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T!Raum - One Health - Etablierung einer Standard-Diagnostik des Mikrobioms agrikultureller Böden

Struktur- und isotopenchemische Untersuchungen zur Transformation organischer Kohlenstofffraktionen in ausgewählten Waldböden

Im Forschungsvorhaben werden mikrobielle Umsetzungsreaktionen organischen Materials in Böden quantitativ und qualitativ untersucht. Ziel ist es, die genaue Strukturaufklärung der beteiligten organischen Komponenten durchzuführen und deren exakte Abbauwege zu kennzeichnen. Die angestrebten Untersuchungen auf molekularer Ebene erlauben neben der genauen Bilanzierung des Kohlenstoffumsatzes eine gezielte Strukturaufklärung der beteiligten Komponenten mittels konventioneller GC-MS und GC-Isotope-Ratio Technik. Durch den Einsatz von 13C-markierten Tracersubstanzen soll aufgezeigt werden, (1) inwieweit der Abbau der organischen Substanz direkt zur Bildung von CO2 führt, (2) welcher Anteil in mikrobielle Biomasse überführt wird und, als wichtigster Aspekt, (3) in welcher Form organische Substanzen und deren mikrobielle Transformationsprodukte als makromolekulare organische Fraktionen im Boden verbleiben. Die strukturchemischen Untersuchungen werden Indikationen zur Abgrenzung zwischen den Einträgen aus mikrobieller Biomasse und Streu liefern.

Bewertung der physiologischen Plastizität und genetischen Variabilität der Kiefer (Pinus sylvestris L.) an ihrer westlichen Verbreitungsgrenze unter den Bedingungen des Klimawandels, Teilvorhaben 2: Bewertung der Variabilität der Kiefer auf der Grundlage von Chemotypen

Untersuchung des Transfers von nordatlantischem Tiefenwasser durch den Südatlantik unter Verwendung des kompletten WOCE-Tracerdatensatzes

Der Südatlantik stellt für die Rolle des Nordatlantischen Tiefenwassers (NADW) in der globalen Tiefenwasserzirkulation ('convoy belt') eine Schlüsselregion dar. In dem Vorhaben soll der komplette südatlantische WOCE-Tracerdatensatz zusammen mit weiteren Daten (insbesondere US Programm SAVE) im Bereich des NADW analysiert werden mit dem Ziel, aufbauend auf dem vorliegenden Wissen die Wege und Raten des NADW vom Eintritt am Äquator bis zum Übertritt in den Antarktischen Zirkumpolarstrom weiter aufzuklären. Hierbei soll zwischen den verschiedenen Stockwerken des NADW differenziert werden. Wichtige Teilfragen sind der Austausch des Westlichen Randstroms mit den Wässern östlich hiervon bis hin zum afrikanischen Kontinentalabhang, wobei dem Mittelatlantischen Rücken vermutlich eine besondere Rolle zukommt, sowie der Grad der Rezirkulation des westlichen Randstroms. Die Untersuchung wird sich ausschließlich auf vorhandene Datensätze stützen, Feldarbeiten sind nicht vorgesehen. Ein Vergleich mit Strömungs- und Tracerfeldern eines hochauflösenden Zirkulationsmodells (C. Böning) soll die Untersuchung unterstützen und gleichzeitig den Realitätsgrad der Modellfelder überprüfen.

Einfluss der jahreszeitlich unabhängigen Reproduktion auf die Qualität von Gameten und frühen Lebensstadien des Zanders (Sander lucioperca)

Zander (Sander lucioperca) ist auf dem Weg eine wichtige Zielart für die Aquakultur in Deutschland zu werden. Insbesondere die Produktion in geschlossenen Kreislaufanlagen (KLA), unter konstanten Umweltbedingungen und mit minimalem Wasseraustausch, birgt ein großes Potential. Die ganzjährige Bereitstellung von Satzmaterial für diese KLA ist noch ein limitierender Faktor, der jedoch durch die jahreszeitenunabhängige Reproduktion überwunden werden kann. Im Rahmen eines vorherigen DFG-Projektes wurde die endokrine Regulation der Gonadenreifung des Zanders unter veränderten exogenen Faktoren untersucht und ein Protokoll zur erfolgreichen photothermalen Induktion der Laichreife beschrieben. Dieses Protokoll wird jetzt in der betrieblichen Praxis angewandt.Im Rahmen dieses Erkenntnistransferprojektes untersuchen wir den Einfluss der photothermalen Induktionsmethode auf einschlägige Qualitätsparameter der Gameten und frühen Lebensstadien des Zanders. Durch eine Auswahl von biochemischen, enzymatischen und molekularbiologischen Markern und durch Wachstums- und Konditionsschätzer wollen wir herausfinden wie die Ei- und Spermienqualität und die Qualität der frühen Lebensstadien durch die wichtigsten Einflussgrößen aus dem Elterntierbestand determiniert werden. Wir vergleichen dazu den Einfluss der photothermalen Induktion mit dem Grad der Domestizierung, dem Grad der Prä-Ovulation und parentalen Effekten (größenspezifische maternale Effekte, Familienzusammensetzung, Laicherfahrung). Die Eizusammensetzung, Spermienmotilität und Fertilisationsraten geben damit ebenso Aufschluss über additive und nicht additive genetische Effekte, wie es Wachstums- und Expositionsversuche mit Larven und Juvenilen tun werden. Die Verbindung eines multifaktoriellen Versuchsplans mit der Verbindung von experimentellen und analytischen Ansätzen von den Elterntieren, über die Gameten hin zu den frühen Lebensstadien stellen ein bisher einmaliges Unterfangen zur Untersuchung der Reproduktionseigenschaften des Zanders und andere Fischarten dar.Ziel der Arbeit ist es grundlegende Qualitätsparameter für die Gameten und frühen Lebensstadien des Zanders mit den aktuell zur Verfügung stehenden Methoden zu beschreiben und die Wechselwirkungen der parentalen Effekte zu quantifizieren. Eine geeignete Auswahl von belastbaren und in der Praxis anwendbaren Qualitätsparametern, die einerseits auf die jeweiligen Einflussgrößen zurückzuführen sind und andererseits bei der Auswahl von geeigneten Elterntieren zur Reproduktion in KLA helfen, kann in das Bestandsmanagement aufgenommen werden und auf Grund dieser standardisierten Methoden können zukünftige Errungenschaften, insbesondere im Bereich der züchterischen Bearbeitung dieser Art, quantifiziert werden.

Identifikation von Genen und Indikatoren für Trockentoleranz der Gerste (Hordeum vulgare)

Ziel des Projektes ist es, mittels assoziationsgenetischer Verfahren genomische Regionen bzw. Gene zu identifizieren, die an der Trockentoleranz der Gerste beteiligt sind. Für diesen Zweck gilt es in einem ersten Schritt aus einem Sortiment von 314 Sommergerstengenotypen bestehend aus 90 deutschen Sommergerstensorten und 224 genetisch und geographisch diversen Sommergerstengenotypen - basierend auf mittels des 9kiSelect Chips gewonnenen Daten zur genetischen Ähnlichkeit - 192 Genotypen auszuwählen, welche die in diesem Set vorhandene genetische Diversität repräsentieren. Mit insgesamt 9000 genbasierten SNP-Markern (9kiSelect Chip) wird die für eine genomweite Assoziationsstudie (GWA) nötige Markerabdeckung erzielt. Zusätzlich zu diesem genomweiten Ansatz werden aus der Literatur bekannte Kandidatengene für Trockentoleranz allelspezifisch sequenziert und in die Assoziationsstudien einbezogen. Um des weiteren genotypische Unterschiede in der Expression von trockentoleranzassoziierten Gene zu ermitteln, werden die extremen Genotypen der Population mittels Real-Time PCR analysiert. Die Phänotypisierungen dieser Genotypen erfolgt in Gefäßversuchen am Julius-Kühn-Institut in Groß- Lüsewitz. Trockenstress wird mit Beginn der Blüte appliziert. Erfasst werden neben der absoluten und relativen Ertragsleistung und Veränderungen der Ertragsstrukturparameter, der Chlorophyllgehalt, die Chlorophyllfluoreszenz, der relative Blattwassergehalt bzw. das relative Blattwasserdefizit sowie der Akkumulation von freiem Prolin, Glycinbetain und löslichen Zuckern. Parallel werden diese Genotypen an der Universität Hannover bzw. an der Universität Hohenheim im Hinblick auf die Reaktion auf das Auftreten von Trockenstress in der vegetativen und generativen Entwicklungsphase (SU) analysiert sowie an einem Trockenstandort in zweijährigen Feldversuchen (K), in welchen zusätzlich die Infrarotthermografie zur Charakterisierung der Trockentoleranz eingesetzt wird (K). Die auf diese Weise generierten phänotypischen und genotypischen Daten bilden die Grundlage für die assoziationsgenetische Identifikation von QTL für Trockentoleranz bei Gerste, welche gemeinsam mit den phänotypischen und genotypischen Daten Eingang in die Modellierungsarbeiten finden.

Frühdiagenetische Veränderung von Seltenerdelement- und Yttrium (SEY) Signalen in marinen Sedimenten und deren Einfluss auf die Verwendung von SEY als Tracer im früheren und rezenten Ozean

Seltenerdelemente und Yttrium (SEY), einschließlich Nd-Isotope, werden häufig als geochemische Proxys für frühere und rezente Umweltbedingungen und -prozesse verwendet. In den letzten Jahren wurde die Verwendung dieser Proxys zur Rekonstruktion frühzeitlicher Meerwasserchemie und die Nachverfolgung von Wassermassen in Frage gestellt, da die Primärsignale des Meerwassers in den Sediment-Archiven während der frühen Diagenese überprägt werden können. Die Wechselwirkung zwischen Porenwasser und Festphase kann zur Fraktionierung und Veränderung der SEY-Muster und der Nd-Isotopensignatur führen. Die zugrunde liegenden Prozesse sind noch wenig erforscht. Das Ziel des hier vorgeschlagenen Projekts ist es, aufzudecken, welchen Einfluss die Redox-Zonierung und die Lithologie auf die SEY-Zusammensetzung im Porenwasser und die beteiligten Prozesse im Sediment haben. Zur Beantwortung dieser Frage werden Proben aus der pazifischen und atlantischen Tiefsee, dem Kontinentalrand vor Neuschottland und der Amazonasmündung entnommen, analysiert und ausgewertet. Die SEY-Konzentrationen und die Nd-Isotopenzusammensetzung im Porenwasser, in der festen Phase und im darüber liegenden Meerwasser werden verglichen, um die Fraktionierung, Veränderung und Konservierung der Proxys zu identifizieren. Die vier Lokationen wurden aufgrund ihres unterschiedlichen Organik-Gehalts und der daraus resultierenden Redox-Zonierung sowie des variablen kontinentalen Eintrags ausgewählt. Die vorgeschlagene systematische Untersuchung der SEY im Porenwasser wird die Lücke in der paläozeanografischen Forschung schließen, unter welchen Umwelteinflüssen SEY-Proxys zuverlässig sein können und unter welchen Bedingungen sie nicht zuverlässig sind. Messwerte werden dringend benötigt, da bei Modellierungen und experimentellen Arbeiten keine guten Informationen zu Eingabevariablen und realistischen Randbedingungen vorliegen. Die vorgeschlagene Forschung wird neue Daten zu den bisher wenigen, bis gar nicht, verfügbaren Daten zu SEY-Konzentrationen und der Nd-Isotopenzusammensetzung in (insbesondere oxischen) Porenwässern liefern.

Stabile Isotope mit Barium und Cadmium als Tracer für Kohlenstoffexport, Remineralisierungsstärke und Diagenese nach Deposition in der Peruanischen Sauerstoffminimumzone

Sauerstoffminimumzonen (SMZs) sind mit den Auftriebsgebieten der östlichen Kontinentalränder assoziiert. In diesen wichtigen Wirtschaftsgebieten fördert der intensive Auftrieb von nährstoffreichem Tiefenwasser eine hohe Primärproduktion im Oberflächenozean und unterstützt dadurch mehr als 50% der weltweiten Fischerei. Als Folge des Klimawandels wird eine vertikale Ausdehnung und Intensivierung von SMZs prognostiziert, da sich in wärmeren Gewässern weniger Sauerstoff auflöst und eine stärkere Schichtung des Ozeans die Sauerstoffzufuhr zum Ozeaninneren verringert. Diese Veränderungen der SMZs beschränken Fischlebensräume unmittelbar auf die oberen Wasserschichten der Meere, erhöhen das Risiko des Überfischens und können zu künftigen Massensterben in Küstenökosystemen führen. Die Variabilität von SMZs beeinflusst auch die Nährstoffverfügbarkeit für den Oberflächenozean und den von ihm unterstützten marinen Kohlenstoffkreislauf. Jedoch sind die genauen Mechanismen dafür nicht vollständig entschlüsselt. Rückschlüsse darüber, wie marine Kohlenstoff- und biogeochemische Zyklen auf den zukünftigen Sauerstoffverlust in Ozeanen reagieren, kann man gewinnen, indem man erfasst, wie Nährstoffzufuhr und Meeresumwelt auf vergangene Änderungen der SMZ-Intensitäten reagiert haben. In dieser vorgeschlagenen Studie werde ich zwei neuartige Proxys verwenden: stabile Cadmium (Cd) - und Barium (Ba)-Isotope von der peruanischen SMZ um 1) einzugrenzen welche Prozesse die Produktivität des Oberflächenozeanes und die Remineralisierung innerhalb der SMZs beeinflussen, und 2) herauszufinden wie die zukünftige Sauerstoffabnahme der Ozeane den globalen Kohlenstoffkreislauf beeinflussen wird. Sowohl gelöste Cd- als auch Ba-Isotope sind im Meerwasser eng mit biologischen Prozessen und der Wassermassenmischung gekoppelt. In marinen Sedimenten werden Cd- und Ba-Isotope auch durch die authigene Ausfällung dieser Elemente und die Diagenese nach der Ablagerung beeinflusst, wohingegen das Ausmaß der Isotopenfraktionierung während dieser Prozesse bislang kaum quantifiziert wurde. Ich werde Cd- und Ba-Isotopenverhältnisse im Meerwasser, in sinkenden Partikeln, Sedimenten und Porenwasser messen, um deren Isotopenfraktionierungseffekte während verschiedener biologischer, chemischer und physikalischer Prozesse einzugrenzen. Mit diesen Ergebnissen werde ich die Quellen und Senken quantifizieren, die beide Isotopensysteme im modernen Ozean fraktionieren, und einschätzen, wie sich die Diagenese nach der Ablagerung auf die Fraktionierung von Cd- und Ba-Isotopen auswirkt. Das ultimative Ziel dieser vorgeschlagenen Arbeit ist die Entwicklung sedimentärer Cd- und Ba-Isotope als verlässliche Proxys für vergangene Änderungen der Exportproduktion und der Remineralisierungsstärke.

Einflüsse der C- und N-Einträge durch Wurzeln und Ernteresiduen von annuellen Kulturpflanzenarten auf die Struktur von Mikroorganismengesellschaften und die C- und N-Umsatzprozesse in Böden - Teilprojekt 'Struktur von Mikroorganismengesellschaften'

Dieser Antrag ist Teil eines Kooperationsprojektes mit Prof. Dr. J. Heß (GH Kassel), der für seinen Teil ebenfalls Fördermittel bei der DFG beantragt (s. HE 3067/2-1, in dieser HA- Liste). Ziel des Gesamtprojektes ist es, in Gefäßuntersuchungen transiente und persistente Wirkungen von annuellen Kulturpflanzenarten auf die Struktur von mikrobiellen Lebensgemeinschaften und deren Funktionen bei C- und N-Umsatzprozessen im Boden zu charakterisieren. Diese Umsatzprozesse werden unter besonderer Berücksichtigung der C- und N-Einträge durch Rhizodepositionen und Ernteresiduen von Körnerleguminosearten untersucht. Dieser Antragsteil befasst sich mit der Charakterisierung der Struktur von bakteriellen und pilzlichen Populationen im Boden und deren Umsatzpotential für bodencharakteristische Substrate. Charakteristische Banden der erfaßten 16S und 18S rDNA-(Gesamtpopulation) bzw. der entsprechenden rRNA-Fingerprints (aktive Populationen) werden sequenziert, phylogenetisch eingeordnet und zur Konstruktion von fluoreszenzmarkierten Oligonucleotid Sonden verwendet, die zur in-situ-Detektion der Mikroorganismen mit Hilfe des konfokalen Laserscanningmikroskops eingesetzt werden. Damit ist es möglich gezielt diese Organismen in situ zu lokalisieren und deren Aktivität nachzuweisen. Die gewonnen Ergebnisse sollen integrativ zusammen mit den von Prof. Heß erhobenen Daten ausgewertet werden.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1294: Bereich Infrastruktur - Atmospheric and Earth system research with the 'High Altitude and Long Range Research Aircraft' (HALO), Luftmassenherkunft in der unteren Stratosphäre: HALO Messungen und CLaMS Simulationen (AMOS)

Direkte Transportwege von der Troposphäre in die untere Stratosphäre von Wasserdampf und troposphärischen Spurengasen(z.B. ozonzerstörender Substanzen, wie beispielsweise sehr kurzlebige halogenierte Spurenstoffe)beeinflussen die chemische Zusammensetzung der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre außerhalb der Tropen (ExUTLS). Sogar relativ kleine Änderungen in Ozon und Wasserdampf in dieser Region, haben große Auswirkungen auf das Klima an der Erdoberfläche. Verschiedene direkte Transportwege werden derzeit diskutiert, wie z. B. quasi-horizontaler Transport aus der tropischen Tropopausen Region, horizontaler Transport aus dem Gebieten des asiatischen Monsuns und durch Konvektion induzierte Einträge. Jedoch ist unser derzeitiges Verständnis für diese Transportprozesse und ihre relativen Beiträge unvollständig. Im Rahmen unseres Projekts AMOS, möchten wir die zugrunde liegenden Transportprozesse für verschiedene vergangene (TACTS/ESMVal) und zukünftige HALO-Kampagnen (PGS, WISE) identifizieren und quantifizieren unter Berücksichtigung ihrer jahreszeitlichen und jährlichen Variabilität. Der Schwerpunkt unseres Projekts ist die WISE-Kampagne, die Transportvorgänge, die die chemische Zusammensetzung in der ExUTLS bestimmen, untersuchen wird. Im Rahmen unseres Projekts werden HALO Messungen mit mehrere (Kurz- und Langzeit-) Simulationen mit dem Lagrangen Modell CLaMS kombiniert. Die Implementierung von künstlichen Markern in CLaMS, mit denen man die Herkunft der Luftmassen bestimmen kann, zusammen mit hochaufgelösten HALO-Messungen von verschiedenen Kampagnen ist ein einzigartiges Werkzeug, um die verschiedenen Transportwege und Mischungsprozesse zu identifizieren. Im Rahmen von AMOS können deshalb die Auswirkungen dieser verschiedenen Transportprozesse auf die chemischen Zusammensetzung der unteren Stratosphäre quantifiziert werden.

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