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Die Rolle von Viren beim mikrobiellen Schadstoffabbau

Die Verunreinigung unserer Wasserressourcen mit organischen Schadstoffen, wie etwa Öl-bürtigen Kohlenwasserstoffen, ist ein ernstzunehmendes Problem und hat vielerorts bereits zu einer chronischen Belastung des Grundwassers geführt. Der biologische Abbau ist der einzige natürliche Prozess, der im Untergrund zu einer Schadstoffreduktion führt. Als Steuergrößen gelten hier die Anwesenheit von Abbauern (Mikroorganismen) und die Verfügbarkeit von Elektronenakzeptoren und Nährstoffen. In den letzten Jahren wurde zudem die Bedeutung dynamischer Umweltbedingungen (z.B. Hydrologie) als wichtige Einflussgröße erkannt. Ein wichtiger Aspekt wurde jedoch bisher nicht in Betracht gezogen, nämlich die Rolle der Viren bzw. Phagen. Viren sind zahlenmäßig häufiger als Mikroorganismen und ebenso ubiquitär vorhanden. Mittels verschiedener Mechanismen können sie einen enormen Einfluss auf die mikrobiellen Gemeinschaften ausüben. Einerseits verursachen sie Mortalität bei ihren Wirten. Andererseits können sie über horizontalen Gentransfer den Wirtsstoffwechsel sowohl zu dessen Vorteil als auch Nachteil modifizieren. In den vergangenen Jahren konnten verschiedene mikrobielle Phänomene der Aktivität von Viren zugeschrieben werden. Die klassische Ansicht, dass Viren ausschließlich Parasiten sind, ist nicht mehr zutreffend. Als Speicher und Überträger von genetischer Information ihrer Wirte nehmen sie direkten Einfluss auf biogeochemische Stoffkreisläufe sowie auf die Entstehung neuer Schadstoffabbauwege. Biogeochemische Prozesse in mikrobiell gesteuerten Ökosystemen wie dem Grundwasser und die dynamische Entstehung und Anpassung an neue Nischen als Folge von Veränderungen der Umweltbedingungen kann nur verstanden werden, wenn der Genpool in lytischen und lysogenen Viren entsprechend mit berücksichtigt wird. Das Projekt ViralDegrade stellt Paradigmen in Frage und möchte eine völlig neue Perspektive hinsichtlich der Rolle der Viren beim mikrobiellen Schadstoffabbau eröffnen, welche zur Zeit noch als Black Box behandelt werden. ViralDegrade postuliert, dass Viren (i) durch horizontalen Gentransfer und den Einsatz von metabolischen Genen den Wirtsstoffwechsel modulieren (Arbeitshypothese 1) und (ii) für den temporären Zusammenbruch von dominanten Abbauerpopulationen und, damit verbunden, für den Wechsel zwischen funktionell redundanten Schlüsselorganismen verantwortlich sind (Arbeitshypothese 2). Sorgfältig geplante Labor- und Felduntersuchungen und vor allem der kombinierte Einsatz von (i) neu entwickelten kultivierungsunabhängigen Methoden, wie etwa dem Viral-Tagging, und (ii) ausgewählten schadstoffabbauenden aeroben und anaeroben Bakterienstämmen, garantieren neue Erkenntnisse zur Rolle der Viren beim mikrobiellen Schadstoffabbau sowie ähnlichen mikrobiell gesteuerten Prozessen. Ein generisches Verständnis der Vireneinflüsse wird zudem zukünftig neue Optionen für die biologische Sanierung eröffnen.

Anwendung Künstlicher Intelligenz für die Kausalanalyse der Vitalität und Herleitung zukünftiger Anpassungsstrategien von Wirtschaftswäldern, Teilvorhaben 1: KI-basierte Kausalanalysen zur Identifikation von komplexen Wirkzusammenhängen aus heterogenen, forst- und klimabezogenen Datenquellen

Anwendung Künstlicher Intelligenz für die Kausalanalyse der Vitalität und Herleitung zukünftiger Anpassungsstrategien von Wirtschaftswäldern, Teilvorhaben 2: Klimabedingte, regionale Risikoabschätzung für Vitalität/ Mortalität von Wäldern sowie Ableitung standortspezifischer Anpassungsmaßnahmen

Langfristige Nachwirkungen („legacy“) und Grenzen der Trockentoleranz von Buchen-/Fichtenbeständen Teil A - Auswirkungen von wiederkehrender Trockenheit und Erholung nach Trockenstress auf das Wachstum von Rein- und Mischbeständen - Analyse über zeitliche und räumliche Skalen

Das „Kranzberg Forest Roof Project“ (KROOF) wird seit 2013 durch die DFG gefördert. Die Expertise der drei, der TUM zugehörigen Gruppen, decken die Waldwachstumskunde, Ökophysiologie und Rhizosphärenbiologie ab. Im Rahmen des Weave-Programmes ist die Universität Innsbruck beteiligt. In der ersten Förderperiode (KROOF 1) wurde in einem adulten Buchen/Fichten-Mischbestand in Süddeutschland ein Austrocknungsexperiment mit ca. 100 Bäumen konzipiert und die Auswirkungen von mehrjähriger Sommertrockenheit auf Bäume und deren Ektomykorrhizen erfasst. Vergleichend wurde die Anpassung an langjährige Trockenheit an fünf Standorten entlang eines Niederschlagsgradienten untersucht. In der zweiten Förderperiode (KROOF 2) stand die Erholung der Bestände im Zentrum des Interesses. In der nun beantragten dritten Förderperiode soll die Vorbehandlung durch Trockenheit genutzt werden, um die Bäume einem erneuten Trockenstress auszusetzten. Dadurch soll geklärt werden, ob die Bestände durch die vorangegangene Trockenheit angepasst, d.h. weniger empfindlich, gegenüber dem erneuten Trockenstress sind, oder ob die Vorbehandlung zu einer Vorschädigung geführt hat und die Bäume dadurch früher an die Grenzen ihrer Trockentoleranz stoßen und letale Schädigungen erleiden. Durch die induzierte, potentiell letale Trockenheit sollen Mechanismen der Trockenheitsresistenz und Prozesse des Absterbens der Bäume erarbeitet werden. Im Zentrum stehen die folgenden Hypothesen:„Mixing“-Hypothese: Mischbestände profitieren von der strukturellen Heterogenität und asynchroner Ressourcennutzung bei Trockenheit.„Weakest link“-Hypothese: Die Anpassung an Wassermangel wird bei extremer Trockenheit durch den Zusammenbruch des schwächsten Glieds des Wassertransports entlang des Boden-Pflanze-Atmosphäre-Kontinuum außer Kraft gesetzt.„Legacy“-Hypothese: Baumbodensysteme, die einer früheren Trockenheit ausgesetzt waren, kommen besser mit erneuter Trockenheit zurecht als solche die zum ersten Mal extreme Trockenheit erleiden.Das vorliegende Forschungsvorhaben zielt darauf ab, die vielschichtigen Reaktionsweisen von Rein- und Mischbeständen aus Fichte und Buche auf wiederholte Trockenheitsereignisse zu untersuchen. Es nutzt Daten aus KROOF 1 und KROOF 2 und wird durch neue Messungen ergänzt. Das Vorhaben beleuchtet Akklimatisierungsmechanismen von der Organ- bis zur Bestandsebene und analysiert die Folgen wiederholter Dürre auf Baumwachstum und Sterblichkeit. Das Ziel besteht darin, die empirischen Ergebnisse in das prozessorientierte Einzelbaumwachstumsmodell BALANCE zu integrieren. Dies ermöglicht präzise Simulationen und Untersuchungen auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Dimensionen. Entscheidende Einblicke in das dynamische Zusammenspiel zwischen Wäldern und ihrer sich verändernden Umwelt können gegeben werden, was sowohl der Wissenschaft als auch der nachhaltigen Waldbewirtschaftung zugutekommen wird.

Akklimatisierung und Mortalität: Wie europäische Wälder auf den zunehmenden Trockenstress reagieren

Die jüngste Zunahme in der Häufigkeit und Dauer trockener Sommer in Europa stellt die Anpassungsfähigkeit vieler Baumarten auf die Probe und führt zu einem weitverbreiteten Rückgang der Produktivität und oftmals sogar zum Absterben ganzer Wälder. Die Geschwindigkeit dieser klimatisch bedingten Veränderungsprozesse stellt langjährige Bewirtschaftungspraktiken infrage und zeigt die Notwendigkeit, Wachstumsraten und Bestandsdynamik unter veränderten Umweltbedingungen zu bewerten und zu modellieren. Die hier beantragte Studie analysiert interregionalen Klima-Wachstums-Reaktionen von Bäumen, um deren Widerstandsfähigkeit und Akklimatisierung unter zukünftigen Klimabedingungen einschätzen zu können. Die Analyse konzentriert sich auf eine der bedeutsamsten mitteleuropäischen Baumarten (Pinus sylvestris L.) und die Beziehung zwischen Holzanatomie und Klimavariabilität vor, während und nach vergangenen Dürreereignissen. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Ableitung statistisch verifizierbarer Schätzgrößen zur Akklimatisationsfähigkeit von Kiefern unter Verwendung eines Jahrringnetzwerks lebender und abgestorbener Bäume in Zentraleuropa. Im Rahmen des Projekts werden 17 neue Waldstandorte beprobt, Messungen von 20 weiteren Standorten aktualisiert und bestehende Daten von mehr als 300 Standorten integriert. Verallgemeinerte lineare gemischte Modelle (GLMM) werden verwendet, um die Schätzungen der Akklimatisierungskapazität raum-zeitlich zu extrapolieren und Eignungsprojektionen für europäische Kiefernbestände unter Berücksichtigung unterschiedlicher Szenarien zu entwickeln. Mit diesem Ansatz werden folgende Projektziele verfolgt: (i) Ein neues subkontinentales, dendrochronologisches Netzwerk lebender und abgestorbener Bäume zur statistischen Bewertung von Trockenheitsauswirkungen. (ii) Die Quantifizierung der Akklimatisierungskapazität von Pinus sylvestris im europäischen Verbreitungsgebiet. (iii) Eine räumlich differenzierte Schätzung der Widerstandsfähigkeit und künftigen Eignung von Wäldern in verschiedenen Klimawandelszenarien bis in das Jahr 2100. Ein wesentlicher Bestandteil des Proposals ist die Integration umfangreicher empirischer Daten von Hunderten von Jahrringstandorten und Modellierung zur Abschätzung der Akklimatisierungskapazität und Leistungsfähigkeit europäischer Kiefernwälder. Somit zielt das Projekt darauf ab, einen Beitrag zu den laufenden Bemühungen nachhaltiger Forstwirtschaftsstrategien unter den Bedingungen des Klimawandels zu leisten.

Quantifizierung der Auswirkungen von Blitzschlägen auf die Dynamik und Kohlenstoffspeicherung von Wäldern mithilfe eines dynamischen globalen Vegetationsmodells

Blitze stellen einen bedeutenden, jedoch oft unbeachteten Störfaktor in Waldökosystemen dar, deren potenzielle Auswirkungen derzeit unterschätzt werden. Jüngste Forschungen in einem tropischen Wald in Panama haben ergeben, dass jeder Blitzschlag durchschnittlich zum Tod von 3,5 Bäumen führt und dass Blitze für über 40% der Mortalität großer Bäume verantwortlich sind. Angesichts einer erwarteten Zunahme der Blitzaktivitäten in einem wärmeren Klima wird die durch Blitze verursachte Baummortalität die Walddynamik in Zukunft voraussichtlich noch stärker beeinflussen. Aktuelle dynamische globale Vegetationsmodelle berücksichtigen jedoch keine Blitzschäden an Bäumen. Dies könnte zu erheblichen Verzerrungen bei der simulierten Waldstruktur, Zusammensetzung, Kohlenstoffspeicherung und Ökosystemdienstleistungen unter heutigen und zukünftigen Umweltbedingungen führen. Dieses Projekt zielt darauf ab, diese Forschungslücke zu schließen, indem blitzbedingte Baummortalität in das etablierte dynamische globale Vegetationsmodell LPJ-GUESS implementiert wird. Ich werde die blitzbedingte Mortalität basierend auf der lokalen Blitzhäufigkeit, Baumdurchmessern und Baumdichte berechnen und dabei berücksichtigen, dass die Mortalität pro Einschlag für große, eng beieinanderstehende Bäume am höchsten ist. Nach erfolgreicher lokaler Evaluierung werde ich globale Simulationen durchführen, um Einblicke darüber zu gewinnen, wie Blitze Waldökosysteme in verschiedenen Regionen prägen und um die Bedeutung von blitzbedingter Baummortalität im Vergleich zu anderen Absterbeursachen abzuschätzen. Darüber hinaus werde ich zukünftige Simulationen durchführen, die von Projektionen des Klimawandels sowie Änderungen in der Blitzhäufigkeit angetrieben werden, um das Fortbestehen der Waldkohlenstoffsenke unter globalen Umweltveränderungen zu untersuchen. Schließlich wird die Darstellung von Blitzen in LPJ-GUESS es mir auch ermöglichen, deren indirekten Auswirkungen auf die Vegetation zu untersuchen, indem sie andere Störungen wie Waldbrände, Insektenausbrüche oder Windwürfe begünstigen. Das übergeordnete Ziel des Projekts besteht darin, die Bedeutung von blitzbedingter Baummortalität in Waldökosystemen zu bewerten und die ökologischen Risiken und Auswirkungen, die mit einer zunehmenden Blitzhäufigkeit einhergehen, abzuschätzen. Letztendlich wird die Integration blitzbedingter Mortalität in LPJ-GUESS zu verlässlicheren Simulationen der Kohlenstoffspeicherung von Wäldern führen und somit wertvolle Erkenntnisse für fundierte Entscheidungen in Bezug auf Landnutzungsstrategien zum Klimaschutz, Naturschutz und Anpassung liefern.

Community-mediated mechanisms to stabilize pollination of agricultural production highly dependent on shrinking honey bee populations under global change

Almond in California represents an agroecosystem pollinated solely by a single species, the European honey bee, a species that is becoming increasingly difficult and expensive to manage due to substantial, unpredictable mortality. Therefore, sustainable and high output production require a more integrated approach that diversifies sources of pollination. For this purpose, detailed data of our understanding how diversity can stabilize pollination are required. The project will identify alternative wild pollinator species and collect high quality data contributing to our understanding of how diversity (pollen and insects) can bolster honey bee pollination during stable and unstable climatic conditions. The research will be carried out on almond orchards in Northern California known to be either pollinator species rich (up to 30 species) or depauperate (honey bees only). The replicated extremes in pollinator diversity represent a unique opportunity to study the effects of diversity on pollination in real agroecosystems combined with laboratory and glasshouse experiments. The overall goal is to provide basic research that is essential for our general understanding of how insect diversity can affect high-quality pollination under land use and climate change.

Forschergruppe (FOR) 2936: Klimawandel und Gesundheit in Afrika südlich der Sahara, Teilprojekt: Treiber, Muster und gesundheitliche Folgen von Mobilitätsreaktionen - Aufbau eines Simulationstools für vorausschauende Klimaschutzmaßnahmen

Der Klimawandel ist mit Risiken für das Leben, die Gesundheit und den Wohlstand von Menschen verbunden und kann zu Mobilitätsreaktionen wie kurz- oder langfristigen Bewegungen, Mobilität, Vertreibung und Migration führen, beispielsweise in Bezug auf Überschwemmungen, Temperaturextreme und schwere Dürren mit Auswirkungen auf die Wasser- und Ernährungssicherheit. Das übergeordnete Ziel von P8 besteht darin, neues Wissen über die Treiber, Muster und gesundheitlichen Auswirkungen von Mobilitätsreaktionen in Bezug auf Klima- und Wetterschwankungen in Subsahara-Afrika zu generieren und ein Instrument für vorausschauende Klimaschutzmaßnahmen zu entwickeln, das dazu beitragen kann, Interventionen anzuleiten, die dies anstreben Verringerung der negativen gesundheitlichen Auswirkungen von Mobilitätsreaktionen. Die Arbeit basiert auf lokalen Daten von zwei HDSS-Standorten in Kenia und Burkina Faso von CP1 und P4. Unsere Ziele sind insbesondere: 1.) Führen Sie maschinelle Lernmethoden durch, um die wichtigsten Treiber von Mobilitätsreaktionen in Bezug auf Klimavariabilität und Wetter im Kontext anderer Nicht-Klimatreiber zu identifizieren. 2) Durchführung epidemiologischer Analysen zur Beziehung zwischen verschiedenen Arten von Mobilitätsreaktionen und gesundheitlichen Ergebnissen, wie Mortalität, Morbidität, gesundheitsorientiertes Verhalten, Anthropometrie und soziale Gesundheitsdeterminanten auf der Grundlage der HDSS-Daten. 3.) Entwicklung eines agentenbasierten Modells unter Verwendung der Erkenntnisse und Parameter aus dem maschinellen Lernmodell in (1) und den epidemiologischen Modellen in (2) zur Simulation der Auswirkungen von Klimavariabilität und Wetter auf die Mobilitätsreaktion und die gesundheitlichen Auswirkungen in den HDSS-Populationen. 4.) Entwicklung eines Benutzer-Tools zur Information über vorausschauende humanitäre Maßnahmen in Bezug auf klimabedingte Mobilitätsreaktionen und gesundheitliche Auswirkungen auf der Grundlage des agentenbasierten Simulationsmodells aus (3).

Fischwanderung ohne Grenzen Zur Durchgängigkeit an Wasserstraßen: Fischen die Reise erleichtern - Fische auf Wanderschaft: Wasserstraßen verbinden

Die frei fließenden und staugeregelten Flüsse unter den Bundeswasserstraßen sind für die Fische wichtige Verbindungsgewässer zwischen den Habitaten im Meer und an den Flussoberläufen. Fische, die große Distanzen zurücklegen, orientieren sich an der Hauptströmung und werden deshalb an Staustufen entweder zum Kraftwerk oder zum Wehr geleitet. Dort gibt es keine Möglichkeit mehr, aufwärts zu wandern, wenn nicht in der Nähe der Wehr- oder Kraftwerksabströmung eine funktionierende Fischaufstiegsanlage vorhanden ist. Da Schiffsschleusen keine kontinuierliche Leitströmung erzeugen, werden sie von den Fischarten, die der Hauptströmung folgend lange Distanzen zurücklegen, nicht gefunden. Arten, die auf ihrer Wanderung nicht der Hauptströmung folgen, können auf- oder abwandern, wenn sie eine offene Schleusenkammer vorfinden. Flussabwärts: Fische vor Kraftwerken schützen und vorbeileiten: An Staustufen ohne Wasserkraftanlagen ist die abwärts gerichtete Wanderung über ein Wehr hinweg in der Regel unproblematisch. Voraussetzung: Das Wehr ist in Betrieb, die Fallhöhe beträgt nicht mehr als 13 Meter und im Tosbecken ist eine Wassertiefe von mindestens 0,90 Metern vorhanden. Dagegen können bei Abwanderung durch eine Kraftwerksturbine leichte bis tödliche Verletzungen auftreten. Diese turbinenbedingte Mortalität ist von der Fischart und der Körperlänge der Tiere sowie von Turbinentyp und -größe, der Fallhöhe und den jeweiligen Betriebsbedingungen abhängig. Um hier einen gefahrlosen Fischabstieg zu gewährleisten, sind die Betreiber von Wasserkraftanlagen nach Wasserhaushaltsgesetz verpflichtet, die Wasserkraftanlagen mit geeigneten Maßnahmen zum Schutz der Fischpopulation (z. B. mit Feinrechen und einem Bypass am Kraftwerk vorbei ins Unterwasser) aus- bzw. nachzurüsten. Flussaufwärts: Hier helfen nur Fischaufstiege: Verschiedene Untersuchungen der Durchgängigkeit an Rhein, Mosel, Main, Neckar, Weser, Elbe und Donau haben gezeigt, dass zwar ein großer Teil der Staustufen mit Fischaufstiegsanlagen ausgestattet ist, diese für die aufstiegswilligen Fische jedoch schwer zu finden oder zu passieren sind. Im Mai 2009 stimmten die Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) und die Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) gemeinsam mit dem Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS heute: Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur, BMVI) folgendes Rahmenkonzept für die erforderlichen Arbeiten ab: - Aufstellung fachlicher Grundlagen, insbesondere zu fischökologischen Dringlichkeiten - Fachliche Beratung der WSV sowie Schulungen - Forschungs- und Entwicklungsprojekte für die Erstellung eines technischen Regelwerks, und - Standardisierung der Anforderungen und Ausführung von Fischaufstiegs-, Fischschutz- und Fischabstiegsanlagen. (Text gekürzt)

Dynamik des Feinwurzelsystems von Buche und Fichte bei unterschiedlicher Ozonbelastung

Wachstum und Mortalität des Feinwurzelsystems hängen von vielen abiotischen Faktoren wie Nährstoff-, Wasser- und Sauerstoffversorgung ab. Neben diesen Faktoren kann die Ozonbelastung der oberirdischen Pflanzenteile zur Verringerung des Wurzelwachstums führen. Im Zusammenhang mit der zentralen Hypothese des SFB 607, dass 'Steigerung der Stresstoleranz zu Einschränkungen im Wachstum und Konkurrenzverhalten führt', sollen folgende Fragen beantwortet werden: 1. Wie eng ist der Zusammenhang zwischen Dynamik des Feinwurzelsystems und den abiotischen Faktoren im Wurzelraum? 2. Welchen Einfluss hat darüber hinaus doppelt ambiente Ozonkonzentration im Kronenraum auf die Dynamik des Feinwurzelsystems? 3. Wie verändert sich die Feinwurzeldynamik der Jungbäume unter interspezifischer Konkurrenz und bei zusätzlichem Phytophthora-Befall? Die Dynamik des Feinwurzelsystems wird mit Hilfe von Minirhizotronen mit gekoppelter TDR-, Sauerstoff- und Temperatursensoren und Minisaugkerzen erfasst. Die Auswertung der Feinwurzelaufnahmen erfolgt lagegenau anhand der entzerrten digitalen Bilder mit einem geographischen Informationssystem. Die so analysierten Daten gewinnen aufgrund ihres Raumbezuges eine höhere Aussagekraft gegenüber bisherigen Rhizotronuntersuchungen. Neben der Beantwortung der obigen Fragen liefert das Vorhaben auch eine wichtige Datengrundlage für mehrere Teilprojekte des SFB 607 'Wachstum und Parasitenabwehr'.

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