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Bilanzierung des Beitrags mikrobieller Biomasse zur Bildung refraktärer organischer Substanz im Boden mittels Isotopentracertechniken (Zellen, Zellbestandteile, CO2 und NH4)

Beim mikrobiellen Umsatz von organischen Verbindungen wird ein beträchtlicher Anteil des Kohlenstoffs zunächst zum Aufbau von Biomasse durch Bakterien genutzt. Diese Biomasse unterliegt nach ihrem Absterben wieder einem Abbau durch andere Mikroorganismen. In diesem Prozess werden Fragmente der abgestorbenen Zellen entweder selbst wieder zum Substrat für andere Organismen oder direkt in der Bodenmatrix festgelegt. Damit tragen sie substanziell zur Bildung der organischen Bodensubstanz (SOM) bei. Im Rahmen der geplanten Arbeiten sollen vorwiegend durch Markierungsexperimente mit stabilen und radioaktiven Isotopen die mikrobiellen Umsatzraten und die Bildung von Huminstoffen aus bakterieller Biomasse und fraktionierten Zellbestandteilen wie auch aus mikrobiellen Mineralisationsprodukten wie CO2 und NH4 in Modellböden des Schwerpunktprogrammes detailliert untersucht werden. Dazu wird die Transformation isotopisch markierter Biomassebestandteile (14C; 13C; 15N) in Bodenbioreaktoren untersucht. Die festgelegten und umgewandelten Produkte der markierten Biomasse sollen in den verschiedenen Partikel- und Huminstofffraktionen des Bodens bilanziert und mit isotopenchemischen und strukturchemischen Methoden charakterisiert werden. Damit können der stoffliche Beitrag der Biomasse an der Bildung von Huminstoffen im Boden bilanziert und Konversionsfaktoren sowie Raten für die Stoffverteilung abgeschätzt werden. Ergebnisse aus ersten Versuchen lassen zudem auf einen signifikanten Einbau von Kohlenstoff aus CO2 in die SOM schließen. Daraus könnte sich eine Neubewertung von Tracerexperimenten zur Bildung von gebundene Resten aus Xenobiotika ergeben. Im zweiten Schritt sollen Methoden zur Ermittlung der Struktur und Funktionalität der festgelegten Biopolymere entwickelt werden. Besonderes Augenmerk wird auf die Festlegung von Zellwandbestandteilen, Strukturproteinen und Nukleinsäuren gelegt.

Aufklärung von Biotransformationswegen und von Mechanismen gentoxischer Wirkungen

Die Erkennung gesundheitlicher Risiken durch gentoxische Stoffe, die als Lebensmittelinhaltstoffe oder als Umweltkontaminanten Bedeutung haben, ist die Voraussetzung für Risikobewertung und Prävention. Bei Umweltkontaminanten gilt unser Interesse polycyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen mit einer sogenannten Fjordregion, die besonders potente Kanzerogene darstellen. Außerdem interessieren uns Fullerene, die im Ruß vorkommen und deren biologische Wirkung bisher nur wenig untersucht ist. Das aus beruflicher Belastung durch bestimmte Nitrosamine potentiell gesundheitliche Risiko wird im Modellversuch untersucht. Schließlich beschäftigen wir uns mit der Toxikologie bestimmter a,b-ungesättigter Alkenale, die als Lebensmittelinhalts- und -Zusatzstoffe in z.T. beachtlichen Konzentrationen (bis 30 mg/kg) in Lebensmitteln vorkommen. Metabolische Veränderungen, die fremde Stoffe im Körper erfahren, beeinflussen ganz wesentlich deren Wirkung. Zur Aufklärung einzelner aktivierender oder entgiftender Stoffwechselwege werden transgene Säugerzellen eingesetzt, die bestimmte Enzyme (CYP) stabil exprimieren. Zusätzlich wird der Leberstoffwechsel mit Hepatozyten und Zellfraktionen (Mitochondrien, Mikrosomen) simuliert. Metabolite werden über GC/MS identifiziert und quantifiziert. Die gentoxische/mutagene Potenz von Ausgangsverbindungen und Metaboliten wird in-vitro an Säuger-Zellinien (z.B. humane Colonzellen) oder an primären Zellen (z.B. aus Gastrointestinaltrakt von Ratte/ Mensch) sowie in-vivo an der Ratte und ex-vivo an humanen Blutzellen geprüft. Gemessen werden: Gentoxizität in transfizierten Bakterien (Induktion von SOS-Repair), Mutagenität in Säugerzellen (HPRT-Test), Induktion von DNA-Schäden mittels Mikrogelelektrophorese und die Entstehung vonDNA-Addukten mittels 32P-Postlabelling-Verfahren. Zusätzlich werden zytotoxische Effekte (einschließlich Membranschäden und Apoptose-Induktion) in Zellkulturen erfasst.

Satellite Color Images, Vegetation Indices, and Metabolism Indices from Fall, Germany from 1984 – 2023

The "Germany Mosaic" is a time series of Landsat satellite images and vectorized segments covering the entirety of Germany from 1984 to 2023. The image data are divided into TK100 sheet sections (see further details: Blattschnitt der Topographischen Karte 1:100 000). The dataset provides optimized 6-band imagery for each year, representing summer (May to July) and autumn (August to October) seasons, along with vegetation indices such as NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) and NirV (Near-Infrared Reflectance of Vegetation) for the same periods. Additionally, vectorized "zones" of approximately homogeneous pixels are available for each year. The spectral properties of the image data and the morphological characteristics of these zones are included as vector attributes (see Documentation: "Mosaic (1984–2023) - Data Description"). An overview of the coverage and quality of all sheet sections is provided as a vector layer titled D-Mosaik_Sheet-Sections within this document. The Germany Mosaic can also be considered a spatial-temporal Data Cube, enabling advanced analysis and integration into workflows requiring multi-dimensional data. This structure allows users to perform operations such as querying data across specific time periods, analyzing trends over decades, or aggregating spatial information to generate tailored insights for a wide range of research applications. In mid-latitudes, seasonal variations in vegetation—and consequently in the image data—are typically more pronounced than changes occurring over several years. The temporal segmentation of the dataset has been designed to encompass the entire vegetation period (May to October), with the division into summer and autumn periods capturing seasonal metabolic shifts in natural biotopes. This segmentation also records most agricultural changes, including sowing and harvesting activities. Depending on weather conditions, the individual image data represent either the median, mean value, or the best available image for the specified time period (see Documentation: "Mosaic (1984–2023) - Data Description). Remote sensing has become an indispensable tool for environmental research, particularly in landscape analysis. Beyond conventional applications, the Germany Mosaic supports the development of digital twins in environmental system research. By providing detailed spatial and temporal data, this dataset enables the modeling of virtual ecosystems, facilitating simulations, scenario testing, and predictive analyses for sustainable management. Moreover, the spatial and temporal trends captured by remotely sensed parameters complement traditional approaches in biological, ecological, geographical, and epidemiological research.

Sonderforschungsbereich Transregio (SFB TRR) 51 Rosebacter: Ökologie, Physiologie und Molekularbiologie der Roseobacter-Gruppe: Aufbruch zu einem systembiologischen Verständnis einer global wichtigen Gruppe mariner Bakterien, Teilprojekt Z02: Erfassung und Nutzung des Stoffwechselpotenzials und molekulare Charakterisierung von unkultivierten Vertretern der Roseobacter-Gruppe

In diesem Projekt soll das genomische Potenzial und wichtige Funktionen von Roseobacter- Populationen mittels kultivierungsunabhängigen metagenomischen und metatranskriptomischen Ansätzen analysiert werden. Um gen- und taxonspezifische Muster und metabole Schlüsselfunktionen dieser Gruppe zu identifizieren, werden Stoffwechsel- und funktionelle Profile von repräsentativen Proben aus der Nordsee, dem Südpolarmeer, von Biofilmen und Mesokosmen mittels modernster Pyrosequencing-Methodik untersucht. Außerdem werden Metagenombanken angelegt und hinsichtlich wichtiger Funktionen gesichtet, z.B. Genen mit Bedeutung bei Quorum Sensing, Energiestoffwechsel und der Sekundärstoffsynthese.

Condensed tannins as part of an integrated concept to control gastrointestinal parasites in ruminants in organic farming: effects on palatability and nutrient utilisation

Organically managed farms often have problems with parasite control, such as digestive tract nematodes, since effective chemicals with antihelmintic properties must not be used preventively. Gastrointestinal parasitism is mainly a problem in small ruminants and in young cattle during their first grazing season. An intensive literature research indicated a promising strategy based on forages with elevated contents of condensed tannins. However, forages in temperate climates are usually low in tannins and, furthermore, tannins are also antinutritive. In a large project the potential of selection for forages with elevated contents of condensed tannins and their antihelmintic properties shall be tested. The overall project consists of 1) Identification and cultivation of candidate forage species and cultivars (FAL), 2) Parasitological aspects and experiments (FiBL) and 3) Screening of plants containing tannins on their effects of rumen fermentation in vitro, palatability/susceptibility in the animals and nutritional value (in collaboration of ALP and ETH). In Part 3, promising forage species (mostly legumes) will be grown to be used in subsequent experiments including preference studies, digestibility and N balance trials, and efficiency trials. The experiments will take place at the research facilities of ALP. Parts 1, 2 and 3 are combined in a synthesis describing the scientific background of strategies based on forage plants with elevated contents of condensed tannins and developing recommendations to organic farmers.

Kausalanalyse chronischer SO2-Belastung an Pflanzen

Im Mittelpunkt unserer Untersuchungen steht die Kausalanalyse der Giftwirkung geringer SO2-Konzentrationen auf die Pflanze, insbesondere auf die Fichte. Dabei stellte sich heraus, dass dem Sulfhydrilsystem in der Pflanze eine Schluesselstellung zukommt. Die Pflanzen antworten auf SO2-Einfluss mit einem signifikanten Anstieg von Glutathion (GSH) in ihren Blaettern. Es erscheint unwahrscheinlich, dass ein derartiger Anstieg von GSH aus einer Sulfitolyse von GSSG oder GSSProt stammt. Unsere Ergebnisse deuten vielmehr darauf hin, dass eine unmittelbare Beziehung zwischen Sulfatgehalt und GSH-Konzentration besteht, indem ein Gleichgewicht im Stoffwechsel zwischen Sulfatangebot und dem S-haltigen Tripeptid-Glutathion vorliegt. Aspekte einer de novo-Synthese von GSH und die Rolle der Glutathion-Reduktase werden diskutiert. Wir nehmen an, dass der staendige Anstieg der Glutathionmenge zu einer dauernden Stresssituation in der Pflanze fuehrt, wobei es zu fuer diese unguenstigen Kurzzeiteffekten und verschiedenartigen schaedlichen Langzeiteffekten, wie z.B. vorzeitige Alterung, kommen kann.

Bestimmende Faktoren der Pharmakokinetik und Verteilung lipophiler Stoffe und Umweltverunreinigungen

Gewisse polyhalogenierte Verbindungen sind lipophil und schlecht oder nicht metabolisierbar, zwei Eigenschaften, die zur Anreicherung in der Biosphaere und damit zu Umwelttoxizitaet fuehren koennen. Zu diesen Verbindungen gehoeren diverse Insektizide, sowie insbesondere polychlorierte Biphenyle (PCB), polyhalogenierte Dibenzodioxine (z.B. TCDD) und Dibenzofurane. Unsere Untersuchungen richten sich insbesondere auf die Ursachen der besonderen Pharmakokinetik solcher Verbindungen - ihrer Aufnahme, Verteilung, Bindung, Elimination - im Vergleich zu anderen lipophilen Xenobiotika.

Seawater carbonate chemistry and growth and carbon metabolism of the seaweed Fucus vesiculosus in the western Baltic Sea

Warming and acidification of the oceans as a consequence of increasing CO2-concentrations occur at large scales. Numerous studies have shown the impact of single stressors on individual species. However, studies on the combined effect of multiple stressors on a multi-species assemblage, which is ecologically much more realistic and relevant, are still scarce. Therefore, we orthogonally crossed the two factors warming and acidification in mesocosm experiments and studied their single and combined impact on the brown alga Fucus vesiculosus associated with its natural community (epiphytes and mesograzers) in the Baltic Sea in all seasons (from April 2013 to April 2014). We superimposed our treatment factors onto the natural fluctuations of all environmental variables present in the Benthocosms in so-called delta-treatments. Thereby we compared the physiological responses of F. vesiculosus (growth and metabolites) to the single and combined effects of natural Kiel Fjord temperatures and pCO2 conditions with a 5 °C temperature increase and/or pCO2 increase treatment (1100 ppm in the headspace above the mesocosms). Responses were also related to the factor photoperiod which changes over the course of the year. Our results demonstrate complex seasonal pattern. Elevated pCO2 positively affected growth of F. vesiculosus alone and/or interactively with warming. The response direction (additive, synergistic or antagonistic), however, depended on season and daylength. The effects were most obvious when plants were actively growing during spring and early summer. Our study revealed for the first time that it is crucial to always consider the impact of variable environmental conditions throughout all seasons. In summary, our study indicates that in future F. vesiculosus will be more affected by detrimental summer heat-waves than by ocean acidification although the latter consequently enhances growth throughout the year. The mainly negative influence of rising temperatures on the physiology of this keystone macroalga may alter and/or hamper its ecological functions in the shallow coastal ecosystem of the Baltic Sea.

Seawater carbonate chemistry and physiology of Baltic blue mussels (Mytilus edulis)

Increased maintenance costs at cellular, and consequently organism level, are thought to be involved in shaping the sensitivity of marine calcifiers to ocean acidification (OA). Yet, knowledge of the capacity of marine calcifiers to undergo metabolic adaptation is sparse. In Kiel Fjord, blue mussels thrive despite periodically high seawater PCO2, making this population interesting for studying metabolic adaptation under OA. Consequently, we conducted a multi-generation experiment and compared physiological responses of F1 mussels from 'tolerant' and 'sensitive' families exposed to OA for 1 year. Family classifications were based on larval survival; tolerant families settled at all PCO2 levels (700, 1120, 2400 µatm) while sensitive families did not settle at the highest PCO2 (>=99.8% mortality). We found similar filtration rates between family types at the control and intermediate PCO2 level. However, at 2400 µatm, filtration and metabolic scope of gill tissue decreased in tolerant families, indicating functional limitations at the tissue level. Routine metabolic rates (RMR) and summed tissue respiration (gill and outer mantle tissue) of tolerant families were increased at intermediate PCO2, indicating elevated cellular homeostatic costs in various tissues. By contrast, OA did not affect tissue and routine metabolism of sensitive families. However, tolerant mussels were characterised by lower RMR at control PCO2 than sensitive families, which had variable RMR. This might provide the energetic scope to cover increased energetic demands under OA, highlighting the importance of analysing intra-population variability. The mechanisms shaping such difference in RMR and scope, and thus species' adaptation potential, remain to be identified.

Satellite Color Images, Vegetation Indices, and Metabolism Indices from Neuruppin, Germany from 1984 – 2023

The "Germany Mosaic" is a time series of Landsat satellite images and vectorized segments covering the entirety of Germany from 1984 to 2023. The image data are divided into TK100 sheet sections (see further details: Blattschnitt der Topographischen Karte 1:100 000). The dataset provides optimized 6-band imagery for each year, representing summer (May to July) and autumn (August to October) seasons, along with vegetation indices such as NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) and NirV (Near-Infrared Reflectance of Vegetation) for the same periods. Additionally, vectorized "zones" of approximately homogeneous pixels are available for each year. The spectral properties of the image data and the morphological characteristics of these zones are included as vector attributes (see Documentation: "Mosaic (1984–2023) - Data Description"). An overview of the coverage and quality of all sheet sections is provided as a vector layer titled D-Mosaik_Sheet-Sections within this document. The Germany Mosaic can also be considered a spatial-temporal Data Cube, enabling advanced analysis and integration into workflows requiring multi-dimensional data. This structure allows users to perform operations such as querying data across specific time periods, analyzing trends over decades, or aggregating spatial information to generate tailored insights for a wide range of research applications. In mid-latitudes, seasonal variations in vegetation—and consequently in the image data—are typically more pronounced than changes occurring over several years. The temporal segmentation of the dataset has been designed to encompass the entire vegetation period (May to October), with the division into summer and autumn periods capturing seasonal metabolic shifts in natural biotopes. This segmentation also records most agricultural changes, including sowing and harvesting activities. Depending on weather conditions, the individual image data represent either the median, mean value, or the best available image for the specified time period (see Documentation: "Mosaic (1984–2023) - Data Description). Remote sensing has become an indispensable tool for environmental research, particularly in landscape analysis. Beyond conventional applications, the Germany Mosaic supports the development of digital twins in environmental system research. By providing detailed spatial and temporal data, this dataset enables the modeling of virtual ecosystems, facilitating simulations, scenario testing, and predictive analyses for sustainable management. Moreover, the spatial and temporal trends captured by remotely sensed parameters complement traditional approaches in biological, ecological, geographical, and epidemiological research.

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