Im Rahmen der Diskussion um die Immissionsbelastung unserer Waelder wurde bekannt, dass auch annuelle Pflanzen unter diesen Immissionen durch diese Immissionen geschaedigt werden. Es ist das Ziel der geplanten experimentellen Arbeit, den Wahrheitsgehalt des Hinweises zu ueberpruefen. Als Versuchspflanze dient zunaechst Weizen.
Die Untersuchungen dienen dem Ziel, Landschaften und Landschaftsteile unterschiedlich starker Kaltluftgefaehrdung gegeneinander abzugrenzen. Die Kenntnis der Kaltluftverteilung ist notwendig zur Beurteilung des Spaet- und Fruehfrostrisikos fuer empfindliche Sonderkulturen sowie zur Beruecksichtigung eventueller Belastungen durch Anreicherung von Emissionen in Kaltluftseen bei Inversionswetterlagen. Zur Erfassung der Kaltluftverteilung dienen vorrangig Temperaturmessfahrten, deren Ergebnisse an den Werten einer Basisstation im Gelaende geeicht werden. Zusaetzlich werden nach Spaet- bzw. Fruehfroesten die an bestimmten Testpflanzen eingetretenen Schaeden bonitiert und in Karten festgehalten. Die langjaehrige Sammlung und Auswertung dieser Ergebnisse ermoeglichen Zunehmend besser abgesicherte Abgrenzungen von Stufen unterschiedlich starker Kaltluftansammlung und Frostgefaehrdung, die in Karten dargestellt werden und damit eine wichtige Planungsgrundlage bilden.
In Teilprojekt A01 werden an den limnischen Organismen Wasserfloh (Daphnia) und der Zebramuschel (Dreissena polymorpha) Effekte von Mikroplastik (MP) mit unterschiedlichen physikalischen und chemischen Materialeigenschaften im Vergleich zu natürlich vorkommendem partikulärem Material untersucht. Die Organismen wurden gewählt, da Wasserflöhe und Muscheln eine wichtige Rolle im aquatischen Nahrungsnetz spielen und beide als Filtrierer einer steten partikulären Fracht ausgesetzt sind, und somit ein erhöhtes Risiko haben im Wasser befindliches MP unselektiv zu ingestieren. Bei Daphnia werden klassische Lebenszyklusmerkmale, wie Mortalitätsrate, Wachstum und Anzahl der Nachkommen, sowie bei D. polymorpha das Verhalten und Stressmarker gemessen. Um die biologischen und biochemischen Mechanismen der MP-Effekte auf diese Organismen zu verstehen, werden die Transkriptome und Darmmikrobiome MP-exponierter Tiere analysiert und mit entsprechenden Kontrollen verglichen. Da Proteine eine zentrale Rolle in essentiellen Stoffwechselwegen und Signalkaskaden spielen, werden im Modellorganismus Daphnia zusätzlich MP-Effekte in einem holistischen und einem gewebespezifischen Ansatz auf der Ebene des Proteoms detailliert untersucht. Die erhaltenen Daten werden erheblich zur Aufklärung der Mechanismen negativer MP-Effekte auf diese Organismen beitragen.
Durch die Anwendung von Herbiziden in Gewaessern ist eine Beeintraechtigung des Wassers selbst sowie der Wasseroekologie moeglich. Mit Hilfe von Biotesten sollen derartige Veraenderungen nachgewiesen werden. Hierfuer sind geeignete Testorganismen erforderlich, die sowohl Aufschluss darueber geben, um welche Wirkstoffe es sich handelt, als auch eine ausreichende Empfindlichkeit erkennen lassen, damit selbst Spuren von Aktivsubstanzen angezeigt werden. Neben dem Nachweis von Wirkstoffen interessierte bei diesem Forschungsvorhaben vor allem die Beeinflussung der Wasserqualitaet. Hier ist es insbesondere die Sauerstoffkonzenerqualitaet. Hier ist es insbesondere die Sauerstoffkonzentration, deren Veraenderung zu einer erheblichen Beeintraechtigung der Biozoenose des Wassers fuehren kann. Aus diesem Grunde wurde daher vorrangig der Einfluss von verschiedenen Wasserherbiziden auf diese Konstante untersucht.
Die mikrobielle Umsetzung von organischem Material zu dem erneuerbaren Energieträger Methan ist eine bewährte und verbreitete Strategie der effektiven Abfallwirtschaft. In einem solchen methanproduzierenden Milieu nutzen elektrisch verbundene Bakterien und Archaeen direkten Interspezies-Elektronentransfer (DIET), als Alternative zum Interspezies-Formiat- und Wasserstofftransfer (IHT). Grundlegende Aspekte der mikrobiellen Ökologie in Bezug auf DIET sind dabei jedoch noch unerforscht, insbesondere der Stellenwert für die Biogasproduktion. Bis jetzt haben sich Studien zum Großteil auf DIET in Ko-Kulturen von wenigen Modellorganismen beschränkt, die für die Abwasserbehandlung in UASB-Reaktoren (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) eine Rolle spielen. Wir beabsichtigen weithin anwendbare Erkenntnisse über die Zusammenhänge der syntrophen mikrobiellen Gemeinschaft und dessen Funktion in mesophilen und thermophilen Biogasreaktoren mit Hilfe moderner molekularbiologischer und mikrobiologischer Methoden zu generieren, um letztendlich eine höhere Prozessstabilität und Effizienz zu ermöglichen. Zentrale Ziele sind die Identifizierung neuer Organismen die an DIET beteiligt sind und das Verständnis der zugrundeliegenden genetischen Mechanismen. Der Schwerpunkt wird auf Bioabfall vergärende Anlagen liegen, die sich wesentlich von mesophilen UASB Reaktoren durch Konstruktion, Betriebsweise, Temperatur und Substratzusammensetzung unterscheiden. Wir vermuten, dass DIET ein weit verbreiteter Alternativprozess zum IHT bei der anaeroben Vergärung von Biomasse ist, wobei beide Prozesse wahrscheinlich parallel ablaufen. In dem vorgeschlagenen Projekt wird DIET erstmals in thermophilen aber auch in mesophilen Systemen Gegenstand der Forschung sein. Ein weiteres Ziel ist die Identifizierung neuer Substrate, die von den syntrophen Konsortien während DIET umgesetzt werden können. Hier wird der Fokus auf syntrophe Propionat- und Butyratoxidierer liegen, die für den anaeroben Abbau von organischem Material eine Schlüsselrolle spielen. Mittels Metagenomik wird das Stoffwechselpotential rekonstruiert und Genexpressionsmuster im Zusammenhang mit IHT und DIET werden mittels Transkriptomik untersucht. DIET ist möglicherweise vorteilhaft für die Stabilität des Vergärungsprozesses, da die Produktion von Wasserstoff umgangen wird, welcher schon in geringer Konzentration die Oxidation von kurzkettigen Fettsäuren inhibieren kann. Deshalb planen wir physiologische Vorteile von DIET gegenüber IHT in Anreicherungskulturen zu untersuchen. Die zu erwartenden Ergebnisse sind essentiell um das Potential der Biogasproduktion im vollen Umfang auszuschöpfen. Darüber hinaus werden die Ergebnisse auch für andere Forschungsgebiete relevant sein, wo elektrisch verbundene Mikroorganismen eine Rolle spielen, beispielsweise bei der Minimierung von Treibhausgasemission in methanogenen Habitaten oder bei der Nutzung in mikrobiellen Brennstoffzellen.
Die streu- und humusfressende Makrofauna spielt eine wichtige Rolle beim Abbau und bei der Stabilisierung organischer Substanz im Boden. Anhand ausgewählter Modellorganismen (Käfer- und Dipterenlarven) soll untersucht werden, welche Rolle den besonderen physikochemischen Verhältnissen in den Intestinaltrakten dieser Tiere, insbesondere den extrem alkalischen Darmabschnitten, sowie der ausgeprägten Darmmikrobiota bei den Stabilisierungsprozessen zukommt. Mit chromatographischen und spektro-skopischen Methoden sollen die chemische und mikrobielle Transformation der organischen Substanz und der mikrobiellen Biomasse des Bodens verfolgt werden. Weitere Schwerpunkte liegen bei der Rolle von Humin-stoffen als Mediatoren der mikrobiellen Reduktion von Eisenverbindungen sowie beim Beitrag der mikrobiellen Produk-tion des Darms zur refraktären organischen Substanz in den Ausscheidungen der Tiere. Die Untersuchungen beinhalten den Einsatz von Mikrosensoren, die Mikroinjektion von Radiotracern und Fütterungsexperimente mit Huminstoff-Modellverbindungen.
Der Anbau von Heil-, Duft- und Gewuerzpflanzen hat in Thueringen grosse historische, landeskulturelle und wirtschaftliche Bedeutung. Da es sich aber bundesweit gesehen um Kulturen von geringem Anbauumfang handelt, sind nur wenige Pflanzenschutzmittel zur Bekaempfung von Schaderregern zugelassen. Dies hat zu einer Vielzahl von Bekaempfungsluecken gefuehrt, da auch alternative Verfahren des Pflanzenschutzes nicht zur Verfuegung stehen. Mittel- und langfristig wird der thueringische und deutsche Anbau dieser Pflanzen nur existenzfaehig sein, wenn wirksame und praxisreife Bekaempfungsverfahren gegen die Hauptschaderreger entwickelt werden. Hierzu wurden und werden Versuche in verschiedenen Kulturen durchgefuehrt.
Meeressedimente enthalten schätzungsweise größer als 10^29 mikrobielle Zellen, welche bis zu 2.500 Meter unter dem Meeresboden vorkommen. Mikrobielle Zellen katabolisieren unter diesen sehr stabilen und geologisch alten Bedingungen bis zu einer Million mal langsamer als Modellorganismen in nährstoffreichen Kulturen und wachsen in Zeiträumen von Jahrtausenden, anstelle von Stunden bis Tagen. Aufgrund der extrem niedrigen Aktivitätsraten, ist es eine Herausforderung die metabolische Aktivität von Mikroorganismen unterhalb des Meeresbodens zu untersuchen. Die Transkriptionsaktivität von diesen mikroben kann seit Kurzem metatranskriptomisch untersucht werden, z.B. durch den Einsatz von Hochdurchsatzsequenzierung von aktiv transkribierter Boten-RNA (mRNA), die aus Sedimentproben extrahiert wird. Tiefseetone zeigen ein Eindringen von Sauerstoff bis zum Grundgebirge, welches auf eine geringe Sedimentationsrate im ultra-oligotrophen Ozean zurückzuführen ist. Der Sauerstoffverbrauch wird durch langsam respirierende mikrobielle Gemeinschaften geprägt, deren Zellzahlen und Atmungsraten sehr niedrig gehalten werden durch die äußerst geringe Menge organischer Substanz, die aus dem darüber liegendem extrem oligotrophen Ozean abgelagert wird. Die zellulären Mechanismen dieser aeroben mikroben bleiben unbekannt. Im Jahr 2014 hat eine Expedition erfolgreich Sedimentkerne von sauerstoffangereichertem Tiefseeton genommen. Vorläufige metatranskriptomische Analysen dieser Proben zeigen, dass der metatranskriptomische Ansatz erfolgreich auf die aeroben mikrobiellen Gemeinschaften in diesen Tiefseetonen angewendet werden kann. Wir schlagen daher vor diese Methode mit einem hohen Maß an Replikation, in 300 Proben von vier Standorten, anzuwenden. Dieser Einsatz wird es uns ermöglichen, Hypothesen in Bezug auf zelluläre Aktivitäten unterhalb des Meeresbodens, mit einer beispiellosen statistischen Unterstützung, zu testen.Wir warden den aeroben Stoffwechsel, welcher die langfristige Existenz von Organismen in Tiefseetonen unterstützt, bestimmen, Subsistenzstrategien identifizieren in aeroben und anaeroben Gemeinden unterhalb des Meeresbodens, und extrazelluläre Enzyme und ihr Potenzial für den organischen Substanzabbau charakterisieren. Die folgenden Fragen werden damit beantwortet: Wie das Leben im Untergrund über geologische Zeiträume unter aeroben Bedingungen überlebt? Was die allgegenwärtigen und einzigartigen Mechanismen sind, die langfristiges Überleben in Zellen unter aeroben und anaeroben Bedingungen fördert? Was die Auswirkungen von Sedimenttiefe und Verfügbarkeit von organischer Substanz auf die mikrobielle Produktion von extrazellulären Hydrolasen unter aeroben und anaeroben Bedingungen sind? Dies wird sowohl ein besseres Verständnis dafür liefern, wie mikrobielle Aktivitäten unterhalb des Meeresbodens verteilt sind und was ihre Rolle in biogeochemischen Zyklen ist, als auch wie das Leben über geologische Zeiträume unter extremer Energiebegrenzung überlebt.
Im Projekt A02 sollen die Auswirkungen der Ingestion von Mikroplastik (MP) -Partikeln an zwei terrestrischen Modellorganismen, dem im Boden lebenden und Substrat-fressenden Kompostwurm Eisenia fetida sowie der Boden-nistenden omnivoren Ameisenart Camponotus floridanus, untersucht werden. Ziel ist es eine systematische Untersuchung der Effekte von MP der am weitesten verbreiteten und damit umweltrelevanten Kunststoffsorten mit unterschiedlichen Morphologien, Größe und Konzentration der Partikel mit zwei terrestrischen Modellorganismen durchzuführen, um die Wirkmechanismen besser verstehen zu können. Sowohl für E. fetida als auch C. floridanus soll untersucht werden, inwieweit sich diese Modell-MP-Partikel mit ihren unterschiedlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften auf die Fitness der Modellorganismen auswirken, und zwar sowohl auf phänotypischer Ebene (Mortalitätsrate, Anzahl Nachkommen) als auch auf Transkriptom-, und Proteomebene untersucht werden, um sublethale Stress- oder Immunreaktionen charakterisieren zu können. Zudem sollen mögliche Effekte von MP auf die Aktivität und Diversität des Darmmikrobioms und der Bereitstellung mikrobiell produzierter Gärungsprodukte und anderer Metabolite für den Wirt untersucht werden, denn solche Veränderungen könnten den Wirt indirekt beeinflussen. Wir erwarten, dass die Wirkmechanismen und biologischen Effekte von den chemisch-physikalischen Eigenschaften sowie der Morphologie der MP-Partikel abhängen.
Die oekologische Versuchsfarm des Instituts fuer Oekologie der Pflanzen im ariden Suedwesten Afrikas wird von einem Salzfluss durchschnitten, dessen Flussbett und Flussufer auf ca 10 km Laenge und 200 m Breite von dichten Phragmites-Bestaenden bewachsen wird. An diesen Bestaenden werden produktionsbiologische Untersuchungen durchgefuehrt mit dem Ziel, die Eignung von Phragmites australis als nachwachsender Rohstoff zu charakterisieren.
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