Kontaminanten mit antimikrobiellen Eigenschaften wie Schwermetalle und Antibiotika stellen eine erhebliche Bedrohung für die Bodengesundheit dar. Während Schwermetalle oft als Altlasten betrachtet werden, handelt es sich bei Antibiotika um aufkommende Kontaminanten. Flussaueflächen, die sich zwischen schadstofftransportierenden Flüssen und landwirtschaftlichen Flächen befinden, sind potenzielle Hotspots für das gleichzeitige Auftreten und die Vermehrung von Schwermetall-Resistenzgenen (HRGs) und Antibiotika-Resistenzgenen (ARGs). Diese Studie zielt darauf ab, die Rolle von Flussaueflächen als Kontaktzonen für das gleichzeitige Auftreten und die Bewegung von Antibiotika und Schwermetallen sowie der damit verbundenen Resistenzen zu untersuchen. Wir nehmen an, dass Resistenzgene gegen einen Kontaminanten in Anwesenheit des anderen Kontaminanten in Flussaueflächen verbreitet werden, da beide Resistenzen aus unterschiedlichen Quellen in die Flussaueflächen gelangen und auf denselben mobilen genetischen Elementen auftreten. Drei Forschungsziele werden verfolgt: Bestimmung der Häufigkeit und Verteilung von HRGs und ARGs in Flussaueflächen und deren Verteilung entlang entgegengesetzter Antibiotika- und Schwermetallgradienten. Erforschung der Anpassung von Flussaue-Graslandschaften an die Co-Kontamination mit Schwermetallen und Antibiotika sowie Untersuchung der Bewegung von Resistenzgenen. Bewertung des Einflusses der Rhizosphäre auf die Vermehrung von ARGs und HRGs unter Einwirkung eines der Kontaminanten. Das vorgeschlagene Forschungsprojekt umfasst Felduntersuchungen zur Messung von Schwermetall- und Antibiotikakonzentrationen sowie zur Quantifizierung der entsprechenden Resistenzgene. Es werden zusätzliche Faktoren untersucht, die die Ausbreitung von Resistenzgenen beeinflussen, einschließlich Bodengeochemie, Biotopart, Klima und Dynamik der mikrobiellen Gemeinschaft. Ein Modellversuch mit einem Flussauenstreifen wird durchgeführt, um die Bewegung und den Abbau von Resistenzgenen zu beurteilen. Die Anpassung der mikrobiellen Gemeinschaften wird mittels Amplicon-Sequenzierung analysiert und die Rolle der Rhizosphäre-Prozesse bei der Vermehrung von Resistenzgenen wird bewertet. Die Ergebnisse dieser Studie tragen zu einem besseren Verständnis der Faktoren bei, die das gleichzeitige Auftreten und die Vermehrung von ARGs und HRGs in Flussaueflächen beeinflussen.
Ökologische Stabilität ist der Schlüssel zur Vorhersage der Folgen von Umweltveränderungen, denn sie umfasst Aspekte der Antwort auf verschiedene Störungsszenarien, zum Beispiel die Fähigkeit, Veränderungen zu widerstehen, diese zu absorbieren oder sich von ihnen zu erholen. Die wichtigsten Fortschritte bei der wissenschaftlichen Bewertung der ökologischen Stabilität in jüngster Zeit ergaben sich aus i) der Anerkennung der mehrdimensionalen Natur der Stabilität, ii) der Unterscheidung zwischen der Stabilität funktioneller Eigenschaften eines Ökosystems und der Stabilität der Zusammensetzung der Gemeinschaft und iii) der Erkenntnis der Bedeutung der räumlichen Dynamik für das Verständnis der lokalen Stabilitätseigenschaften. Trotz dieser Fortschritte wird unser Verständnis der Stabilität (und ihrer Verwendung in den Ökologie- und Umweltwissenschaften) immer noch durch unsere Unfähigkeit behindert, die Stabilität der Gemeinschaft anhand artspezifischer Leistungen und Merkmale vorherzusagen. Das Verständnis der Beiträge der Arten zur Stabilität ist das Hauptziel dieses Projektantrages. Wir werden Metriken verfeinern und testen, die die Reaktionen der Arten auf sich ändernde Umgebungen erfassen, und diese Metriken verwenden, um die Stabilität von Lebensgemeinschaften anhand der Leistung einzelner Arten vorherzusagen und die vorhergesagte Stabilität mit der beobachteten zu vergleichen. Die Arbeit ist in vier Arbeitspakete unterteilt, die Simulationen und Datenanalyse (WP 1) kombinieren mit drei experimentellen Arbeitspaketen zunehmender Komplexität (WP2-4). Die Metaanalyse in WP 1 verwendet kürzlich entwickelte Methoden zur Zerlegung von Stabilität, um Arten zu identifizieren, die zur Stabilität oder Verwundbarkeit in verschiedenen Arten von Ökosystemen und Organismen beitragen. Für die Experimente werden marine Planktongemeinschaften unterschiedlichen Trends und Temperaturschwankungen ausgesetzt sein. Diese Experimente werden von einem Bottom-up-Ansatz ausgehen, bei dem Arten mit bekannten Reaktionen zu Artenpaaren und Zusammenstellungen mit geringer Diversität kombiniert werden, wobei die erwartete mit der beobachteten Stabilität verglichen wird (WP 2). In WP 3 werden wir mithilfe eines Metacommunity-Setups testen, wie die Vorhersagbarkeit von Stabilitätsaspekten wie Resistenz, Resilienz, Erholungsfähigkeit und zeitliche Stabilität von der Konnektivität im Raum abhängt. Schließlich werden wir Mesokosmen verwenden, um zu testen, ob dieselben Merkmale die Stabilität der Phytoplanktongemeinschaft in Abwesenheit oder Gegenwart eines generalistischen Zooplankton-Verbrauchers beeinflussen.
Als ganz eigene Ökosysteme stellen Städte die Ökosystemforschung und den Schutz von Biodiversität vor eine neue Herausforderung. Urbane Lebensräume können artenreiche Gemeinschaften an z.B. Blütenpflanzen und Insektenbestäubern beherbergen, bedrohen diese sowie assoziierte Bestäubungsleistungen aber zeitgleich durch urbane Stressoren, die so in ihren ursprünglichen Lebensräumen nicht vorkommen, z.B. städtische Hitze. Theoretisch sollten Bestäubergemeinschaften mit einer hohen funktionalen Vielfalt und einer ausgewogenen Verteilung von Merkmalen widerstandsfähiger gegenüber solchen Stressfaktoren sein und somit die Bestäubungsfunktion auch dort aufrechterhalten, wo Arten verloren gehen. Es gibt jedoch nur wenige Studien über die Auswirkungen städtischer Stressfaktoren auf Bestäubergemeinschaften, Bestäubungsnetzwerke und die daraus resultierende Bestäubung. Auch ist wenig darüber bekannt, wie die lokale Bewirtschaftung von Gärten Stressoren z.B. durch die Bereitstellung von floralen Ressourcen abmildern kann. Ziel dieses Projekts ist es zu verstehen, wie Stressoren der Stadtumgebung Wildbienen, ihre Interaktionen mit Pflanzen und Bestäubungsleistungen in städtischen Gärten beeinflussen. Dabei untersuchen wir, wie funktionelle Merkmale von Bienen- und Blütenarten, Bienen-Pflanzen-Netzwerke sowie die Nahrungsversorgung von Bienen und die Bestäubung durch urbane Stressoren beeinflusst werden. Außerdem wollen wir herausfinden, wie zu erwartende negative Effekte durch eine entsprechende Gartenbewirtschaftung abgemildert werden können. Um dies zu erreichen, betrachten wir sowohl die Perspektive der Bienen als auch die der Pflanzen. Um diese Fragen zu beantworten, untersuchen wir in 30 Gärten in den Metropolregionen Berlin und München (i) die Verteilung von Merkmalen und Bienen-Pflanzen-Interaktionen empirisch und (ii) die Nahrungsversorgung von Bienenversorgung und Bestäubung von Nutzpflanzen experimentell. Zusätzlich greifen wir auf (iii) sozialwissenschaftliche Methoden zurück, um besser zu verstehen, welche Faktoren Managemententscheidungen von Gartenbesitzern bestimmen, die ihrerseits negative Auswirkungen für Wildbienen und assoziierte Ökosystemfunktionen entweder abmildern oder verschlimmern können. Dabei kombinieren wir Methoden der analytischen Chemie, Netzwerk- und Merkmalsanalyse sowie Modellierung, um das Beziehungsgefüge zwischen Biodiversität, Management und Stressoren in urbanen zu klären. Unsere Teams vereinen dabei ihre jeweilige Expertise in Umweltchemie und Stadtökologie. So können wir zu einem besseren Verständnis der grundlegenden Mechanismen beitragen, welche der Erhaltung von Biodiversität, den Interaktionen zwischen Arten und den Ökosystemfunktionen in bisher noch wenig erforschten urbanen Ökosystemen zu Grunde liegen.
Es ist bekannt, dass Vulkanausbrüche das Klima auf verschiedene Weise beeinflussen. Diese reichen von kurzfristigen Auswirkungen wie Sulfat-Injektionen, die die einfallende Sonnenstrahlung reduzieren und zu Abkühlung führen, bis zu mittelfristigen Auswirkungen wie Erwärmung durch Kohlendioxid-Entgasung. Langfristig können Auswirkungen wie eine verstärkte Verwitterung eingelagerter Basalte zu einer Entfernung von Kohlendioxid und damit Abkühlung führen. Lange Perioden intensiven Vulkanismus, die als Large Igneous Provinces (LIPs) bekannt sind, können besonders tiefgreifende Auswirkungen auf das Klima haben, wobei mehrere LIPs entweder mit der globalen Erwärmung oder Abkühlung in der Erdgeschichte sowie mit Massenaussterben in Verbindung gebracht werden. Das Paläozän-Eozän-Temperaturemaximum (PETM), eine 200.000 Jahre lange Periode intensiver globaler Erwärmung vor ca. 56 Millionen Jahren, ereignete sich zur gleichen Zeit wie die Entstehung eines LIP, der North Atlantic Igneous Province (NAIP). Die NAIP-Entstehung wurde als Ursache für das PETM vorgeschlagen, da während des Vulkanismus Kohlendioxid und Methan freigesetzt werden, welches zu einer schnellen Erwärmung führt. Es wurde auch vermutet, dass die Ablagerung von Vulkanasche während des NAIP das Klima abgekühlt hat. Als solches ist das PETM eine ideale Periode, um die Auswirkungen des Vulkanismus auf das Erdsystem zu untersuchen. Expedition 396 des International Ocean Discovery Program (IODP) hat erfolgreich eine Reihe von langen Sedimentsequenzen aus dem PETM-Zeitalter am norwegischen Rand geborgen. In diesem Projekt beabsichtige ich, detaillierte deskriptive, geochemische und modellbasierte Untersuchungen mit den Sedimenten der Expedition 396 durchzuführen, um die Rolle des NAIP-Vulkanismus im PETM zu dokumentieren. Erstens wird die Intensität des Vulkanismus durch neue Schätzungen der Kohlendioxid-, Methan- und Sulfatemissionen bewertet, um die Rolle der Gase auf den Klimawandel zu bestimmen. Durch detaillierte geochemische Untersuchungen werden die Auswirkungen der Ascheablagerung auf den Kohlenstoffkreislauf bewertet mit Schwerpunkt auf der Rolle der Asche als Nährstofflieferant für Phytoplankton liegt. Die potenziellen Auswirkungen der Ascheablagerung auf die Speicherung von Kohlenstoff im Sediment werden ebenfalls geochemisch und isotopisch untersucht. Abschließend werden die Ergebnisse unter Verwendung von Erdsystemmodelle kombiniert, um die genaue Rolle des Vulkanismus im PETM zu bestimmen. Die erwarteten Ergebnisse werden uns neue Erkenntnisse über die Rolle der LIP-Entstehung und der Ablagerung von Vulkanasche beim Klimawandel geben. Sedimente von Expedition 396 bieten eine einzigartige Gelegenheit, den geochemischen Abdruck des Vulkanismus hochauflösend zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser Arbeit werden zu einer erheblichen Verbesserung unseres Verständnisses des PETM führen.
Das hier beantragte Projekt widmet sich der gesellschaftlichen Dimension von Stickstoff. Reaktiver Stickstoff, der in der Lage ist, Verbindung mit anderen Elementen einzugehen, ist eine unverzichtbare Grundlage für pflanzlichen und tierischen Stoffwechsel - und damit auch der Landwirtschaft und der Welternährung. Gemessen an der Gesamtmenge des Stickstoffs auf der Erde, des häufigsten Elements in der Atmosphäre, ist die Menge an reaktivem Stickstoff extrem limitiert. Zugleich stellt reaktiver Stickstoff aber auch ein erhebliches ökologisches Problem dar. Auf Äckern und in Ställen reagiert er zu Stickoxiden wie Lachgas, einem bedeutenden Treiber der Klimaerwärmung. Er gelangt über Oberflächengewässer und Kanalisationen ins Trinkwasser, wo er in Form von Nitrit eine Bedrohung für die menschliche Gesundheit darstellt. Stromabwärts sammelt er sich schließlich in Senken wie Seen und Meeren. Dort führt seine übermäßige Verfügbarkeit zur Eutrophierung, massenhaftem Algenwachstum und damit zur Zerstörung von aquatischen, vor allem küstennahen Ökosystemen. Die fortschreitende Zunahme von reaktivem Stickstoff in Gewässern und auf ökologisch sensiblen Magerflächen gilt als eines der drängendsten Umweltprobleme unserer Zeit: Die ökologisch verkraftbare Menge an reaktivem Stickstoff weltweit gilt als längst überschritten. Seit einiger Zeit haben es sich Industrienationen daher nicht mehr allein zur Aufgabe gemacht, die Verfügbarkeit von reaktivem Stickstoff zu erhöhen, um für Ernährungssicherheit zu sorgen. Sie versuchen heute zugleich auch, sie umgekehrt wieder einzudämmen, um Schäden für Mensch und Umwelt zu minimieren. Dabei werden verschiedene Akteurinnen, Akteure und Instanzen mit in die Pflicht genommen: kommunale Wasserwerke, landwirtschaftliche Betriebe, staatliche Messstellen und Umweltbehörden. Ihnen wird aufgetragen, sinnvoll mit Stickstoff zu wirtschaften, um seine negativen Auswirkungen auf Mensch und Natur zu minimieren. Dabei agieren die in der Stickstoffwirtschaft Involvierten auf Basis unterschiedlicher Interessen, Anreize, Wissensbestände und Handlungsspielräume, was die Stickstofffrage zu einem klassischen Untersuchungsfall für sozialwissenschaftliche Analyse macht. Trotz der gesellschaftlichen Bedeutung von Stickstoff und der Tragweite der mit ihm verbundenen Probleme hat es in Deutschland in den vergangenen 30 Jahren nur wenig Forschung aus Soziologie oder anderen Sozialwissenschaften zu seiner sozialen Zirkulation gegeben. Das hier vorgestellte Projekt möchte dies beheben. Auf Basis einer empirischen Untersuchung der zeitgenössischen Stickstoffwirtschaft und -regulierung soll es eine Übersicht über den Stand der Debatten und Probleme liefern, einen soziologischen Zugriff auf Stickstoff und seine Rolle in modernen Gesellschaften erarbeiten sowie einen Beitrag zur Umweltsoziologie im Allgemeinen leisten.
Auf Grund ihrer Bedeutung für die Anpassung der Wälder an Umweltänderungen und ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber Störungen ist die Naturverjüngung zu einem Schwerpunkt der ökologischen Waldforschung geworden. Trotz der jüngsten technologischen Entwicklungen bleibt dies eine große Herausforderung. Insbesondere sehr kleine Pflanzen mit einer Höhe von weniger als 1,30 m und entsprechend kleinen Durchmessern sind mit photogrammetrischen Methoden schwer zu identifizieren. Manuelle Inventurmethoden, wie z. B. die klassische Vollinventur sind aber arbeitsintensiv und zu teuer, um sie auf großen Flächen anzuwenden. Das Projekt möchte dazu beitragen, dieses Problem zu lösen, in dem es ein Simulationswerkzeug zur Rekonstruktion von Punktmustern vorstellt und seine Qualität systematisch untersucht. Es basiert auf einem Forschungsansatz der drei Arbeitsschritte umfasst (1) die Erfassung der räumlichen Daten aller Bäume einschließlich der Verjüngung auf einer kleinen Teilfläche (= Referenzfläche), (2) die Erfassung des Oberstandes im gesamten Bestand (=Untersuchungsfläche) und (3) die Rekonstruktion der Verjüngung im gesamten Untersuchungsgebiet, wobei davon ausgegangen wird, dass überall die gleichen Beziehungen zwischen den Bäumen des Oberstandes und der Verjüngung wie in der Referenzfläche bestehen. Dieser Ansatz erlaubt es, die heutigen logistischen Möglichkeiten zu kombinieren: (a) die manuelle Erfassung der Verjüngung auf kleiner Fläche ist machbar, und (b) die Inventur des Oberstandes mit modernen Fernerkundungs- oder photogrammetrischen Methoden ist relativ einfach und weniger arbeitsintensiv. Indem das Projekt einen vorhanden und in den Forstwissenschaften bekannten Datensatz nutzt (Trainingsgrundlage wird der Datensatz des saisonalen tropischen Regenwaldes der Insel Barro Colorado (BCI) in Panama sein), kann es sich auf Schritt (3) beschränken. Ziel ist es systematisch zu untersuchen, welchen Einfluss eine höhere Strukturvielfalt und das Größenverhältnis von Referenz- und Prädiktionsflächen (= die gesamte Untersuchungsfläche) auf die Ergebnisse der Punktmuster-Rekonstruktion von Verjüngungspflanzen (=Unterstand) hat und welche räumlichen Statistiken besonders geeignet sind, diesen Einfluss quantitativ oder qualitativ zu bewerten. Die numerischen Methoden werden in einem dokumentierten R-Skript (bzw. R-Package) als zuverlässiges und effizientes Werkzeug für die Waldökologie und die forstliche Praxis zur Verfügung gestellt.
Die Landwirtschaft steht in vielen Teilen Europas vor zwei großen Herausforderungen: Die zunehmende Verknappung des verfügbaren Bodenwassers und eine gleichzeitige Stickstoffreduktion, als Maßnahme die eine Verunreinigung des Grund- und Oberflächenwassers durch Nitrate verhindern soll. Beide Herausforderungen stehen in Wechselwirkung, da eine geringe Verfügbarkeit von Bodenwasser zum einen die Transpiration und die Massenfluss-getriebene Aufnahme von Nährstoffen wie Nitrat (NO3-) und Chlorid (Cl-) verringert. Im Gegenzug hat sich gezeigt, dass die Aufnahme, d. h. das Vorhandensein von NO3- und Cl- im Blatt, die stomatären Bewegungen beeinflussen und somit wiederum einen wichtigen Einfluss auf den Wasserverbrauch der Pflanzen haben. In dem geplanten Projekt soll die Beziehung zwischen dem NO3--zu-Cl--Verhältnis im Boden und der stomatären Bewegung an zwei Kulturpflanzen untersucht werden; der dikotylen Ackerbohne und dem Getreide Gerste. Beide Kulturen unterscheiden sich vermutlich hinsichtlich einer Abhängigkeit von NO3- und Cl- für die Regulierung der stomatären Leitfähigkeit, da der stomatäre Schluss in Gerste von apoplastischem NO3- abhängt, während diese Abhängigkeit bei dikotylen Pflanzen nicht gefunden wurde. Darüber hinaus ist nicht bekannt, ob Gersten- oder Ackerbohnenschließzellen die Aufnahme von NO3- gegenüber Cl- bevorzugen, um die stomatäre Öffnung voranzutreiben. Das Projekt soll den Einfluss des NO3--zu-Cl--Verhältnisses im Boden auf die Stomata in vier Arbeitspaketen (APs) untersuchen, in deren Umfang Versuche auf den Organisationsebenen der Gesamtpflanzen (AP1), von Organ-/Gewebeebene (AP2), auf Einzelzellebene (AP3) und abschließend an individuellen Transportproteinen (AP4) durchgeführt werden sollen. Im AP1 werden verschiedene NO3--zu-Cl--Verhältnisse im Boden mit der Fähigkeit unserer Modellpflanzen, die Stomata sowie die Hydratisierung des Blattes zu regulieren, in Beziehung gesetzt. In AP2 werden wir untersuchen, inwieweit unterschiedliche NO3--zu-Cl--Verhältnissen im Boden die Ionen-, Metaboliten- und Hormonkonzentration (ABA) im Blattapoplasten und im Schließzellsymplasten beeinflussen, während AP3 zeigen soll, in welchem Maße das Anionenangebot (NO3-, Cl-) die stomatären Bewegungen beeinflusst. Im Zuge dessen soll geprüft werden, ob Schließzellen der Ackerbohne und Gerste NO3- oder Cl- für die osmotischen Prozesse bevorzugen, die die stomatären Bewegungen antreiben. Schließlich werden wir uns im WP4 auf die Rolle von NPF-Transportern für der Aufnahme von NO3- und Cl- in Schließzellen sowie auf die Rolle der SLAC1-ähnlichen Anionenkanäle, die diese Anionen wieder aus den Schließzellen herausschleusen können, konzentrieren. Obgleich gezeigt wurde, dass SLAC1-ähnliche Kanäle eine wichtige Rolle bei der Regulation der stomatären Bewegungen spielen, gibt es nur wenige Informationen über die Bedeutung einer NPF-vermittelten Aufnahme von NO3- und Cl- in die Schließzellen.
Es ist unbestritten, dass die Prinzipien und Parameter der Thermodynamik grundlegend für die Ökologie und die Bodenökologie sind. Die aktuelle Forschung zum SOM-Umsatz berücksichtigt zunehmend die Energetik in der Modellierung zur Erklärung und Vorhersage des biotischen Kohlenstoffumsatzes und von Bodenfunktionen. Die Arbeiten in SoilSystems sind Teil aktueller internationaler Forschungsaktivitäten. Untersuchungen zu kalorimetrischen und thermodynamischen Zustandsgrößen nehmen stetig zu und konzentrieren sich bisher auf die Charakterisierung der SOM, den SOM-Umsatz und den Beitrag der Bodenbiota. Im SPP konnten u.a. substratabhängige Nutzungseffizienzen und Faktoren der bioenergetischen Kontrolle aufgeklärt werden. Trotz dieser internationalen Forschungen bleiben viele grundlegende Fragen unbeantwortet bzw. wurden neu erarbeitet und manche publizierten Aussagen sind widersprüchlich. So ist der SPP 2322, aufbauend auf den Ergebnissen der ersten Phase und der gewonnenen methodischen und theoretischen Kompetenz, unbedingt fortzuführen. Das Koordinierungsprojekt des SPP 2223 bietet den wissenschaftlichen und organisatorischen Rahmen für Forschungsprojekte im SPP, indem interdisziplinäre Zusammenarbeit, Datenerfassung, -Synthese und -Modellierung organisiert werden. Dies verantwortet eine Koordinierungsgruppe, die von einem Associate unterstützt wird, der A) die Organisation des SPP 2322 unterstützt und B) wissenschaftlich arbeitet. A) Für eine optimale kooperative Forschung im SPP 2322, werden alle teilnehmenden Projekte durch die zentrale Organisation adressiert. Böden und Kalorimeter werden über eine gemeinsame Versuchsplattform bereitgestellt. Für die gemeinsame Datenspeicherung wurde ein Datenbanksystem eingerichtet, dessen Nutzung durch die Projekte personell unterstützt wird. Projekttreffen, Workshops und eine Webinar-Serie laden zur Diskussion und Präsentation ein. Nicht zuletzt ermöglichen Gleichstellungsmaßnahmen eine uneingeschränkte Teilnahme an Forschung und akademischer Karriereentwicklung. B) Das Forschungsmodul im Koordinierungsprojekt hat zwei grundlegende Ziele: (i) die Bestimmung der energetischen Eigenschaften von Böden, d.h. komplexer Moleküle wie der SOM eingebettet in einem reaktiven mineralischen Medium. Dies erfordert gleichzeitig die Adaptation und Ermittlung der Vergleichbarkeit kalorimetrischer Methoden bei der Untersuchung von Böden als zentrale Forschungsaufgabe für den SPP. (ii) Die Integration und Synthese der Daten aus den (Kern) Experimenten der ersten Phase entlang der Datenraumachsen Böden, Substrate und Randbedingungen erfordert deren Kombination in einem Modellierungsdatenraum. Die Daten müssen vollständig statistisch ausgewertet und für eine harmonisierte Beschreibung in Übereinstimmung mit den thermodynamischen Zustandsgrößen parametrisiert werden. Die forschende Datenzusammenführung wird durch eine Dreiergruppe zum Datenmanagement, Synthese und machine learning Modellierung (Mercator-Fellow) forciert.
Heutige biologische und einstellbare Leuchtmittel, die lebende Bausteine integrieren, sind im Wesentlichen auf Zellen beschränkt, die Biochemilumineszenz mit begrenzter Stabilität und Lichtausbeute nutzen (d. h. einige Tage bei Lichtausbeuten <5 lm/W). Tatsächlich gibt es keine Beispiele für lebende Leuchtmittel, die Photonenumwandlungssysteme zur Manipulation von Licht nutzen. Wir haben kürzlich eine neue Methode zur Herstellung lebender Farbfiltern mit Vibrio natriegens entwickelt. Dieses Bakterium weist (I) ein vielversprechendes Potenzial für die Biotechnologie mit einer außerordentlich hohen Wachstums- und Substratverbrauchsrate, (II) einen bereits sehr guten Ertrag bei der Expression hochwertiger fluoreszierender Proteine (FP) und (III) eine vielversprechende Kompatibilität mit Matrizen, die für Leuchtmittel von großem Interesse sind, auf. Tatsächlich haben vorläufige Experimente Leuchtmittel erzeugt die eine bessere Leistung aufweisen als diejenigen die mit denselben FP in Referenzmatrizen hergestellt wurden. Die aktuellen Hindernisse hängen mit dem Mangel an grundlegendem Wissen zusammen, um (I) die Expression beliebiger FP erfolgreich zu optimieren, (II) die Widerstandsfähigkeit und Kompatibilität in den Matrizen zu verbessern, (III) eine Anpassungsfähigkeit an externe Reize einzuführen und (IV) die besten Leuchtmittelarchitekturen und Betriebsarten zur Maximierung der Leuchtmittelleistung zu erstellen. Das ENABLED-Projekt wird all diese offenen Fragen bearbeiten und dabei die Disziplinen Metabolic Engineering, Synthetische Biologie, Materialwissenschaft und Biooptoelektronik miteinander verbinden. ENABLED wird insbesondere grundlegende Konstruktionsregeln für die Entwicklung von V. natriegens-Stämmen mit (I) optimierter flexibler Einzel- und Doppelemission, (II) verbesserter Widerstandsfähigkeit in Farbfiltern, um ihre Wiederverwertbarkeit nach der Verwendung in Leuchtmitteln zu ermöglichen, und (III) einer Anpassungsfähigkeit an die Temperatur in Farbfiltern, um die Zellregeneration nach der Verwendung in den Leuchtmitteln zu ermöglichen. Dies wird es uns ermöglichen, eine neue Familie von Regenbogen- und weißen Bakterien-Hybrid-Leuchtdioden einzuführen, die bislang nicht zur Verfügung stehen.
Die Intensität und Häufigkeit von Dürren haben in den letzten zehn Jahren dramatisch zugenommen. Viele Wälder haben eine hohe Dürre-Anfälligkeit gezeigt, aber die Reaktionen sind komplex und nicht einheitlich, auch nicht für Bäume derselben Art. Um zu verstehen, wie Bäume auf künftige Klimabedingungen reagieren werden, ist es von größter Bedeutung auch ihre Anpassungsfähigkeit zu berücksichtigen. Änderungen der hydraulischen Eigenschaften des Xylems sind mittel- bis langfristige Anpassungen, die sich aus der Reaktion eines Baumes auf den Verlauf der Umweltbedingungen ergeben, denen er im Laufe seines Lebens ausgesetzt ist. Die Interaktion der daran beteiligten Treiber und Prozesse wie Wasserverfügbarkeit, Xylembildung, Kavitation, hydraulische Leitfähigkeit und Baumwachstum zu verstehen und zu beschreiben stellt für die Wissenschaft weiterhin eine Herausforderung dar. Mithilfe Individuen-basierter Modelle können die zugrundeliegenden Mechanismen direkt beschrieben und Merkmale als emergente Eigenschaften modelliert werden, wodurch diese Modelle auch besser als andere für Prognosen geeignet sind. Mit dem vorgeschlagenen Projekt beabsichtigen wir, das Verständnis über die Wechselwirkungen zwischen Baumwachstum, hydraulischer Architektur und Wasserverfügbarkeit zu erweitern, indem wir Muster holzanatomischer Studien für die Entwicklung eines neuen Individuen-basierten Xylem-Wachstumsmodells übernehmen und dieses in bestehende Waldsimulationsmodelle implementieren. Diese Arbeit wird sich auf einen bereits entwickelten Modellprototyp stützen und systematisch empirisch abgeleitete Hypothesen über die Interaktion von Prozessen testen. Das entwickelte Modell wird schließlich dazu dienen, die individuelle, adaptive, jährliche Veränderung der Xylemeigenschaften als Reaktion auf die Dynamik der Umweltbedingungen zu simulieren. Langfristige holzanatomische Daten aus Herkunftsexperimenten von Fagus sylvatica und Quercus rubra werden zur Modellanpassung und Kreuzvalidierung verwendet. Die Daten werden uns ermöglichen das Modell sowohl für diffus- als auch für ringporige Baumarten zu parametrisieren und die herkunftsspezifische Plastizität der Xylembildung zu charakterisieren. Mithilfe von Simulationsexperimenten sollen letztlich Chancen und Risiken unterschiedlich plastischen Xylem-Bildungsverhaltens unter verschiedenen Szenarien des Klimawandels identifiziert werden, sowohl auf Einzelbaum- wie auch auf Bestandesebene. Für letzteres soll das Xylem-Wachstumsmodell als Baustein für die Simulationsumgebung pyMANGA zur Verfügung gestellt werden, was die Integration des Xylem-Wachstumsmodells in einen bereits bestehenden Waldbestandssimulator ermöglicht. Mit dieser Erweiterung wird schließlich die lokale Konkurrenz vieler Bäume mit sich gleichzeitig entwickelnden Xylem-Merkmalen simuliert und untersucht wie sich unterschiedliche Zusammensetzungen von Arten des Xylem-Bildungsverhaltens auf die Widerstandsfähigkeit zukünftiger Waldökosysteme auswirken.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 124 |
| Land | 3 |
| Wissenschaft | 47 |
| Type | Count |
|---|---|
| Ereignis | 1 |
| Förderprogramm | 123 |
| License | Count |
|---|---|
| Offen | 124 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 121 |
| Englisch | 91 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Datei | 1 |
| Keine | 54 |
| Webseite | 70 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 90 |
| Lebewesen und Lebensräume | 117 |
| Luft | 72 |
| Mensch und Umwelt | 124 |
| Wasser | 62 |
| Weitere | 124 |