Die taxonomische und funktionelle Diversität sowie die Dynamik des prokaryotischen Bodenmikrobioms werden entlang der Umwandlung von tropischem Flachlandwald in Kautschuk- und Ölpalmplantagen in Abhängigkeit von Landnutzung, Bewirtschaftungsform und Bodencharakteristika untersucht. Zur Identifizierung von Veränderungen der funktionellen und taxonomischen Zusammensetzung der gesamten und aktiven mikrobiellen Bodengemeinschaften werden phylogenetische und funktionelle Profile mit Hilfe von metagenomischen und. -transkriptomischen Verfahren erstellt, verglichen und mit abiotischen und biotischen Parametern korreliert.
Bereitstellung standardisierter automatisierter Testmethoden zur Bestimmung der Oekotoxizitaet, der Mutagenitaet und Genotoxizitaet sowie der Humantoxizitaet von Schadstoffen in Umweltproben. Bestehende Testverfahren sollen durch neue Verfahren ergaenzt und erweitert, sowie in miniaturisierte Form, d.h. in einen Mikrotiterplattenmassstab ueberfuehrt werden. Dies soll zukuenftig eine kostenguenstige Testung grosser Probenzahlen ermoeglichen. Die Testsysteme sollen von Endpunktmessungen auf kinetische Datenaufnahme durch kontinuierliche Messung umgestellt werden. Dies ermoeglicht eine wesentliche Steigerung von Aussagefaehigkeit, Testempfindlichkeit und -sicherheit. Im vergangen Bearbeitungsabschnitt wurden grundlegende Arbeiten zur Etablierung und Miniaturisierung der einzelnen Testverfahren durchgefuehrt. Die Testanforderungen, -designs, -layouts und -probleme wurden definiert. Die Zellvermehrungshemmtests mit Vibrio fischeri, Pseudomonas putida und Photorhabdus luminescens sowie die Lumineszenzhemmtests mit V. fischeri und Ph. luminescens liegen in miniaturisierten Verfahren vor. Die Validierung der miniaturisierten Tests wurde begonnen und anhand vorrangiger Fragestellungen wie Probenvor- und -aufarbeitung, Eignung der Systeme fuer bestimmte Probengruppen, Reproduzierbarkeit und Optimierung der Aussagefaehigkeit der Testsysteme, gewichtet. Schwerpunkte bildete vor allem eine Modifikation der Auswertungsmoeglichkeiten, um einer kinetischen Datenaufnahme gerecht werden zu koennen. Die Testung mit komplexen Umweltproben wurde systematisch neben der Testung von Referenz- und Einzelproben vorgenommen. Die Validierung mit unterschiedlichen Probenmaterialien und eine Zusammenstellung von Kenndaten (G und EC-Werten) dauert an.
So far, studies of the functional relevance of bacterial diversity have mostly been limited to a few groups of Proteobacteria involved in the N-cycle and to rhizosphere bacteria. Results of the preceding funding period revealed that Acidobacteria represent up to 64% of all bacteria in soils of the three exploratories and that the specific physiological activity of Acidobacteria is unexpectedly high particularly in soils from the Schwäbische Alb. Using a land use gradient across the three exploratories as the major variable, we propose to conduct a detailed study of the composition, physiological key traits and the functional implications of Acidobacteria diversity. In order to identify the determinants of Acidobacteria diversity and activity, deep sequencing of ribosomal RNA genes and quantification of the ribosome content will be conducted for samples from all 300 experimental plots and their correlation with environmental parameters will be investigated by multivariate statistical analyses. The effects of spatial and short-term temporal variability of the Acidobacteria community structure will be studied for a selected plot. Novel information on the metabolic traits of dominant soil Acidobacteria will be obtained by analyses of existing metagenomic libraries and by characterizing representative isolates. The functional diversity and role of Acidobacteria in the soil carbon and nitrogen cycles will be resolved using a combination of stable isotope probing and capture probing of incorporated carbon substrates.
Karst-Aquifere sind besondere Grundwasserökosysteme, mit einmaligen Merkmalen in Bezug auf deren Hydrogeologie und Biogeochemie sowie deren Anfälligkeit gegenüber exogenen Kontaminationen. Im Gegensatz zu porösen Aquiferen, weisen Karstaquifere mit ihren Felsenstrukturen und großen Leitungs- und Tunnelsystemen charakteristische und sehr dynamische Schüttungsmerkmale auf welche wesentlich von ihren jeweiligen Einzugsgebieten abhängen. Karst-Aquifere sind damit besonders anfällig für Umwelteinwirkungen und Umweltveränderungen. Derzeit werden große Anstrengungen unternommen um Schutzstrategien für die Einzugsgebiete zu entwickeln um eine entsprechende Wasserqualität aufrechtzuerhalten. Grundlage dafür ist ein umfassendes Verständnis für Karstwassergebiete welches nur durch den Einsatz unterschiedlichster Wissenschaftsdisziplinen erreicht werden kann. In Berggebieten wie Österreich spielen Grundwasser von Bergkarstaquiferen eine wesentliche Rolle für die öffentliche Wasserversorgung. Bisher haben sich Untersuchungen von mikrobiologischen Gemeinschaften in Bergkarstökosystemen fast ausschließlich auf einen kleinen Bruchteil von Mikroben konzentriert, nämlich auf mikrobiologische Fäkalanzeiger beschränkt. Das Forschungsprojekt beschäftigt sich mit folgenden Fragen der Karstwassermikrobiologie: i) Die allgemeine Charakterisierung der Dynamik der Gesamtzahl an Prokaryoten, Protozen-, und Viren direkt gezählt im Quellwasser von repräsentativen Bergkarstaquiferen, ii) Die Identifikation der eubakteriellen-Gemeinschaftstruktur sowie der Dynamik der dominierenden Quellwasserpopulationen mittels molekularbiologischer Methoden, iii) die Abschätzung der Unterscheidungsmöglichkeit zwischen der eubakteriellen autochthon- und allochtonen- mikrobiologischen Endokarst-Gemeinschaft, iv) und die vergleichende Analyse der Gemeinschaftstrukturen der befestigt- (Biofilm) versus der eingetragenen eubakteriellen-Gemeinschaft.
Gesundheitliche Relevanz von spezifischen Kontaminationen von Trinkwasser ist derzeit noch äußerst unvollständig. Das Ziel des Verbundvorhabens ToxBox ist es, in einem Leitfaden eine harmonisierte Teststrategie für ein gefährdungsbasiertes Risikomanagement von anthropogenen Spurenstoffen zu erarbeiten. TP 4: Ziel von SWITCH ist es, die genotoxische Wirkung der zu untersuchenden Proben in einem prokaryotischen System zu messen, das auf DNA-Schäden mit der Induktion eines enzymatischen Reparatursystems reagiert. Es sollen die primären durch Schadstoffe und -gemische hervorgerufenen Veränderungen am Erbgut quantitativ erfasst werden. TP 7: Ziel von NF-kB ist es, die toxikologische Potenz eines Belastungsszenariums zu ermitteln. Dazu werden rekombinante humane Reporterzelllinien, mit deren Hilfe die Aktivierung des Transkriptionsfaktors NF-kB visualisiert werden kann, verwendet. 2. Arbeitsplan: Die Zell-Linien werden mit verschiedenen Klassen von Genotoxinen und Umweltproben in unterschiedlichen Konzentrationen behandelt, die in den Screening-Experimenten der TP4 als Kandidaten mit einen möglichen Gefährdungspotential identifiziert wurden. Die Ergebnisse werden in Form von Dosiseffektbeziehungen dargestellt und übliche Kennzahlen zur Bestimmung eines toxischen Potentials (Induktionsfaktoren, Effektive Konzentrationen) werden daraus abgeleitet. Damit werden den regulativen Gremien für die Zukunft bedeutsame Informationen für die Entscheidungsfindung gegeben.
Die Änderung biologischer Produktion und Artenzusammensetzung in Abhängigkeit von pCO2 und Temperatur sollen im Rahmen des BIOACID Projektes in den vorliegenden Konsortien untersucht werden. Das Konsortium 0 wird die organisatorische und logistische Aufgaben für das BIOACID Projekt übernehmen. In Zusammenarbeit mit dem gesamten Konsortium 1 sollen Mesokosmos Experimente im Gullmar Fjord, Schweden und vor den Kanarischen Inseln durchgeführt werden, vervollständigt durch Laborstudien. Der Schwerpunkt der Arbeiten liegt auf der direkten Kopplung der Primärproduzenten und der mikrobiellen Gemeinschaft im Pelagial, unter natürlich schwankenden , sowie anthropogen erhöhten CO2 Bedingungen. Die Langzeitanpassung von Bakterien aus der Redoxkline wird zusammen mit den Indoor-Mesoksomen Langzeitexperimenten des Konsortiums 1 geplant. Im Konsortium 2 sollen Auswirkungen der Versauerung auf benthische Organismen betrachtet werden. Übergeordnetes Ziel des Projektes ist es, die Langzeitanpassungsfähigkeit der Gemeinschaft zu testen und Prognosen auch hinsichtlich zukünftiger Änderungen biogeochemischer Flüsse zu treffen und die Ergebnisse in Modellberechnungen einzuspeisen. Konsortium 0 stellt Analysen des Karbonatsystems zur Verfügung. Im Konsortium 1 erfolgen sowohl Langzeit- Indoor- Meskokosmos Versuche, als auch Freiland Mesokosmen in der Ostsee sowie dem Atlantik. Konsortium 2 führt Benthoskosmen und Freilandstudien durch.
Mit dem Projekt sollen die technischen Voraussetzungen für die konsequente Erschließung der umfangreichen, aber sehr verstreuten Informationsressourcen zu prokaryotischen Taxa für die Global Biodiversity Information Facility (GBIF) mit anschließender Integration dieser Daten in die bestehende Datenbankstruktur geschaffen werden. Damit leistet das Vorhaben einen essentiellen Beitrag zu den im Rahmenpapier zum GBIF-D Verbundvorhaben ausgeführten, übergeordneten Vorhaben. Längerfristiges Ziel dieses Ansatzes ist eine direkte Verknüpfung biodiversitätsinformatischer Datensätze mit molekularbiologischen Datenbanken wie auch Umweltinformationssystemen, was Biodiversitätsanalysen der nächsten Generation (funktionelle Diversität, Wechselwirkungen zwischen Diversität und Ökosystemservices) ermöglichen wird. 1) Aufnahme weiterer Sammlungen von Universitäten und Forschungsinstitutionen in den deutschen Prokaryoten-Knoten 2) Erweiterung der Anzahl der Datenbankfelder, die zur Zeit für GBIF bereitgestellt werden 3) Definition neuer Datenbankfelder (Ergänzung des ABCD-Schemas um weitere Felder des so genannten Full Data Sets von MINE und CABRI) 4) Aktualisierung und Ergänzung der derzeit in GBIF vorgehaltenen Daten, insbesondere um geographische, physiologische, biotechnologische, umweltmikrobiologische und Biomarker-Daten durch literature und data mining 5) Verbesserung der Nutzung von verknüpften Informationen durch Etablierung eines semantischen Webs
Die Biopolymere Zellulose und Chitin in Pflanzen, Pilzen und Arthropoden sind Bestandteile der organischen Substanz in landwirtschaftlichen Böden und stellen wichtige Kohlenstoffquellen für mikrobielle Gemeinschaften im Boden dar. Bodenaggregate belüfteter Böden kreieren natürliche Grenzflächen zwischen oxischen Bedingungen außerhalb und sauerstoff-limitierten innerhalb. Diese biogeochemischen Grenzflächen führen zu einer sehr heterogenen und dynamischen Sauerstoffverteilung auf der Millimeterskala. Die Effekte und Mechanismen der Toxizität von Herbiziden auf biopolymer-abbauende Mikroorganismen in einer solch stark kompartimentalisierten Umwelt sind nicht bekannt. Das Projekt stellt eine Fortsetzung eines laufenden Projektes im Schwerpunkt Programm 1315 'Biogeochemical Interfaces in Soil' dar. Das vorgegangene Projekt hat bislang Prokaryoten identifiziert, die unter oxischen oder anoxischen Bedingungen am Zelluloseabbau beteiligt sind und nachgewiesen, dass die Herbizide Bentazon und MCPA mikrobielle Prozesse beim Bioploymerabbau inhibieren. Das beantragte Projekt wird (1) chitinabbauende Prokaryoten, Pilze und Protisten, die in oxischen und anoxischen Mikrozonen aktiv sind, identifizieren, (II) die Toleranz von zellulolytischen und chitinolytischen Taxa hinsichtlich Bentazon und MCPA bestimmen, (III) wichtige Chitin-Abbauer charakterisieren und (IV) die Verteilung von Sauerstoff im Boden beim Biopolymerabbau quantifizieren. Zentrale Methoden werden SIP, 16S rRNA-, 18S rRNA- und Chitinase-Gen-Analysen, HPLC, GC und Sauerstoffdetektion mittels Fluoreszenzfarbstoffen sein.
The functional biodiversity and differential regulation of subpopulations of prokaryotic biomes associated with atmospheric chemistry will be investigated. The study will address the question 'What determines what one gets?' with a comprehensive, integrative experimental design that will evaluate soils under contrasting land-use. The objectives are to (a) assess denitrifier and methylotroph diversities by complementary cultivation and functional gene analyses, (b) determine the effect of land-use on activities of denitrifiers and methylotrophs, (c) identify active denitrifiers and methylotrophs by mRNA analyses and stable isotope probing, (d) identify novel genotypes, (e) resolve temporal/spatial variations in community structures and develop a diagnostic functional gene microarray, and (f) establish a functional gene-based 'ecotype concept' for denitrifiers and methylotrophs. An additional outcome will be the improvement of methods for the assessment of these functional groups. By correlating data on functional diversity and activity with the database on in situ soil parameters of the biodiversity exploratories, this work will also increase our understanding of how prokaryotic diversity impacts on ecosystem function and provide insight into factors that might drive prokaryotic speciation.
Aufgabenstellung: Der Forschungsschwerpunkt von Teilprojekt 5 lag auf der Untersuchung bakterieller Schlüsselspezies in ausgewählten Bodenökosystemen Namibias. Zur Identifizierung der Bodenbakterien sollten hochauflösende molekulare fingerprinting-Methoden eingesetzt werden. Parallel sollte die physiologische Aktivität der Bodenbakterien in dem Probenmaterial erfasst werden. Ein drittes Ziel war die Anreicherung, Isolierung und Charakterisierung relevanter Bakterienarten. Die Untersuchungen sollten sich auf die Wechselwirkung zwischen der Landnutzung und der Zusammensetzung und Aktivität der mikrobiellen Gemeinschaft konzentrieren, da über den Zusammenhang dieser Variablen in tropischen und subtropischen Böden bislang nur sehr wenig bekannt war. Übergeordnetes Ziel des Projektes war ein verbessertes Verständnis der Rolle bakterieller Gemeinschaften für die Ökosystemfunktionen und Ökosystemservices in Böden des südlichen Afrika mit der langfristigen Perspektive eines Beitrags zur Bodenrestauration und nachhaltigen Entwicklung der dortigen Böden.
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