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Forschergruppe (FOR) 496: Poplar - a model to address tree-specific questions, Environment-dependent regulation of nitrogen import system in poplar

Poplar could succeed in nutrient rich areas as well as in nutrient poor forests soils where plants live in symbiosis with certain soil fungi to enable sufficient nutrition. Due to its huge demand, nitrogen, as major nutrient, is of special interest for poplar nutrition. In this project we want to characterize nitrate, ammonium and amino acid transporters from poplar roots that are differentially regulated as result of nitrogen nutrition (shortage or nitrogen excess), or by plant/fungus interaction. The kinetic parameters of selected transporters will be determined by heterologous expression. Tissue and organ specific expression of certain transporter genes will be investigated by Northern blot and RT-PCR and by the utilization of poplar transformants containing promoter-GFP fusions. GFP fusions with truncated promoters will also be used for the identification of cis-elements responsible for the nitrogen-dependent expression of selected transporter genes. In addition, the global impact of nitrogen nutrition on poplar gene expression will be investigated using macro and micro arrays hybridization and probes of poplar roots grown at different nitrogen sources and concentrations as well as mycorrhizas.

Erforschung des atmosphärischen Ursprungs von Aminen innerhalb der marinen Grenzschicht: Ein kombinierter Feld-Modellierungsansatz (ORIGAMY)

Amine sind wichtige, aber wenig untersuchte organische Bestandteile in der marinen Atmosphäre. Es gibt deutliche Hinweise, dass innerhalb der marinen Grenzschicht die Bildung neuer Aerosolpartikel und die Zunahme der Partikelmasse durch Amine beeinflusst wird. Allerdings existieren noch sehr hohe Unsicherheiten in Bezug auf die Quellen, die weiteren chemischen Reaktionen innerhalb des chemischen Mehrphasensystems der marinen Atmosphäre und der Beitrag zur marinen Aerosolmasse. Ein tieferes Verständnis der durch die Amine initialisierten Bildung des organischen Stickstoffes in marinen Aerosolpartikeln, sowie der potentiell oxidationsgesteuerten Emission von Aminen aus den Ozeanen in die Atmosphäre, erfordert grundlegende mechanistische Modellierungsstudien der Mehrphasenoxidation von Aminen in Kombination mit speziellen Feldmessungen. Solche Ansätze sind derzeit nicht vorhanden, da noch keine detaillierten Mechanismen- oder Modellierungsstudien zur Mehrphasenoxidation der Amine durchgeführt wurden.Das Ziel von ORIGAMY ist es, die Faktoren zu ermitteln, die die Emission von Aminen aus dem Ozean in die Atmosphäre beeinflussen und deren Auswirkungen auf die organische Aerosolmasse, den Aerosolsäuregehalt und die Bildung neuer Aerosolpartikel. Wir wollen die großen Wissenslücken bezüglich Quellen, Phasenverteilung und Oxidationsprozessen von Aminen in der marinen Grenzschicht schließen, indem wir spezielle neue Feldmessungen in Kombination mit neuartigen Modellierungsansätzen der Mehrphasenchemie anwenden. Die Kombination aus Feldmessungen, Emissionsmodellierung und Modellierung der chemischen Alterung der Amine zum Verständnis der Feldergebnisse ist dabei eine neue große innovative Leistung, die aus dieser Studie resultieren wird.Die Ergebnisse von ORIGAMY werden eine wichtige Grundlage schaffen, um die Bedeutung der Amine und deren weiteren chemischen Reaktionen in der marinen Grenzschicht zu erfassen. Weiterhin tragen diese Ergebnisse dazu bei, relevante atmosphärischen Prozesse der Amine zu identifizieren, die in höher-skalige Modellen implementiert werden müssen.

Mathematische Guetemodelle zur Prognose des Stoffhaushalts von Fliessgewaessern

Zweck und Ziel: Simulation und Prognose des Stoffhaushaltes abwasserbelasteter Fliessgewaesser zur Beurteilung der Auswirkungen wasserwirtschaftlicher und wasserbaulicher Massnahmen, einschliesslich Eutrophierungserscheinungen und Auswirkungen von Verklappungsmassnahmen. Ausfuehrung: Weiterentwicklung des von Dr. G. Huthmann in der BfG aufgebauten Modells, welches weitgehend empirische Zusammenhaenge verwendet, zu einem fuer verschiedene Anwendungen aussagekraeftigen Modell. Dabei werden die biologischen Vorgaenge - soweit erforderlich - mit Hilfe deterministischer Ansaetze formuliert. Die Modellentwicklung enstsprechend den Ergebnissen von Gewaesseruntersuchungen, Laborexperimenten und Literaturstudien. Ergebnisse: Das Modell besteht jetzt aus einem hydrologischen Modell, einem Temperaturmodell und dem eigentlichen Guetemodell. Folgende Stoffkonzentrationen werden berechnet: C-BSB5 (Biochemischer Sauerstoffbedarf der organischen Kohlenstoffverbindungen), CSB (Chemischer Sauerstoffbedarf, Bichromatoxidation), organischer Stickstoff, Ammoniumstickstoff, Nitratstickstoff, geloester Phosphor, ungeloester Phosphor, geloester Sauerstoff, Truebung. Ferner werden die Biomassen derjenigen langsam wachsenden Organismen berechnet, welchen einen wesentlichen Einfluss auf den Stoffhaushalt ausueben (Nitrifikanten, Algen, Zooplankter). Neuere Guetemodellrechnungen zum Sauerstoffhaushalt der Saar nach Ausbau zeigen, dass besonders in den Sommermonaten in den mittleren Stauhaltungen Lisdorf, Rehlingen und Mettlach mit Sauerstoffmangelsituationen zu rechnen ist. Um Fischsterben zu vermeiden, muss deshalb - beim jetzigen Sanierungszustand der Einleiter - kuenstlich

Aerosolbelastung in der zukünftigen Atmosphäre (ALFA) - Verbesserung der Vorhersagefähigkeit atmosphärischer Aerosolbelastung durch molekulares Verständnis der Transformation von Emissionen in der Gegenwart und unter zukünftigen Szenarien

Atmosphärische Aerosole wirken auf die menschliche Gesundheit und beeinflussen den Strahlungshaushalt der Erde. Die Quellen, Bildungsmechanismen und Senken sekundärer Aerosole, welche aus der Transformation von organischen und anorganischen Vorläufergasen entstehen, sind nicht ausreichend verstanden, so dass eine genaue Vorhersagbarkeit der Aerosolbelastung unter gegenwärtigen Emissionen und zukünftigen Szenarien nicht möglich ist.Um ein genaueres Prozessverständnis zu erlangen, werden wir neue analytische Methoden entwickeln, die die Messung einzelner aerosolgetragener Moleküle in Echtzeit, sowie die Erstellung molekularer Fingerabdrücke von Aerosolfilterproben, ermöglichen. Hierfür werden wir ein ultra-hochauflösendes (OrbitrapTM) Massenspektrometer (MS) für die Echtzeit-Aerosolmessung adaptieren, um im Rahmen von Messkampagnen an der Simulationskammer SAPHIR am Forschungszentrum Jülich, die Chemie der Aerosole unter zukünftigen Emissionsszenarien zu untersuchen. An der SAPHIR Kammer werden wir VOC-Emissionen von Pflanzen unter Stress und deren Wechselwirkung mit SO2, NOX und NH3 studieren. Die zentrale Fragestellung dieser Experimente ist, inwiefern überschüssiges Ammoniak mit flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) in der Atmosphäre reagiert, und ob es im Aerosol zu einer verstärkten Bildung von absorbierenden organischen Stickstoff-Heterozyklen kommt. Die Relevanz heterogener photochemisch-induzierter Prozesse soll an der SAPHIR Kammer bei atmosphärischen Konzentrationen untersucht werden. Diese Untersuchungen sind nötig um Voraussagen darüber treffen zu können, inwieweit sich verändernde, zukünftige anorganische Emissionen und VOC-Emissionen gestresster Pflanzen einen Effekt auf die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Aerosolen in der zukünftigen Atmosphäre haben werden.Neben den Kammermessungen in Jülich sollen Feldmessungen an solchen Orten unternommen werden, an denen eine besonders starke Wechselwirkung zwischen organischen und anorganischen Komponenten zu erwarten ist, und somit die Kammerexperimente im Hinblick auf deren atmosphärische Relevanz validiert werden können.Während der Echtzeit-Messungen mit dem online Aerosol-Orbitrap-MS werden wir Aerosolfilterproben sammeln und molekulare Fingerabdrücke der Aerosolzusammensetzung mit Hochleistungs-Flüssigchromatografie / Massenspektrometrie erstellen. Basierend auf Laborstudien zur Oxidation einzelner VOCs werden wir die molekularen Fingerabdrücke der Realproben mit den Laborexperimenten vergleichen. Eine open-access-"Aerosolomics"-Datenbank soll erschaffen werden, die die gemessenen Merkmale einzelner Oxidationsprodukte archiviert und online verfügbar macht. Dies wird eine „top-down“ Klassifizierung von Aerosolproben ermöglichen, mit deren Hilfe man Aussagen darüber treffen kann welche VOCs und welche Prozesse für die sekundäre Bildung von atmosphärischem Aerosol an den untersuchten Orten verantwortlich sind.

Optimierung der Einsatzfähigkeit der Infrarot-Reflexionsspektroskopie in der Bodenökologie: Bestimmung der Zusammensetzung und Stabilität der organischen Bodensubstanz und Vorhersagen in offenen Populationen

Reflexions-Infrarotspektroskopie im nahen (NIRS) und mittleren Infrarotbereich (MIRS) weist ein hohes Potential zur Bestimmung bodenchemischer und -biologischer Charakteristika auf, aber hinsichtlich der Vorhersagegenauigkeit und des Verständnisses der zugrundeliegenden Beziehungen herrscht noch Forschungsbedarf. Projektziele sind: (i) Die Genauigkeit von NIRS und MIRS, den Gehalt an organischem C und N und die Zusammensetzung der organischen Bodensubstanz vorherzusagen, soll optimiert werden. Hierbei wird die Population nach Bodentyp, Textur und mineralogischer Zusammensetzung klassifiziert. Teilproben werden chemisch oder thermisch oxidiert und ein modifiziertes PLS-Verfahren, ein genetischer Algorithmus, wird getestet. (ii) Allgemeine Beziehungen zwischen den Mengen an labilem, intermediärem und passivem C und N (zu erhalten aus Inkubationsexperimenten und Na2S2O8-Behandlungen) und den bedeutsamen Wellenlängen der NIRS- und MIRS-Kreuzvalidierungen sollen aus Spektren, die vor und nach den Inkubationen aufgenommen wurden, abgeleitet werden. (iii) Es soll die Vorhersagegüte von Bodenkonstituenten mittels NIRS und MIRS für offene Populationen ermittelt werden.

Bildung spezifischer Proteine unter Bedingungen von Stickstofflimitierung oder Aufnahme von gelöstem organischem Stickstoff: eine Methode, um alternative Strategie der Stickstoffaufnahme bei Prymnesiophytae zu untersuchen

Die vorgeschlagene Arbeit soll die Rolle der unterschiedlichen Quellen von gelöstem Stickstoff in der Nahrung der Algenarten, von denen bekannt ist, dass sie große Blüten formen, untersuchen. Vier Arten der Gattung Prymnesiophyta werden unter Stickstofflimitierung kultiviert, mit verschiedenen Quellen des gelösten organischen Stickstoffes (DON), um die Auswirkungen der Stickstofflimitierung auf die Stockstoffaufnahme und -nutzung zu untersuchen. Es wird die Hypothese aufgestellt, dass Stickstofflimitierung unterschiedliche Wege der N-Aufnahme und -Nutzung induziert, die Wachstum mit DON erlauben. Phytoplanktonkulturen werden mit einfachen (Amino Säuren, Purin und Pyrimidine) und komplexen Quellen von DON ernährt um Wachstumsraten mit DON als alleiniger Quelle des Stickstoffes festzustellen. Enzymaktivität für Urease- und Aminosäureoxydasen werden gemessen, da es wahrscheinlich ist, dass diese beiden Enzyme in Zellen, die Stickstofflimitierung ausgesetzt sind, gebildet werden. Eine Reihe von Ansätzen werden verwendet, um spezifische Proteine zu identifizieren, die mit Stickstofflimitierung und/oder der Nutzung von DON in Verbindung zu bringen sind. Diese Ansätze umfassen die Markierung der Zelloberfläche mit biotinylhaltigen Reagenzien und zellulare Fraktionierung in cytoplamische- und Membranbereiche. Proteine, die nur bei Stickstofflimitierung und Anwendung von DON vorkommen, werden gereinigt und beschrieben. Antikörper dieser Proteine werden synthetisiert und als Sonden zur Identifizierung von Nutzung von DON, durch diese wichtige Gruppe von den Algen verwendet. Perspektivisch sollen diese Sonden auf natürliche Phytoplanktonpopulationen angewendet werden.

Internationaler organischer Stickstoff-Dauerversuch

Environmental and DOM FTICRMS data for Spiekeroog Beach

This dataset was acquired to investigate the sources and sinks of dissolved organic matter in a high-energy beach subterranean estuary on Spiekeroog Island, German North Sea. The North Beach sampling location is approximately at 53°46'45N, 7°42'40E. Data were collected during a total of five sampling campaigns in the period of September 2016 - September 2019, spanning over all four seasons. The samples collected were from beach porewaters, seawater, and groundwater from the islands' freshwater lens. Pore water samples were collected with push-point lances (10-100 cm depth), seawater samples with bottles in the surf zone, and groundwater samples from inland monitoring wells (4-40 m depth). Samples were filtered onsite and preserved for storage (acidification for dissolved organic carbon, dissolved organic nitrogen, and trace metals, and poisoning with HgCl2 for dissolved nutrients). In situ data were collected, including temperature, salinity, oxygen concentrations (instrument: WTW Multi 3430), and humic-like fluorescent DOM (instrument: Turner Aquafluor). Laboratory analyses were conducted within a week of sampling and included spectrophotometry for nutrients, ICP-OES for trace metals, and TOC-VCPH analysis for DOC and TDN. Acidified subsamples were desalted and concentrated by solid-phase extraction, then analyzed on via ultra-high resolution Fourier-transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (FT-ICR-MS on a 15T Bruker solariX XR.

The occurrence of Vibrio spp. in the salinity gradient of shallow coastal waters of the Baltic Sea – data set including environmental and microbiological data (EU Biodiversa project BaltVib).

The main aim of the BaltVib sampling campaign was to analyse the microbial community composition in pelagic and benthic habitats with special focus on Vibrio spp. bacteria inside and outside of eelgrass meadows (Zostera marina), and selected macroalgae populations (Fucus spp.) in the salinity gradient of shallow coastal waters of the Baltic Sea. The temporal extent of the dataset is 25.07.2021 to 02.09.2021. The geographic extent of the dataset is spanning from 9°52,655 E to 25°00,698 W and 60°06,547 N to 54°00,8666 S. The measurement depth ranges from 0.2 meters to 7 meters. Salinity ranges from 4 to 14. Environmental parameters measured are: conductivity, temperature, pH, Secchi depth, chlorophyll a, dissolved oxygen, ammonium, nitrate, nitrite, phosphate, silicate, grain size, dissolved organic carbon, dissolved nitrogen, particulate organic nitrogen, particulate organic carbon. Vibrio spp. colony forming units were counted using TCBS agar plates. Abundance of Vibrio vulnificus was determined by ddPCR in water and sediment samples as well as in Zostera marina surface biofilm. Cell counts by flow cytometry contain: Synechococcus, Picoeukaryota, Nanoeukaryota, high-nucleic acid bacteria, low-nucleic acid bacteria. Macrophyte abundance was measured for Zostera marina and Fucus spp..

BonaRes (Modul A, Phase 3): Erhöhung der landwirtschaftlichen Nährstoffnutzungseffizienz durch Optimierung von Pflanze-Boden-Mikroorganismen-Wechselwirkungen, Teilprojekt A

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