Dieses Projekt wird die Diversität derzeit bekannter Viren durch Hochdurchsatzsequenzierung viraler Genome im Grundwasser ermitteln. Eine offene virologische Fragestellung ist das Finden unbeschriebener Viren. Wir werden unsere kürzlich neu entwickelte Methode nun auch für Viren im Grundwasser weiterentwickeln. Ergänzend werden wir die verschiedenen Metatranskriptome der verschiedenen Standorte im Hainich vergleichen. Weiterhin werden wir die weitgehend unbekannte Halbwertszeit von Viren im Grundwasser ermitteln um somit Rückschlüsse auf die Kommunikationsunterbrechungen mit anderen Organismen machen zu können.
In A22 werden wir mithilfe der Metagenomik untersuchen, wie die Mikrodiversität von Bakterien und Viren auf die Degradation von Fließgewässern unter dem Einfluss von mäßigen bis starken Stressoren (Fließgeschwindigkeit, Salz, Temperatur und Dürre) reagiert und wie sie sich nach einer Stressorenphase erholt. Wir nutzen die Daten aus ExStream-Experimenten (für alle vier Stressortypen in verschiedenen Kombinationen) und aus Freilanduntersuchungen (Dürre). Die Mikrodiversität wird sowohl anhand von Einzelnukleotidvarianten (SNVs) als auch von Strukturvarianten (SVs) analysiert.
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.
Die Identifizierung von gemeinsamen Mustern in verschiedenen mikrobiellen Gemeinschaften ermöglicht wichtige und fundamentale Einsichten. Die Forschung in ChemBioSys hat die enzymatischen Modifikation von sezernierten chemischen Effektoren als ein solches Thema identifiziert. Wir betrachten Systeme, in denen ein Organismus einen chemischen Effektor bildet und ausscheidet, um einen zweiten Organismus zu beeinflussen, während ein dritter Organismus ein Enzym sezerniert, welches den Effektor modifiziert. Wir planen, die komplexe zeitlich-räumliche Dynamik solcher Systeme und den Einfluss der Enzyme auf das ökologische Gefüge zu erforschen. Im Projekt werden theoretische und experimentelle Methoden kombiniert.
Untersuchungen zu Aspekten der mikrobiellen Ökologie einschließlich des Phyto- und Zooplanktons. Umsetzungen des organischen Kohlenstoffs und von Nährstoffen in der Wassersäule und den Sedimenten.
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.
Einer der global größten Kohlenstoffspeicher ist die organische Bodensubstanz (OBS), welche eine zentrale Quelle für die Pflanzennährstoffe Stickstoff (N) und Phosphor (P) darstellt. Bodenmikroorganismen sind die Hauptakteure beim Umsatz der OBS und damit ein zentrales Bindeglied zwischen Kohlenstoff- (C) und Nährstoffkreisläufen. Sie sind jedoch stark durch Phagen (also Viren, die Bakterien befallen) beeinflusst. In Ozeanen sterben täglich 20% der bakteriellen Zellen durch Phagen, was zu einem Umsatzpfad („viral shunt“) führt, der große Mengen organischer Substanz und damit assoziierter Nährstoffe aus bakterieller Biomasse freisetzt. Das erhöht die Produktivität der Ozeane und speichert C in bakteriellen Rückständen. Trotz ihrer hohen Abundanz in Böden wurden Phagen in der Bodenbiogeochemie kaum berücksichtigt. Meine Nachwuchsgruppe wird erstmals untersuchen wie die Biophysik des Mikrohabitats die Infektion durch Phagen und damit bakterielle Sterberaten steuert. Wir werden herausfinden, ob hierdurch ein vergleichbarer „viral shunt“ in Böden vorliegt und quantifizieren dessen Auswirkung auf Nährstoff- und CO2-Feisetzung sowie auch der Speicherung von C. Wir möchten gezielt über phänomenologische Beschreibungen hinausgehen und zugrundeliegende Mechanismen aufklären. Bodenmikrohabitate werden mit modernsten bildgebenden Verfahren zur Aufklärung mikroskaliger Strukturen charakterisiert: 3D Wasserverteilung im Habitat durch synchrotronbasierte Mikrotomographie, Verteilung der OBS mit Rasterelektronenmikroskopie und Mineralogie der Porenoberflächen mittels Raman-Mikrospektroskopie. Phagen aus Böden werden isoliert und ihre Phage-Habitat-Interaktionen erfasst, um so die Relevanz des Mikrohabitats für die Phagenausbreitung zu eruieren. Der Einfluss des Mikrohabitats auf die Infektionsrate und damit auf Stoffkreisläufe wird mittels der Kopplung molekularer Methoden mit Isotopenanwendungen untersucht werden, und zwar i) 18O-DNA Markierung (SIP) zur Erfassung der Phagenbildung sowie des bakteriellen Zellsterbens, ii) der Bestimmung der Abundanz relevanter funktioneller Gene und iii) der Quantifizierung der Mineralisationsraten durch Isotopenverdünnung. Der Einsatz isotopisch markierter Phagen (13C, 15N, 33P) wird die phageninduzierte Änderungen der Elementflüsse aufzeigen. Damit wird erstmal ein mechanistisches Verständnis erlangt, wie Bodenphagen in Interaktion mit ihrem Habitat biogeochemische Kreisläufe von globaler Bedeutung beeinflussen. Des Weiteren wird der Einfluss dynamischer Änderungen des Mikrohabitats auf Phagen untersucht sowie evolutionäre Anpassungen der Phagen an ihre Habitate. Detailliertes Prozessverständnis ist hier von höchster Relevanz um die Auswirkung anthropogener Aktivität oder des Klimawandels auf Bodenphagen vorherzusagen. Daher werden diese Erkenntnisse final in ein dynamisches Modell integriert, um erstmals die Vorhersage phageninduzierter Prozesse in Böden zu ermöglichen - für deren Einsatz in Landnutzung und Landwirtschaft.
Die mikrobielle Umsetzung von organischem Material zu dem erneuerbaren Energieträger Methan ist eine bewährte und verbreitete Strategie der effektiven Abfallwirtschaft. In einem solchen methanproduzierenden Milieu nutzen elektrisch verbundene Bakterien und Archaeen direkten Interspezies-Elektronentransfer (DIET), als Alternative zum Interspezies-Formiat- und Wasserstofftransfer (IHT). Grundlegende Aspekte der mikrobiellen Ökologie in Bezug auf DIET sind dabei jedoch noch unerforscht, insbesondere der Stellenwert für die Biogasproduktion. Bis jetzt haben sich Studien zum Großteil auf DIET in Ko-Kulturen von wenigen Modellorganismen beschränkt, die für die Abwasserbehandlung in UASB-Reaktoren (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) eine Rolle spielen. Wir beabsichtigen weithin anwendbare Erkenntnisse über die Zusammenhänge der syntrophen mikrobiellen Gemeinschaft und dessen Funktion in mesophilen und thermophilen Biogasreaktoren mit Hilfe moderner molekularbiologischer und mikrobiologischer Methoden zu generieren, um letztendlich eine höhere Prozessstabilität und Effizienz zu ermöglichen. Zentrale Ziele sind die Identifizierung neuer Organismen die an DIET beteiligt sind und das Verständnis der zugrundeliegenden genetischen Mechanismen. Der Schwerpunkt wird auf Bioabfall vergärende Anlagen liegen, die sich wesentlich von mesophilen UASB Reaktoren durch Konstruktion, Betriebsweise, Temperatur und Substratzusammensetzung unterscheiden. Wir vermuten, dass DIET ein weit verbreiteter Alternativprozess zum IHT bei der anaeroben Vergärung von Biomasse ist, wobei beide Prozesse wahrscheinlich parallel ablaufen. In dem vorgeschlagenen Projekt wird DIET erstmals in thermophilen aber auch in mesophilen Systemen Gegenstand der Forschung sein. Ein weiteres Ziel ist die Identifizierung neuer Substrate, die von den syntrophen Konsortien während DIET umgesetzt werden können. Hier wird der Fokus auf syntrophe Propionat- und Butyratoxidierer liegen, die für den anaeroben Abbau von organischem Material eine Schlüsselrolle spielen. Mittels Metagenomik wird das Stoffwechselpotential rekonstruiert und Genexpressionsmuster im Zusammenhang mit IHT und DIET werden mittels Transkriptomik untersucht. DIET ist möglicherweise vorteilhaft für die Stabilität des Vergärungsprozesses, da die Produktion von Wasserstoff umgangen wird, welcher schon in geringer Konzentration die Oxidation von kurzkettigen Fettsäuren inhibieren kann. Deshalb planen wir physiologische Vorteile von DIET gegenüber IHT in Anreicherungskulturen zu untersuchen. Die zu erwartenden Ergebnisse sind essentiell um das Potential der Biogasproduktion im vollen Umfang auszuschöpfen. Darüber hinaus werden die Ergebnisse auch für andere Forschungsgebiete relevant sein, wo elektrisch verbundene Mikroorganismen eine Rolle spielen, beispielsweise bei der Minimierung von Treibhausgasemission in methanogenen Habitaten oder bei der Nutzung in mikrobiellen Brennstoffzellen.
Der Energiehaushalt von Bachoberläufen in bewaldeten Einzugsgebieten hängt stark vom Eintrag allochthonen organischen Materials (bspw. Laubstreu) ab. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, zu verstehen, wie die in diesem Material gebundene Energie für das Nahrungsnetz verfügbar gemacht werden. Dies istbesonders vor dem Hintergrund des stetig zunehmenden Drucks durch Schadstoffe von Signifikanz. Obwohl sich ca. 90 % dieses organischen Materials im Hyporheal akkumulieren, wurden die Auswirkungen von chemischem Stress auf dessen Abbau fast ausschließlich in der benthischen Zone untersucht. Die Bedeutung dieser Wissenslücke wird durch die fehlende Übertragbarkeit der beobachteten Auswirkungen von Schadstoffen auf diesen ökosystemaren Prozess zwischen benthischen auf hyporheische Habitat unterstrichen. Darüber hinaus unterscheiden sich innerhalb des hyporheische Habitats die Umweltbedingungen zwischen Zonenmit ab- bzw. aufsteigendes Oberflächen- bzw. Grundwasser deutlich, was eine Verallgemeinerung der Beobachtungen zusätzlich erschwert. INFUSED tritt an unser Verständnis über die Auswirkungen von Schadstoffen auf den Abbau organischen Materials besser zu verstehen, indem das Projekt über benthische Systeme hinaus geht. INFUSED wird die Auswirkungen von Fungiziden und Antibiotika auf die Zersetzung organischer Stoffe in den auf- und absteigenden Zonen des Hyporheal experimentell untersuchen und diese Beobachtungen den Auswirkungen in der benthischen Zone gegenüberstellen; letztere dient als Referenzpunkt. Die indirekten Auswirkungen dieser antimikrobiellen Schadstoffe auf Detritivorenwerden durch Nahrungswahlversuche und anschließende Langzeit-Fütterungstests adressiert. Ein Folgeexperiment wird sich auf Insektizide konzentrieren, die sich direkt auf die Aktivität von Detritivoren auswirken können. Diese Studie testet die Hypothese, dass die Aktivität der Detritivoren sich ins Sediment einzugraben negativ beeinflusst wird, was sich auf ihre Fähigkeit auswirkt, vergrabenes organisches Material zu erreichen und folglich zu konsumieren. Durch die Kombination beider Ansätze werden direkte und indirekte Effekte in einem naturnahen Nahrungsnetz untersucht. Durch die Nutzung von organischem Material, markiert durch stabile Isotopen, kann INFUSED die relative Bedeutung dieser Nahrungsquelle für komplexe Nahrungsnetze quantifizieren. INFUSED basiert somit auf der Hypothese, dass Fungizide und Antibiotika sowohl den Abbau organischen Material als auch dessen Qualität als Nahrung für Detritivore (in)direkt beeinträchtigt. Im Gegensatz dazu wirken sich Schadstoffe welche Detritivoren beeinflussen (z. B. Insektizide) top down auf den Abbau organischen Materials aus. Folglich wird INFUSED unser Verständnis der möglichen Auswirkungen von Schadstoffen auf den Abbau organischen Materials im Hyporheal deutlich erweitern.
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.
| Origin | Count |
|---|---|
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