Das Projekt BE-Cult wird sich mit der Biodiversität von nitratammonifizierenden (syn. Dissimilatorischen Nitrat-zu-Ammoniumreduzierenden, DNRA) Bakterien in Böden von wenig und intensiv genutzten Grünländern der Biodiversitätsexploratorien (BEs) an allen Grünland-VIPs (very intensively studied plots) beschäftigen. Die Funktion Stickstoff (N) durch DNRA-Bakterien im Boden zu halten, wurde lange Zeit nur wenig wahrgenommen und die quantitative Rolle bei der Lachgas-Freisetzung aus Böden nicht untersucht. Aus diesem Grund gibt es umfassende Informationen zur Biodiversität und Ökophysiologie von denitrifizierenden aber nicht zu DNRA-Boden- Mikroorganismen. Die Konsequenz dieser historischen Entwicklung ist, dass heute wenig über die Ökophysiologie und Bedeutung der DNRA Bakterien im N-Kreislauf terrestrischer Ökosysteme bekannt ist. Im Gegensatz zu den DNRA-Bakterien, bilden Dentrifikanten N-haltige Gase als Endprodukt ihres Stoffwechsels, die substantiell zum N-Verlust in Böden beitragen. Dahingegen reduzieren DNRA Bakterien Nitrat hauptsächlich zu Ammonium, das im Boden verbleibt und als wichtiger Pflanzennährstoff dient. Beide Bakteriengrupppen bilden das potente Treibhausgas Lachgas und tragen damit zur globalen Erwärmung bei. Das Hauptanliegen des Projektes BE-Cult ist es den Einfluss der Landnutzungsintensität auf diese wichtigen Mikroorganismen im N-Kreislauf von Böden zu untersuchen. In einem Hochdurchsatz-Kultivierungs-Ansatz (einschl. MALDI TOF MS für eine schnelle Stammidentifikation und verschiedene Tests zur physiologischen Charakterisierung des Nitrat- Stoffwechsels) werden über 10.000 Reinkulturen charakterisiert und entsprechend ihrer Phylogenie und Nitrat-Physiologie gruppiert. Aus dieser Stammsammlung werden 100 Isolate genom-sequenziert. Basierend auf den genomischen Informationen werden PCR-Primer funktioneller Genmarker entwickelt und verbessert um dann die funktionellen Genmarker in DNA-Extrakten der Grünland-VIPs zu quantifizieren. Zusammen mit Partnern in den BEs wird die relative Bedeutung der DNRA-Bakterien (insbesondere ihrer relativen Aktivität im Vergleich zu Denitrifikanten) in Meta-Transkriptom Datensätzen evaluiert. Letztendlich werden die so gewonnen Daten in multivariaten Analysen bestehend aus funktionellen Genmarker-Abundanzen, physiologischen 'traits' und auch abiotischen wie biotischen Parametern verwendet um die Verteilungsmuster von DNRA Bakterien in Böden zu erklären und ihre ökologischen Nischen besser definieren zu können.
<p>Stickstoffeintrag aus der Landwirtschaft und Stickstoffüberschuss</p><p>Stickstoff ist ein essenzieller Nährstoff für alle Lebewesen. Im Übermaß in die Umwelt eingebrachter Stickstoff führt aber zu enormen Belastungen von Ökosystemen.</p><p>Stickstoffüberschuss der Landwirtschaft</p><p>Eine Maßzahl für die Stickstoffeinträge in Grundwasser, Oberflächengewässer, Böden und die Luft aus der Landwirtschaft ist der aus der landwirtschaftlichen Stickstoff-Gesamtbilanz ermittelte Stickstoffüberschuss (siehe Abb. „Saldo der landwirtschaftlichen Stickstoff-Gesamtbilanz in Bezug auf die landwirtschaftlich genutzte Fläche“).</p><p>Die Stickstoff-Gesamtbilanz setzt sich zusammen aus den Komponenten Flächenbilanz (Bilanzierung der Pflanzen- bzw. Bodenproduktion), Stallbilanz (Bilanzierung der tierischen Erzeugung) und der Biogasbilanz (Bilanzierung der Erzeugung von Biogas in landwirtschaftlichen Biogasanlagen). Der Stickstoffüberschuss der Gesamtbilanz ergibt sich aus der Differenz von Stickstoffzufuhr in und Stickstoffabfuhr aus dem gesamten Sektor Landwirtschaft (siehe Schaubild „Schema der Stickstoff-Gesamtbilanz der Landwirtschaft“). Der <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/i?tag=Indikator#alphabar">Indikator</a> wird vom Institut für Pflanzenbau und Bodenkunde des Julius Kühn-Instituts und dem Umweltbundesamt berechnet und jährlich vom <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/b?tag=BMEL#alphabar">BMEL</a> veröffentlicht (siehe<a href="https://www.bmel-statistik.de/fileadmin/daten/0111260-0000.xlsx">BMEL, Tabellen zur Landwirtschaft, MBT-0111-260-0000</a>).</p><p>Der Stickstoffüberschuss der Gesamtbilanz ist als mittlerer Überschuss aller landwirtschaftlicher Betriebe in Deutschland zu interpretieren. Regional können sich die Überschüsse jedoch sehr stark unterscheiden. Grund dafür sind vorrangig unterschiedliche Viehbesatzdichten und daraus resultierende Differenzen beim Anfall von Wirtschaftsdünger. Um durch <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/w?tag=Witterung#alphabar">Witterung</a> und Düngerpreis verursachte jährliche Schwankungen auszugleichen wird ein gleitendes 5-Jahresmittel errechnet.</p><p>___<br>* jährlicher Überschuss bezogen auf das mittlere Jahr des 5-Jahres-Zeitraums (aus gerundeten Jahreswerten berechnet)** 1990: Daten zum Teil unsicher, nur eingeschränkt vergleichbar mit Folgejahren.*** Ziel der Nachhaltigkeitsstrategie der Bundesregierung, bezogen auf das 5-Jahres-Mittel, d.h. auf den Zeitraum 2028 bis 2032Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) 2024, Statistischer Monatsbericht Kap. A Nährstoffbilanzen und Düngemittel, Nährstoffbilanz insgesamt von 1990 bis 2022 (MBT-0111260-0000)Die Ergebnisse der Bilanzierung zeigen einen abnehmenden Trend bei den Stickstoffüberschüssen über die erfasste Zeitreihe (siehe Abb. „Saldo der landwirtschaftlichen Stickstoff-Gesamtbilanz in Bezug auf die landwirtschaftlich genutzte Fläche“). Im Zeitraum 1992 bis 2020 ist der Stickstoffüberschuss im gleitenden 5-Jahresmittel von 117 Kilogramm Stickstoff pro Hektar landwirtschaftlich genutzter Fläche und Jahr (kg N/ha*a) auf 77 kg N/ha*a gesunken. Das entspricht einem jährlichen Rückgang von 1 % sowie einem Rückgang über die Zeit um 34 %. Die Reduktion des Stickstoffüberschusses zu Beginn der 1990er Jahre ist größtenteils auf den Abbau der Tierbestände in den neuen Bundesländern zurückzuführen. Der durchschnittliche Rückgang des Stickstoffüberschusses über die gesamte Zeit von 1992 bis 2020 beruht auf Effizienzgewinnen bei der Stickstoffnutzung (Effizienterer Einsatz von Stickstoff-Düngemitteln, Ertragssteigerungen in der Pflanzenproduktion und höhere Futterverwertung bei Nutztieren). In den Jahren seit 2015 ist der Überschuss besonders stark gesunken. Grund dafür sind neben einer veränderten und wirksameren Gesetzgebung, gesunkene Tierzahlen sowie Dürrejahre und höhere Mineraldüngerpreise und der damit einhergehende verminderte Einsatz von Mineraldüngern.Im Jahr 2016 wurde in derDeutschen Nachhaltigkeitsstrategieder Bundesregierung (BReg 2016) ein Zielwert von 70 kg N/ha*a für das gleitende 5-Jahresmittel von 2028-2032 verankert. Von 2016 bis 2020, also in 4 Jahren, wurde somit bereits etwa dreiviertel der angestrebten Reduktion erreicht.Bewertung der EntwicklungWenn die Stickstoffüberschüsse weiterhin so schnell sinken wie in den letzten Jahren bzw. auf dem aktuellen Niveau bleiben wird das Ziel der Deutschen Nachhaltigkeitsstrategie voraussichtlich in den nächsten zwei bis drei Jahren erreicht werden. Für einen umfassenden Schutz von Umwelt und Klima ist dies aber noch nicht ausreichend. Die in 2016 in Kraft getretene EU-Richtlinie über nationale Emissionshöchstmengen für bestimmte Luftschadstoffe (NEC-Richtlinie) verpflichtet Deutschland bis 2030 dazu 29 % der Ammoniak-Emissionen im Vergleich zum Jahr 2005 zu reduzieren. Bis zum Jahr 2022 wurde hier nur eine Minderung von 18 % erreicht. Da der Sektor Landwirtschaft der größte Verursacher von Ammoniak-Emissionen ist, sind hier also noch weitere Maßnahmen für die Zielerreichung nötig. Aber auch für das Erreichen von weiteren Zielen, wie Nitrat im Grundwasser, Stickstoffeintrag über die Zuflüsse in Nord- und Ostsee und Eutrophierung der Ökosysteme wird voraussichtlich das Erreichen des 70 kg-Ziels nicht ausreichen, denn hier kommt es weniger auf den durchschnittlichen nationalen Stickstoffüberschuss, sondern eher auf die regionale Verteilung der Stickstoffüberschüsse an. Einen Überblick über die Verteilung der Überschüsse finden Siehier.Stickstoffzufuhr und Stickstoffabfuhr in der LandwirtschaftDie Stickstoffzufuhr zur landwirtschaftlichen Gesamtbilanz berücksichtigt Mineraldünger, Wirtschaftsdüngerimporte, Kompost und Klärschlamm, atmosphärische Stickstoffdeposition, Stickstoffbindung von Leguminosen, Co-Substrate für die Bioenergieproduktion sowie Futtermittelimporte. Die Stickstoffabfuhr berücksichtigt pflanzliche und tierische Marktprodukte. Im Durchschnitt lag die Stickstoffzufuhr zwischen 1990 und 2022 bei 187 Kilogramm pro Hektar landwirtschaftlich genutzter Fläche und Jahr (kg N/ha*a), mit einem Maximum von 209 kg N/ha*a im Jahr 1990 und einem Minimum von 151 kg N/ha*a im Jahr 2022. Die Zufuhr hat sich bis 2017 kaum verändert. Lediglich in den letzten 5 Jahren gab es einen mittleren Rückgang von 8 kg N/ha*a. Die Stickstoffabfuhr betrug im gesamten Betrachtungszeitraum durchschnittlich 87 kg N/ha*a, mit einem Maximum von 103 kg N/ha*a im Jahr 2014 und einem Minimum von 67 kg N/ha*a im Jahr 1990. Im gleitenden 5-Jahresmittel stieg die Abfuhr von 73 kg N/ha*a im Jahr 1992 auf 88 kg N/ha*a im Jahr 2020 an. Dies entspricht einem Anstieg des über tierische und pflanzliche Produkte abgefahrenen Stickstoffs von etwa 21 %.2022 stammten 44 % der Stickstoffzufuhr der Landwirtschaft aus Mineraldüngern, 25 % aus inländischem Tierfutter sowie 14 % aus Futtermittelimporten. Wirtschaftsdünger und betriebseigene Futtermittel werden in der Flächenbilanz, nicht aber in der Gesamtbilanz berücksichtigt. 3 % des Stickstoffs wurden über den Luftpfad eingetragen (Deposition aus Verkehrsabgasen und Verbrennungsanlagen) und 2 % stammte aus Kofermenten für die Biogasproduktion. 10 % sind der biologischen Stickstofffixierung von Leguminosen (zum Beispiel Klee oder Erbsen) anzurechnen, die Luftstickstoff in erheblichem Maße binden. Etwa 1 % der Stickstoffzufuhr stammte aus Saat- und Pflanzgut.Die Stickstoffabfuhr fand zu 32 % über Fleisch, Schlachtabfälle und sonstige Tierprodukte und zu 68 % über pflanzliche Marktprodukte statt.Umweltwirkungen der StickstoffüberschüsseÜberschüssiger Stickstoff aus landwirtschaftlichen Quellen gelangt als Nitrat in Grund- und Oberflächengewässer und als Ammoniak und Lachgas in die Luft. Lachgas trägt als hochwirksames Treibhausgas zur Klimaerwärmung bei. Der Eintrag von Nitrat und Ammoniak in Land- oder Wasser-Ökosysteme kann weitreichende Auswirkungen auf den Naturhaushalt haben. Diese sind unter anderemIm Mittel der Jahre 2012 bis 2016 wurden rund 480 Kilotonnen Stickstoff pro Jahr in die deutschen Oberflächengewässer eingetragen (siehe„Einträge von Nähr- und Schadstoffen in die Oberflächengewässer“). Durchschnittlich stammten in diesem Zeitraum 74 % dieser Einträge aus landwirtschaftlich genutzten Flächen.Die DüngeverordnungDieDüngeverordnungdefiniert „die gute fachliche Praxis der Düngung“ und gibt vor, wie die mit der Düngung verbundenen Risiken zu minimieren sind. Sie ist wesentlicher Bestandteil des nationalen Aktionsprogramms zur Umsetzung derEU-Nitratrichtlinie. Nach der Düngeverordnung dürfen Landwirtinnen und Landwirte Pflanzen nur entsprechend ihres Nährstoffbedarfs düngen. Die Düngeverordnung wurde 2017 und 2020 novelliert um Strafzahlungen als Folge des Urteils des EuGHs gegen Deutschland wegen Verletzung der EU-Nitratrichtlinie zu verhindern. Dieses Ziel wurde vorerst erreicht. Die kurzfristige Wirkung der Maßnahmen der novellierten Düngeverordnung werden aktuell im Rahmen eines Effizienzmonitorings geprüft, um die mit Nitrat belasteten und von Eutrophierung betroffenen Gebiete zu identifizieren und eine schnelle Nachsteuerung von Maßnahmen in diesen Gebieten zu erreichen. Informationen zu den Novellierungen finden Siehier.Weitere Maßnahmen zur Verringerung der ÜberschüsseUm das Ziel der Bundesregierung zum Stickstoffüberschuss und der damit untrennbar verbundenen Umweltziele zu Nitrat im Grundwasser, Eutrophierung von Ökosystemen sowie Oberflächengewässern und zu Emissionen von Luftschadstoffen zu erreichen, muss die Gesamtstickstoffzufuhr in der Landwirtschaft verringert und der eingesetzte Stickstoff effizienter genutzt werden. Die Voraussetzung dafür ist das Schließen des Stickstoffkreislaufs. Dafür müssen Maßnahmen umgesetzt werden, die dazu führen, dass die Anwendung von Mineraldünger reduziert wird, importierte Futtermittel durch heimische ersetzt werden und die Anzahl von Nutztieren reduziert wird. Zudem muss die Effizienz der Stickstoffnutzung durch weitere Optimierungen des betrieblichen Nährstoffmanagements, wie standortangepasste Bewirtschaftungsmaßnahmen, geeignete Nutzpflanzensorten und passende, vielfältige Fruchtfolgen verbessert werden. Dabei ist am Ende nicht nur die Verringerung der durchschnittlichen Überschüsse entscheidend, sondern auch die Verteilung der Nährstoffe in die Fläche, denn nur so können die genannten Umweltziele erreicht werden. Um diese Verteilung zu erreichen müssen große Tierbestände reduziert und die Tiere gleichmäßiger auf die gesamte landwirtschaftliche Fläche verteilt werden.
Mykorrhizen sind in der Lage, das Wachstum der Bäume durch erhöhte Aufnahme von Nährstoffen zu verbessern. Im Gegensatz zu Phosphat und Nitrat, ist nur wenig über die Bedeutung der Mykorrhiza für die Aufnahme und den Metabolismus von Schwefel bekannt, obwohl schwefelhaltige Stoffe eine wichtige Rolle bei Rhizobiumwurzel Symbiose spielen, die in vielen Aspekten ähnlich zu Mykorrhizierung ist. Ziel des Projekts ist es, Gene des Schwefelhaushalts von Wurzeln zu identifizieren, die bei der Wechselwirkung Wurzelpilz eine Rolle spielen, und deren Expression und Regulation zu analysieren. Als Modellsystem soll dabei die Pappel und der Pilz Amanita muscaria eingesetzt werden. In diesem Modellsystem soll die Hypothese überprüft werden, dass der Pilz die Sulfatversorgung der Pflanze durch eine erhöhte Aufnahme sowie einen intensiven Austausch mit der Wurzel verbessert und, in Analogie zu Rhizobien, dem Pilz von der Pflanze reduzierter Schwefel in Form von Glutathion zur Verfügung gestellt wird. In der ersten Phase wird der Einfluss der Schwefel- und Stickstoffernährung auf die Expression der Gene des Schwefel-Metabolismus in Pappel und im Pilz untersucht. Weiterhin soll der Einfluss der Modulation des Schwefelhaushalts in Pappeln durch genetische Manipulation auf die Wechselwirkung im Schwefelhaushalt zwischen Wurzel und Pilz analysiert werden.
Der südliche Indische Ozean gehört zu den am wenigsten untersuchten Meeresgebieten. Entlang eines zonalen Transekts bei 23°S im südlichen Indischen Ozean wollen wir mit Hilfe der Verteilung von isotopischen Tracern (Radiumisotope, Thorium, Helium) die Quellen, die Senken und die Flüsse von Spurenelementen (TEs: Cd, Co, Cu, Fe, Mn, Mo, Ni, V, Zn) in der Wassersäule untersuchen. Die Anwendung von Radiumisotopen (224Ra, 223Ra, 228Ra,226Ra,), Thoriumisotopen (234Th, 232Th) und Heliumisotopen (3He, 4He) erlaubt ein besseres Verständnis der biogeochemischen Zyklen von TEs. Da einige dieser Spurenelemente als Mikronährstoffe fungieren, wollen wir ihre biogeochemischen Kreisläufe und ihre Wechselwirkungen mit der Bioproduktivität im Oberflächenwasser sowie ihre Wechselwirkungen mit den Kohlenstoff- und Nährstoffkreisläufen erforschen. Durch die Kombination von Messungen von TEs mit Radium- und 234Th-Isotopen als Tracer für vertikale und horizontale Flüsse, 232Th als Tracer für den Staubeintrag und Heliumisotope als Tracer für einen hydrothermalen Eintrag, werden wir die Zufuhrpfade von TEs aus der Atmosphäre, den Kontinenten (hauptsächlich dem Sambesi-Fluss), den Sedimenten der afrikanischen und australischen Kontinentalschelfe und aus den hydrothermalen Quellen (Hydrothermalismus am Mittelindischen Ozeanrücken) bestimmen und quantifizieren. Diese Untersuchungen sollen auf Probenmaterial basieren, das während der Sonne Ausfahrt SO-276 (Juli – August 2020) von Durban (Südafrika) nach Fremantle (Australien) gewonnen wird. Unsere Untersuchungen sind Teil des international koordinierten Programms GEOTRACES und werden zum „Second Indian Ocean Expedition Program (IIOE-2)“ beitragen. Wir erwarten, dass die Ergebnisse der vorgesehenen Untersuchungen einen signifikanten Beitrag zum Verständnis von Ökosystemen und ihrem chemischen Milieu liefern werden.
