dem quantitativ wichtigsten Elektronenakzeptorprozess in marinen Sedimenten, wurde gesammelt und befindet sich nun am GFZ. Das vorgeschlagene ThermoSill-Projekt wird sich zunächst auf die allgemeinen Eigenschaften der mikrobiellen Sulfatreduktion in diesen Kernen sowie auf die Auswirkungen von Druck und Temperatur konzentrieren. Die Bohrkerne wiesen sehr unterschiedliche geothermische Gradienten von 200 bis über 800 Grad C / km auf, und die an Bord gemessenen geochemischen Daten weisen bereits auf eine große Vielfalt biogeochemischer Prozesse hin. In Tiefseesedimenten, insbesondere solchen, die solche in großer Sedimenttiefe und daher hoher in-situ Temperatur, sind organische Substrate wie kurzkettige organische Säuren im Allgemeinen ein begrenzender Faktor. Da die Sedimente im Guaymas-Becken hydrothermal beeinflusst werden, liefert die thermogene Aufspaltung von makromolekularen organischen Substanzen im Sediment reichlich mikrobielle Substrate. ThermoSill wird untersuchen, ob dieses große Angebot an Substraten zu einem bevorzugten Abbau bestimmter Substrate führt und damit wird damit einen Beitrag zum Verständnis der Prozesse an der oberen Temperaturgrenze des Lebens liefern. Besonderes Augenmerk wird auf die anaerobe Oxidation von Methan gelegt. Im letzten Teil des Projekts wird das Eindringen von Sills in Sedimente und der damit einhergehende Temperaturanstieg im umgebenden Sediment durch Heizexperimente simuliert. Diese Experimente werden von Pyrolyseexperimenten und kinetischen Modellen begleitet, um zu testen, ob eine solche kurzzeitige Erwärmung die mikrobielle Gemeinschaft über geologische Zeitskalen hinweg beeinflussen kann. Das vorgeschlagene Projekt ist direkt relevant für die Ziele der Expedition. Es ist auch eine Ergänzung zu einem laufenden Projekt, das die Auswirkungen von Druck und Temperatur auf die mikrobielle Sulfatreduktion in nicht hydrothermal beeinflussten Sedimenten aus dem Nankai-Trog (IODP. Exp. 370) untersucht.
Das International Ocean Discovery Program (IODP) ist ein zehnjähriges globales Vorhaben zur Erkundung der Bereiche unter den Meeresböden durch Tiefbohrungen. Es hat im Oktober 2013 begonnen und baut auf früheren wissenschaftlichen Ozean-Bohrprogrammen, namentlich dem Deep Sea Drilling Project (DSDP, 1968 - 83), dem Ocean Drilling Program (ODP, 1983 - 2003) und dem Integrated Ocean Drilling Program (IODP, 2003 - 2013), auf. Die wissenschaftlichen Ziele des neuen Bohrprogramms sind im Wissenschaftsplan 'Illuminating Earth's Past Present and Future' zusammengefasst. Darin sind vier Forschungsschwerpunkte festgelegt, die ihrerseits in insgesamt 14 verschiedene wissenschaftliche 'Herausforderungen' unterteilt sind:1) 'Climate and Ocean Change': Eine der wichtigsten wissenschaftlichen Herausforderungen ist es unser Verständnis für Änderungsraten und Ursachen globaler Klimaereignisse sowie deren Folgen zu verbessern. Die Erbohrung und Untersuchung von hochauflösenden Paläoklima-Archiven aus der Tiefsee erlauben Klimaänderungen und deren Rahmenbedingungen besser zu fassen und als Analogmodelle für den aktuellen Klimawandel sowie als Grundlage für numerische Modelle zur Vorhersage zukünftige Kimaänderungen heranzuziehen.2) 'Biosphere Frontiers': Eine weitere Herausforderung ist die Erforschung von Leben tief unterhalb des Meeresbodens, wo Mikroben isoliert von der photosynthetischen Welt an den Grenzbereichen theoretisch möglicher Lebensräume existieren. Die Erforschung dieser extremen Lebensräume erlaubt unter anderem Rückschlüsse auf die Entstehung des Lebens auf der Erde, da zu dieser Zeit ähnlich extreme Bedingungen herrschten. Eine weitere wichtige Herausforderung im Rahmen dieses Schwerpunktes ist die Beziehung zwischen Biodiversität und schnellen Umweltveränderungen. Ihre Erforschung ermöglicht Vorhersagen, wie der derzeitige Umweltwandel die marine Biodiversität und die marinen Ökosysteme beeinflussen könnte.3) 'Earth Connections': In diesem Schwerpunkt wird auf die geochemischen Austauschprozesse zwischen der festen Erde, den Ozeanen und der Atmosphäre fokussiert. Eine wichtige Herausforderung sind Bohrungen in den Erdmantel. Dieses größte geochemische Reservoir der Erde ist immer noch weitgehend unerforscht. Weitere Herausforderungen sind unter anderem ein besseres Verständnis für die Produktion ozeanischer Kruste sowie die involvierten Alterationsprozesse voran zu treiben.4) 'Earth in Motion': Dieser Schwerpunkt fokussiert auf kurzfristige geodynamische Prozesse von unmittelbarer gesellschaftlicher Relevanz. Hierunter fallen z.B. Prozesse im Zusammenhang mit Erdbeben, Erdrutschen und Tsunamis. Ebenfalls unter diesen Schwerpunkt fallen Herausforderungen wie ein Verständnis für die Bildung und Stabilität von Gashydraten und das Potential für die Sequestierung großer Mengen Kohlendioxid in Gesteinen der Tiefsee sowie die Installation von Bohrlochobservatorien.
Die Behandlung der insbesondere mit PCB-verunreinigten Boeden erfolgt in einer zentralen biologischen Behandlungsanlage. Nach Einlagerung des zu behandelnden Bodens in drei Behandlungsfelder in geschlossener Leichtbauweise mit einer Gesamtkapazitaet von 7 125 m3 wird der Boden mit Klaeranlagenwasser, das mit Mikroorganismen angereichert ist (Patent BASF Lacke + Farben AG) berieselt. Um die hoechste Abbauaktivitaet der Mikroorganismen zu erreichen, wird die Raumluft auf 20 bis 42 Grad Celsius erwaermt. Gleichzeitig wird erwaermte Luft von unten in den Boden gepresst. Die abgesaugte Hallenluft wird ueber einen Aktivkohlefilter abgeleitet. Fuer die Verrieselung wird Brauchwasser (Klaeranlagenwasser oder Oberflaechenwasser) verwendet, das im Bedarfsfall in einem Vorlagetank mit Naehrstoffen versetzt wird. Der gereinigte Boden wird einer Wiederverwertung (Strassen- und Kanalbau, Laermschutzwaelle) zugefuehrt.
Nitrat ist Wegen seiner Umsetzung durch Mikroorganismen zu Nitrit in Lebensmitteln unerwuenscht. In Spinat, roten Rueben und anderen Wurzelgemuesen wird Abhaengig von der Sorte und den Anbaubedingungen gelegentlich viel Nitrat angereichert. Es ist Ziel der Untersuchung, 'Nitratarme' Sorten aus dem vorhandenen Sortiment auszusuchen. Bei Solanin- und Chaconin-Alkaloiden in Kartoffeln liegen die Verhaeltnisse vergleichbar.
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