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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.

Habitatdiversität, Mortalitätsrisiken und Ressourcennutzung von Parasitoiden

In dem vorgeschlagenen Forschungsprojekt sollen (1) das Suchverhalten und Ressourcennutzung von Blattlausparasitoiden auf größerer räumlicher Distanz (= zwischen einzelnen Wirtspflanzen) und (2) Mortalitätsrisiken durch Spinnen während der Suche zwischen einzelnen Wirtspflanzen untersucht werden. Dabei soll geprüft werden, welchen Anteil die Wirtspflanze beziehungsweise die Wirte selbst auf den Sucherfolg haben oder inwiefern der Sucherfolg auf größere Distanz auch bei der Simulation von Freilandbedingungen von wirtsinduzierten sekundären volatilen Pflanzeninhaltsstoffen beeinflusst wird, so wie dies in Olfaktometer- beziehungsweise Windkanalstudien gezeigt wurde. Dabei sollen zunächst Arten mit unterschiedlich großem Wirtspflanzenkreis bei einheitlicher Habitatstruktur (= Simulation von Pflanzenbeständen im Gewächshaus) verglichen werden. In einer zweiten Versuchsserie soll dann der Einfluss von gemischter Pflanzenstruktur (Wirtspflanzen, Nicht-Wirtspflanzen) auf das Suchverhalten und die damit verbundene Ressourcennutzung von je einem polyphagen und einem oligophagen Blattlausparasitoiden analysiert werden. Alle Versuchsserien werden mit unterschiedlichen Wirtsdichten sowie - zur Analyse des Einflusses der Wirtspflanze - ohne Wirte durchgeführt. In einem dritten Schritt soll geprüft werden, inwiefern eine artspezifische Suchstrategie die Mortalitätsrisiken bei der Wirtssuche beeinflusst. Dazu werden netzbauende Spinnen in unterschiedlicher Dichte in Pflanzenbeständen angesiedelt. Für die Versuche wurden drei Arten ausgewählt, für die im ersten Teil der Untersuchung die Suchstrategie auf höherer räumlicher Ebene analysiert werden soll und für die eine unterschiedliche Strategie vermutet wird.

Bewertung der physiologischen Plastizität und genetischen Variabilität der Kiefer (Pinus sylvestris L.) an ihrer westlichen Verbreitungsgrenze unter den Bedingungen des Klimawandels, Teilvorhaben 4: Bewertung der genetischen Variabilität der Kiefer auf der Grundlage von neutralen Genmarkern

Genetische Basis der Trockenstressanpassung bei Quercus robur subsp. pedunculiflora (K.Koch) Menitsky (Quercus robur sensu lato), eine an Trockenheit angepasste Varietät der Stieleiche

Forschergruppe (FOR) 2936: Klimawandel und Gesundheit in Afrika südlich der Sahara, Teilprojekt: Gesamtwirtschaftliche Effekte von Gesundheitsauswirkungen des Klimawandels sowie Anpassungsstrategien - eine allgemeine Gleichgewichtsanalyse

Klimawandel kann die menschliche Gesundheit auf verschiedenen Wegen beeinflussen: Typische Wirkungspfade in Sub-Sahara Afrika sind verringerte Erträge in der Landwirtschaft, Hitzestress und Änderungen in der Malariaprävalenz. Diese biophysikalischen und Gesundheitseffekte haben wiederum Auswirkungen auf ökonomische Systeme, z. B. über Nahrungsmittelmärkte oder Änderungen des Umfangs der Erwerbsbevölkerung oder der Arbeitsproduktivität sowie der Bevölkerungsgröße und -zusammensetzung. Das übergeordnete Ziel dieses Projekts ist die Analyse verschiedener, simultan auftretender Auswirkungen des Klimawandels auf die Gesundheit und damit die Volkswirtschaft sowie entsprechende Anpassungsstrategien im Rahmen eines dynamischen allgemeinen Gleichgewichtsmodells mit einer hohen räumlichen Auflösung sowie differenzierter Darstellung von Haushalten und Produktionsfaktoren. Dieses Ziel basiert auf zwei Beobachtungen bzgl. des Standes der Forschung sowie der Ergebnisse aus der ersten Phase der Forschergruppe: i) Die Zeitdimension ist relevant, weil Anpassungsstrategien häufig frühe Investitionen erfordern, die erst später zu Wohlfahrtsgewinnen führen. ii) Die Auswirkungen von Hitzestress und Malaria sowie die Änderungen der Produktivität von Nutzpflanzen sind sowohl in Bezug auf die Region wie auch auf Haushaltsgruppen differenziert und haben starke Implikationen für die Verteilung der Wohlfahrtswirkungen und damit politische Umsetzbarkeit von Anpassungsstrategien. Eine dynamische Modellspezifikation, die Entwicklungen über die Zeit explizit abbildet, ermöglicht relevante Analysen. So können kurzfristig hohe Investitionen in Anpassungsmaßnahmen langfristig starke Wohlfahrtsvorteile erbringen. Um Ihre Umsetzung zu ermöglichen, müssen allerdings Maßnahmenmixe umgesetzt werden, die auch hinreichend kurzfristige Vorteile beinhalten. Außerdem kann in einem dynamischen Modellrahmen die Veränderung der demographischen Struktur der Bevölkerung abgebildet werden, die sich durch klimainduzierte Veränderungen der Mortalität ergibt. Aus dem übergeordneten Ziel werden zwei Teilziele abgeleitet: 1) Eine Weiterentwicklung des komparativ-statischen Einzelland-CGE-Rahmens zu einem dynamischen Modellansatz, 2) eine verbesserte Analyse der Effektivität und Effizienz ausgewählter Anpassungsstrategien. Das Arbeitsprogramm umfasst vier Projektphasen: 1) Entwicklung eines dynamischen Modellrahmens, 2) Analyse verschiedener Anpassungsstrategien in der komparativ-statischen Modellspezifikation, 3) Analyse verschiedener Anpassungsstrategien in der dynamischen Modellspezifikation, 4) Analyse integrierter Szenarien, die die verschiedenen Wirkungspfade und ausgewählte Anpassungsstrategien simultan umfassen.

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.

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'.

Der Teufel steckt im Detail: Kontrolle phageninduzierter Stoffkreisläufe in Böden durch das Mikrohabitat

Einer der global größten Kohlenstoffspeicher ist die organische Bodensubstanz (OBS), welche eine zentrale Quelle für die Pflanzennährstoffe Stickstoff (N) und Phosphor (P) darstellt. Bodenmikroorganismen sind die Hauptakteure beim Umsatz der OBS und damit ein zentrales Bindeglied zwischen Kohlenstoff- (C) und Nährstoffkreisläufen. Sie sind jedoch stark durch Phagen (also Viren, die Bakterien befallen) beeinflusst. In Ozeanen sterben täglich 20% der bakteriellen Zellen durch Phagen, was zu einem Umsatzpfad („viral shunt“) führt, der große Mengen organischer Substanz und damit assoziierter Nährstoffe aus bakterieller Biomasse freisetzt. Das erhöht die Produktivität der Ozeane und speichert C in bakteriellen Rückständen. Trotz ihrer hohen Abundanz in Böden wurden Phagen in der Bodenbiogeochemie kaum berücksichtigt. Meine Nachwuchsgruppe wird erstmals untersuchen wie die Biophysik des Mikrohabitats die Infektion durch Phagen und damit bakterielle Sterberaten steuert. Wir werden herausfinden, ob hierdurch ein vergleichbarer „viral shunt“ in Böden vorliegt und quantifizieren dessen Auswirkung auf Nährstoff- und CO2-Feisetzung sowie auch der Speicherung von C. Wir möchten gezielt über phänomenologische Beschreibungen hinausgehen und zugrundeliegende Mechanismen aufklären. Bodenmikrohabitate werden mit modernsten bildgebenden Verfahren zur Aufklärung mikroskaliger Strukturen charakterisiert: 3D Wasserverteilung im Habitat durch synchrotronbasierte Mikrotomographie, Verteilung der OBS mit Rasterelektronenmikroskopie und Mineralogie der Porenoberflächen mittels Raman-Mikrospektroskopie. Phagen aus Böden werden isoliert und ihre Phage-Habitat-Interaktionen erfasst, um so die Relevanz des Mikrohabitats für die Phagenausbreitung zu eruieren. Der Einfluss des Mikrohabitats auf die Infektionsrate und damit auf Stoffkreisläufe wird mittels der Kopplung molekularer Methoden mit Isotopenanwendungen untersucht werden, und zwar i) 18O-DNA Markierung (SIP) zur Erfassung der Phagenbildung sowie des bakteriellen Zellsterbens, ii) der Bestimmung der Abundanz relevanter funktioneller Gene und iii) der Quantifizierung der Mineralisationsraten durch Isotopenverdünnung. Der Einsatz isotopisch markierter Phagen (13C, 15N, 33P) wird die phageninduzierte Änderungen der Elementflüsse aufzeigen. Damit wird erstmal ein mechanistisches Verständnis erlangt, wie Bodenphagen in Interaktion mit ihrem Habitat biogeochemische Kreisläufe von globaler Bedeutung beeinflussen. Des Weiteren wird der Einfluss dynamischer Änderungen des Mikrohabitats auf Phagen untersucht sowie evolutionäre Anpassungen der Phagen an ihre Habitate. Detailliertes Prozessverständnis ist hier von höchster Relevanz um die Auswirkung anthropogener Aktivität oder des Klimawandels auf Bodenphagen vorherzusagen. Daher werden diese Erkenntnisse final in ein dynamisches Modell integriert, um erstmals die Vorhersage phageninduzierter Prozesse in Böden zu ermöglichen - für deren Einsatz in Landnutzung und Landwirtschaft.

Umweltfaktoren und Mortalitaet im Rhein-Neckar-Gebiet - oekologisch epidemiologische Analyse der Mortalitaet in Grossstaedten

Im Anschluss an eine oekologische Aggregatstudie ueber die Mortalitaet in den einzelnen Stadtbezirken Mannheims im Rahmen einer Analyse der Krebsmortalitaet im Rhein-Neckar-Raum sollen Beziehungen zwischen Wohngebiet und Sterblichkeit an bestimmten Todesursachen untersucht werden. Die Studie dient der Untersuchung der Frage, wie lange vor dem Tode Personen am Ort des Todes, also der auf der Todesbescheinigung oder Sterbefall-Zaehlkarte angegebenen Adresse gelebt haben. Diese Untersuchung eines Dosis(=Zeitdauer)-Wirkungs-Effekts dient damit gleichzeitig der Validierung aehnlicher Aggregatstudien auf der Basis der regionalen Sterblichkeit.

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