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Austauschprozesse mit Totzonen und in langsam durchflossenen Gewaesserteilen

Intensive Austauschprozesse mit dem Sediment finden auch in der Spree statt. Die woechentlichen Messbilanzbetrachtungen im Experimental-Altarm Freienbrink zeigen wechselnde Verluste und Gewinne an. Die 1995 wieder aufgenommenen Messungen der P-Konzentrationen beweisen, dass es sich dabei um Wechselwirkungen mit den Ablagerungen handelt. Gewinne und Verluste von ueber 10 Prozent TP erfaehrt das den Altarm durchfliessende Wasser innerhalb weniger Stunden Aufenthaltszeit. Langsam erfolgt dagegen die Umlagerung der rund 3000 Kubikmeter Mudde zu fliessgewaessertypischen Strukturen seit der Wiedereroeffnung des Altarmes 1992. Oekologisch sehr bedeutsam sind die Totzonen am Flussufer. Mit Hilfe von Tracerversuchen zwischen Spreewerder und Freienbrink und eines mathematischen Modells wurde ermittelt, dass die Totzonen eine durchschnittliche Breite zwischen 3 und 5 m besitzen. Durch die Totzonen wird der gesamte Wasserfluss verzoegert. Innerhalb der 'Durchschnitts- Totzone' haelt sich das Wasser rund 20 Minuten auf. Eine Verdoppelung der Aufenthaltszeit erfaehrt aber nur 2 Prozent des Wassers.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1315: Biogeochemische Grenzflächen in Böden; Biogeochemical Interfaces in Soil, Imaging and image simulation of organic target compound migration between different biogeochemical interfaces of a soil horizon using positron emission tomography and the lattice Boltzmann equation approach

We propose to use positron emission tomography (PET) for imaging of tracer migration in a soil horizon, to be coupled with image simulation using the lattice Boltzmann equation (LBE) modeling approach. PET enables direct visualization of inert KF or KBr solute migration at the soil horizon scale, but also reactive halogenated organic target (2,4-D and MCPA) compound migration down to nM concentrations once radiolabelling with 18F or 76Br marker is achieved. Retardation at biogeochemical interfaces with different sorption properties will thus be imaged in-situ. Theoretical image simulation for process verification will be enabled by introducing a multi-grid approach and additional kinetic boundary conditions in the parallelized LBE solver. As a boundary condition for the latter, the real pore scale and distribution of biogeochemical interfaces will be derived by X-ray computer-tomography (XCT) down to 300 nm spatial voxel resolution. The aim is to produce by both approaches velocity field movies due to heterogeneous biogeochemical retardation of the target compounds with high resolution in both the spatial and temporal scale (4D).

Forschergruppe (FOR) 5315: Humusauflage: Funktionsweise, Dynamik und Vulnerabilität im Wandel, Teilprojekt: Bodenfauna als Steuergröße für die Architektur von organischen Auflagen

Bodentiere sind wichtige Steuergrößen für die Struktur und Dynamik der Humusauflage von Waldböden. Wir setzen moderne Methoden ein um zu untersuchen, welche Boden-Detritivoren-Taxa zur Verarbeitung von Waldstreumaterial beitragen. Die Analyse natürlicher Schwankungen von stabilen Isotopenverhältnissen, die Analyse von Lipiden und Aminosäuren in Detritivoren in Kombination mit Markierungsansätzen und experimentellen Manipulationen wird es ermöglichen, ihre Rolle bei der Bildung und Dynamik von Waldböden in bisher nicht erreichter Genauigkeit zu verstehen. Wir werden uns auf drei Detritivoren der Meso- (Collembola, Oribatida, Enchytraeidae) und Makrofauna (Lumbricidae, Diplopoda, Isopoda) konzentrieren. Entsprechend dem Gesamtkonzept der Forschergruppe werden 12 Standorte untersucht, die von Buchen dominiert werden, aber mit Ahorn und Fichte durchsetzt sind. Das Projekt umfasst drei Arbeitspakete: In Arbeitspaket 1 werden wir die Energie-Kanäle durch die wichtigsten Detritivoren-Taxa in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Nährstoffstatus der Waldbestände untersuchen. Als Grundlage des Nahrungsnetzes werden mikrobielle Gemeinschaften mit Hilfe von Phospholipid-Fettsäure-Markern untersucht. Die trophischen Nischen der Detritivoren werden durch natürliche Variationen stabiler Isotope sowie durch die Komponenten-spezifische Aminosäureanalyse untersucht. In Verbindung mit Messungen der Körpergröße wird die Kanalisierung basaler Ressourcen (Streu, Bakterien, Pilze) in Detritivoren-Taxa in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Nährstoffstatus der Waldbestände bestimmt.In Arbeitspaket 2 werden Mesokosmen, die es ermöglichen, den Zugang von Meso- und Makrofauna zu manipulieren, verwendet, um die langfristigen Auswirkungen dieser Detritivorengilden auf die Bildung und Dynamik von Humusauflagen von Waldböden zu bewerten. Die Verwendung von 13C- und 15N-markierter Streu wird es ermöglichen, die Verarbeitung von Streumaterial durch Detritivoren und deren Verteilung im Waldboden zu verfolgen. Komponenten-spezifische Fettsäureanalysen werden Aufschluss über die Wege geben, auf denen Streumaterial von Detritivoren aufgenommen wird, sowie über die langfristigen Auswirkungen der wichtigsten Detritivoren-Taxa auf die Dynamik von Humusauflagen von Waldböden in Abhängigkeit von Temperatur und Nährstoffstatus der Waldbestände. In Arbeitspaket 3 werden wir die Rolle detritivorer Bodentiere für die räumliche Verbreitung von Streumaterialien untersuchen. Die Verwendung von 15N-markierter Streu und die Messung ihrer Aufnahme durch detritivore Taxa wird Aufschluss über die horizontale und vertikale Ausbreitung von Streumaterialien und ihre zeitliche Dynamik geben. Insgesamt wird das vorgeschlagene Projekt neue Einblicke in die Funktionsweise von Boden-Detritivoren-Gemeinschaften und ihre Rolle bei der Bildung und Dynamik von Humusauflagen von Waldböden sowie ihre Variation mit der Temperatur und dem Nährstoffstatus von Waldbeständen ermöglichen.

Disponibilite de l'azote du sol pour les plantes (FRA)

Tous les resultats connus a ce jour montrent que la seule connaissance du taux d'azote mineral ne suffit pas a prevoir avec certitude le besoin en azote des cultures. Ce qui est decisif est la quantite d'azote susceptible d'etre mobilise durant la croissance des vegetaux. Cette quantite peut etre estimee par des voies biologiques et chimiques. L'extraction de l'azote mobilisable par un agent chimique plus agressif que la seule eau froide permet de mettre en solution des entites carbonees de tailles moleculaire differentes et dont la reactivite chimique est tres variable. Le rapport carbone/azote de certaines fractions de tailles moleculaires donnees peut fournir de precieux renseignements. (FRA)

Klimagesteuerte Variabilität der Kohlenstoffisotope in für diatomeenspezifischen organischen Verbindungen (Biomarker) des Südpolarmeeres

Gegenstand des Vorhabens ist die organisch-geochemische Untersuchung von diatomeenspezifischen organischen Verbindungen (Biomarker) aus Sedimenten des Südpolarmeeres für die letzten ca. 150.000 Jahre. Diatomeen sind die wichtigsten Primärproduzenten südlich der heutigen Antarktischen Polarfront. Die Kohlenstoffisotope und Anteile der in den Sedimenten überlieferten Biomarker aus Diatomeen spiegeln unmittelbare Veränderungen in der Meerwasserchemie, ozeanischen Zirkulation und der Primärproduktivität wider und sind daher ein ausgezeichneter Indikator für klimagekoppelte Umweltveränderungen. Die Untersuchungen basieren auf etablierten Methoden der organischen Geochemie, Biomarkenanalytik und Isotopengeochemie und sind somit ohne methodische Neuentwicklungen durchzuführen.

Mineralstoffwechsel und Spurenelementstoffwechsel

1. Akkumulation von Cd in den Nebennieren und Wirkungen auf den Metabolismus von Nebennierenrindenhormon. 2. Biokinetik von Jod, Cobalt und Chrom bei schwangeren Saeugetieren.

Der Einfluss der Mykorrhizatypen und der Diversität der Bäume auf die Stabilisierung des Kohlenstoffs im Boden

Böden speichern große Mengen an Kohlenstoff (C) in der organischen Bodensubstanz (OBS), die durch Einschluss in Aggregate oder Bindung an Oberflächen von Mineralen vor mikrobieller Zersetzung geschützt ist. Je nachdem, welche Fraktion der OBS betrachtet wird, sind die Quellen sehr unterschiedlich. Während die partikuläre organische Substanz hauptsächlich aus Pflanzenresten besteht, stammt die mineralassoziierte organische Substanz größtenteils aus mikrobiellen Rückständen. In Wälder der gemäßigten Zonen spielt zudem die Symbiose zwischen Bäumen und Pilzen, die Mykorrhiza, eine wichtige Rolle für die C-Speicherung im Boden. Wälder, die von Bäumen mit Ektomykorrhiza (ECM) dominiert werden, weisen höhere C-Vorräte auf, verglichen mit Wäldern mit arbuskulärer Mykorrhiza (AM). Diese C-Vorräte sind jedoch weniger stabilisiert und das Verhältnis der partikulären zur mineralassoziierten OBS ist in ECM Wäldern höher als in AM Wäldern. Ein mechanistisches Verständnis der Faktoren und Prozesse, durch die die verschiedenen Mykorrhizatypen die partikuläre und die mineralassoziierte OBS beeinflussen, fehlt jedoch bislang. Wir nehmen an, dass der Mykorrhizatyp die Rhizodeposition beeinflusst, insbesondere die Vielfalt der Metabolite und die Dynamik des C-Eintrags, und dadurch ein Schlüsselfaktor für die C-Speicherung im Boden ist. Unsere Hypothese ist, dass in AM-dominierten Wäldern ein geringer, aber kontinuierlicher Eintrag von hochdiversen Rhizodepositen die mikrobiellen Gemeinschaften fördert, die dann zu einer erhöhten C-Stabilisierung in Form von mineralassoziierter OBS beitragen. Im Gegensatz dazu fördert ein unregelmäßiger und hoher C-Eintrag, bei gleichzeitiger Unterdrückung saprotropher Pilze (Gadgil Effekt), die Akkumulation der partikulären OBS in ECM Wäldern. Um die Hypothesen dieses Gemeinschaftsprojekts zu prüfen, werden wir auf ein etabliertes Experiment zur Diversität von Bäumen, bei dem die Häufigkeit von Mykorrhizatypen manipuliert wird, zurückgreifen. Dieses wird durch innovative Experimente im Labor und modernste Methoden, wie die Markierung mit stabilen Isotopen, die Identifizierung mittels Biomarkermolekülen und die Flüssigkeitschromatographie/Massenspektrometrie, kombiniert. Das vorgeschlagene Projekt wird zu einem umfassenden Verständnis der durch den Mykorrhizatyp bedingten Mechanismen des C-Umsatzes in Wäldern der gemäßigten Breiten beitragen. Dadurch wird es möglich, künftige Veränderungen der C-Vorräte in Waldökosystemen besser vorherzusagen und neue Waldbewirtschaftungsstrategien zu entwickeln, um die C-Speicherung im Boden zu erhalten oder sogar zu erhöhen.

Linking nutrient cycles, land use and biodiversity along an elevation gradient on Mt. Kilimanjaro

To understand impacts of climate and land use changes on biodiversity and accompanying ecosystem stability and services at the Mt. Kilimanjaro, detailed understanding and description of the current biotic and abiotic controls on ecosystem C and nutrient fluxes are needed. Therefore, cycles of main nutrients and typomorph elements (C, N, P, K, Ca, Mg, S, Si) will be quantitatively described on pedon and stand level scale depending on climate (altitude gradient) and land use (natural vs. agricultural ecosystems). Total and available pools of the elements will be quantified in litter and soils for 6 dominant (agro)ecosystems and related to soil greenhouse gas emissions (CO2, N2O, CH4). 13C and 15N tracers will be used at small plots for exact quantification of C and N fluxes by decomposition of plant residues (SP7), mineralization, nitrification, denitrification and incorporation into soil organic matter pools with various stability. 13C compound-specific isotope analyses in microbial biomarkers (13C-PLFA) will evaluate the changes of key biota as dependent on climate and land use. Greenhouse gas (GHG) emissions and leaching losses of nutrients from the (agro)ecosystems and the increase of the losses by conversion of natural ecosystems to agriculture will be evaluated and linked with changing vegetation diversity (SP4), vegetation biomass (SP2), decomposers community (SP7) and plant functional traits (SP5). Nutrient pools, turnover and fluxes will be linked with water cycle (SP2), CO2 and H2O vegetation exchange (SP2) allowing to describe ecosystem specific nutrient and water characteristics including the derivation of full GHG balances. Based on 60 plots screening stand level scale biogeochemical models will be tested, adapted and applied for simulation of key ecosystem processes along climate (SP1) and land use gradients.

Beseitigung der Striga-Plage im Sorghumanbau in Afrika durch Kombination von markergestützter Rückkreuzung und Farmer-partizipatorischer Selektion

Übergeordnetes Ziel ist die Erhöhung der Nahrungssicherheit in den mit dem parasitischen Unkraut Striga (Striga hermonthica) infizierten Sorghum (Sorghum bicolor)-Anbaugebieten in Eritrea, Kenia, Mali und Sudan. Hierzu soll zusammen mit NARS dieser Länder die Strigaresistenz von lokal adaptierten, Farmer-bevorzugten Sorghumsorten durch Anwendung einer Kombination aus markergestützter Rückkreuzung und Farmer-partizipatorischer Selektion verbessert werden. Molekulare Marker für quantitative, im Feld erfasste Strigaresistenz wurden während eines BMZ-finanzierten gemeinschaftlichen Projektes des ICRISAT mit den Universitäten Hohenheim und Tübingen (1995-2000) und danach im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Habilitationsvorhabens (2000-2003) identifiziert und validiert. Die Effekte von fünf QTL ('quantitative trait loci') für Strigaresistenz der Elternlinie N13' erwiesen sich dabei als stabil über zehn Feldversuche in Mali und Kenia, zwei Jahre und zwei unabhängige Genotypstichproben der Kartierungspopulation. Die einzelnen QTL erklären zwischen 12 - 30 Prozent der phänotypischen Variation und tragen zu einer partiellen, quantitativen und somit stabilen Resistenz bei. Die entsprechenden flankierenden Marker sollen im Projekt genutzt werden. Darüber hinaus wird eine simultane sozio-ökonomische Studie der Sorghum-Saatgutverteilungssysteme in den vier Ländern durchgeführt. Die Schlagkraft der verbesserten Sorten soll des weiteren durch Integration in bestehende Methoden der integrierten Strigabekämpfung erhöht werden. Die Langzeitwirkung der im Projekt entwickelten Sorten könnte durch offene Bestäubung in den genetisch sehr vielfältigen Feldern der Landwirte beeinträchtigt werden. Daher sollen auch die aktuellen Auskreuzungsraten der Farmer-bevorzugten Sorghumsorten untersucht werden. Daraus sollen Schlüsse über die Stabilität der transferierten Strigaresistenz-QTL gezogen und Empfehlungen für die Sortenerhaltung abgegeben werden.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1803: EarthShape: Earth Surface Shaping by Biota, Feuerinduzierte Elementumverteilung und -verluste in der Verwitterungszone

Das Extremereignis Feuer gilt als zentraler geomorphologischer Faktor, da es in kürzester Zeit zu wesentlichen Verlusten der Nähr- und Ballastelemente aus Ökosystemen führt. Feuer in (semi-)ariden, mediterranen und semihumiden Waldökosystemen verursachen dramatische Umverteilungen und Verluste von allen Elementen, die zuvor von Mikroorganismen im Saprolit mobilisiert und durch die Vegetation an die Oberfläche transportiert wurden. In der 1. Projektphase wurde die durch Wurzelkohlenstoff induzierte mikrobielle Elementmobilisierung sowie die pflanzliche Nährstoffaufnahme aus Boden und Saprolit untersucht. In der 2. Phase werden Elementverluste durch Feuer in Interaktion mit den Brandeffekten auf mikrobielle Gemeinschaften und deren Funktionen aufgeklärt. Nach kontrollierten Bränden und in natürlichen Brandchronosequenzen werden die aus Boden und Saprolit mobilisierten Elementpools bestimmt und die Gehalte verfügbarer Nährstoffe und Balastelemente ermittelt. Elementverluste durch Auswaschung und Erosion werden mittels Tracern für N, K, Ca und Si quantifiziert. Die fatalen Effekte von Feuer auf mikrobielle Gemeinschaften und Funktionen werden durch die relative Häufigkeit von symbiotischen und saprotrophen Pilzphyla, diazotrophen Organismen, Phospholipidfettsäuren (PLFA) sowie Enzymaktivitäten im Oberboden untersucht. Die mikrobielle Sukzession nach Brand wird mit Fokus auf stresstolerante und mineralverwitternde Pilze erforscht. Die Klärung der funktionellen Rolle von Pilzen und Bakterien wird durch den Vergleich der qPCR-Analyse mit Hochdurchsatzsequenzierung unterstützt. Besonderer Fokus liegt auf den Pilzen, welche unter aeroben Bedingungen an Gesteinsoberflächen und an der Wurzel-Boden-Grenzfläche Nährstoffe mobilisieren. Stresstolerante Pilze (i) bilden direkten Kontakt mit Mineralien, fördern die chemische Verwitterung von Nährstoffen aus Primärmineralien und (ii) können die Wiederbesiedlung des kahlen Bodens nach Feuer beschleunigen. Die kurz- und mittelfristige Sukzession mikrobieller Gemeinschaften wird mit der zu erfassenden Zunahme der Enzymaktivitäten und der Mobilisierung und Akkumulation der Nährstoffe im Oberboden verglichen. Alle Studien werden entlang des Klimagradienten von Pan de Azucar nach Nahuelbuta durchgeführt, um Niederschlagseffekte auf die absoluten und relativen Verluste von Nährstoffen und Ballastelementen nach Feuer sowie auf die Erholung der Ökosysteme aufzuklären. Die Ergebnisse der 1. Phase ermöglichen die Verallgemeinerung der Nährstoffkreisläufe stabiler Ökosysteme im Fließgleichgewicht. Die Ergebnisse der 2. Phase erlauben die Generalisierung der Folgen des Extremereignisses Feuer auf Elementverluste und nachfolgende Remobilisierung durch Verwitterung im Verlauf der Sukzession. Da die Aridisierung und damit die Feuerhäufigkeit weltweit zunehmen, ist die aus diesem Projekt erwartete Vorhersage ökosystemarer Nährstoffverlusten und die Konsequenzen für eine verstärkte Verwitterung von globaler Relevanz.

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