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Die Rolle von Viren beim mikrobiellen Schadstoffabbau

Das Projekt "Die Rolle von Viren beim mikrobiellen Schadstoffabbau" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Helmholtz Zentrum München - Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt GmbH, Institut für Virologie durchgeführt. 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.

Teilprojekt B 05: Von den Baumkronen zum Aquifer: die Rolle mikrobieller Prozesse in der Bildung und Umsetzung von Nitrat in der 'Critical Zone'

Das Projekt "Teilprojekt B 05: Von den Baumkronen zum Aquifer: die Rolle mikrobieller Prozesse in der Bildung und Umsetzung von Nitrat in der 'Critical Zone'" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Jena, Institut für Biodiversität, Lehrstuhl Aquatische Geomikrobiologie durchgeführt. Dieses Projekt untersucht mikrobiell vermittelte Schlüsselprozesse im Zuge des Nitrat-Eintrages in bzw. Stickstoffverlustes aus den Kalkstein-Aquiferen des Hainich CZE. Unsere Untersuchungen befassen sich mit Änderungen von Nitrifikationspotential und Nitrifikanten-Gemeinschaften von den Baumkronen bis hin zu den Aquiferen, inklusive einer Abschätzung der möglichen Rolle der vollständigen Nitrifikation (Comammox), sowie mit der Relevanz der anaeroben Ammonium-Oxidation (Anammox) im Vergleich zur Denitrifikation für Stickstoff-Verluste aus dem Grundwasser. Unter Verwendung von 15N-basierten Techniken, quantitativer PCR, Illumina Amplikon-Sequenzierungen und Single Cell Genomics werden Aktivitätsmessungen von Nitrifikation, Anammox und Denitrifikation zu räumlichen Verbreitungsmustern und transkriptioneller Aktivität der entsprechenden mikrobiellen Gruppen in Beziehung gesetzt.

Mortalität von Zooplankton in Seenökosysteme und seine Rolle im vertikalen Kohlenstofffluss (ZooFlux)

Das Projekt "Mortalität von Zooplankton in Seenökosysteme und seine Rolle im vertikalen Kohlenstofffluss (ZooFlux)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungsverbund Berlin, Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei durchgeführt. Die geplante Studie zielt darauf ab, die Rolle von totem Zooplankton im Kohlenstoffumsatz von aquatischen Ökosystemen zu quantifizieren. Dabei soll die Hypothese getestet werden, dass der mikrobielle Abbau der toten Körper während ihres Absinkens durch die Wassersäule den Abbau von refraktärem organischem Material beschleunigt (Priming). Das Projekt stellt ein gemeinsames Unternehmen eines internationalen Forscherteams aus Deutschland und Russland dar. Um den Beitrag des toten Zooplanktons für den Kohlenstoffkreislauf abzuschätzen, möchten wir Feldbeobachtungen, Laborexperimente und Modellierung miteinander verbinden. In-situ- Messungen der Mortalität und Sinkraten des Zooplanktons mittels Sedimentfallen werden durch Messungen der turbulenten Mischungsbedingungen in der geschichteten Wassersäule mithilfe moderner hydrodynamischer Techniken begleitet. Mikrobielle Besiedlung und Abbauraten des toten Zooplanktons sollen durch Laborversuche quantifiziert werden. Sowohl Feld-, Mesokosmos- und Labordaten sollen für ein erweitertes Modell zur Vorhersage der Retentionszeit der Zooplanktonkörper in der Wassersäule und deren Beitrag zum Kohlenstoffkreislauf verwendet werden. Verschiedene Modellszenarien fokussieren auf die Rolle von Umweltfaktoren für das Absinken und den Abbau von totem Zooplankton und deren mögliche Veränderungen durch klimabedingte Erwärmung des Seenhypolimnions.

Teilprojekt A 04: Aufklärung und Quantifizierung von mikrobiellem Nährstoffkreislauf durch die Messung der wichtigsten funktionellen Proteine

Das Projekt "Teilprojekt A 04: Aufklärung und Quantifizierung von mikrobiellem Nährstoffkreislauf durch die Messung der wichtigsten funktionellen Proteine" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ, Department Molekulare Systembiologie durchgeführt. Unsere Arbeiten werden quantitative Daten über die beteiligten metabolischen Wege und die Aktivität spezifischer Bakteriengruppen in Abhängigkeit von metabolischen Signaturen an der Erdoberfläche liefern. Wir tragen damit zum besseren Verständnis der mikrobiellen Aktivität und der Ökosystemleistungen im Hainich CZE bei. Unsere Arbeiten umfassen folgende Teilaspekte: (1) gerichtete proteomische Ansätze zur Quantifizierung von Schlüsselenzymen des Stickstoff- und Kohlenstoffkreislaufes in den Grundwasserleitern, (2) Aufklärung von bakteriellen Subpopulationen sowie die funktionelle Bedeutung beim Stickstoff- und Kohlenstoffkreislauf in Kombination mit Durchflusszytometrie, sowie (3) die proteomische Analyse der metabolischen Markierung durch den Einsatz von isotopenmarkiertem Wasser. Wir werden mit unseren Forschungsbeiträgen wichtige Hinweise zum besseren funktionalen Verständnis von biogeochemischen Stoffkreisläufen in der Natur liefern.

Teilprojekt: Kopplung von Totholzabbau und Stickstoffkreislauf: Diversität und Funktion von Diazotrophen (Woodstock)

Das Projekt "Teilprojekt: Kopplung von Totholzabbau und Stickstoffkreislauf: Diversität und Funktion von Diazotrophen (Woodstock)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bayreuth, Fachgruppe Geowissenschaften, Bayreuther Zentrum für Ökologie und Umweltforschung (BayCEER), Lehrstuhl für Bodenökologie durchgeführt. Totholzstämme repräsentieren eine kohlenstoff- (C) und energiereiche aber zugleich stickstoff-(N)arme Ressource in Waldökosystemen. Biologische N2-Fixierung durch freilebende diazotrophe Mikroorganismen trägt zur N-Anreicherung im Totholz bei. Über die Funktion der Diazotrophen für die N-Versorgung von totholzbewohnenden Organismen und für den Totholzabbau ist bislang wenig bekannt. In den Biodiversität-Exploratorien existieren unterschiedliche Bedingungen für diazotrophe Mikroorganismen durch Totholzstämme von 13 Baumarten, die im BeLongDead-Experiment auf 30 Flächen exponiert sind. Ein Ziel des Projektantrags ist den Beitrag der N2-Fixierung zur N-Anreicherung zu quantifizieren und die aktiven diazotrophen Gemeinschaften in den Totholzstämmen des BELongDead-Experiments zu identifizieren. Ein weiteres Ziel ist die experimentelle Überprüfung von Einflussfaktoren auf die N2-Fixierung, Quantität und Diversität der aktiven diazotrophen Gemeinschaft und auf den Transfer von fixierten N zu holzabbauenden Mikroorganismen. Unsere Hypothesen sind, (1) N2-Fixierungsrate und Diversität von Diazotrophen im Totholz unterscheiden sich zwischen den 13 Baumarten, der Intensität des Forstmanagements und den Exploratorien, (2) diazotrophe Gemeinschaften und N2-Fixierung unterscheiden sich entlang des radialen Gradienten in den Totholzstämmen von außen nach innen, (3) Diversität und Aktivität von Diazotrophen und holzabbauenden Pilzen sind stark assoziiert aufgrund ihrer gegenseitigen Abhängigkeit von C und N Ressourcen. Die letztere Beziehung moduliert die Aktivität und Zusammensetzung von diese Gemeinschaften im initialen und forstgeschrittenen Abbaustadium. Ferner testen wir die Hypothese, dass (4) externe N-Quellen die N2-Fixierung und die Quantität von Diazotrophen reduzieren. Zur Überprüfung der Hypothesen werden wir innovative und etablierte Methoden sowie Felduntersuchungen und Laborexperimente kombinieren. N2-Fixierungsraten werden mit dem 15N2 Ansatz und die funktionellen nifH-Gene mit spezifischer quantitativer PCR und Amplicon-Sequenzierung bestimmen. Struktur und Aktivität der diazotrophen Gemeinschaft werden mit einer Bromodeoxyuridintrennung sowie dem Stabilen Isotopen Beprobungsansatz (SIP) von 15N-markierter RNA analysiert, und beide Ansätze mithilfe der Amplicon-Sequenzierung kombiniert. Schließlich wird der Einfluss verschiedener Einflussfaktoren Parameter auf die Struktur und Aktivität der diazotrophen Gemeinschaft untersucht. Unsere Expertisen ermöglichen es die Wechselwirkungen zwischen N2-Fixierung, Abundanz und Diversität der Diazotrophen und kontrollierenden Faktoren für den Totholzabbau neu zu bewerten. Durch die Zusammenarbeit in einem koordinierten und vollständig replizierten Experiment mit 30 Waldökosystemen erwarten wir belastbare Ergebnisse mit großer wissenschaftlicher Bedeutung und Nutzen für die Totholzforschung.

Teilprojekt: Der Einfluss von Landnutzungsintensitäten auf die Diversität von Viren in Grünlandböden und deren Bedeutung als Steuergrösse für die Zusammensetzung mikrobieller Populationen und deren Funktion (KiWion)

Das Projekt "Teilprojekt: Der Einfluss von Landnutzungsintensitäten auf die Diversität von Viren in Grünlandböden und deren Bedeutung als Steuergrösse für die Zusammensetzung mikrobieller Populationen und deren Funktion (KiWion)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ, Department Umweltmikrobiologie durchgeführt. Unser Wissen zur Ökologie und Bedeutung von Mikroorganismen in Böden ist umfassend. Dies gilt im Gegensatz dazu nicht für die Ökologie der Viren. Erkenntnisse dazu hinken dem Kenntnisstand aus aquatischen Lebensräumen weit hinterher. Böden beherbergen eine große Anzahl an Viren und das Viren - Wirt Verhältnis liegt meist deutlich über jenem in aquatischen Systemen. Unterschiede in den Virenpopulationen können teilweise auf unterschiedliche Bodencharakteristika (pH, Wassergehalt, Anteil an organischem Material) erklärt werden. Dies lässt den Schluss zu, dass Unterschiede in der Landnutzung entsprechend die Virenabundanz als auch Viren - Wirt Interaktionen beeinflussen. In Böden tragen bis zu 68% aller Bakterien induzierbare Prophagen, ein Hinweis darauf, dass die Heterogenität im Boden und die ungleiche Verteilung der Mikroorganismen eine lysogene Vermehrung von Viren selektiert. Dies hat zur Folge, dass der Austausch von genetischer Information zwischen Virus und Wirt vorwiegend durch Transduktion stattfindet. Bis dato analysierte Virenmetagenome aus dem Boden bestanden bis zu 50% aus transduzierten Genen prokaryotischen Ursprungs. Obwohl davon ausgegangen werden kann, dass Viren im Boden, wie für aquatische Lebensräume gezeigt, einen signifikanten Einfluss auf die räumliche und zeitliche Dynamik ihrer Wirte (Killing the Winner Hypothese) und deren kontinuierliche Anpassung (Red Queen Hypothese), wichtige Ökosystemfunktionen und biogeochemische Prozesse haben, kennen wir die Art und Häufigkeit der Interaktionen nicht und empirische Daten fehlen. Wir postulieren, dass Transduktion eine wichtige Rolle für die Resilienz von Böden unter intensiver Landnutzung spielt, da in diesen Böden i) die mikrobielle Diversität vergleichsweise niedrig ist, was zu einer erhöhten Sensitivität gegenüber Veränderungen in den Umweltbedingungen führt. Andererseits, ii) hat die durch Düngung erhöhte spezifische Aktivität von Mikroorganismen eine erhöhte Transduktionsrate zur Folge, da Viren für ihre Vervielfältigung auf metabolisch aktive Wirte angewiesen sind. Um unsere Hypothese zu überprüfen, werden wir an 150 Standorten der Biodiversitäts-Exploratorien und im Detail an einer Auswahl an Grünlandstandorten mit unterschiedlicher Intensität der Bewirtschaftung Untersuchungen durchführen. Analysiert wird die Beziehung zwischen Virenabundanzen und VBRs mit der Bewirtschaftung, der Vegetationsperiode und den vorherrschenden Umweltbedingungen. Zusätzlich untersuchen wir mit Hilfe moderner molekularer Methoden die Zusammensetzung der Virengemeinschaften und ihre Diversität, sowie viren-assoziierte Funktionen prokaryotischen Ursprungs. Experimente zu Virus-Wirt Interaktionen und die Analyse von CRISPR like structures in den prokaryotischen Wirten werden Erkenntnisse zu der Ökologie bakterieller Gemeinschaften liefern. Nicht zuletzt werden wir Viren von abundanten Bodenbakterien (z.B. Pseudomonaden) für vergleichende Genomanalysen und Kreuzinfektionsversuche isolieren.

Teilprojekt: Ein molekularer Zensus zur Auswirkungen der Landnutzungsintensität auf die Biota in Grünlandböden

Das Projekt "Teilprojekt: Ein molekularer Zensus zur Auswirkungen der Landnutzungsintensität auf die Biota in Grünlandböden" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität zu Köln, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät, Zoologisches Institut, Arbeitsgruppe Terrestrische Ökologie durchgeführt. Böden beherbergen die komplexesten Lebensgemeinschaften der Erde und sind lebenswichtige Ressourcen, die wichtige Ökosystemdienstleistungen und Ernährungssicherheit für die Menschheit bereitstellen. Aufgrund der Komplexität der Böden gibt es keinen bisher umfassenden Zensus über die organismische Diversität von Bakterien, Archaeen, Protisten, Pilzen, Metazoen und Viren. Daher sind die Auswirkungen der Änderungen von Landintensitätsintensität auf die unterirdischen Biota schwierig beurteilen. Tatsächlich gab es bisher keine einzige Methode, um die Diversität, die Abundanz und die Zusammensetzung der Bodenmikrobiota und Bodenfauna bei gleichzeitig hoher taxonomischer Auflösung zu bewerten. Die Doppel-RNA-Metatranskriptomik ermöglicht nun solche ganzheitlichen Zensus-Studien über mehrere phylogenetische Domänen und trophische Ebenen, basierend auf rRNA und mRNA. Wir schlagen mit BE-CENSE eine integrierten molekularen Zensus der Auswirkungen der Landnutzungsintensität auf unterirdische Boden-Biota-Guilden in den Grünlandböden der BiodiversitätsExploratorien vor.Das Hauptziel von BE-CENSE ist die Abschätzung der Auswirkungen der Landnutzungsintensität auf die Vielfalt der gesamten Grünlandboden-Biota. Tief sequenzierte Metatranskriptome der 150 Graslandparzellen werden generiert und über ribosomale RNA und Boten-RNA der Mikrobiome analysiert. Ein derartiger ganzheitlicher Ansatz kann einzigartige Einblicke in LUI-Effekte liefern, da emergente Eigenschaften, die sich aus biotischen Interaktionen zwischen Gruppen (z. B. im mikrobiellen Nahrungsnetz) ergeben, möglicherweise erfasst werden. Wir werden vier komplementäre Hypothesen in zwei Arbeitspaketen (WP) testen. WP1 wird prüfen, inwieweit Unterschiede in der LUI zu Änderungen in der taxonomischen Zusammensetzung der Grünlandboden-Biota und insbesondere der Struktur des mikrobiellen Nahrungsnetzes führen. Insbesondere stellen wir die Hypothese auf, dass ein hoher LUI im Vergleich zu Prokaryoten, Protisten und Viren durch Bodenkompaktierung zu einer geringeren Abundanz und Diversität der Mesofauna führt. Die verminderte 'top-down' Kontrolle der Bodentiere hat Auswirkungen auf die mikrobiellen Nahrungsnetze des Bodens, indem die Bedeutung von Protisten, bakteriellen und viralen Predatoren erhöht wird, was zu einer trophischen Herabstufung des Bodenökosystems unter hohem LUI führt. Darüber hinaus werden wir in WP2 die saisonale und räumliche Dynamik des mikrobiellen Nahrungsnetzes im Boden in Ober- und Untergründen untersuchen. Um diese ehrgeizige Aufgabe zu meistern, haben sich Experten aus der Bodenmetatranscriptomik, der Mikrobiologie von Bakterien und Archaeen sowie Bodenprotistologen zusammengetan, um den erforderlichen breiten methodologischen und wissenschaftlichen Hintergrund bereitzustellen.Das Ergebnis von BE-CENSE ist ein beispielloser Blick auf die Auswirkungen der Landnutzungsintensität (LUI) auf die Vielfalt funktionaler Gilden in den unterirdischen Biota in Wiesen.

Ökologie und Evolution von dunklen Materiepilzen in aquatischen Biofilmen

Das Projekt "Ökologie und Evolution von dunklen Materiepilzen in aquatischen Biofilmen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität München, TUM School of Engineering and Design, Institut für Wasser und Umwelt, Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft durchgeführt. In der aquatischen Umwelt zeigen Pilze starke Interaktionen zu einer Vielzahl anderer Organismen, darunter Algen, Metazoen und Bakterien, die die pilzliche Diversifizierung vorangetrieben haben. Die Pilzevolution begann frühzeitlich in der aquatischen Umwelt. Die Verbindungen mit anderen Organismen führten zu vielen biotrophen Lebensweisen und einer großen phylogenetischen Vielfalt. Es ist wahrscheinlich, dass die frühen Wasserpilze bereits die funktionellen Merkmale ausbildeten, die zum Erfolg des Pilzreichs, als eine der vielfältigsten Organismengruppen der Erde, geführt hat. Trotz der recht umfangreichen Studien, die die Komplexität der aquatischen Mikrobiome untersuchen, sind weder die große phylogenetische Vielfalt der aquatischen Pilze noch die Wechselwirkungen der aquatischen Pilze mit anderen Organismen gut beschrieben. Dieses Paradoxon ist das Resultat von zu wenigen Studien, die aquatische Mikrobiome ganzheitlich untersuchen, und ist zudem auch der Tatsache geschuldet, dass die aquatischen Pilze nicht als solche erkannt werden. Wasserpilze erscheinen oft als unbekannte genetische Elemente ohne erkennbare Übereinstimmung mit unseren Datenbanken. Das veranlasste uns dazu, den Begriff Dunkle Materiepilze (DMP) zu etablieren, um die Unbekanntheit der frühen divergierenden Pilzlinien in der aquatischen Umwelt hervorzuheben. Einer der vielversprechendsten aquatischen Lebensräume zur Untersuchung von DMP und deren Wechselwirkungen mit anderen Organismen im kleinen Maßstab ist der aquatische Biofilm. Insbesondere heterotrophe Biofilme können einen hohen Anteil an DMP aufweisen, was die Aufklärung von DMP-Interaktionen und ökologischen Funktionen erleichtert. Es ist völlig unklar, welche organismischen Wechselwirkungen die Determinanten für die DMP in Biofilmen sind und inwieweit DMP die Biofilmstruktur beeinflussen. Das Verständnis der Ökologie und der Evolution von DMP bleibt aufgrund der Komplexität der natürlichen Gemeinschaften eine Herausforderung. Aufgrund der neuen methodischen Entwicklungen ist es nun jedoch möglich, durch Manipulationsexperimente an natürlichen sowie an Modell-Biofilmgemeinschaften eine konzeptionelle Sicht auf die DMP-Ökologie und -Evolution aufzubauen. Das Ziel der vorgeschlagenen Emmy Noether-Forschungsgruppe ist es, die grundlegende Ökologie und Evolution der aquatischen DMP zu verstehen. Durch die Kombination von Mikrodissektion, Hochdurchsatz-Kultivierung und molekularer Sequenzierung der nächsten Generation, werden wir herausfinden, wie und welche Pilz-Interaktionen mit Mikroben die gesamte Struktur und Funktion der mikrobiellen Gemeinschaft beeinflussen. Wir werden auch umfangreiche DMP-Barcode- und Genomdaten generieren, die als Schlüsselressourcen für das Erstellen einer robusten frühen Pilzphylogenie dienen werden, und es uns ermöglicht, die frühe Pilzevolution auf der Grundlage von Phylogenomik und biotrophen Interaktionen zu diskutieren.

Revision des Methankreislaufes in Seen: Quellen und Senken in 2 deutschen Seen unter besonderer Berücksichtigung der Methanakkumulation in sauerstoffhaltigenen Wasserschichten

Das Projekt "Revision des Methankreislaufes in Seen: Quellen und Senken in 2 deutschen Seen unter besonderer Berücksichtigung der Methanakkumulation in sauerstoffhaltigenen Wasserschichten" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungsverbund Berlin, Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei durchgeführt. Die Akkumulation von Methan (CH4) in sauerstoffhaltigen Wasserschichten wurde kürzlich für viele Binnengewässern und Ozeangebiete beschrieben. In unserem DFG-Projekt Aquameth (GR1540/21-1) haben wir daher die wichtigste Literatur in einem Review zusammengefasst und die möglichen Mechanismen für dieses Phänomen im Stechlinsee evaluiert. Indem wir ein online System für CH4 Messungen entwickelt haben, konnten wir die enge Kopplung der räumlich-zeitlichen Dynamik von Algen (z.B. Blaualgen und Cryptophyten) und CH4 in den oxischen Wasserschichten des Sees zeigen. Obwohl der vor kurzem beschriebene Methylphosphonat-Metabolismus im See vorkommt, haben wir zahlreiche Hinweise, dass Algen das CH4 während der Photosynthese direkt produzieren. Jedoch sind die genauen Mechanismen sowie der Anteil des im sauerstoffreichen Wasser gebildeten CH4 am gesamten CH4 Fluss in die Atmosphäre unklar. Durch die Kombination der Expertise von zwei etablierten Arbeitsgruppen, die sich ideal ergänzen, möchten wir die genaue Chemie und Biologie der CH4 Bildungs- und Oxidations-prozesse untersuchen, um die Rolle von Seen für den regionalen und globalen CH4 Kreislauf besser zu verstehen. Daher soll das komplette CH4 Budget von zwei Seen detailliert quantifiziert werden, d.h. CH4-Quellen und -Senken werden mit einem Massenbalance-Ansatz untersucht und mit in situ Inkubationsexperimenten verknüpft. Unsere zwei ausgesuchten Seen (Stechlinsee und Willersinnweiher) repräsentieren zwei Hauptseentypen der gemäßigten Zone (tief/Nährstoff-arm und flach /Nährstoff-reich), die gut von beiden Institutionen untersucht und biogeochemisch charakterisiert wurden. In diesen Seen hängen die spezifischen Prozesse der CH4 Bildung, Akkumulation und Freisetzung in die Atmosphäre von dem komplizierten Wechselspiel von physikalischen, chemischen und biologischen Faktoren sowie bestimmten Organismen ab. Daher ist unser Hauptziel, dieses komplizierte Wechselspiel zwischen Umweltvariablen und den CH4 Prozessen und ihre globale Bedeutung zu entschlüsseln. Unser Hypothesen sind: (1) Die Methanproduktion ist direkt mit der Photosynthese verbunden und CH4 kann bei bestimmten Umweltbedingungen, z.B. Nährstofflimitation, direkt von photo-autotrophen Organismen gebildet werden. (2) Die Methanbildung ist von der -oxidation durch die räumlich-zeitliche Trennung der methanotrophen Aktivität in sauerstoffhaltigen Wasserkörpern entkoppelt. (3) Methan an der Temperatursprungschicht ist das Produkt aus einem komplizierten Wechselspiel von biologischen, chemischen und physikalischen Prozessen. (4) Die erhöhten CH4 Konzentration in der oberen oxischen Wasserschicht erleichtert den Gasaustausch mit der Atmosphäre. Obwohl die CH4 Anreicherung in den oberen Wasserschichten stark vernachlässigt wurde, könnte sie eine wichtige fehlende Verbindung im globalen CH4 Budget sein. Um diese Hypothesen zu überprüfen, sollen Feld- und Labormessungen gemeinsam durch beide Teams durchgeführt werden.

Teilprojekt A03: Reaktion der mikrobiellen Gemeinschaft auf den Eintrag von Oberflächensignalen in Grundwässer des Hainich CZE

Das Projekt "Teilprojekt A03: Reaktion der mikrobiellen Gemeinschaft auf den Eintrag von Oberflächensignalen in Grundwässer des Hainich CZE" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Jena, Institut für Biodiversität, Lehrstuhl Aquatische Geomikrobiologie durchgeführt. Dieses Projekt erforscht die Bedeutung von Chemolithoautotrophie und Oberflächeneintrag als Quellen von reduziertem Kohlenstoff für die mikrobielle Gemeinschaft in den Hainich-Aquiferen mittels Mikrokosmen-Experimenten. Basierend auf Raman-Mikrospektroskopie in Kombination mit Isotopenmarkierungs-Experimenten wird eine neue Methode zur Hochdurchsatzsortierung von Zellen etabliert um metabolisch aktive mikrobielle Subpopulationen zu isolieren. Mittels Metagenomanalyse kann dann gezielt deren Rolle in den biogeochemischen Kreisläufen im Grundwasser untersucht werden.

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