Sediment erosion and transport is critical to the ecological and commercial health of aquatic habitats from watershed to sea. There is now a consensus that microorganisms inhabiting the system mediate the erosive response of natural sediments ('ecosystem engineers') along with physicochemical properties. The biological mechanism is through secretion of a microbial organic glue (EPS: extracellular polymeric substances) that enhances binding forces between sediment grains to impact sediment stability and post-entrainment flocculation. The proposed work will elucidate the functional capability of heterotrophic bacteria, cyanobacteria and eukaryotic microalgae for mediating freshwater sediments to influence sediment erosion and transport. The potential and relevance of natural biofilms to provide this important 'ecosystem service' will be investigated for different niches in a freshwater habitat. Thereby, variations of the EPS 'quality' and 'quantity' to influence cohesion within sediments and flocs will be related to shifts in biofilm composition, sediment characteristics (e.g. organic background) and varying abiotic conditions (e.g. light, hydrodynamic regime) in the water body. Thus, the proposed interdisciplinary work will contribute to a conceptual understanding of microbial sediment engineering that represents an important ecosystem function in freshwater habitats. The research has wide implications for the water framework directive and sediment management strategies.
Die physikalischen und chemische Eigenschaften sedimentärer Grundwasserleiter wird von der Geologie der Ausgangsgesteine und den lokalen Ablagerungsbedingungen zum Zeitpunkt ihrer Bildung bestimmt. Dies führt zu einer charakteristischen Anordnung von Strukturelementen, die sich in ihrer Korngrößenverteilung (und damit hydraulischen Durchlässigkeit) und ihrem Gehalt Redox-aktiver Minerale und organischen Materials unterscheiden. Die hierarchisch organisierte Verteilung von Eigenschaften beeinflusst die Grundwasserströmung und den reaktiven Stofftransport in sedimentären Grundwasserleitern. Die Anwesenheit reaktiver organischer oder mineralischer Phasen bestimmt die potentielle Reaktivität von Nitrat und anderen gelösten Elektronenakzeptoren, aber damit die Reaktionen stattfinden, müssen die reaktive Sedimenten eine ausreichend hohe Durchlässigkeit aufweisen müssen, damit die gelösten Reaktanten die reaktiven Mineralphasen erreichen. Die mangelnde Reaktivität der Sedimentmatrix ist einer der wichtigsten Gründe für die anhaltende Nitratbelastung von Grundwasser, obwohl die Denitrifikation eine energetisch ertragreiche Reaktion für Mikroorganismen, die in den Sedimenten grundsätzlich vorkommen, darstellt. Das beantragte Projekt zielt darauf ab, die Reaktivität von Grundwasserleitern und damit ihre Fähigkeit, Nitrat zu reduzieren, quantitativ mit ihren hydraulischen und biogeochemischen Eigenschaften in Bezug zu setzen. Durch gekoppelte hydrogeologische, sedimentologische und mikrobiologische Felduntersuchungen, Säulenexperimente mit ungestörten Kernen und reaktive Stofftransportmodellierung im Labor- und Grundwasserleitermaßstab werden wir einen einzigartigen Datensatz erstellen, der es uns ermöglicht, die standort- und faziesspezifische Reaktivität abzuschätzen, die in großskalige Vorhersagemodelle für die Denitrifikation einfließen. Direct-Push Felduntersuchungen an fünf Standorten in Deutschland und Österreich mit unterschiedlicher Durchlässigkeit, Nitratbelastung und Gehalt Redox-aktiver Komponenten dienen der vor-Ort-Untersuchung und Probenahme. In biogeochemischen Säulenexperimenten wird die Denitrifizierung und die zugehörige mikrobielle Aktivität untersucht. Die detaillierte sedimentologische Charakterisierung der Kerne dient der Bestimmung des reaktiven Potentials unterschiedlicher Fazies und der Entwicklung standortspezifischer sedimentologischer Modelle. Reaktive Transportmodelle dienen der Bestimmung von Ratenkoeffizienten und der Abschätzung der Gesamtreaktivität der Sedimente. Diese fließen in großskalige, virtuelle, reaktive Transportmodelle auf Grundlage der kumulierten relativen Reaktivität ein. Das Projekt wird unser Verständnis verbessen, wie der sedimentologische Aufbau die Redox-Reaktionen und die mikrobielle Aktivität in Grundwasserleitern bestimmt, und wie sedimentologische Informationen für die Formulierung großskaliger reaktiver Transportmodelle verwendet werden können.
a) Nitrat ist wegen seiner Umsetzung durch Mikroorganismen zu Nitrit in Lebensmitteln unerwuenscht. In Spinat, roten Rueben und anderen Wurzelgemuesen wird abhaengig von der Sorte und den Anbaubedingungen gelegentlich viel Nitrat angereichert. Es ist Ziel der Untersuchung, 'nitratarme' Sorten aus dem vorhandenen Sortiment auszusuchen. Bei Solanin- und Chaconin-Alkaloiden in Kartoffeln liegen die Verhaeltnisse vergleichbar. b) + c) In Zusammenarbeit mit dem Bundessortenamt werden in mehrjaehrigen Anbauversuchen 'verbraucherfreundliche' Sorten ermittelt.
Biosynthetische Polymere werden in zunehmender Zahl und Menge eingesetzt und sind aus vielen Bereichen des Alltags nicht mehr wegzudenken. Waren es frueher vorwiegend von hoeheren Lebewesen synthetisierte Polymere, so gewinnen nun von Mikroorganismen synthetisierte Polymere als Werkstoffe sowie als Hilfs- und Nebenstoffe an Bedeutung. Mikroorganismen synthetisieren in vielfaeltiger Form Polymere fuer technische Anwendungen. Die meisten technisch genutzten mikrobiellen Polymere werden heute als Hilfs- und Nebenstoffe eingesetzt, einige auch direkt zu Werkstoffen verarbeitet. Mikrobielle Polymere werden als Rohstoffe zu anderen Werkstoffen oder Hilfs- und Nebenstoffen verarbeitet oder dienen als Ausgangsmittel fuer weitere chemische Synthesen. Der Einsatz von Mikroorganismen bei der biotechnologischen Produktion von Polymeren ermoeglicht haeufig die Nutzung nachwachsender Rohstoffe als Substrate und Kohlenstoffquelle fuer die Produktion wie zB die Nutzung pflanzlicher Photosynthetate, die von der Land- und Forstwirtschaft in grossen Mengen bereitgestellt werden koennen. Die Kenntnis der Biosynthesewege fuer Polymere in Bakterien in Verbund mit der Gentechnik ermoeglicht zudem die Erzeugung transgener Pflanzen, die zur Produktion neuer Polymere anstelle von Bakterien herangezogen werden koennen. 1) Biosynthese von Polyestern: Mikrobielle, aus Hydroxyfettsaeuren aufgebaute Polyester (PHF) machen seit einigen Jahren als neue biologische abbaubare Werkstoffe von sich reden. Neben 3-Hydroxybuttersaeure sind mittlerweile mehr als 100 verschiedene Hydroxyfettsaeuren als Bausteine von PHF bekannt. Seit ca 10 Jahren wird in der Arbeitsgruppe die Biosynthese dieser wasserunloeslichen Polyester untersucht. Als Modellorganismen dienten zunaechst Alcaligenes eutrophus und Pseudomonas aeruginosa; Rhodococcus ruber und zahlreiche anoxygene phototrophe Bakterien wie zB Chromatium vinosum wurden spaeter ebenfalls untersucht. Diese Untersuchungen haben zur Aufklaerung von Biosynthesewegen der PHF und zur Entdeckung neuer Bausteine von PHF sowie zur Klonierung und Ermittlung der Primaerstrukturen des Schluesselenzyms PHF-Synthase aus ca 20 Bakterien beigetragen. Durch Screening nach neuen Wildtypen, durch Verwendung von Mutanten und mit gentechnischen Methoden gelang es, Polyester mit ungewoehnlichen Hydroxyfettsaeuren aus einfachen Kohlenstoffquellen verfuegbar zu machen. In Zusammenarbeit mit Industriepartnern und gefoerdert durch das BMBF und das BML sollen Reststoffe, Kohlen und nachwachsende Rohstoffe fuer die Produktion dieser Polyester erschlossen werden. Ein Biotechnikum mit Bioreaktoren von 1 bis 20 l Nutzvolumen, welches demnaechst durch einen Anbau und einen Bioreaktor von 450 L Nutzvolumen erweitert wird, erlaubt die Herstellung von Polymermustern zur Ermittlung der Materialeigenschaften durch hieran interessierte Kooperationspartner. Ferner kommt der Zusammenarbeit mit Pflanzengenetikern, die Gene fuer PHF Biosynthese aus Bakterien in Pflanzen ...
Fließgewässer tragen wesentlich zum globalen organischem Kohlenstoffkreislauf und zu der Emission der klimarelevanten Gase Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) bei. Die Dynamik der CO2-Emissionen wurde mit dem Wasserabfluss und der Hydrologie des Einzugsgebietes in Verbindung gebracht, während CH4 mit dem Biom des Fließgewässers und der umgebenden Landnutzung korrelierte. Die Mehrzahl dieser Studien wurde jedoch an ganzjährig wasserführenden (perennierenden) Fließgewässern und unter stabilem Wasserabfluss durchgeführt, mit einer nur begrenzten Abdeckung von Hochwasserepisoden (Niederschlagsereignissen). Bislang sind daher Gasemissionen von nicht ganzjährig wasserführenden (intermittierenden) Fließgewässern nicht ausreichend in den lokalen und regionalen Kohlenstoff-Budgets enthalten. Diese erlangen jedoch erhöhte Bedeutung, da die aktuellen Prognosen zum Klimawandel darauf hindeuten, dass das Ausmaß und die Häufigkeit schwerer klimatischer Ereignisse wie Überschwemmungen und Dürre wahrscheinlich zunehmen wird. Das vorgeschlagene Projekt zielt darauf ab, diese wichtige Forschungslücke zu schließen, indem die treibenden Kräfte und die jahreszeitliche Relevanz der CO2- und CH4-Emissionen nicht nur in perennierenden sondern auch in intermittierenden Fließgewässern untersucht werden sollen. Das erste Ziel des Projekts ist die Quantifizierung der lokalen Relevanz von ereignisgesteuerten CO2- und CH4-Emissionen aus perennierenden Fließgewässern mittels einer Kombination von i) State-of-the-art Techniken zur Quantifizierung von Gasflüssen über die Wasser-Luft-Grenzfläche, ii) Sensoren nach dem Stand der Technik und In-situ-Gasmessungen und iii) etablierten Verfahren zur Bewertung der mikrobiellen Gemeinschaft und potentieller metabolischer Aktivität Das zweite Projektziel ist die Untersuchung des Kohlenstoff-Kreislaufs und der Gasemissionen von kontinentalen, nicht-perennierenden Fließgewässern, mit Schwerpunkt auf Trocknungs- und Wiederbefeuchtungszyklen. Das Projekt konzentriert sich auf das Einzugsgebiet des Flusses Queich (271 km2) in Rheinland-Pfalz. Der Fluss entspringt in einem natürlichen Reservoir (Biosphärenreservat Pfälzerwald) und fließt entlang eines ausgeprägten Landschaftsgefälles (natürlich bis anthropogen beeinflusst). Diese Umgebung bietet ein ideales Untersuchungsgebiet um die Rolle der Hydrologie und der Bodennutzung für kohlenstoffrelevante Gasemissionen aus Fließgewässern zu erforschen. Das übergeordnete Ziel des Projekts ist die Quantifizierung der Beiträge von episodischen (ereignisbasierten) Einflüssen und von saisonalen Trocknungs-Wiederbefeuchtungszyklen zum lokalen und regionalen Kohlenstoff-Kreislauf. Die Projektdaten werden mit zusätzlichen hydrologischen und biogeochemischen Daten in bestehenden geografischen Informationssystemen kombiniert, um die Entwicklung von Upscaling-Verfahren zu ermöglichen, die die oben genannten Beiträge schließlich in umfangreiche Budgets für den Kohlenstoffkreislauf überführen können.
Holz, das hauptsaechlich aus Cellulose, Hemicellulose und Lignin besteht, ist eine Hauptquelle fuer erneuerbare Rohstoffe. Neben der industriellen Nutzung der Cellulose nimmt auch das Interesse an mikrobiellen hemicellulolytischen Enzymen zu, um oligomere Produkte aus komplexen Polysacchariden zu gewinnen. Im Hinterdarm von Termiten hat sich seit Jahrmillionen eine spezifische mikrobielle Flora etabliert, die am Lignocelluloseabbau beteiligt ist. Diese Flora besteht aus Bakterien, Archaebakterien, Hefen und Flagellaten. Wegen der symbiontischen Wechselwirkungen zwischen Insekten und Mikroorganismen wird Holz wesentlich effektiver abgebaut als durch Mikroorganismen allein. Ziel dieser Untersuchungen ist es, die mikrobielle Darmflora systematisch einzuordnen, biochemisch zu charakterisieren und ihre Rolle beim Lignocelluloseabbau aufzuklaeren. Die gewonnenen Erkenntnisse ueber den mikrobiellen Holzabbau lassen sich dann moeglicherweise bei der technischen Nutzung von Rohstoffen aus Holz einsetzen.
Aus dem Rohstoff Mikroben werden derzeit in grossem Umfange Fermentanreicherungen zum Zwecke der technologischen Bearbeitung von Lebensmitteln hergestellt. Wegen des chemisch wenig definierten Charakters dieser Praeparationen sind toxikologische Pruefungen der einzelnen Chargen zu fordern. Die Durchfuehrbarkeit dieser Forderungen ist abhaengig von der Entwicklung wirtschaftlich vertretbarer, aber ausreichend sicherer Methoden.
Unterschiedliche Baumarten beeinflussen die Humusauflage von Waldböden hinsichtlich des Umsatz von Streueintrag und Zersetzungsraten. Die Stärke der Humusauflage nimmt zum Beispiel von Ahorn über Buche zur Fichte zu (Vesterdal et al. 2008). Diese drei Baumarten stehen im Zentrum der vorgeschlagenen Forschergruppe ‚FOREST FLOOR: Functioning, Dynamics, and Vulnerability in a Changing World‘. Die Dynamik der Humusauflagen wird über den Eintrag und der Qualität von Laubstreu und sowie über die Rhizodeposition gesteuert, zu der Wurzelexsudate, abgestoßene Wurzelzellen und die Absonderung der Mucilage gehören. Diese stellen wichtige Kohlenstoff- bzw. Nährstoffquellen für Pilze und Mikroorganismen der Rhizosphäre dar. Etwa 30 % der durch die Photosynthese synthetisierten Kohlenhydrate werden unterirdisch in die Rhizosphäre verlagert, d.h. zu den Baumwurzeln und ihren symbiotischen Mykorrhizapilzen und mikrobiellen Gemeinschaften. Zudem zeigen verschiedene Baumarten unterschiedliche Nährstoffnutzungsstrategien in Anpassung an die Nährstoffverfügbarkeit des Standorts, die sich in Unterschieden der Nährstoffspeicherung und Nährstoffaufnahmerate und Streuqualität wiederspiegeln. In dem vorliegenden Forschungsantrag P9 untersuchen wir die Hypothese, dass die Nährstoffnutzungsstrategien von Waldbäumen und insbesondere die C-Zusammensetzung der Wurzelexsudate einen starken Einfluss auf die Mykorrhiza-, Saprophyten- und mikrobielle Gemeinschaft haben, die sich folglich auf die Nährstoffverfügbarkeit und den Umsatz der Humusauflage auswirken. Ein zentrales Ziel ist die Erforschung der Zusammenhänge, wie und in welchem Ausmaß die Kohlenstoff Zusammensetzung der Wurzel Exsudate - d.h. das Verhältnis von Zuckern und organischen Säuren in den Exsudaten - den Umsatz der Humusauflage beeinflusst, indem sie die mikrobielle und pilzliche Zusammensetzung und in der Folge die Zersetzung von Organischer Materie des Bodens und Streu verändert. Das vorliegende Forschungsvorhaben wird für die Forschergruppe Informationen über die arten- und standortspezifische Blatt- und Streuqualität, die unterschiedlichen Strategien der Nährstoffnutzung und die Gehalte von Zuckern und organischen Säuren in den Wurzel Exsudaten von Bäumen erheben. Darüber hinaus wird die von den Bäumen vermittelte laterale Verteilung von Nährstoffen aus der Blattstreu in einem gemeinsamen 15N Markierungsexperiment untersucht (P2). Die Ergebnisse werden mit Informationen der mikrobiellen Gemeinschaft (P7) und den unterschiedlichen Mykorrhizatypen der Baumarten (P8) verknüpft und mit den Nährstoffaufnahmeraten in Abhängigkeit von der Nährstoffverfügbarkeit an den unterschiedlichen Standorten (P4) analysiert.
| Origin | Count |
|---|---|
| Bund | 5130 |
| Land | 127 |
| Wissenschaft | 27 |
| Type | Count |
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| Chemische Verbindung | 765 |
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| Gesetzestext | 223 |
| Kartendienst | 1 |
| Lehrmaterial | 1 |
| Repositorium | 1 |
| Taxon | 3 |
| Text | 138 |
| Umweltprüfung | 6 |
| unbekannt | 62 |
| License | Count |
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| Lebewesen und Lebensräume | 5274 |
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