Subsoils are an often neglected nutrient source for crops. The mobilisation and use of this potential nutrient source is an important factor in sustainable land use. Nutrient accessibility, release, and transport are strongly dependent on soil structure and its dynamics controlled by spatiotemporally variable physical functions of the pore network. A well structured soil, for example, with numerous interconnected continuous biopores will enhance root growth and oxygen availability and hence nutrient acquisition. In contrast to soils with a poorly developed structure nutrient acquisition is limited by restricted root growth and reduced aeration. The goal of this research project is to investigate different preceding crops and crop sequences in developing characteristic biopore systems in the subsoil and to elaborate their effect on the functional performance of pore networks with respect to nutrient acquisition. The main research question in this context is how soil structure evolves during cultivation of different plant species and how structure formation influences the interaction of physical (water and oxygen transport, shrinking-swelling) biological (microbial activity, root growth) and geochemical processes (e.g. by creating new accessible reaction interfaces). In order to study and quantify pore network architectures non-invasively and in three dimensions X-ray computed microtomography and 3D image analysis algorithms will be employed. The results will be correlated with small- and mesoscale physical/chemical properties obtained from in situ microsensor (oxygen partial pressure, redox potential, oxygen diffusion rate) and bulk soil measurements (transport functions, stress-strain relationships) of the same samples. This will further our process understanding regarding the ability of various crop sequences to form biopore systems which enhance nutrient acquisition from the subsoil by generating pore network architectures with an efficient interaction of physical, biological and geochemical processes.
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.
Die pflanzliche Landnutzung in den Tropen steht unter dem Druck mehr zu produzieren. Insbesondere in Westafrika ist aber die Nachhaltigkeit der Pflanzenproduktion durch eine zunehmende physikalische, chemische und biologische Bodendegradierung gefaehrdet. Biologische Merkmalskomplexe des Bodens beeinflussen die Intensitaet der Naehrstoffumsetzungen im System Pflanze-Boden und damit wesentlich das Naehrstoffangebot fuer die Nutzpflanzen. Ziel der geplanten Untersuchungen ist es, das Bodendegradierungsrisiko unterschiedlicher Landmanagementverfahren (Verkuerzung der Brachedauer, Ersatz der Brache durch Zwischenfruchtanbau oder verbesserte Fruchtfolgen) anhand ausgewaehlter biologischer Merkmalskomplexe abzuschaetzen, die in einem engen Zusammenhang mit der Naehrstoffverfuegbarkeit fuer die Nutzpflanzen stehen. Die Arbeiten befassen sich vorrangig mit der Abschaetzung des potentiellen und aktuellen Naehrstoffangebots durch Labor und Feldversuche in Nordghana und in der Elfenbeinkueste. Das Projekt soll die bodenbiologische Aktivitaet auf solchen Standorten bei verschiedenen Anbausystemen und unterschiedlichen Duengergaben und ihre Bedeutung als Bioindikator fuer die Bodenfruchtbarkeit pruefen.
Der biogeochemische Eisenkreislauf stellt ein wichtiges Reaktionsnetzwerk dar, welches einen direkten Einfluss auf umweltrelevante Prozesse in Sedimenten hat. Eisen(II)-oxidierende und Eisen(III)-reduzierende Bakterien kontrollieren zu großen Teilen die (Im)Mobilisierung von Eisen in Sedimenten. Unser klassisches Verständnis vom sedimentären Eisenkreislauf beschreibt, dass die Hauptsubstratquelle (Eisen(II) für Eisen(II)-oxidierende Bakterien die mikrobiellen Eisen(III)-reduktion ist, welcher typischerweise in tieferen Zonen von Redox-stratifizierten Sedimenten ansässig ist. Bislang wurde der Prozess der Eisen(III)-Photoreduktion nicht als signifikante Eisen(II) Quelle in limnische Sedimente betrachtet. In dem beantragten Forschungsprojekt, stellen wir die Hypothese auf, dass die Photoreduktion von Eisen(III) in limnischen Sedimenten eine zusätzliche Eisen(II)-Quelle für Eisen(II)-oxidierende Bakterien in den obersten (teilweise) oxischen und Lichtdurchfluteten Sedimentschichten darstellt. Zu diesem Zweck werden wir hochaufgelöste Licht und geochemische Messungen (O2, gelöstes Fe(II), pH, H2O2) mit Mikrosensoren durchführen und die Eisenmineralogie als Funktion der Lichtqualität (Wellenlänge) und Lichtquantität (Intensität) in Süßwassersedimenten bestimmen. Darüber hinaus werden wir den Einfluss von natürlichen organischen Material auf die Eisen(III)-Photoreduction untersuchen. Zusätzlich werden wir die Rolle von reaktiven Sauerstoffspezies auf die Bioverfügbarkeit von produzierten Eisen(II) in oxischen Sedimenten bestimmen. Dieses Forschungsprojekt untersucht einen Prozess der bislang in Sedimenten vernachlässigt wurde und öffnet die Türen zu einem neuen Verständnis des biogeochemischen Eisenkreislaufs und den assoziierten Eisen(II) Stoffflüssen entlang sedimentärer Redoxgradienten.
Evidence is compelling for a positive correlation between urbanisation and increment of allergic sensitisation and diseases. The reason for this association is not clear to date. Some data point to a pro-allergic effect of anthropogenic factors on susceptible individuals. Data analysing the impact of environmental - natural and anthropogenic - factors on the allergenicity of allergen carriers such as pollen grains are scarce, and if applicable only taken from in vitro experimental designs. This study will analyse one of the most common allergy inducers in northern Europe - the birch pollen. Under natural exposure conditions, birch pollen will be analysed with respect to their allergenicity. Within an interdisciplinary research team this study will evaluate the effect of natural (e.g. soil, climate, genetic background) and anthropogenic (e.g. traffic pollutants) factors on birch pollen in a holistic approach including analysis of allergen bioavailability, release of pollen associated lipid mediators from birch pollen grains, in vitro immunostimulatory activity and in vivo allergenic potential. These data collected in the time course of three years will significantly add to our understanding how urbanisation and climate change influence the allergenicity of birch pollen and will help us in the future to set up primary prevention studies.
Organic matter (OM) composition and dynamic in subsoils is thought to be significantly different from those in surface soils. This has been suggested by increasing apparent 14C ages of bulk soil OM with depth suggesting that the amount of fresh, more easily degradable components is declining. Compositional changes have been inferred from declining ä13C values and C/N ratios indicative for stronger OM transformation. Beside these bulk OM data more specific results on OM composition and preservation mechanisms are very limited but modelling studies and results from incubation experiments suggest the presence and mineralization of younger, 'reactive carbon pool in subsoils. Less refractory OM components may be protected against degradation by interaction with soil mineral particles and within aggregates as suggested by the very limited number of more specific OM analysis e.g., identification of organic compound in soil fractions. The objective of this project is to characterize the composition, transformation, stabilization and bioavailability of OM in subsurface horizons on the molecular level: 1) major sources and compositional changes with depth will be identified by analysis of different lipid compound classes in surface and subsoil horizons, 2) the origin and stabilization of 'reactive OM will be revealed by lipid distributions and 14C values of soil fractions and of selected plant-specific lipids, and 3) organic substrates metabolized by microbial communities in subsoils are identified by distributional and 14C analysis of microbial membrane lipids. Besides detailed analyses of three soil profiles at the subsoil observatory site (Grinderwald), information on regional variability will be gained from analyses of soil profiles at sites with different parent material.
Viele Pflanzenschutzmittel bilden nicht extrahierbare Rueckstaende im Boden, die konventionellen analytischen Methoden nicht zugaenglich sind. Untersuchungen dieser Pestizidfraktion deuten darauf hin, dass die Belastung des Bodens mit Pflanzenschutzmitteln bisher moeglicherweise unterschaetzt wurde. Das Herbizid Bentazon wird im Boden ueberwiegend in Huminstoffe eingebaut. Da Regenwuermer grosse Bedeutung fuer die Umsetzung organischer Materialien, insbesondere Huminstoffen, haben, wird in Laborexperimenten der Einfluss dieser Tiergruppe auf die Bindung von radioaktiv markierten Bentazonrueckstaenden untersucht. Ferner werden Veraenderungen des Metabolitspektrums im Boden und die Verteilung von Bentazon in Regenwuermern analytisch und autoradiographisch erfasst.
Durch den Reaktorunfall in Tschernobyl wurde unter anderem das langlebige radioaktive Isotop Cs-137 freigesetzt und ueber weite Regionen Europas - einschliesslich der norddeutschen Tiefebene - verteilt. Die Verlagerung des Caesiums wird in charakteristischen Boeden Norddeutschlands - Marsch, Moor, Podsol, Pseudogley - verfolgt und die Verfuegbarkeit dieses Nuklides fuer die Pflanze festgestellt. Die Untersuchungen sollen dazu beitragen, die Kenntnisse ueber das Verhalten des Cs in geringen Konzentrationen zu verbessern. Sie sollen ausserdem klaeren helfen, inwieweit Standorteigenschaften - insbesondere hohe Humusgehalte und Kalkgehalt - zur verstaerkten Mobilitaet beitragen. Ergebnisse unmittelbar praktischer Bedeutung koennten in Bezug auf Verbesserung der Vorhersagbarkeit des Cs-Verhaltens in Boeden, auf die Pflanzenverfuegbarkeit des Cs und auf das problem der stark variierenden Angaben zu Transferfaktoren erzielt werden.
In diesem Projekt werden wir die grönländische Küste als ideales Ziel für eine Prozessstudie nutzen, um zu untersuchen, wie sich Veränderungen des Wasserkreislaufs auf die Biogeochemie und Produktivität des Ozeans auswirken.Mit zunehmender jährlicher Abflussmenge aus dem Grönländischen Eisschild (GrIS) stellt sich die Frage, wie sich dieser Süßwasserabfluss auf die Produktivität der Schelfmeere in Grönland auswirkt. Der GrIS ist das zweitgrößte Eisschild der Erde. Wenn Süßwasser vom GrIS in den Ozean gelangt, entstehen in den Küstengewässern der Insel starke physikalische und biogeochemische Gradienten. Diese Gradienten sind am ausgeprägtesten in den Fjorden Grönlands, die flächenmäßig zu den größten maritimen Kohlenstoffsenken gehören. Grönlands Fjorde und Schelfmeere beherbergen auch national wichtige Fischereien, deren Zukunft für die grönländische Wirtschaft von entscheidender Bedeutung ist.Obwohl allgemein anerkannt ist, dass Süßwasser-Gletscher-Inputs die regionale Ozeanzirkulation beeinflussen, steht unser Verständnis von Verbindungen zwischen der Physik der Schmelzwasser-Freisetzung und langfristigen Veränderungen in der marinen Biogeochemie noch in den Anfängen. Ein Thema von aktuellem Interesse für der Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) ist, wie Kryosphäre und Ozean biogeochemisch in einem sich erwärmenden Klima interagieren werden. Das Hauptziel hier wird sein, zu bestimmen, wie die physikalischen und chemischen Veränderungen, die durch erhöhte Süßwassereinträge in den Ozean um Grönland verursacht werden, die Verfügbarkeit von Nährstoffen (Makronährstoffe und Mikronährstoffe) für Phytoplankton und somit die Primärproduktion beeinflussen.Durch die Kombination von Feldforschung mit idealisierten Modellen werden die Auswirkungen der drei wichtigsten unterschiedlichen Süßwasserquellen (Oberflächenabfluss, Untergrundabfluss und Eisbergschmelze) bestimmt. Die Chemie des Mündungs-Mischprozesses, welcher häufig schnelle Veränderungen der chemischen Form und damit der Bioverfügbarkeit von Nährstoffen induziert wenn sich Süß- und Salzwasser mischen, wird untersucht. Der Nährstofflimitierungsstatus von Phytoplanktongemeinschaften in von Süßwasser beeinflussten Gebieten in Grönland wird bestimmt und somit der Nettoeffekt gleichzeitiger Veränderungen der physikalischen und chemischen Zusammensetzung der Wassersäule bewertet.Dadurch wird es möglich sein, die Auswirkungen der Zunahme von Süßwassereintrag in den polaren Ozean, im Hinblick auf Änderungen der Primärproduktion im Meer zu verstehen.
Makronährstoffe, wie Phosphor, sind wichtig für das Wachstum von Meeresmikroorganismen, wie Phytoplankton. Diese sind sehr bedeutsam für die marine Nährstoffkette und Biologie. Verschiedene Phytoplanktonarten emittieren klimarelvante organische Verbindungen, z.B. DMS, welches in der Atmosphäre zu Schwefelsäure oxidiert wird und anschließend zur Bildung neuer Aerosolpartikel beiträgt. Diese können weiterhin als potentielle Wolkenkondensaktionskeime dienen. Informationen über die Verfügbarkeit von Phosphor für diese Mikroorganismen sind somit essentiell für ein besseres Verständnis der Ozean-Atmosphären-Wechselwirkung. Der Haupteintrag von Phosphor in den offenen Ozean erfolgt vorwiegend über atmosphärische Deposition. Informationen über atmosphärische Phosphorkonzentrationen, die Bioverfügbarkeit und Quellen sind notwendig, um den Verbleib in den Ozeanen zu verstehen. Dabei werden vor allem in den Regionen des tropischen Nord- und Südost-Atlantik immer noch Daten benötigt. Die wenigen verfügbaren Daten basieren zumeist auf kurzzeitigen Schiffsmessungen, die in ihrer Anwendung auf langfristige Prognosen und jahreszeitlichen Zyklen sehr begrenzt sind. Um das Verständnis über die Phosphorverfügbarkeit, -quellen, und -bioverfügbarkeit in diesen ozeanischen Gebieten zu verbessern, sollen größenaufgelöste Langzeitmessungen zur Bestimmung des Phosphorgehalts von Aerosolpartikeln durchgeführt werden. Weiterhin werden analytische Methoden entwickelt und optimiert (basierend auf der Kombination von drei Techniken). Diese sollen eine empfindliche Bestimmung von löslichem als auch dem Gesamtphosphor in feinen Partikeln ermöglichen, aufgrund der geringen Aerosolmasse in dieser Größenfraktion. Die ermittelten Daten werden benutzt, um wichtige Quellen des Phosphors in diesen Regionen zu charakterisieren, die Rolle von unterschiedlichen Quellen wie Mineralstaub, Biomassenverbrennung, sowie anthropogenen Verbrennungsaerosols auf die Speziation (organische und anorganische Zusammensetzung), Löslichkeit und atmosphärische Prozessierung des Phosphors, sowie ihre saisonale Variabilität zu untersuchen. Darüber hinaus soll eine regionale Staubmodellsimulation angewendet werden, um den Aerosoltransport und die Staupdeposition in diesen Regionen besser zu beschreiben. Die Ergebnisse sind wichtig für kombinierte Modelle zur Ozean-Atmosphäre Wechselwirkung und das Verständnis der wichtigsten Faktoren, die den Verbleib von atmosphärischem Phosphor im Ozean beeinflussen.
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