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Biofilme, Makromoleküle und organische Restsubstanzen als Matrizen bei der Bildung von Organo- und Biomineralen - Geobiologische Faktoren bei der Evolution der Biomineralisation

Durch vergleichende Analyse von Organo- und Biomineralen aus evolutionsbiologisch zunehmend komplexeren Systemen - von Organofilmen (Ooide) über Biofilme zu Poriferen - sollen systemspezifische Wechselwirkungen zwischen Makromolekülen und Mineralphasen sowie Steuerungsmechanismen der Mineralbildung aufgezeigt werden. Dazu werden aus verschiedenen Habitaten (Hartwasserseen, Salzseen, Sodaseen, Meerwasser) makromolekulare Überzüge (Organofilme), polysaccharidreiche phototrophe und heterotrophe Biofilme sowie proteinreiche heterotrophe BiofilmMetazoen-Gemeinschaften (Riffhöhlen) untersucht. Ausgehend von der hydrochemischen Charakterisierung der Habitate, wird eine biochemische Charakterisierung der primären organischen Substanzen und Matrix sowie der Restsubstanzen in den assoziierten Mineralisaten durchgeführt. Eine strukturelle und mikrobiologische Analyse der beteiligten Organo- und Biofilme folgt (histochemische Färbungen, Applikation von Oligonukleotidsonden zur in situ Identifikation nicht-phototropher Bakterien - FISH). In kontrollierten Experimenten wird mittels kultivierter Mikroorganismen, Labor-Biofilme und extrahierter organischer Substanzen eine Fällung induziert. Die aus den Fallbeispielen abgeleiteten Steuerungsmechanismen der Mineralisation werden unter dem Mikroskop u.a. mit Ionen- und pH-sensitive Fluorochromen zur qualitativen Messung von chemischen Mikrogradienten und durch elektronenoptische Charakterisierung der Fällungsprodukte verifiziert. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Produktion und dem Abbau Ca2+-adsorbierender extrazellulärer polymerer Substanzen (EPS), die in Organo- und Biofilmen bezüglich Nukleation, Fällung und Gefügebildung von entscheidender Bedeutung sind und Voraussetzungen für eine enzymatisch gesteuerte Biomineralisation darstellen.

Photochemische Stabilitaet einfacher Nitrosaminverbindungen unter atmosphaerischen Bedingungen

Nitrosamine sind ausgesprochen starke Karzinogene. Ihre Bildung im Magen durch die mit der Nahrung oder Pharmakas aufgenommenen Vorstufen gilt als gesichert. In Loesungen zersetzen sie sich beim Bestrahlen mit Sonnenlicht relativ schnell. Das Vorkommen von Nitrosaminen in der Atmosphaere und damit ihr Einatmen wurde bisher nicht in Erwaegung gezogen, da man auch unter diesen Bedingungen mit einer schnellen photochemischen Zersetzung durch das Sonnenlicht rechnete. Dieser Aufnahme stehen die 1975 in der Atemluft einiger amerikanischer Grosstaedte entdeckten Nitrosaminkonzentrationen entgegen. Bis Heute liegen jedoch keine detaillierten Untersuchungen ueber das Verhalten der Nitrosamine unter atmosphaerischen Bedingungen (Gasphase) vor. Die Aufklaerung des physikalisch-chemischen Verhaltens der Nitrosamine in der Gasphase koennte der Krebsforschung und dem Gesetzgeber neue Erkenntnisse und Entscheidungshilfen geben.

Derives des hydrocarbures polyaromatiques en atmosphere oxydante (FRA)

La strategie de surveillance des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) dans l'environnement general est basee sur le prelevement et l'analyse de ces substances a l'etat inchange. Du point de vue de la toxicite, il est apparu que les derives nitres des hap possedent un pouvoir mutagene direct, c'est-a-dire sans qu'ils soient metabolises par les enzymes microsomales. De plus les hap sont connus pour se transformer sous l'influence de l'oxygene et de la lumiere. Les produits d'oxydation et leur toxicite sont encore insuffisamment explores. Cette labilite en atmosphere oxydante et l'activite biologique des derives des hap incitent a une investigation plus fouillee, d'autant que les donnees dans la litterature restent fragmentaires. Le projet a pour but: - D'etudier la formation et la stabilite des derives NO2 des HAP en atmosphere experimentale; - de developper une methodologie de prelevement et d'analyse des nitro-HAP et des HAP oxydes; - d'evaluer les niveaux d'immission en relation avec les autres parametres atmospheriques. (FRA)

Untersuchungen zum photochemischen Abbau von gasfoermigen Pestiziden in der Troposphaere

Die Anwendung gasfoermiger Pestizide bringt es mit sich, dass Reste der toxischen Gase in die Troposphaere gelangen. Um entscheiden zu koennen, ob dort eine Anreicherung der Gase erfolgt, sind die chemischen Abbaumechanismen zu erforschen und kinetisch-quantitativ zu bestimmen. Als wesentlichste Abbaureaktion kann die Umsetzung mit OH-Radikalen angesehen werden. Es werden daher primaer die Reaktionen von OH-Radikalen mit HCN, CH3Br, C2H4O sowie PH3 und deren Homologe zu vermessen sein.

Natriummonochloracetat - Toxizitaet und Wirkmechanismus

Monochloressigsaeure (MCAA) bzw. das Natriumsalz der Monochloressigsaeure (SMCA) wird in der chemischen Industrie vielfach als Zwischenprodukt fuer chemische Synthesen verwendet. In der Umwelt findet es sich in geringen Konzentrationen durch die Photooxidation chlorierter Kohlenwasserstoffe. Durch das Forschungsvorhaben soll geklaert werden: 1. Organspezifische Toxizitaet (Niere, Leber, Haut). 2. Wirkmechanismus nach Aufnahme (Zellorganellen, Metabolismus). 3. Antidots bei akuten Intoxikationen.

Einfluß von Mangan auf Redoxprozesse im Blattapoplasten und deren Bedeutung für die Mangan-Gewebetoleranz bei Cowpea (Vigna unguiculata (L.) Walp.

Die physiologischen Ursachen von Mn-Toxizität und Unterschieden in der Mn-Gewebetoleranz in Abhängigkeit vom Genotyp, Blattalter, Si-Versorgung und Form der N-Ernährung (NO3-N versus NH4-N) sind noch weitgehend ungeklärt. Vorliegende Informationen aus der Literatur und insbesondere die eigenen Vorarbeiten weisen darauf hin, daß die Wirkungen von Mn auf Redoxprozesse im Blattapoplasten entscheidend für Mn-Toxizität und Mn-Toleranz sind. Im Vordergrund des beantragten Vorhabens soll daher die Untersuchung dieses Kompartiments stehen. Bei Cowpea (Vigna unguiculata (L.) Walp.) soll mit Hilfe von histochemischen Methoden überprüft werden, ob ein erhöhtes Mn-Angebot zu einem vermehrten Auftreten von reaktiven Sauerstoffspezies im Zellwandbereich führt. Neben der Bestimmung der antioxidativen Substanzen Ascorbinsäure, Glutathion und a-Tocopherol (Zusammenarbeit mit der AG Noga, Universität Bonn) des Apoplasten und Cytosols, des im Cytoplasma vorliegenden regenerativen Halliwell-Asada-Zyklus (Monodehydroascorbat- und Dehydroascorbat-Reduktase bzw. Glutathion-Reduktase) soll eine Charakterisierung der im Blattapoplasten lokalisierten Enzyme Peroxidase und Superoxid-Dismutase sowie der im Apoplasten vorkommenden Phenole vorgenommen werden, deren Zusammensetzung als mitentscheidend für die physiologischen Ursachen der Mn-Gewebetoleranz angesehen wird. Aufgrund der erwarteten Parallelen zwischen Mn- und Ozon-Toxizität soll vergleichend auch die Mn- bzw. Ozon-Toleranz verschiedener Pflanzenarten in Kooperation mit der AG Langebartels (GSF, Oberschleißheim) untersucht werden. Die Freisetzung von Ethan und Ethen als Indikatoren von Membranperoxidation soll mit Hilfe der hochempfindlichen Technik der Photoakustik in Zusammenarbeit mit der AG Kühnemann (Universität Bonn) bestimmt werden. Es wird erwartet, daß das Vorhaben zur Klärung der physiologischen Ursachen von Mn-Toxizität und Mn-Toleranz beiträgt.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1833: Building a Habitable Earth, Der Einfluss atmosphärischer, biologischer und geologischer Prozesse auf die Große Sauerstoffkatastrophe

Die große Sauerstoffkatastrophe (Great Oxidation Event - GOE) kennzeichnet den starken Anstieg von molekularem Sauerstoff (O2) in der Atmosphäre während der Frühgeschichte der Erde, was flächendeckende Habitabilität ermöglicht und komplexes Leben auf der Erde erlaubt. Viele Fragen sind diesbezüglich weiterhin offen. Was dazu führte, dass sich Sauerstoff in der Atmosphäre anreicherte, der Zeitpunkt und das Ausmaß sind nicht gut bestimmt. Erst jetzt ist es möglich die komplizierten Wechselwirkungen zwischen atmosphärischen, biologischen und geologischen Prozessen zu identifizieren. Das sich daraus ergebende Absterben methanogener Lebensformen und das Auftreten eines sogenannten Schneeball-Erden-Zustandes sind Beispiele für die extremen Auswirkungen des GOE. Eine zentrale Frage, die wir untersuchen, ist ob der GOE in einem linearen oder, aufgrund einer möglichen Bistabilität von Sauerstoff, in einem sprungweisen Anstieg von O2 erfolgte. Des Weiteren studieren wir den Einfluss des Kohlenstoffzyklus und des Klimas auf die Charakteristika und den Zeitpunkt des GOE. Wir wenden unsere Erfahrung in eindimensionalen (1D) und 3D Klimamodellierungen an, um die Auswirkung unterschiedlicher Klima auf den GOE zu ermitteln. Um dies zu erreichen entwickeln und verwenden wir unser einzigartiges Atmosphärenmodell mit detailliertem Sauerstoffzyklus (inklusive zum Beispiel Verwitterungsprozesse, atmosphärische Photochemie) welches die Atmosphäre, Biosphäre und Geosphäre umfasst. Ein wichtiges Ziel ist die Analyse der Kernprozesse für den GOE unter der Berücksichtigung jüngster Ergebnisse geologischer Untersuchungen (zu zum Beispiel Oberflächendruck, atmosphärischen Treibhausgases, usw.).

Oxidativer Stress in Pflanzen: Die Bedeutung eines neu entdeckten Enzyms, der Alkylhydroperoxid Reduktase

Die zunaechst aus Saeugetieren und Pilzen beschriebene Alkylhydroperoxid Reduktase ist in photoautotrophen Organismen in Chloroplasten lokalisiert. Sie dient dort offenbar der Entgiftung von Alkylhydroperoxiden, die als Nebenprodukte der Lipidsynthese und als Folge der Photochemie entstehen und ueber groessere Distanzen hinweg oxidativen Schaden bewirken koennen. Gegenstand dieses Vorhabens ist die Analyse der biochemischen und genetischen Regulation der Alkylhydroperoxid Reduktase. Inzwischen liegen transgene Suppressionsmutanten von Arabidopsis thaliana und der Blaualge Synechocystis vor, die eine erhoehte Stress-, vor allem Lichtempfindlichkeit aufzeigen.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1294: Bereich Infrastruktur - Atmospheric and Earth system research with the 'High Altitude and Long Range Research Aircraft' (HALO), Chemische Zusammensetzung, Umwandlung und Wolkenaktivierungseigenschaften von Submikrometer-Aerosolpartikeln in Abluftfahnen großer Ballungszentren

Bevölkerungsreiche Ballungszentren stellen konzentrierte Quellen für anthropogene Emissionen dar. Das Ziel der HALO-Mission EMeRGe ist die Untersuchung der Transportwege und der Umwandlungsprozesse der gas- und partikelförmigen Emissionen in den Abluftfahnen solcher Ballungszentren in der freien und oberen Troposphäre. Dieses Teilprojekt legt den Schwerpunkt auf die chemische Charakterisierung der Partikelphase mittels Aerosolmassenspektrometrie sowie auf die Untersuchung der Wolkenaktivierungseigenschaften der Partikel. Mit einem Compact Time-of-Flight Aerosol Mass Spectrometer (C-ToF-AMS) und einem Single Particle Soot Photometer (SP2) kann die chemische Zusammensetzung und die photochemische Prozessierung der Aerosolpartikel nahezu vollständig erfasst werden. Mikrophysikalische Partikeleigenschaften wie Größenverteilung und Anzahlkonzentrationen in verschiedenen Größenbereichen tragen zur Charakterisierung der Partikel bei. Die größenselektierten Messungen der Wolkenaktivierungseigenschaften der Partikel werden im Zusammenhang mit der beobachteten Änderung der chemischen Zusammensetzung (Oxidation) betrachtet, so dass der Einfluss der Emissionen auf die Wolkenbildung untersucht werden kann. Weiterhin wird untersucht, ob die Emissionen bis in die obere Troposphäre oder sogar in die Tropische Übergangschicht (Tropical Transition Layer, TTL) gelangen können, wodurch sie für den weiteren Transport in die untere Stratosphäre zur Verfügung stünden.

Etude des phenomenes photochimiques dans une masse d'air au moyen d'un ballon a air chaud (FRA)

L'evolution d'une masse d'air sous l'influence du rayonnement solaire fait l'objet de speculations dont la verification experimentale s'avere problematique. L'utilisation d'un ballon a air chaud qui, tout en la perturbant au minimum, est entraine par la masse d'air devrait permettre de donner des indications interessantes sur la validite des theories en vigueur. Dans un premier temps l'equipement du ballon a air chaud permettra la mesure de l'ozone et du dioxyde d'azote. (FRA)

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