Das Projekt "Untersuchungen des Methan Paradoxons in Seen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungsverbund Berlin, Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei durchgeführt. Methan ist ein höchst potentes Treibhausgas, dennoch ist das globale Methanbudget durch die vielen unbekannten CH4-Quellen und -senken sehr unsicher. Die Höhe der CH4-Anreicherung in der Wassersäule hängt von komplexen Interaktionen zwischen methanogenen Archaeen und methanotrophen Bakterien ab. Das bekannte Methan Paradoxon, das die CH4-Übersättigung im oxischen Oberflächenwasserkörper von Seen und Meeren darstellt, weckt Zweifel, dass die mikrobielle CH4-Bildung nur im anoxischen Milieu stattfindet. Im oligotrophen Stechlinsee haben wir eine wiederkehrende Methanübersättigung im Epilimnion gefunden. Unsere Studien zeigen, dass das CH4 aktiv in der oxischen Wassersäule produziert wird. Die Produktion scheint dabei an die autotrophe Produktion von Grünalgen und Cyanobakterien gekoppelt zu sein. Zur gleichen Zeit sind keine methanotrophen Bakterien im Epilimnion vorhanden, so dass das CH4 nicht oxidiert wird. Unsere Haupthypothese ist, dass pelagische Methanogene hydrogenotroph sind, wobei sie den Wasserstoff aus der Photosynthese und/oder Nitrogenaseaktivität nutzen. Unsere Untersuchungshypothesen sind:1) Die CH4-Produktion ist mit der Photosynthese und/oder N-Fixierung gekoppelt, wobei hydrogenotrophe methanogene Archaeen mit den Primärproduzenten assoziiert sind. Die Methanogenen können angereichert und kultiviert werden, um Mechanismen der epilimnischen CH4-Produktion detailliert zu untersuchen.2) Die CH4-Oxidation ist durch die Abwesenheit der Methanotrophen und/oder der Photoinhibition in den oberen Wasserschichten reduziert.3) Die CH4-Produktion innerhalb mikro-anoxischer Zonen, z. B. Zooplankton und lake snow, ist nicht ausreichend für die epilimnische CH4-Produktion.Die saisonale Entwicklung des epilimnischen CH4-Peaks soll in Verbindung mit den Photoautotrophen und der Seenschichtung im Stechlinsee untersucht werden. Dabei soll eine neu-installierte Mesokosmosanlage (www.seelabor.de) genutzt werden, um CH4-Profile bei unterschiedlichen autotrophen Gemeinschaften und Seenschichtungen zu studieren. Die Verknüpfung zwischen methanogenen Archaeen und den Photoautotrophen soll in Inkubationsexperimenten mittels Hochdurchsatz-Sequenzierung und qPCR für funktionelle Gene untersucht werden. Methanotrophe werden quantifiziert und die Photoinhibition der CH4-Oxidation durch Inkubationsexperimente gemessen. In Laborexperimenten sollen die methanogenen Archaeen angereichert und kultiviert werden mittels dilution-to-extinction und axenischen Cyanobakterien und Grünalgen. Physiologische Studien an Anreicherungs- oder Reinkulturen sollen die zu Grunde liegenden molekularen Mechanismen ermitteln. Feld- und Laborexperimente sollen helfen, das Methan Paradoxon zu entschlüsseln, um die bisherige und potentiell wichtige CH4-Quelle zu charakterisieren und zu quantifizieren. Die Studien sollen helfen, unser Verständnis des globalen CH4-Kreislaufes zu verbessern, damit zukünftige Prognosen realistischer werden.
Das Projekt "Analyse des Chaperon-kodierenden dnaK Gens aus dem Heterocysten-bildenden Cyanobakterium Anabaena variabilis ATCC 29413" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bonn, Botanisches Institut und Botanischer Garten durchgeführt. Das faedige, heterocystenbildende Cyanobakterium Anabaena variabilis ATCC 29413 ist durch Besitz zweier Mo-Nitrogenasen, die durch verschiedene Umweltbedingungen (anaerob und aerob) induzierbar sind und einem alternativen Va-Nitrogenase System gekennzeichnet. Ausserdem stellt Anabaena 29413 ein geeignetes Modellsystem zur Untersuchung der bakteriellen Differenzierung dar. Das dnaK-Gen kodiert ein Chaperon, das an der korrekten Faltung einer grossen Anzahl von Polypeptiden beteiligt ist. Die Rolle von dnaK in der Heterocysten-Differenzierung und Stickstoffixierung wird durch Mutationsanalysen und Expressionsstudien untersucht. In eigene Vorarbeiten wurde das dnaK-Gen erstmalig aus faedigen Cyanobakterien isoliert.
Das Projekt "Vorhersage und Erklaerung des Verhaltens und der Belastbarkeit von Oekosystemen unter veraenderten Umweltbedingungen - Teilprojekt N13: Bedeutung, Regulation und Stoerung der nichtsymbiotischen Stickstoffixierung in sauren und nicht sauren Waldboeden" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bayreuth, Bayreuther Institut für Terrestrische Ökosystemforschung, Lehrstuhl für Ökologische Mikrobiologie (ÖMIK) durchgeführt. Nichtsymbiotische N2-Fixierung in einem Buchenwaldboden: Effekte des Zusatzes von Kohlenstoff und Stickstoff unter aeroben und anaeroben Bedingungen. Die Nitrogenaseaktivitaeten des Bodens eines Buchenwaldes in Nordostbayern wurden mittels der Acetylenreduktion und der 15N2-Fixierung bestimmt. Die Nitrogenaseaktivitaeten zeigten keine erkennbare Verzoegerung sowohl unter aeroben als auch anaeroben Bedingungen. In beiden Faellen waren die Anfangsraten etwa 0,2 nanomol reduziertes C2H2 pro Gramm Bodentrockengewicht pro Tag. Ueber einen laengeren Zeitraum ausgedehnte anaerobe Bedingungen erbrachten Raten von etwa 6 nanomol reduziertes C2H2 pro Gramm Bodentrockengewicht pro Tag. Boeden, die mit Glukose versetzt waren, ergaben nur unter anaeroben Bedingungen signifikant hoehere Acetylenreduktionsraten (1-4 micro mol reduziertes C2H2 pro Gramm Bodentrockengewicht pro Tag). Untersuchungen mit 15N2 bestaetigten diese N2-Fixierungsaktivitaeten. Basierend auf Anfangsreaktionsraten mit unbehandelten Bodenproben wurde die N2-Fixierungsaktivitaet auf ungefaehr 0,2 - 0,4 kg gebundenen Stickstoff pro Hektar und Jahr geschaetzt. Ein hohes Verhaeltnis von anaerober zu aerober Aktivitaet wurde sowohl mit pH-neutralen als auch mit schwach sauren (pH 4,3-7,6) Laubwald- und Nadelwaldboeden bestimmt. Mit extrem sauren Nadelwaldboeden (pH 2,7-3,3) konnte jedoch weder unter anaeroben noch unter aeroben Bedingungen eine Nitrogenaseaktivitaet nachgewiesen werden. Diese Ergebnisse sind ausfuehrlich in der beiliegenden Publikation Limmer und Drake (1996) beschrieben. Aerobe und anaerobe Nitrogenaseaktivitaeten (basierend auf der Acetylenreduktion) eines Buchenwaldbodens in Nordostbayern wurden in Gegenwart verschiedener Kohlenstoff- und Stickstoffquellen bestimmt. Verschiedene Zucker stimulierten anaerobe (jedoch keine aeroben) Nitrogenaseaktivitaeten; organische Saeuren hatten jedoch keine stimulierenden Effekte. Die hoechstwahrscheinlichste Anzahl von anaeroben N2-fixierenden Mikroorganismen war 5,2 x 104, waehrend keine aeroben N2-Fixierer kultivierbar waren. Eine hemmende Wirkung zeigten Ammonium und Nitrat. Die Hemmung durch Nitrat zeigte sich indirekt, da Nitrat ein konkurrierender Elektronenakzeptor ist: In Gegenwart von Nitrat wurde der Elektronenfluss zur Denitrifikation oder zur dissimilatorischen Nitratreduktion zu Ammonium gelenkt anstatt zur N2-Reduktion. Es wird der Schluss gezogen, dass dieser Waldboden energielimitiert ist und die Konkurrenz um verfuegbare Energiequellen die N2-Fixierung reguliert.
Das Projekt "Biophotolytische Produktion von Wasserstoff in Cyanobakterien: Molekularbiologie der Hydrogenase(n) und der Nitrogenase" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bonn, Botanisches Institut und Botanischer Garten durchgeführt. Im Projekt werden verschiedene experimentelle Ansaetze zur genetischen Manipulation der Nitrogenase- und Hydrogenasegene verfolgt, mit dem Ziel, die Entwicklung von Wasserstoff durch Cyanobakterien zu steigern. Biophotolyse bedeutet, dass Wasser als Elektronenquelle und Licht als Energiequelle dient, als Teil des photosynthetischen Elektronentranports. Die eigentliche Freisetzung von Wasserstoff erfolgt hauptsaechlich ueber den Nitrogenasekomplex und/oder die Hydrogenase. Gesteigerte Wasserstoffproduktion soll erstens durch gezielte Veraenderungen im aktiven Zentrum der Nitrogenase (FeMoCo, nif V) und die konstitutive Expression der Nitrogenase-Gene (deregulierte Mutanten), sowie zweitens durch Inaktivierung des koinduzierten, Wasserstoff-oxidierenden Systems (hup-minus-Mutanten) erreicht werden.
Das Projekt "HUP-Hydrogenase-Aktivitaet und H2-Photoproduktion in photosynthetisch aktiven Purpurbakterien" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bonn, Institut für Mikrobiologie und Biotechnologie durchgeführt. Ziel des Projektes war die Aufklaerung der Regulationsmechanismen, welche die Rate und Ausbeute der H2-Photoproduktion in wachsenden Populationen von Purpurbakterien bestimmen. In Kooperation mit W. Klipp, Universitaet Bielefeld, wurden mittels Transposon-Mutagenese stabile Mutanten des Purpurbakteriums Rhodospirillum rubrum erzeugt, in denen die H2-Aufnahme-Hydrogenase (HUP) ausgeschaltet war. Die hup Mutanten von R. rubrum haben eine bis zu 3-fach hoehere H2-Gesamtproduktion als der Wildtyp. Auf biochemischer Ebene wurde eine vergleichbare Steigerung durch den Chelatbildner EDTA erzielt. Experimente mit der gereinigten HUP-Hydrogenase zeigten, dass der EDTA-Effekt groesstenteils auf einer Inaktivierung der Hydrogenase durch Chelierung des fuer die katalytische Aktivitaet essentiellen Nickels beruht. Theoretische und experimentelle Analysen zur Frage der ratebegrenzenden Faktoren bei der H2-Photoproduktion zeigen, dass in Purpurbakterien zumeist nicht die Nitrogenase-Reaktion, sondern die photosynthetische Energiekonversion der limitierende Schritt ist.