Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll ein prozessorientiertes Modell zur Beschreibung von biogeochemischen Stoffumsetzungen in landwirtschaftlich genutzten Böden derart weiterentwickelt werden, daß es zur Prognose von CH4- und N2O-Spurengasemissionen aus dem Reisanbau eingesetzt werden kann. Insbesondere soll die numerische Beschreibung der in der CH4- und N2O-Produktion und Konsumption involvierten mikrobiologischen Prozesse Methanogenese, Methan-Oxidation, Nitrifikation und Denitrifikation und deren Abhängigkeit von Änderungen des Redoxpotentials im Boden implementiert bzw. verbessert werden. Zudem sollen die verschiedenen Mechanismen, die zur Emission von Spurengasen aus dem Reisanbau beitragen (Diffusion, Gasblasenbildung bei Überstauung, Pflanzentransport) sowie die Auswirkung von radialen Sauerstoffverlusten der Reiswurzeln auf die mikrobiologischen Prozesse in einer durch Anaerobiosis dominierten Umgebung in das Modell implementiert werden.
Der Towuti See auf Sulawesi, Indonesien ist ein stratifiziertes eisenreiches System, dessen tiefes Becken wechselnde Redoxbedingungen mit variablen Eisenoxidzuflüssen erfährt. Im Sommer 2015 erbohrte das ICDP Towuti Drilling Project Sedimentkerne, die ein Archiv über die Klima- und Ablagerungsgeschichte der letzten 1 Ma beinhalten. Während des späten Quartärs wechselten Nass- und Trockenperioden im See ab was zu unterschiedlichen trophischen und Redox Bedingungen führte. Das Projekt BioMetArchive wird untersuchen, welche Auswirkungen sedimentologische und geochemische Bedingungen zum Zeitpunkt der Ablagerung auf die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft haben und diese durch die 1-Ma-Chronosequenz verfolgen. Wir werden den Towuti-See als modernes Analogon eisenreiche Systemen der frühen Erde nutzen um weitere Einblicke in die mikrobiellen Prozesse zu gewinnen. Die beiden Haupthypothesen des Projekts sind: (1) Mikrobielle Gemeinschaften spiegeln die lakustrinen Bedingungen zum Zeitpunkt der Ablagerung wieder, diese werden teilweise in sedimentärer DNA aufgezeichnet; (2) Umweltbedingungen in der Tiefe erzeugen einen Selektionsdruck hin zu spezifischen Stoffwechselprozessen, die es den Organismen der tiefen Biosphäre ermöglicht zu überleben. Diese Prozesse ähneln denen der eisenreisen Systeme der frühen Erde. Dank der jüngsten Fortschritte in der Metagenomik kann sedimentäre DNA nun verwendet werden, um mikrobielle Populationen in Bezug auf Häufigkeit, Diversität und Stoffwechselfunktionen zu charakterisieren. Das Projekt BioMetArchive wird Sedimentproben verwenden, die während der Bohrung im Jahr 2015 in hoher zeitlicher Auflösung genommen und seitdem bei -80°C tiefgefroren gelagert wurden. Kürzlich erfolgte Tests haben die Eignung dieses Materials für unsere geplanten Analysen bewiesen. Wir werden die phylogenetische Verteilung von Mikroorganismen ermitteln und genomische Daten mit bereits vorhandenen Umwelt- und geochemischen Datensätzen integrieren, um Parameter zu identifizieren, die die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft im Laufe der Zeit steuern. Durch Metagenomik werden wir identifizieren, welche mikrobiellen Taxa und metabolischen Merkmale an der Eisenreduktion und der Remineralisierung organischen Materials beteiligt sind. Außerdem werden wir Stoffwechselwege rekonstruieren, die effiziente Redox Reaktionen und die Remineralisierung organischen Materials in eisenhaltigen Sedimenten ermöglichen. Die eisenreichen Bedingungen im Sediment selektieren überwiegend für fermentative Bathyarchaeota. Metabolische Merkmale, die diesem völlig unkultivierten Stamm zugeordnet werden, deuten auf Eisen- und Schwefelmetabolismus sowie Methanogenese hin, was auf kryptische biogeochemische Zyklen schließen lässt. Die tiefe Biosphäre des eisenhaltigen Towuti-Sees stellt dabei ein modernes Äquivalent zu den Stoffwechselprozessen auf der frühen Erde dar.
Torfgebiete sind die größten Speicher für organischen Kohlenstoff auf der Erde. 80% der weltweiten Torfgebiete befinden sich auf der nördlichen Hemisphäre; daher stellen die nördlichen Torfgebiete die wichtigste natürliche Quelle für Treibhausgase (GHG) wie CH4 und CO2 dar. CH4 ist von besonderer Bedeutung, da es im Vergleich zu CO2 etwa 28-mal klimaschädlicher ist. Die Menge des von Mooren freigesetzten CH4 wird durch aerobe und anaerobe mikrobielle Prozesse bestimmt. Ein wenig untersuchter Teil des CH4-Kreislaufs in nördlichen Torfgebieten sind anaerobe CH4-oxidierende Prozesse (AOM). Insbesondere die erst kürzlich entdeckten AOM-Prozesse, die an die Reduktion organischer Elektronenakzeptoren wie natürlichem organischem Material (NOM) gekoppelt sind (NOM-abhängige AOM, NOM-AOM), wurden in diesen Gebieten noch nie untersucht, obwohl erhebliche Mengen an NOM und CH4-Emissionen in Torfgebieten parallel existieren. Deshalb möchten wir in diesem Projekt die Rolle von NOM für die CH4-Emissionen in die Atmosphäre über verschiedene Mechanismen der CH4-Produktion und der CH4-Oxidation bestimmen. Untersucht werden dabei NOM-Fraktionen, die in Stordalen (Abisko, Schweden), einem Modellstandort für von Permafrost betroffene nördliche Torfgebiete, vorhanden sind. Das übergeordnete Ziel dieses Projekts ist es, die Rolle der gelösten und partikulären Fraktionen von NOM (DOM und POM) für die Stimulierung oder Reduktion der Bildung und des Verbrauchs von CH4 in Mooren und kollabierenden Permafrost-Palsa-Gebieten zu untersuchen. Diese Standorte enthalten große Mengen an organischer Substanz und zeigen gleichzeitig erhebliche CH4-Emissionen. Im Arbeitspaket 1 (WP1) wird Torf vom Probenahmestandort entnommen und geochemische Parameter im Feld gemessen. Der beprobte Torf wird zur Isolierung von DOM- und POM-Fraktionen verwendet, um eine eingehende physikochemische Charakterisierung mit modernsten Analysetechniken durchzuführen, incl. DOC-/TOC-Messungen, FTIR und Messungen der Elektronenaustauschkapazität. Im WP2 werden Isotopen-Tracer-Experimente in Mikrokosmen durchgeführt, die mit Torf versetzt und mit isoliertem DOM oder POM angereichert sind, um deren Rolle bei der Stimulierung oder Unterdrückung der acetoklastischen und hydrogenotrophen Methanogenese sowie der Oxidation von CH4 durch NOM-AOM zu bestimmen. In WP3 werden die Identität und die relative Häufigkeit der Mikroorganismen, die an den untersuchten CH4-Cycling-Prozessen beteiligt sind, sowie die beteiligten funktionellen Gene mit Hilfe von DNA- und RNA-basierten molekularen Techniken wie 16S-Sequenzierung und Quantifizierung von Transkripten der Gene der Methanogenese und Methanotrophie analysiert. Wir verfolgen dabei die Hypothese, dass NOM in Permafrostgebieten je nach seinen Eigenschaften sowohl zur Emission von CH4 beitragen als auch diese abschwächen kann.
In diesem Projekt wollen wir in einem Süßwasserhabitat die Koppelung der nitratabhängigen Methanoxidation (n-damo) mit dem Anammox Prozess nachweisen. Messungen der stabilen Isotope im Methan, Nitrat, Nitrit, Ammonium und DIC und molekularbiologische Methoden sollen helfen, diese Prozesse zu entschlüsseln. Zudem wollen wir klären, wie die Erkenntnis von einströmendem Grundwasser in das Habitat (Interaktion zwischen Grundwasser und Seewasser) zu erklären ist, dass die für die Prozesse (n-damo, Anammox, Methanogenese) benötigten stabilen Umwelt- bzw. anoxischen Redoxbedingungen vorliegen.
Feuchtgebiete sind eine wichtige natürliche Quelle für Methan, das zweithäufigste Treibhausgas in der Atmosphäre. Die Methangasflüsse aus Feuchtgebieten sind variabel und bestimmt durch die Aktivität methanotropher (Methan verbrauchender) und methanogener (Methan produzierender) Mikroorganismen. Deren Aktivität wird durch verschiedene Umweltfaktoren gesteuert, was jedoch noch nicht sehr gut verstanden ist, da z.B. die Bedeutung der anaeroben Methanotrophen in Feuchtgebieten noch weitgehend unklar ist. Ziel des Projekts ist es, die räumlich-zeitliche Variation der Nettomethanflüsse zu untersuchen und sie durch Verteilungsmuster und Aktivitäten der Methankreislauf-assoziierten Mikroorganismen in Abhängigkeit von verschiedenen Umweltfaktoren zu erklären. Im Projekt werden Sölle untersucht, da diese eine hohe Dynamik in den Methanemissionen über kleine räumliche Skalen aufweisen. Sie kommen häufig in postglazialen Landschaften vor und sind meist von landwirtschaftlich genutzten Flächen umgeben. Sie werden als Methanquelle betrachtet, aber die Mechanismen, die ihre dynamischen Methanemissionen antreiben, sind nicht gut verstanden. Bodenprofile, Bodenchemie, Wasserstand, Redox-Bedingungen, Nährstoffeintrag und Vegetation werden als wichtige Umweltfaktoren antizipiert, die die Häufigkeit, Aktivität und die Biodiversität der mit dem Methankreislauf assoziierten Mikroorganismen beeinflussen. Um die regulatorische Bedeutung dieser Faktoren zu verstehen, wird MeDKet Feldstudien mit Laborexperimenten kombinieren, in denen verschiedene abiotische Faktoren unter kontrollierten Bedingungen moduliert werden. Die räumliche Variation der Methanbildung und -oxidation und die Verteilung der mit dem Methankreislauf assoziierten Mikroorganismen wird in acht Söllen untersucht, während die Auswirkungen der wichtigsten Umweltfaktoren für ein ausgewähltes Soll im Detail analysiert werden. Hochauflösende Gasmessungen werden kombiniert mit Methoden der mikrobiellen Ökologie wie quantitativer PCR, Amplikonsequenzierung, mRNA-Analyse, stabilen Isotopenuntersuchungen und einer Metagenom-Analyse, um Identität, Abundanz, Verteilung und physiologische Eigenschaften der am Methankreislauf beteiligten Mikroorganismen zu bestimmen. Da wir ein ganzheitliches Verständnis über den Beitrag Methan-assoziierter Mikroorganismen in Feuchtgebieten zu Methanflüssen anstreben, weiten wir unsere Analysen auf oberirdische Pflanzenteile aus, ein bisher vernachlässigter Lebensraum für Methanotrophe. Mit einer neu entwickelten Methodik werden wir vertikale Methanprofile in der Atmosphäre oberhalb eines Solls messen und das Vorkommen von Methanotrophen auf oberirdischen Pflanzenteilen untersuchen. Damit werden die Ergebnisse von MeDKet als Grundlage dienen, um (a) die Regulation von Methanotrophie und Methanogenese und damit die hohe Variabilität der Nettomethanflüsse (b) die Bedeutung der anaeroben Methanoxidation und (c) der oberirdischen Methanoxidation in Söllen zu verstehen.
Es werden Mikroorganismen gesucht und untersucht, welche in Mischkultur mit Methanosarcina barkeri Verbindungen wie Cholin oder Betain in Methan, Kohlendioxid und Ammoniak umwandeln.
Methan ist ein bedeutendes Treibhausgas, das einen starken Einfluss auf die Klimaentwicklung der Erde nimmt. Zurzeit sind das Wissen um die verschiedenen Methanquellen und deren atmosphärischer Einfluss noch äußerst lückenhaft. Eine Quelle, die hier von besonderer Wichtigkeit sein könnte, ist die mikrobielle Methanproduktion innerhalb des Darms bestimmter Zooplanktonorganismen bzw. der von ihnen ausgeschiedenen Kotpillen. Diese Quelle ist hauptsächlich in der oberen sauerstoffhaltigen Wassersäule angesiedelt und kann somit einen unmittelbaren Einfluss auf den Methanfluss zwischen Ozean und Atmosphäre nehmen. In unserem Projekt stellen wir die Hypothese auf, dass in hochproduktive Regionen, wie z.B. in Randmeeren, diese Zooplankton-basierte Methanproduktion besonders stark ausgeprägt ist. Des Weiteren vermuten wir, dass die zeitweise in der Ostsee beobachtete subthermokline Methananomalie durch diese Methanquelle hervorgerufen wird. Im ZooM-Projekt werden wir deshalb die Zooplankton-assoziierte Methanproduktion im Modellgebiet Ostsee mit Hilfe eines multidisziplinären Ansatzes untersuchen, indem wir die Fachgebiete Methanchemie, Mikrobiologie und Zooplanktologie konzertiert einsetzen. Im Detail wollen wir die folgenden Schlüsselfragen beantworten: (1) Ist die subthermokline Methananomalie ein verbreitetes Phänomen in der Ostsee und können wir saisonale und regionale Unterschiede in ihrer Ausprägung identifizieren? (2) Besitzt die Zooplankton-assoziierte Methanproduktion das Potential die beobachtete Methananomalie auszubilden und wie beeinflussen Copepodenarten und Umweltbedingungen (wie die Nahrungszusammensetzung) die Methanproduktion? (3) Welche methanogenen Mikroorganismen sind in die subthermokline Methanproduktion im Copepoden-Darm und ihren Kotpillen involviert und lassen sich Unterschiede der beteiligten methanogenen Gemeinschaften und deren Aktivität ausmachen?
Seen gelten als Hauptverursacher von atmosphärischem Methan (CH4). CH4-Emmissionen entstehen durch Blasenbildung und diffusiven Transport von CH4 über die Wasser-Atmosphären-Grenzfläche. Letzteres beruht auf einer Übersättigung von gelöstem CH4 im Oberflächenwasser. Während der geschichteten Periode kann die CH4 Konzentration im oxischen Epilimnion die Konzentration des oxischen Hypolimnios übersteigen. Diese Anreicherung von CH4 im Epilimnion ist bisher noch nicht gänzlich verstanden und wird häufig als „Methanparadox“ bezeichnet, da: (i) die vertikale CH4 Diffusion diese Anreicherung nicht verursachen kann, da die CH4 Konzentration niedriger in tieferen Wasserschichten als im Epilimnion ist, und (ii) die CH4 Produktion (Methanogenese) in oxischen Umgebungen normalerweise nicht vermutet wird. Daher gibt es zwei Haupthypothesen bezüglich des Methanparadox, die darauf hindeuten, dass die Hauptquelle für das angereicherte CH4 in den oxischen Schichten entweder (i) der laterale Transport von CH4 aus hochproduktiven Uferzonen ist oder (ii) die Methanogenese, die im oxischen Wasser des Epilimnions stattfindet. Trotz der Bemühungen, die in den letzten Jahren unternommen wurden, um die Hauptquelle(n) und Pfade des angereicherten CH4 im Epilimnion von Seen aufzuklären, fehlt beide Hypothesen immer noch starke Unterstützung durch experimentelle Beweise. Für das beantragte Projekt, werden wir detaillierte Feld- und Labormessungen durchführen, um beide dieser Hypothesen zu testen. Räumliche Verteilungen von CH4konzentrationen, CH4 flüsse, oxische CH4 Produktion sowie Oxidationsraten werden verwendet, um unbekannte CH4 Quellen im Epilimnion zu quantifizieren. Transekte von Vertikalprofilen von gelöstem CH4 die Bestimmung des CH4 Transports innerhalb der litoralen Zone sowie aus der litoralen Zone in die pelagische Zone hinein. Die Erhebung solcher detaillierten Daten, welche für diese Analyse erforderlich sind, wird durch die Verwendung eines hochsensitiven Messystems gewährleistet, welches eine schnelle Erfassung von räumlich hochaufgelösten Verteilungen von gelöstem CH4 ermöglicht. Die CH4 Flüsse sowie Produktions- und Oxidationsraten werden mit Hilfe der Flusskammer Methode und Respirationsassays bestimmt. Unterstützend werden stabile Isotopenanalysen und molekularbiologische Werkzeuge verwendet um die wichtigsten biochemischen Wege und Aktanten zu identifizieren. Die Untersuchungen werden im Untersee (Bodensee) und im Überlingersee durchgeführt. Beide dieser Seen besitzen eine ähnliche Wasserchemie, unterscheiden sich jedoch hinsichtlich ihrer CH4 Konzentrationen, was eine vergleichende Bewertung der CH4 Dynamiken ermöglicht. Insgesamt zielt dieses Projekt darauf ab, das „Methanparadox“ zu enthüllen, indem es nicht nur die Hauptquelle(n) des CH4 im übersättigten Epilimnion entschlüsselt, sondern ebenfalls die Massenbilanz des CH4 in Seen mit ähnlichen Eigenschaften schließt.
| Origin | Count |
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| Bund | 139 |
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| Förderprogramm | 137 |
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| Boden | 107 |
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