Meeressedimente enthalten schätzungsweise größer als 10^29 mikrobielle Zellen, welche bis zu 2.500 Meter unter dem Meeresboden vorkommen. Mikrobielle Zellen katabolisieren unter diesen sehr stabilen und geologisch alten Bedingungen bis zu einer Million mal langsamer als Modellorganismen in nährstoffreichen Kulturen und wachsen in Zeiträumen von Jahrtausenden, anstelle von Stunden bis Tagen. Aufgrund der extrem niedrigen Aktivitätsraten, ist es eine Herausforderung die metabolische Aktivität von Mikroorganismen unterhalb des Meeresbodens zu untersuchen. Die Transkriptionsaktivität von diesen mikroben kann seit Kurzem metatranskriptomisch untersucht werden, z.B. durch den Einsatz von Hochdurchsatzsequenzierung von aktiv transkribierter Boten-RNA (mRNA), die aus Sedimentproben extrahiert wird. Tiefseetone zeigen ein Eindringen von Sauerstoff bis zum Grundgebirge, welches auf eine geringe Sedimentationsrate im ultra-oligotrophen Ozean zurückzuführen ist. Der Sauerstoffverbrauch wird durch langsam respirierende mikrobielle Gemeinschaften geprägt, deren Zellzahlen und Atmungsraten sehr niedrig gehalten werden durch die äußerst geringe Menge organischer Substanz, die aus dem darüber liegendem extrem oligotrophen Ozean abgelagert wird. Die zellulären Mechanismen dieser aeroben mikroben bleiben unbekannt. Im Jahr 2014 hat eine Expedition erfolgreich Sedimentkerne von sauerstoffangereichertem Tiefseeton genommen. Vorläufige metatranskriptomische Analysen dieser Proben zeigen, dass der metatranskriptomische Ansatz erfolgreich auf die aeroben mikrobiellen Gemeinschaften in diesen Tiefseetonen angewendet werden kann. Wir schlagen daher vor diese Methode mit einem hohen Maß an Replikation, in 300 Proben von vier Standorten, anzuwenden. Dieser Einsatz wird es uns ermöglichen, Hypothesen in Bezug auf zelluläre Aktivitäten unterhalb des Meeresbodens, mit einer beispiellosen statistischen Unterstützung, zu testen.Wir warden den aeroben Stoffwechsel, welcher die langfristige Existenz von Organismen in Tiefseetonen unterstützt, bestimmen, Subsistenzstrategien identifizieren in aeroben und anaeroben Gemeinden unterhalb des Meeresbodens, und extrazelluläre Enzyme und ihr Potenzial für den organischen Substanzabbau charakterisieren. Die folgenden Fragen werden damit beantwortet: Wie das Leben im Untergrund über geologische Zeiträume unter aeroben Bedingungen überlebt? Was die allgegenwärtigen und einzigartigen Mechanismen sind, die langfristiges Überleben in Zellen unter aeroben und anaeroben Bedingungen fördert? Was die Auswirkungen von Sedimenttiefe und Verfügbarkeit von organischer Substanz auf die mikrobielle Produktion von extrazellulären Hydrolasen unter aeroben und anaeroben Bedingungen sind? Dies wird sowohl ein besseres Verständnis dafür liefern, wie mikrobielle Aktivitäten unterhalb des Meeresbodens verteilt sind und was ihre Rolle in biogeochemischen Zyklen ist, als auch wie das Leben über geologische Zeiträume unter extremer Energiebegrenzung überlebt.
Wiesen auf zeitweise vernässten, sommertrockenen Böden sind meist ein Produkt jahrzehntelanger landwirtschaftlicher Nutzung. Nur selten handelt es sich bei solchen Flächen um oligotrophe Biotope, die zu den am schützenswertesten mitteleuropäischen Landschaften gehören. Dennoch können solche Wiesen auch bei mittlerem und höherem Nährstoffstatus recht artenreich sein. Ziel dieses Projektes ist es, die mittel- und langfristigen Folgen der Nutzungsaufgabe auf solchen Grünlandstandorten aufzuzeigen. In welchen Zeiträumen ist mit einschneidenden Veränderungen der botanischen Zusammensetzung und der bodenchemischen Eigenschaften zu rechnen und welche Unterschiede bestehen zwischen der ungestörten Sukzession und einmaligem Mulchen pro Jahr? Der Freilandversuch wurde im Jahr 1979 in langjährig bewirtschaftetem Grünland etabliert, das pflanzensoziologisch als Arrhenatherion elatioris feuchter Ausprägung einzuordnen ist. Der Ausgangsbestand war dominiert von Leguminosen und anderen Kräutern. Der Versuch mit vier Wiederholungen beinhaltet drei Behandlungen, die über 25 Jahre unverändert geblieben sind: ungestörte Sukzession, einmaliges Mulchen pro Jahr im Juli und extensive Wiesennutzung (= moderate mineralische Düngung, ein bis zwei Schnitte pro Jahr, Erstnutzung in der Regel in der ersten Juni-Hälfte).
In Brandenburg kommen ausgedehnte Niedermoorflächen mit einer großen standörtlichen Vielfalt vor, die jedoch nahezu flächendeckend entwässert sind und fortschreitender Degradierung unterliegen. Es gibt Vorarbeiten zur Wiedervernässung in mehreren moorreichen Regionen des Landes, langjährige Forschungsaktivitäten zur stofflichen und energetischen Biomasseverwertung und Interesse von verarbeitenden Unternehmen. Das Vorhaben WetNetBB soll als Katalysator für eine großflächige Transformation zu einer nachhaltigen Moornutzung fungieren, indem es diese Entwicklungen aufnimmt und zusammenführt, auf typischen Standorten moorerhaltende Wasserstände realisiert, Verfahren für die Flächenbewirtschaftung und Biomassenutzung exemplarisch umsetzt und demonstriert und damit über die Projektflächen und -gebiete hinaus ausstrahlt. Gesamtziel des Vorhabens ist die Schaffung eines Verbundes von Modell- und Demonstrationsvorhaben für die Nutzung nasser Niedermoore mit repräsentativen Moorflächen, Biomasseverwertungspfaden und relevanten Akteuren in Brandenburg. Die Gebietskulisse bildet standörtliche Bedingungen wie hydrogenetische Moortypen, Trophiestufen, Wasserregimetypen und Vegetation sowie betriebliche Voraussetzungen für die Biomasseverwertung in repräsentativer Weise ab und umfasst die moorreichen Regionen Rhinluch/Havelland, Mittlere Havel, Uckertal/Randowbruch und Spreewald. Im Ergebnis des Vorhabens WetNetBB sollen die einzigartigen möglichen Synergien von Mooren für Klima-, Boden-, Wasser- und Biodiversitätsschutz und regionale Wertschöpfung exemplarisch demonstriert und damit Akzeptanz und Interesse für eine nachhaltige Moornutzung in den ausgewählten Regionen und darüber hinaus aufgebaut sein.
Weite Regionen der Ozeane werden als sogenannte high nutrient low chlorophyll-Gebiete (HNLC) bezeichnet. Sie sind charakterisiert durch relativ niedrige Chlorophyllwerte trotz ausreichend hoher Nährstoffdichte. In diesen Regionen werden das Algenwachstum und dessen Zusammensetzung statt durch Makronährstoffe (etwa Nitrat), von Mikronährstoffen wie Spurenelementen und Vitaminen gesteuert. Die Eintragswege von Spurenelementen und deren Aufnahme durch Plankton und Schwebepartikel in der Wassersäule wurden in den letzten drei Jahrzehnten intensiv untersucht. Im Gegensatz dazu ist weiterhin relativ wenig bekannt über die Prozesse, welche das Vorkommen von bioverfügbaren Spurenelementen in situ wieder auffüllen, beispielsweise durch Remineralisation oder grazing durch Zooplankton. Die Bedeutung von Vitaminen für das Wachstum von Phytoplanktonblüten im Südpolarmeer wurde erst in jüngster Zeit erkannt. Jedoch existieren bislang keinerlei Daten über den Verbrauch und die Konzentrationen des Vitamingehaltes durch Plankton. Darüberhinaus sind Vitaminproduktionsraten für das marine System noch niemals bestimmt worden. In welchem Verhältnis stehen die Produktions- und Recyclingraten von Spurenstoffen und Vitaminen zu deren Entsorgungsraten? Welche Rolle spielt das grazing durch Zooplankton? Werden durch den Klimawandel und den als Folge saurer werdenden Ozean Recyclingprozesse begünstigt als Konsequenz einer veränderten Spurenstoffchemie und sich ändernder biologischer Wechselwirkungen? Um diese Fragen zu beantworten, wird ein neuer Ansatz zur Massenbilanzierung angewendet, um in situ Recyclingraten von drei ökologisch relevanten Spurenstoffen (Eisen, Zink und Kobalt) zu bestimmen. Außerdem werden die Produktions- und Recyclingrate von Vitaminen bestimmt. Eine umfassende Bestimmung der Planktongesellschaft mit unterschiedlichen Methoden wird die Schlüsselarten fuer die verschiedenen Prozesse identifizieren. Der Einfluss des grazing von Piko-und Nanoplankton durch höhere trophische Level auf diese Produktions- und Recyclingraten wird im Rahmen von Feld- und Laborexperimenten untersucht, ebenso wie der Einfluss von erhöhtem pCO2. Dieser umfassende Datensatz wird eine große Lücke in den Studien zur Bedeutung von Spurenstoffen und Vitaminen schließen. Er liefert zudem Informationen für globale Ozeanmodelle zum Kreislauf von Vitaminen, Eisen und weiteren ökologisch relevanten Spurenstoffen im marinen System und deren Veränderung unter sich wandelnden klimatischen Bedingungen.
The proposed project examines the nematode fauna at the two field experiments 'Long-term recalcitrant C input' and 'Carbon flow via the herbivore and detrital food chain'. A gradient from resource rich to deeper oligotrophe habitats, i.e. from high to low diverse food webs, is investigated. The impact of resource availability and quality (recalcitrant versus labile) and presence or absence of living plants (rhizosphere versus detritusphere) on the nematode population are assessed. Insight into micro-food web structure is gained by application of the nematode faunal analysis concept, based on the enrichment, structure and channel index. In laboratory model systems carbon flux rates for food web links are determined between bacteria/fungi and their nematode grazers for dominant taxa in the arable field. Further, carbon leakage from plant roots induced by herbivore nematode is studied as link between root and bacterial energy channels. By using 13C/12C stable isotope probing (FA-SIP) fatty acids serve as major carbon currency. Coupling qualitative and quantitative data on nematode field populations, with carbon flow via biomarker fatty acids in microorganisms and grazers will allow to connect microbial and faunal food web, and to directly link nematode functional groups with specific processes in the soil carbon cycle.
Die Bodenfauna ist in vielfaeltiger Weise an den bodenbiologischen Prozessen beteiligt, die letztlich in den Abbau der von den gruenen Pflanzen aufgebauten organischen Substanz muenden. Schematisch laesst sich die Rolle der Bodenfauna zwei Abbaustufen zuordnen, derjenigen der Saprophagen, deren Nahrungsnetz von Pilzen und primaerzersetzenden Tieren ausgeht und ueber Sekundaerzersetzer bis zu Aasfressern und Raeubern reicht, und der Stufe der Mineralisierung, die von Bakterien geleistet wird, die wiederum von Bodentieren, vor allem Protozoen und Nematoden kontrolliert werden, die ihrerseits in ein Nahrungsnetz von Tieren hoeherer Trophiestufen eingebunden sind. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, zur Aufklaerung der Rolle der einzelnen Gruppen und Arten der Bodenfauna und ihrer Beziehungen beizutragen.
Die Arbeit ist eine Vergleichsstudie, die auf verschiedenen wigenen Seenuntersuchungen basiert, die zum Teil noch nicht vollstaendig fertiggestellt sind. Es werden die Sedimente von oligotrophen, mesotrophen und eutrophen Seen untersucht. Waehrend oliogotrophe Seen den Naturzustand repraesentieren, laesst sich eine enge Beziehung zwischen zunehmender Eutrophierung, Industriealisierung und Bevoelkerungsdichte herstellen. Sedimente signalisieren naemlich den momentanen Zustand eines Gewaessers. Vergleiche mit tieferliegenden Sedimenten im gleichen See lassen die Veraenderungen deutlich werden.
Die Begrenzung der Länge von Nahrungsketten ist eine der klassischen, aber immer noch unbeantworteten Fragen der Ökologie von Lebensgemeinschaften. In diesem Projekt und in einem parallelen Projekt limnologischer Ausrichtung (Antragsteller: Dr. H. Stibor, LMU München) soll versucht werden, zwei zentrale Hypothesen zu überprüfen: Die Omnivorie-Hypothese und die Hypothese der energetischen Begrenzung. Omnivore sind Organismen, die ihre Nahrung mindestens zwei tropischen Ebenen entnehmen. Dadurch werden sie gleichzeitig zu Nahrungskonkurrenten ihrer Beuteorganismen auf der unmittelbar unter den Omnivoren angesiedelten tropischen Ebene. Diese können dem doppelten Druck (Konkurrenz, Fraß) nicht widerstehen und werden aus dem System verdrängt, wodurch es zu einer Verkürzung der Nahrungskette kommt. Hypothese der energetischen Begrenzung. Wegen der Energieverluste, die bei jedem Transferschritt in der Nahrungskette auftreten, begrenzt die Höhe der Primärproduktion die Länge von Nahrungsketten, da bei zu langen Ketten die Energiezufuhr zu niedrig wäre, um die tropische Ebene der terminalen Räuber zu unterhalten. Überprüfung der Omnivorie-Hypothese. In künstlich zusammengestellte Modell-Nahrungsnetze im Labor (Mikrokosmen) werden an der Basis (mixotrophe Algen) und in der Mitte (omnivore Zooplankter) Omnivore eingefügt und die Struktur der Nahrungsnetze mit Kontroll-Nahrungsnetzen ohne Omnivore verglichen. Überprüfung der Hypothese der energetischen Begrenzung. Die Entwicklung der omnivorenhaltigen und omnivorenfreien Modell-Nahrungsnetze wird bei unterschiedlicher Trophie und damit Primärproduktion verfolgt.
Räuber-Beute-Beziehungen zwischen Bakterien und ihren eukaryotischen Räubern werden seit langem in der terrestrischen Ökologie untersucht, jedoch werden die Interkationen zwischen Mikroeukaryoten oft vernachlässigt. Mikroalgen nehmen eine Schlüsselposition als phototrophe Organismen in den marinen und Süßwasserökosystemen der Antarktis und Arktis ein; die meiste Energie und die meisten Nährstoffe werden durch diese zu höheren trophischen Ebenen kanalisiert. In diesem Kontext fehlen Studien in den terrestrischen Ökosystemen der Antarktis. Die terrestrische Vegetation der Antarktis wird dominiert durch kryptogamen Bewuchs mit einer Vielzahl und hoher Abundanz von Mikroalgen. Bis zu 55% des eisfreien Bodens der antarktischen Halbinsel und bis zu 70% im arktischen Spitzbergen werden von biologischen Bodenkrusten (Biokrusten) bedeckt. Diese Zahlen werden zukünftig auf Grund des Klimawandels und der daraus folgenden Erwärmung der Polarregionen steigen (“Arctic Greening”). Man kann daher annehmen, dass ein großer Anteil der Primärproduktion in den Polarregionen durch Mikroalgen in Biokrusten realisiert wird. Dennoch fehlt die Verbindung zu höheren trophischen Ebenen; insbesondere, wenn man bedenkt, dass in der Antarktis algenfressende Metazoen selten und artenarm sind. Cercozoa sind eine der häufigsten algenkonsumierenden einzelligen Eukaryoten (Protisten) in terrestrischen Systemen; vorläufige Ergebnisse zeigen: algenkonsumierende Cercozoa dominieren die mikrobielle Gemeinschaft in den Biokrusten der Polarregionen. Wir werden zum ersten Mal die Räuber-Beute-Beziehung in Biokrusten zwischen den Algen als Primärproduzenten und den wichtigsten Algenkonsumenten erforschen, um so ein vollständigeres Bild des terrestrischen Nahrungsnetzes in den beiden Polarregionen zu erhalten. Um das zu erreichen, kombinieren wir einen Barcode-basierten Hochdurchsatz-Illumina Ansatz mit klassischen Kulturexperimenten, welche Aufschluss über ökologische Funktionen der einzelnen Organismen liefern. Damit erhalten wir erstmalig ein umfassendes Bild der Räuber-Beute-Beziehung zwischen Mikroalgen und ihren Räubern, den Cercozoa, für das terrestrische Ökosystem in Arktis und Antarktis. Diese Daten werden zur Beantwortung der folgenden Fragen beitragen: Wie wichtig ist das terrestrische Nahrungsnetz in den Polarregionen? Und hat die Klimaerwärmung das Potential diese Interaktionen zu verändern?
Methan ist ein höchst potentes Treibhausgas, dennoch ist das globale Methanbudget durch die vielen unbekannten CH4-Quellen und -senken sehr unsicher. Die Höhe der CH4-Anreicherung in der Wassersäule hängt von komplexen Interaktionen zwischen methanogenen Archaeen und methanotrophen Bakterien ab. Das bekannte Methan Paradoxon, das die CH4-Übersättigung im oxischen Oberflächenwasserkörper von Seen und Meeren darstellt, weckt Zweifel, dass die mikrobielle CH4-Bildung nur im anoxischen Milieu stattfindet. Im oligotrophen Stechlinsee haben wir eine wiederkehrende Methanübersättigung im Epilimnion gefunden. Unsere Studien zeigen, dass das CH4 aktiv in der oxischen Wassersäule produziert wird. Die Produktion scheint dabei an die autotrophe Produktion von Grünalgen und Cyanobakterien gekoppelt zu sein. Zur gleichen Zeit sind keine methanotrophen Bakterien im Epilimnion vorhanden, so dass das CH4 nicht oxidiert wird. Unsere Haupthypothese ist, dass pelagische Methanogene hydrogenotroph sind, wobei sie den Wasserstoff aus der Photosynthese und/oder Nitrogenaseaktivität nutzen. Unsere Untersuchungshypothesen sind:1) Die CH4-Produktion ist mit der Photosynthese und/oder N-Fixierung gekoppelt, wobei hydrogenotrophe methanogene Archaeen mit den Primärproduzenten assoziiert sind. Die Methanogenen können angereichert und kultiviert werden, um Mechanismen der epilimnischen CH4-Produktion detailliert zu untersuchen.2) Die CH4-Oxidation ist durch die Abwesenheit der Methanotrophen und/oder der Photoinhibition in den oberen Wasserschichten reduziert.3) Die CH4-Produktion innerhalb mikro-anoxischer Zonen, z. B. Zooplankton und lake snow, ist nicht ausreichend für die epilimnische CH4-Produktion.Die saisonale Entwicklung des epilimnischen CH4-Peaks soll in Verbindung mit den Photoautotrophen und der Seenschichtung im Stechlinsee untersucht werden. Dabei soll eine neu-installierte Mesokosmosanlage (www.seelabor.de) genutzt werden, um CH4-Profile bei unterschiedlichen autotrophen Gemeinschaften und Seenschichtungen zu studieren. Die Verknüpfung zwischen methanogenen Archaeen und den Photoautotrophen soll in Inkubationsexperimenten mittels Hochdurchsatz-Sequenzierung und qPCR für funktionelle Gene untersucht werden. Methanotrophe werden quantifiziert und die Photoinhibition der CH4-Oxidation durch Inkubationsexperimente gemessen. In Laborexperimenten sollen die methanogenen Archaeen angereichert und kultiviert werden mittels dilution-to-extinction und axenischen Cyanobakterien und Grünalgen. Physiologische Studien an Anreicherungs- oder Reinkulturen sollen die zu Grunde liegenden molekularen Mechanismen ermitteln. Feld- und Laborexperimente sollen helfen, das Methan Paradoxon zu entschlüsseln, um die bisherige und potentiell wichtige CH4-Quelle zu charakterisieren und zu quantifizieren. Die Studien sollen helfen, unser Verständnis des globalen CH4-Kreislaufes zu verbessern, damit zukünftige Prognosen realistischer werden.
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