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DFG Gerätezentrum: Bayreuther Zentrum für Stabile Isotope in der Ökologie und Biogeochemie

Die Analyse stabiler Isotope ist ein leistungsfähiges und inzwischen unersetzliches Werkzeug in der Ökologie und Biogeochemie. Sie ermöglicht ein umfassendes Verständnis von Ökosystemprozessen über räumliche und zeitliche Skalen hinweg. Gleichzeitig entwickeln sich innovative Technologien rasch weiter. Das breite Spektrum von Anwendungsgebieten erlaubt in einzigartiger Weise, Prozesse und Wechselwirkungen in komplexen natürlichen Systemen zu identifizieren und zu quantifizieren.Die Universität Bayreuth vernetzt in ihrem Profilfeld „Ökologie & Umweltwissenschaften“ Forschende aus verschiedenen Disziplinen, die in der jeweiligen Anwendung stabiler Isotope führend sind. Isotope haben unser Verständnis von Stoffflüssen in Ökosystemen, trophischen Interaktionen in Nahrungsnetzen, sowie Mensch-Umwelt-Beziehungen entscheidend geprägt. Die Expertise in der Isotopenanalytik in Bayreuth wurde in den letzten Jahren erheblich erweitert und um neue innovative Spitzentechnologien ergänzt. Diese sind explizit auf die Identifizierung und Quantifizierung von Prozessen in terrestrischen und aquatischen Ökosystemen ausgerichtet.Ziel dieses Antrags ist es, Service und Lehre in einem neuen „Bayreuther Zentrum für Stabile Isotope in der Ökologie und Biogeochemie“ (BayCenSI) zu bündeln, mit Schwerpunkt auf der räumlichen und zeitlichen Dynamik ökosystemarer Prozesse. Das BayCenSI wird methodische Innovationen und Spitzenforschung vorantreiben und internen und externen Forschenden Zugang zu einzigartigen Technologien ermöglichen. Um diese Ziele zu erreichen, wird ein Lenkungsausschuss die strategische und wissenschaftliche Ausrichtung des Zentrums festlegen und deren Umsetzung überwachen. Das BayCenSI wird Isotopenanalytik für eine Vielzahl an Probenmatrizes anbieten, von natürlicher Häufigkeit bis hin zu sehr hoch angereicherten Proben aus Markierungsexperimenten. Neueste Technologien, wie die Visualisierung stabiler Isotope auf der µm-Skala, die Aufklärung mikrobieller Umsatzprozesse mittels gepulster Markierungen, sowie die zeitlich hochauflösende Erfassung von Gasisotopen werden in das Zentrum integriert. Dies erfordert die Implementierung eines Labormanagementsystems, um die Arbeitsabläufe zu strukturieren und hochwertige Analysen auf Basis von Qualitätsstandards zu gewährleisten. Ein/e Nachwuchswissenschaftler/in soll als Leiter/in der Core Facility eingesetzt werden, mit attraktiver Karriereperspektive. Das BayCenSI wird Forschende beraten und durch die Finanzierung explorativer Experimente unterstützen. Die Lehre im Bereich stabiler Isotope wird neben der theoretischen und praktischen Ausbildung auch Workshops, Summer Schools und Öffentlichkeitsarbeit umfassen.Unsere Vision ist es, Anwendern aus transdisziplinären Bereichen Zugang zu hochentwickelter, innovativer Analytik stabiler Isotope zu bieten, um die Forschung zu Ökosystemprozessen, mit Stoffumsätzen von Sekunden bis hin zu Jahrhunderten und von der Molekül-Skala bis zum globalen Raum, voranzutreiben.

Verteilung und Stabilität des Kohlenstoffs beim Abbau von 14C-markiertem Weizenstroh in den verschiedenen Kompartimenten eines Bodens mit unterschiedlicher landwirtschaftlicher Bewirtschaftung

Es ist die Hypothese aufgestellt worden, dass neben nicht abgebauten Pflanzenresten die organische Substanz des Bodens grob aus zwei Kompartimenten besteht. Bestimmt durch den Ton- und Feinschluffanteil entwickelte sich ein inerter C-Pool während der Genese von Böden. Dieser an die mineralischen Feinanteile gebundene Kohlenstoff nimmt nur über einen langen Zeitraum am Kohlenstoffumsatz von Böden teil. In Abhängigkeit von der landwirtschaftlichen Praxis entwickelt sich während des durch die metabolische Aktivität von Bodentieren und Mikroorganismen verursachten Abbaus von Pflanzenresten und organischen Düngern ein zweiter, labiler C-Pool. Dieser ist im wesentlich verantwortlich für die Nährstoffflüsse in Böden. Das Ziel des geplanten Forschungsprojektes ist es, in Laborexperimenten die Verteilung von frisch zugeführten 14C aus markiertem Weizenstroh zwischen inertem und labilem C-Pool über den Zeitraum eines Jahres zu verfolgen. Zusätzlich wird die Mineralisierung des Pflanzenmaterials zu 14CO2, die Bildung wasserlöslicher 14C-Metabolite und die anabolische Verwertung des markierten Kohlenstoffs durch die mikrobielle Biomasse des Bodens verfolgt. Nach einer physikalischen Fraktionierung der mineralisch-organischen Bodensubstanz in einzelne Größenfraktionen soll deren Gehalt an 14C/12C organischer Substanz über die Zeit bestimmt werden. In einem Inkubationsexperiment werden die isolierten Größenfraktionen mit der autochthonen Bodenflora beimpft werden, und die dabei durch die Aktivität der Mikroorganismen freigesetzten 14CO2 Mengen sind ein Indikator für die Stabilität der organischen Substanz in den einzelnen Fraktionen. Für diese Untersuchungen werden Proben eines landwirtschaftlichen Bodens ausgesucht, der für viele Jahrzehnte verschiedener Düngungspraxis (null, mineralisch, organisch) unterlag. Durch dieses Forschungsprojekt werden Informationen über die kausalen Zusammenhänge von Bodenprozessen bei der Bildung und Speicherung der organischen Substanz im Boden erwartet.

Leistungsfähige Sorten der Schmalblättrigen Lupine (Lupinus angustifolius) durch Erschließung des genetischen Potenzials von Wurzeleigenschaften und Rhizosphären-Interaktionen

Gesunde und leistungsfähige Wurzelsysteme der angebauten Kulturen sind unabdingbare Voraussetzungen für sichere und hohe Erträge. Im Projekt sollen Ertrag und Ertragsstabilität Schmalblättriger Lupinen[1] (Lupinus angustifolius) durch Selektion auf Wurzelmerkmale maßgeblich verbessert werden. Neben der Erfassung der Wurzelarchitektur und der Wurzelwachstumsgeschwindigkeit in Rhizotronen soll insbesondere der Wurzelchemotyp (Wurzelexsudate und Rhizodeposite) und dessen Einfluss auf die Rhizosphäre, Knöllchenbildung und Phosphataufschluss mittels GC/MS erfasst werden. Die genetischen Grundlagen sollen mittels differenzieller Expressionsprofile über RNA-Seq-Vergleiche und quantitative PCR mit mRNA analysiert werden. Die Daten werden züchterisch genutzt, um die wurzelbezogenen Merkmale aus bitteren Formen in alkaloidarme Formen der Schmalblättrigen Lupine zu überführen und dort mit wichtigen Domestikations- und Qualitätsmerkmalen zu kombinieren. Dabei sollen die Domestikationsmerkmale (z.B. Platzfestigkeit, Weichschaligkeit) über molekulare Marker verfolgt und selektiert werden. Die Qualitätsmerkmale Protein- und Alkaloidgehalt werden über GC/MS und Einzelkorn NIRS erfasst und in die Selektion einbezogen. Darüber hinaus sollen agronomische Eigenschaften, wie Hochwüchsigkeit, Standfestigkeit und Spätreife berücksichtigt werden, die sich positiv auf zukünftige Anbauformen wie z.B. Mischanbau auswirken können. Das Projekt zielt darauf ab, neuartige Sorten der Schmalblättrigen Lupine zur Verfügung zu stellen, die über leistungsfähige Wurzelsysteme mit neuartigen Eigenschaften neue Anbaugebiete erschließen und deutlich verbesserte Kornerträge und Ertragsstabilitäten liefern können. Die dem beantragenden Konsortium vorliegenden genetischen Ressourcen aus vorangegangenen Projekten und die darin gefundenen Merkmalsausprägungen für z.B. Boden-pH-Toleranz, Pflanzenarchitektur und Hülsenansatz sind hierzu hervorragend geeignet.

Leistungsfähige Sorten der Schmalblättrigen Lupine (Lupinus angustifolius) durch Erschließung des genetischen Potenzials von Wurzeleigenschaften und Rhizosphären-Interaktionen

Gesunde und leistungsfähige Wurzelsysteme der angebauten Kulturen sind unabdingbare Voraussetzungen für sichere und hohe Erträge. Im Projekt sollen Ertrag und Ertragsstabilität Schmalblättriger Lupinen (Lupinus angustifolius) durch Selektion auf Wurzelmerkmale maßgeblich verbessert werden. Neben der Erfassung der Wurzelarchitektur und der Wurzelwachstumsgeschwindigkeit in Rhizotronen soll insbesondere der Wurzelchemotyp (Wurzelexsudate und Rhizodeposite) und dessen Einfluss auf die Rhizosphäre, Knöllchenbildung und Phosphataufschluss mittels GC/MS erfasst werden. Die genetischen Grundlagen sollen mittels differenzieller Expressionsprofile über RNA-Seq-Vergleiche und quantitative PCR mit mRNA analysiert werden. Die Daten werden züchterisch genutzt, um die wurzelbezogenen Merkmale aus bitteren Formen in alkaloidarme Formen der Schmalblättrigen Lupine zu überführen und dort mit wichtigen Domestikations- und Qualitätsmerkmalen zu kombinieren. Dabei sollen die Domestikationsmerkmale (z.B. Platzfestigkeit, Weichschaligkeit) über molekulare Marker verfolgt und selektiert werden. Die Qualitätsmerkmale Protein- und Alkaloidgehalt werden über GC/MS und Einzelkorn NIRS erfasst und in die Selektion einbezogen. Darüber hinaus sollen agronomische Eigenschaften, wie Hochwüchsigkeit, Standfestigkeit und Spätreife berücksichtigt werden, die sich positiv auf zukünftige Anbauformen wie z.B. Mischanbau auswirken können. Das Projekt zielt darauf ab, neuartige Sorten der Schmalblättrigen Lupine zur Verfügung zu stellen, die über leistungsfähige Wurzelsysteme mit neuartigen Eigenschaften neue Anbaugebiete erschließen und deutlich verbesserte Kornerträge und Ertragsstabilitäten liefern können. Die dem beantragenden Konsortium vorliegenden genetischen Ressourcen aus vorangegangenen Projekten und die darin gefundenen Merkmalsausprägungen für z.B. Boden-pH-Toleranz, Pflanzenarchitektur und Hülsenansatz sind hierzu hervorragend geeignet.

Quantifizierung der Rhizodeposition unter Grünland

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens sollen die Mengen der Wurzelexsudate in einem im Labor modellierten Grünlandökosystem quantifiziert werden. Die Untersuchungen sollen genaue Kenntnis über die Teilkomponenten der Rhizodeposition und der Bodenatmung erbringen. Zur präzisen Quantifizierung der Teilkomponenten der Rhizodeposition wird die Translokation von14C-Assimilaten in den Boden von einem für Grünlandökosystem typischen Vertreter - Lolium perenne - verfolgt. Dabei werden drei aus der Literatur bekannte Methoden mit eigenen Modifikationen und einer selbst entwickelten Methode verglichen. Diese Methoden stützen sich auf die Prinzipien: der Isotopenverdünnung, der Markierung verschiedener Pools in parallelen Varianten, der kurzfristigen Inhibierung der Mikroorganismenaktivität und der zeitlichen Trennung von Prozessen mit verschiedenen Geschwindigkeiten. Die anderen Kapitel der Habilitationsschrift werden folgenden Teilprozessen der Transformation der niedermolekularen organischen Substanzen im Boden anhand der Ergebnisse früherer Untersuchungen des Antragsstellers gewidmet: 1) den Geschwindigkeiten des mikrobiellen Abbaus der niedermolekularen organischen Substanzen 2) ihrer Verwertung durch die Bodenmikroorganismen 3) Dynamik des Einbaus in die Humusfraktionen und Rezyklierung der Humusfraktionen durch die niedermolekularen organischen Substanzen 4) Aufnahme von niedermolekularen organischen Substanzen durch die Pflanzen (kurz) 5) ihre Migration im Boden (kurz) Ein spezielles Kapitel wird der Transformation der Aminosäuren - den wichtigsten N-haltigen organischen Substanzen im boden - gewidmet. Die experimentellen Ergebnisse werden in der Habilitation zu einem Gesamtkonzept der Transformation der niedermolekularen organischen Substanzen im Boden zusammengefasst.

Übertragung von Resistenzgenen gegen den Wurzelgallennematoden Meloidogyne hapla und den Zystennematoden Heterodera carotae aus Möhren-Wildformen in die Kulturmöhre für die Nutzung im Ökolandbau

Schwerpunktprogramm (SPP) 1294: Bereich Infrastruktur - Atmospheric and Earth system research with the 'High Altitude and Long Range Research Aircraft' (HALO), WISE: Wellengetriebener isentroper Austausch

Änderungen der Verteilung von Spurenstoffen wie Wasserdampf und Ozon, sowie die Verteilung von Zirruspartikeln in der unteren Stratosphäre/oberen Troposphäre (UTLS) haben einen großen Einfluss auf den Strahlungsantrieb. Unsicherheiten in der Beschreibung von Mischungsprozessen führen zu großen Unsicherheiten der Abschätzung des Strahlungsantriebs und sind deshalb von großer Bedeutung für die Quantifizierung des Klimawandels. Deshalb ist es wichtig, physikalische und chemische Prozesse (z.B. Austauschprozesse von Luftmassen, Zirrusbildung) zu quantifizieren, die die Zusammensetzung der UTLS bestimmen. Die sogenannte 'overworld' oberhalb von Theta=380K beeinflusst unmittelbar die Zusammensetzung der extratropischen Stratosphäre im Sommer durch Luftmassen, die aus der Region der asiatischen Monsunzirkulation stammen. Brechende planetare Wellen transportieren Monsun beeinflusste Luft in höhere Breiten, wo sie zum dortigen Wasserdampf- und Spurenstoffbudget beitragen. Die untere Grenze der UTLS, die extratropische Tropopausenschicht (ExTL), wird durch schnellen und effizienten bidirektionalen (quasi-isentropen) Austausch mit der Troposphäre gekennzeichnet. Die obere Grenze der der ExTL korrespondiert mit der Lage der Tropopauseninversionsschicht (TIL), die eine Region erhöhter statischer Stabilität oberhalb der Tropopause darstellt. Der Einfluss infrarotaktiver Tracer wie Wasserdampf oder Ozon auf die Temperaturstruktur macht die TIL zu einem sensitiven Indikator für Änderungen des Wasserdampf- oder Ozongehaltes oder auch Änderungen der Tropopausen Temperatur. Diese wirkt auf den Wasserdampfgehalt, der wiederum die statische Stabilität beeinflusst. WISE untersucht den Zusammenhang zwischen Zusammensetzung und der dynamischen Struktur der UTLS innerhalb der folgenden vier Hauptthemen:- Zusammenhang zwischen TIL und Spurengasverteilung in der unteren Stratosphäre- Wellenbrechung von planetaren Wellen und Wasserdampftransport in die extratropische untere Stratosphäre - Halogenierte Substanzen und deren Effekt auf Ozon in der UTLS- Nichtsichtbare Zirruspartikel und deren Effekt auf die UTLSBei WISE werden diese Themen mit einer neuartigen Nutzlast untersucht, die 2D- und 3D-Messungen von Spurenstoffen und Temperatur, Dropsondendaten und hochaufgelöste in-situ Spurengasmessungen vereint. Eine einzigartige Kombination von Limb- und Nadirmessngen wird verwendet, um die Eigenschaften optisch dünner Zirren in der UTLS Region zu untersuchen. Hochpräzise in-situ Daten erlauben detaillierte Untersuchungen zu Mischungsprozessen mit hoher Auflösung, sowie Zeitskalen und Altersbestimmung der Luft. WISE wird im September / Oktober stattfinden, und daher unmittelbar den Einfluss des sich auflösenden Monsuns auf die extratropische UTLS vermessen. Durch die Kombination mit Lagrange'schen und prozessorientierten Modellen wird der relative Beitrag verschiedener Quellregionen als auch Transportzeitskalen und Prozesse quantifiziert.

Porewater chemistry, iron extractions, metabolic rates and microbial analyses from Boknis Eck sediments from January 2022 until March 2023

We collected sediments for pore water analyses via IC, ICP-OESm H2S and Alkalinity measurements, conducted sequential Fe-extractions, determined O2 consumption rates via an enclosed mini Chamber, measured sulfate reduction rates via 35S-SO4 tracer and conducted 16S rRNA amplicon gene analyses (seqeuncing Illumina). Data was generated from Boknis Eck sediments from January 2022 until March 2023.

Nitrate and hydrogen sulfide concentrations of the water column in the Kiel Bight, SW Baltic Sea from 2018 to 2025

This dataset presents hydrogen sulfide (H2S) and nitrate (NO3-) concentrations in the water column at 15 stations in the Kiel Bight taken during the research cruises BE10/2018 (23.10.2018), BE03/2019 (15.03.2019), L23-13 (13.09.2023 - 15.09.2023), Hai24VE2 (24.09.2024) and EMB374 (04.09.2025 - 13.09.2025). Water samples were collected using Niskin bottles attached to a stainless-steel framework with CTD sensors. Concentrations of H2S and NO3- were measured photometrically (Hitachi U-2900). The data are used to describe seasonal hypoxia in the Kiel Bight water column and are combined with sediment and porewater data to identify controlling factors governing the accumulation of H2S at the seafloor. Furthermore, we compare the H2S measurements from the deepest Niskin bottle with bottom water H2S concentrations obtained from the benthic tracer profiler and from the overlying water in sediment cores. This allows us to illustrate H2S trends from several meters above the seafloor down to the sediment-water interface, and to discuss advantages and limitations of the different sampling techniques in characterizing geochemical conditions in the benthic environment.

Global database of sedimentary excess thorium-234 (Th-234) in and near submarine canyons

This global compilation was generated to explore the application of thorium-234 (234Th) as a tracer for recent sedimentation in submarine canyons. Submarine canyons are located along the continental margins, including the shelf regions, which are disproportionally relevant for the carbon cycle and other essential biogeochemical processes. These geomorphological features can act as funnels for particles and represent a strong connection between land and the open ocean. The continental margins encompass dynamic environments, granting the necessity to use tracers capable of quantifying short-term events. 234Th is a particle reactive radionuclide that gets scavenged onto particles in the water column and, due to its short half-life of 24.1 days, it allows estimating the magnitude of recently deposited sediment on the seabed over the previous ~4 months. Excess 234Th (234Thxs) with respect to 234Th in secular equilibrium with its parent nuclide uranium-238 can be used to calculate excess 234Th inventories as a proxy of recent sediment deposition (Aller and Cochran, 1976). Moreover, the vertical profile of 234Thxs in surface sediment also serves for estimation of mixing rates when sedimentation rates are sufficiently low. This has advantages over the classic and extensively used lead-210 dating method with a decadal integration period (Arias-Ortiz et al., 2018), since the relatively short time scale of 234Th can match the occurrence of recent short deposition events, thus revealing the impacts of potential recent riverine runoff, trawling-derived deposition or phytoplankton blooms, among others. To compile these data we conducted a search across Google Scholar (last accessed: 03-Sep-2025 ) for periods encompassing 1979-2025, and obtained 123 search results using the terms: (Excess 234Th OR Excess 234 Th OR Excess Th-234 OR Excess Thorium-234) AND (submarine canyon OR canyon OR off-shelf) AND (sediment core OR sediment samples OR core OR gamma spectrometry OR gamma spectroscopy OR gamma counting OR radiochemical analysis OR radioisotopic). After thorough inspection of the publications, those reporting sedimentary 234Th data in canyon environments were selected, resulting in a compilation of data from a total of 26 publications from 20 different canyons. Data on 234Thxs parameters, sampling methodology, and contextual information of sediment cores obtained in submarine canyon environments were carefully extracted using the information given in the main text, tables, figures, and supplementary files. Latitude, longitude and sampling dates were assigned to the midpoint or the sampling month when not explicitly stated. Gamma spectrometry was applied as the counting method, with one exception measured by beta counting. Empty cells represent missing data. In 12 studies, data was also provided from the shelf, slope or abyssal plain near the canyon. The compilation includes surface 234Thxs activities, 234Thxs penetration depths, 234Thxs inventories and mixing rates (Db) from canyon studies with coring sites inside canyons, spanning a depth range from 120 to 4280 m and, additionally, near those canyons. In canyons, the most frequently provided parameter is the surface 234Thxs activity (19 of 26 studies) ranging from 20 to 4040 Bq kg-1with a mean value of 520 Bq kg-1. 10 of 26 studies reported 234Thxs inventories, showing high variability with a range of values between 10 and 50700 Bq m-2 and a mean value of 2860 Bq m-2. 10 of 26 studies reported (or provide enough data for extraction of) 234Thxs penetration depths (mean of 2 cm, ranging from 0.4 to 24 cm). The least frequently reported 234Thxs parameter is mixing rate (6 of 26 studies) yet encompassing a large range of values from 0.2 to 68.7 cm2 y-1 with a mean of 6.9 cm2 y-1.This database provides an overview of the variability of recent sediment deposition patterns as well as other sedimentary parameters derived from 234Th measurements across canyons distributed globally. Advancing the characterization of short-term sedimentary signatures using 234Th is promising and relevant in canyon environments, which represent a crucial link in the land-ocean interface.

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